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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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Principe
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7. Vue d’ensemble des principales applications en industrie alimentaire
Les opérations de filtration tangentielle sont devenues des outils industriels incontournables dans les technologies alimentaires depuis près de 30 ans. Les principales applications sont développées dans le secteur laitier (30 à 40 % du marché, part équivalente à celle des fluides industriels) pour la concentration des protéines du lactosérum, la standardisation du lait en protéines…, loin devant les bioproduits (10 %) et les autres produits alimentaires (6 %) : boissons (vin, bière, jus et concentrés de fruits et de légumes) ; ovoproduits.
Les raisons de ce formidable succès industriel sont multiples et relèvent de différents niveaux de rupture avec la transformation alimentaire classique.
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Meilleure qualité des produits
La membrane est un filtre physique, elle fonctionne sans ajout de produits chimiques et constitue une barrière absolue pour beaucoup de composés. La concentration à basse température par opposition aux opérations thermiques d’évaporation est un atout déterminant de la qualité biologique, nutritionnelle et organoleptique.
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Facilité d’intégration industrielle et fiabilité
Les équipements sont modulaires, ils se prêtent donc bien à un dimensionnement ajusté ; ils sont flexibles, généralement compacts ; les opérations peuvent être facilement conduites en continu et automatisées avec fiabilité. Elles peuvent être combinées à des opérations existantes pour améliorer la qualité d’un produit ou augmenter la capacité d’une unité.
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Respect de l’environnement, réutilisation, gain de matière première
Les procédés intégrant les membranes sont à considérer comme des opérations propres. Les cofractions obtenues sont souvent valorisables. Par ailleurs, l’ultrafiltration, la nanofiltration et l’osmose inverse sont des outils de choix pour la récupération de matière alimentaire et le recyclage ou la réutilisation d’effluents à la source (eaux de procédé, condensats, ultrafiltrats, nanofiltrats, osmosats ; saumures, solutions de détergents…). Les bioréacteurs à membrane de micro- et ultrafiltration acceptent des charges volumiques plus élevées et produisent moins de boues que les traitements biologiques conventionnels pour la dépollution des eaux résiduaires. La qualité...
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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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