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RÉSUMÉ
Les opérations de séparation par membrane mettent en œuvre des technologies performantes, fiables et économiques, à condition que le procédé soit adapté. Cet article se veut une présentation complète des connaissances nécessaires à l’ingénieur pour effectuer le bon choix parmi toutes les technologies existantes. Sont détaillés entre autres les principes et fonctionnements des procédés de séparation par membrane dense, par membrane poreuse et les bioréacteurs à membrane.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pierre AIMAR : Laboratoire de génie chimique - UMR CNRS/INP/UPS - Université Paul-Sabatier (Toulouse)
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Georges DAUFIN : Institut national de recherche agronomique - Science et technologie du lait et de l’œuf, UMR INRA - ENSA Rennes pour le paragraphe « Applications » (§ 7)
INTRODUCTION
Les opérations de séparation par membrane forment une classe assez large de techniques s’appliquant aux séparations liquide/liquide, gaz/liquide, solide/liquide ou encore gaz/gaz. Pendant longtemps, l’essentiel des opérations basées sur des membranes ont été des séparations. Les nouveaux matériaux développés ont ensuite été exploités comme contacteurs. Dans ce cas, ce n’est plus la sélectivité de la membrane qui est recherchée, mais sa capacité à matérialiser une interface entre des phases qui doivent échanger de la matière ou de l’énergie.
Ces séparations sont en général appréciées pour leur faible consommation énergétique et leur relativement bonne sélectivité. C’est pour cette raison que les secteurs de l’environnement et du traitement de l’eau ont adopté ces dernières années de telles technologies. Une autre caractéristique importante concerne les conditions particulièrement douces de fonctionnement, en matière de contraintes de cisaillement, de température et d’absence de changement d’état.
Les opérations de séparation par membrane doivent aujourd’hui être considérées comme des technologies avancées, performantes et avantageuses à l’usage. Leur installation et leur mise en œuvre nécessitent une attention et une expertise particulière. Moyennant cela, on obtient des procédés industriels extrêmement performants, fiables et économiques, et dont dépendent aujourd’hui plusieurs secteurs : industrie de l’eau, pharmacie, santé, alimentaire.
Cet article a pour but de fournir des informations de base aux techniciens, ingénieurs ou étudiants du domaine de l’industrie alimentaire, qui souhaitent, avant d’approfondir l’une ou l’autre de ces technologies, disposer d’un ensemble de connaissances leur permettant de comprendre des procédés existants, de dialoguer avec des fournisseurs ou encore de préparer des dossiers techniques. En cas de nécessité, des cahiers techniques plus spécifiques leur permettront d’approfondir chacun des procédés et de commencer un travail précis de dimensionnement ou d’analyser une campagne d’essais.
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Bioréacteurs à membrane
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5. Fonctionnement
Les procédés de séparation par membrane offrent la possibilité de fonctionner en discontinu ou en continu. Dans ce dernier cas, on peut être contraint d’interrompre l’exploitation à la suite du colmatage des membranes qui, en faisant diminuer le flux ou en modifiant la sélectivité, éloigne l’installation de son point de fonctionnement. Le nettoyage permet ensuite, par une procédure chimique ou mécanique, de retrouver les caractéristiques des membranes.
5.1 Nettoyage des membranes
Le nettoyage des membranes est une opération indispensable qui permet de retrouver des conditions d’exploitation convenables par rapport au cahier des charges. Il faut noter que le nettoyage ne permet, en général, pas de retrouver les caractéristiques initiales de la membrane neuve. Par contre, lorsqu’une procédure de nettoyage a été mise au point et est utilisée régulièrement, on retrouve après chaque nettoyage des propriétés de membrane sensiblement toujours identiques. On peut observer une dégradation très progressive de ces propriétés, correspondant par exemple à un encrassement en profondeur qu’il n’est pas toujours possible de récupérer. On commentera deux modes de nettoyage.
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Il s’agit, en général, de cycles de régénération comportant une phase acide et une phase basique, séparés par des phases de rinçage de l’installation à l’eau du réseau ou à l’eau déminéralisée. En général, les fabricants de membranes recommandent des formulations adaptées à leurs membranes et à leurs applications. De manière générale, les nettoyages acides permettent d’éliminer les cations et d’éviter la formation ultérieure d’hydroxydes insolubles qui, lorsqu’ils précipitent dans les membranes, forment des dépôts extrêmement difficiles à nettoyer par la suite. Les phases de nettoyage alcalines sont destinées à hydrolyser la matière organique et biologique. On les utilise souvent en combinaison avec des formulations chlorées et des agents tensioactifs, afin d’éliminer, de manière approfondie, les agents colmatants en cours de dégradation et d’assurer...
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ANNEXES
Données fournies par Mme Sandrine Desclaux (Laboratoire de Génie chimique - Université Paul-Sabatier de Toulouse), extraits parus dans l’article Doc. J 2791 du traité Génie des procédés des Techniques de l’Ingénieur.
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Prix des membranes organiques d’osmose inverse
Les membranes d’osmose inverse avaient fin 2003 un prix de vente compris entre 12 et 26 US $ /m2, soit environ 10 €/m2 pour les moins chères, généralement à base de dérivés cellulosiques,...
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