Généralités sur les procédés baromembranaires

Cours et généralités sur les procédés baromembranaires, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

Principe du procédé d’UF

L’UF est un procédé de séparation membranaire basé sur l’application d’une pression comprise entre 1 et 10 bars. Couramment utilisée en industrie laitière pour la concentration des protéines laitières (lait et lactosérum) par élimination du lactose et des sels minéraux, cette technique permet également de fractionner des hydrolysats protéiques selon leur poids moléculaire (exprimé en kDa) afin de concentrer sélectivement les peptides d’intérêt biologique. Typiquement, un système d’UF est composé d’une cuve d’alimentation, d’une pompe permettant la circulation du fluide dans le système, d’une membrane de filtration de seuil de coupure spécifique, de différents manomètres placés de part et d’autre de la membrane ainsi qu’au niveau de la sortie du perméat. De ce fait, au fur et à mesure que le fluide à traiter passe à travers la membrane, les constituants retenus par la membrane seront concentrés dans le rétentat alors que ceux de tailles inférieures au diamètre des pores membranaires seront récupérés dans le perméat. La séparation membranaire par UF implique cependant l’utilisation de configurations membranaires spécifiques ainsi que l’application de paramètres précis [19] qui seront développés dans les prochaines sections.

Modes de filtration et conditions opératoires

Mode de filtration

Tel que présenté à la Figure 10, il existe deux modes de filtration distincts soient : la filtration tangentielle également appelée « cross-flow filtration » et la filtration frontale ou « dead-end filtration ». La filtration frontale consiste à filtrer le flux de liquide à traiter de manière perpendiculaire à la surface membranaire. Ceci favorise un colmatage membranaire rapide et nécessite des cycles de nettoyage fréquents. Dans le cas de la filtration tangentielle, le flux est filtré de manière parallèle à la membrane permettant ainsi de limiter le dépôt des particules et de minimiser le phénomène de colmatage. Ce type de filtration, étant le plus couramment utilisé en industrie afin d’améliorer la productivité de l’étape de filtration, a été appliqué dans le cadre de ce projet de recherche.
Figure 10: Présentation schématique d’une filtration en mode tangentielle (gauche) et frontale (droite).

Matériaux et configurations membranaires

Diverses configurations et matériaux membranaires peuvent être utilisés tout dépendamment du type de produit à traiter et les habitudes de transformation industrielles. En termes de configuration membranaire, des membranes planes, spiralées, tubulaires et à fibres creuses peuvent être directement installées sur le système de filtration (Figure 11). Concernant le matériau membranaire, ceux principalement employés pour le fractionnement d’hydrolysats peptidiques sont le polysulfone, le polyéthersulfone ou les dérivés cellulosiques. Hormis leurs caractéristiques structurales, ces matériaux diffèrent principalement en termes de caractères d’hydrophobicité et d’hydrophilicité [77].

Conditions opératoires

Plusieurs paramètres opératoires tels que recirculation tangentielle sont déterminants colmatage, etc.) des systèmes de filtration.
la pression transmembranaire (PTM) et la vitesse de pour maximiser les performances (flux de perméation,

La PTM

La PTM représente la force motrice de la filtration. Présentée à l’Équation 4, la PTM représente une moyenne de la pression appliquée à l’entrée (Pe) et à la sortie (Ps) du module, auxquelles est soustraite la pression appliquée à la sortie du perméat (Pp).
PTM = [(Pe+Ps)/2] – Pp Equation 4
où : PTM est la pression transmembranaire (Pa); Pe= pression à l’entrée du module de filtration (Pa); Ps= pression à la sortie du rétentat de filtration (Pa); PP= pression à la sortie côté perméat (Pa) : habituellement à pression atmosphérique, donc considérée comme négligeable.

La vitesse tangentielle

La vitesse tangentielle, exprimée en (m.s-1), correspond au débit du liquide à filtrer divisé par l’aire de la surface filtrante [19]. Généralement, plus la vitesse tangentielle est élevée, plus le colmatage est réduit du fait d’une diminution de la couche de polarisation de concentration. De plus, une forte vitesse tangentielle génère des forces de cisaillement importantes à l’interface de la membrane ce qui permet d’augmenter considérablement le flux de perméation.

 Le flux de perméation

Le flux de perméation (J) est directement relié à PTM appliquée au sein du système. Ce flux représente le débit du fluide à la surface de la membrane, exprimé en mètre carré par unité de surface. Le flux de perméation, exprimé généralement en kg.m-2.h-1, est considéré comme indicateur majeur des performances de filtration. Selon la loi de Darcy, le flux de perméation est défini comme suit :
J= PTM/μR Équation 5
où : μ = 0,55.10-3 Pa.s, PTM : Pression transmembranaire (Pa) et R représente la résistance hydraulique totale (sans unité).

Le colmatage membranaire

Définition du colmatage membranaire

L’apparition d’un colmatage membranaire est sans aucun doute le phénomène limitant majeur lié à l’utilisation des systèmes de filtration et a pour conséquence une baisse drastique des performances du système de filtration (baisse des flux de perméation, augmentation de la consommation énergétique, surutilisation des solutions de lavage, remplacement précoce des membranes de filtration). Globalement, le colmatage membranaire peut être défini comme la formation d’une couche recouvrant la surface de la membrane filtrante suite au dépôt progressif des particules du mélange dont la masse moléculaire est supérieure à celle des pores membranaires [19]. Ce terme est également utilisé pour décrire les changements de propriétés de surface membranaire induits par des interactions entre la membrane de filtration et les particules du mélange à filtrer [74]. Plusieurs mécanismes complexes sont liés à l’apparition du colmatage. Tout d’abord, il est expliqué par le phénomène de polarisation de la concentration qui est dû à la formation d’une couche fortement concentrée en protéines/peptides au voisinage de la membrane. Ce phénomène se traduit alors par une modification du gradient de concentration de part et d’autre de la membrane, la couche ainsi formée en surface va réduire le passage de la diffusion des solutés à travers la membrane. Le phénomène de polarisation de la concentration est généralement considéré comme un colmatage réversible, une simple dilution de la couche concentrée en solutés permet de diminuer le gradient de concentration initialement généré. Contrairement au phénomène de polarisation de concentration, le colmatage irréversible, dont plusieurs modèles ont été développés, est dû à la formation d’un dépôt à la surface ou à l’intérieur de la membrane. Ce type de colmatage engendre une diminution drastique de la perméabilité membranaire. L’intégrité de la membrane est alors restaurée par l’application d’une séquence adéquate de nettoyage chimique. Les différents mécanismes de colmatage sont présentés à la figure 13.
Plus spécifiquement, le colmatage se caractérise par l’apparition d’un flux critique (Jcrit) et d’un flux limite (Jlim) pouvant être déterminés expérimentalement à partir du tracé de la courbe du flux de perméation en fonction de la PTM (Figure 14). Cette courbe peut être séparée en trois zones distinctes :
– Une 1ère zone linéaire au cours de laquelle le flux de perméation augmente proportionnellement à la PTM. À ce stade les performances membranaires sont optimales jusqu’à l’atteinte du flux de perméation critique (Jcrit). L’atteinte de Jcrit est synonyme de l’apparition d’un colmatage irréversible.
– Zone 2 : Dès l’atteinte de Jcrit, la relation de proportionnalité entre le flux de perméation et la PTM est perdue et le flux de perméation tend à atteindre une valeur maximale de Jlim qui reste constant même si la PTM est augmentée. À l’atteinte de Jlim, le colmatage est considéré comme maximal. Ainsi le Jlim est atteint lorsque le Jcrit a été dépassé sur l’ensemble de la surface membranaire (formation d’un gel protéique/peptidique à la surface de la membrane).
– La 3ème zone de la courbe est représentée par une chute constante du flux de perméation quelle que soit la PTM appliquée. Le colmatage est maximal, les performances de la membrane sont très affectées et la transmission des espèces au travers de la membrane tend vers zéro.