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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. Plus récemment, les nouveaux matériaux développés ont 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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Notions et mécanismes de base
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1. Principe
Une membrane est une barrière matérielle (film polymère, céramique ou, rarement, métallique) qui permet le passage sélectif de certains composés du fluide à traiter, sous l’action d’une force agissante : gradient de pression, de potentiel électrique ou de potentiel chimique [1] [2] [3].
Le tableau 1 donne une vue synthétique des caractéristiques des membranes et des principales séparations qu’elles permettent.
Développées à partir des années 1970, sur des bases posées vers les années 1960, les opérations de séparation par membrane ont tout d’abord consisté à suppléer ou supplanter des opérations plus classiques (filtration essentiellement). Par la suite, la disponibilité de ces matériaux a encouragé la créativité des chercheurs, technologues ou ingénieurs, et on a vu apparaître des nouveaux procédés, remplissant de nouvelles fonctions et permettant l’élaboration de produits ou de propriétés inaccessibles ou inconnus jusqu’alors.
Le choix d’un type d’opération par membrane à mettre en œuvre pour réaliser une séparation est relativement facile à opérer, en fonction des caractéristiques des molécules ou des espèces à séparer et des différentes forces agissantes qui permettent la mise en œuvre de ces séparations. Le choix des membranes parmi l’offre du marché est, lui, relativement plus difficile. Une des raisons à cela est la grande variété de géométries (tableau 2) et de matériaux disponibles (tableau 3). Une autre raison est liée au manque de règles bien établies permettant de prévoir avec précision le comportement de tel ou tel matériau vis-à-vis de tel ou tel fluide. De plus, les grandeurs qui caractérisent les membranes ne font pas l’objet de normes communément appliquées, et leur signification n’est pas encore suffisamment fermement établie pour que l’on puisse, à la seule lecture de quelques chiffres, anticiper avec précision les performances d’un module membranaire comme on peut le faire avec un échangeur de chaleur, par exemple.
L’estimation des grandeurs de transfert et des sélectivités est...
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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, et 22 €/m2 pour les composites (source : Bob Riley, ICOM’90 Proceedings, vol. II).
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Prix des membranes d’ultrafiltration
Les fourchettes de prix sont très étendues (tableau 1) selon le contexte...
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