Nettoyage et désinfection des membranes
Nettoyage et décolmatage des membranes de filtration

Quels que soient les procédés à membranes, les matériaux membranaires et les fluides filtrés, force est de constater qu'un colmatage plus ou moins important se met en place de façon systématique au cours de la filtration (tangentielle comme frontale). Outre la limitation du flux et la modification de la sélectivité des transferts à travers la membrane, le colmatage, lorsqu'il est d'origine organique, constitue un apport nutritif aux micro-organismes qui, s'ils ne sont pas éradiqués, sont alors libres de se développer dans les équipements, provoquant potentiellement des problèmes de sécurité sanitaire des productions suite à l'installation quasi irréversible d'un biofilm que l'on peut définir comme des micro-organismes enchâssés dans un « ciment » d'exopolysaccharides [1]. Ce constat général peut cependant être nuancé selon les applications.

Dans le domaine de la filtration d'eau, le fluide d'intérêt est le perméat. Celui-ci, ayant passé la barrière physique de la membrane, efficace pour la rétention des bactéries (microfiltration, MF) et éventuellement des virus (ultrafiltration de l'ordre de 30 kg · mol^–1, UF), présente peu de risques de contamination, d'autant plus que la législation oblige à une désinfection complémentaire, les membranes n'étant pas agréées comme procédé de désinfection. La problématique de la production (UF, MF) est alors beaucoup plus axée sur la gestion des flux qui se traduit par une mise en œuvre originale faisant appel à des rétrofiltrations régulières (inversion du flux qui circule alors du perméat vers le rétentat) avec une fréquence variable selon l'origine de l'eau à traiter. Ce décolmatage physique régulier, accompagné d'un faible taux de chlore, permet le maintien de flux de production acceptables et retarde la mise en œuvre du nettoyage chimique qui peut n'intervenir qu'une fois par semaine [2].

Les membranes spirales de nanofiltration (NF) et d'osmose inverse (OI) constituent un cas particulier dans ce paysage, car les matériaux membranaires, généralement en polyamide, sont rapidement dégradés par les désinfections en milieu oxydant : les produits de désinfection tels que le chlore hydrolysent de façon irréversible les liaisons covalentes de la matrice polymère et fragilisent la peau active. Ainsi, les membranes de NF sont peu désinfectées bien que régulièrement nettoyées [3] et vendues avec une teneur en chlore cumulatif maximale d'exposition.

Les membranes d'osmose inverse, sous forme spirales, qui sont utilisées pour le dessalement des eaux saumâtres ou de l'eau de mer, peuvent quant à elles n'être nettoyées qu'une à deux fois par an, mais sont le site de développement de biofilms très importants, visibles à l'œil nu [4].

Les applications du domaine des industries agroalimentaires (IAA) sont diverses [5], mais environ 50 % d'entre elles intéressent l'industrie laitière à l'origine de l'implantation mondiale de ces procédés dans les IAA. Dans ce contexte, le fluide à valoriser est souvent un concentré qui constitue le rétentat et n'a donc pas passé la barrière physique de la membrane. La problématique est donc très différente de celle du traitement des eaux et la sécurité sanitaire des installations doit être irréprochable de part et d'autre de la membrane. Cela conduit en moyenne à deux nettoyages chimiques quotidiens, préliminaires indispensables à une désinfection efficace. Le coût de cette opération de nettoyage/désinfection est important en termes d'énergie (jusqu'à 30 % du temps de pompage) mais également de consommation d'eau (1 à 5 m³ d'eau par 100 m ² de membrane et par opération), de produits détergents divers (la plupart du temps, il s'agit de nettoyage en place (NEP) avec des solutions à usage unique) et, bien sûr, de traitement ultérieur des effluents de volumes similaires à la consommation d'eau.

Pour conclure cette introduction, citons une enquête conjointe de l'ADEME et du Club Français des Membranes [6] qui souligne que le verrou scientifique et technique que constitue la maîtrise du colmatage et du nettoyage est ressenti par les industriels comme un frein au développement plus important de ces procédés, par ailleurs propres, sobres et sûrs. Le nettoyage est donc une étape incontournable pour la production durable par procédés à membranes.