1. Synthèse bibliographique
1.2. Applications de l’électrodialyse
De nos jours, l’électrodialyse (ED) est le procédé utilisant des MEIs le plus implanté dans l’industrie [1]. L’ED a est appliquée pour le dessalement des eaux saumâtres depuis plus de 50 ans. Néanmoins, dans le cadre de cette application précisément, l’ED a été mise ces dernières années en concurrence avec la nanofiltration et l’osmose inverse.
Bien que l’ED soit un procédé de séparation membranaire, elle diffère des approches telles que l’ultrafiltration, l’osmose inverse, la nanofiltration, car elle ne sépare pas en fonction de la taille des particules, mais par leurs charges électriques. Cela a favorisé le développement de nombreuses applications principalement dans l’industrie chimique et agroalimentaire [1, 87]. Par ailleurs, des applications prometteuses sont en cours de développement en ED avec l’utilisation de membranes bipolaires [83, 88] et dans le domaine de la « chimie verte » [89, 90].
Actuellement, des applications telles que la déminéralisation du lactosérum ou la désacidification des jus de fruit ont une place importante à l’échelle industrielle. Elles s’ajoutent à des applications liées au dessalement et à la purification de l’eau, bien implantées dans l’industrie depuis plusieurs décennies.
1.2.1. L’électrodialyse et l’eau
Le dessalement de l’eau saumâtre et la pré-concentration du NaCl provenant de l’eau de mer restent les applications à grande échelle les plus importantes de l’ED conventionnelle.
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En 1995, la plus grande usine d’ED aux États-Unis a été installée dans le Comté de Sarasota, en Floride. En 2008, elle a produit 1900 m3/h d’eau potable à partir d’eaux souterraines contenant 1300 ppm de sulfate de calcium. Selon Reahl [91] de la société GE Water, le nettoyage des membranes dans de telles installations se réalise en inversant le courant électrique pour éviter l’encrassement des membranes.
Parmi les unités de moyenne taille, on peut citer par exemple une unité de dessalement d’eau saumâtre en Biskra, Algérie, produisant 120 m3/h d’eau potable. L’ED permet d’abattre de 80 % la teneur en TDS (« Total Dissolved Solids ») (de 2700 à 700 ppm) avec un taux de récupération d’eau de 80 %. La déminéralisation est obtenue en un seul étage, chaque empilement d’ED pouvant traiter 40 m3
/h [87].
L’ED est également appliquée pour produire de l’eau potable par dénitratation des eaux provenant des nappes phréatiques contaminées à cause de l’utilisation de fertilisants, [87, 92]. Enfin, si l’on considère les applications les plus répandues de l’ED liées à l’eau, nous devons également mentionner le traitement des eaux résiduelles et la pré-déminéralisation de l’eau d’alimentation de chaudière [32].
1.2.2. L’électrodialyse dans l’industrie agroalimentaire
Dans l’industrie agroalimentaire, l’ED permet de purifier, concentrer et déminéraliser des mélanges issus des produits laitiers, des jus de fruits, du sucre, du vin, etc. [93].
Sa faible consommation d’énergie, sa conception modulable, son efficacité et sa facilité d’utilisation, ainsi que la thermostabilité de nombreux produits alimentaires, sont les principaux arguments en faveur de cette technologie.
En 1998, l’autorisation par le Conseil de l’Europe d’utiliser l’ED pour la stabilisation tartrique du vin a permis d’accéder à un marché en pleine croissance [87]. Cette technologie permet d’extraire sélectivement le ditartrate de potassium et le tartrate de calcium et ainsi d’éviter des précipitations dans les bouteilles [94]. La stabilisation tartrique du vin peut être mise en place dans un empilement d’ED conventionnel opérant en mode batch. Les caractéristiques principales du vin (pH, acidité, teneur en sucre, dégrée d’alcool) ainsi que son goût, son arôme et sa couleur sont pratiquement inaltérées avec l’ED [93].
En 2006, la société EURODIA INDUSTRIE, S.A. a comptabilisé 90 unités d’ED, correspondant à plus de 200 réacteurs, principalement en France et Italie [87] ainsi que
35 plusieurs installations en service en Australie, Afrique du sud, Nouvelle-Zélande, États-Unis, Espagne, Allemagne et Portugal.
Parmi d’autres applications de l’ED dans l’industrie agroalimentaire nous pouvons mentionner la déminéralisation de la sauce soja [95], des mélasses [96], des acides aminés [97] du jus de cuisson des moules [98] ainsi que la désacification du jus de fruits [81].
Nous allons détailler un procédé sur lequel nous allons réaliser une partie de notre étude : la déminéralisation du lactosérum.
1.2.3. La déminéralisation du lactosérum par électrodialyse
Le lactosérum est un sous-produit de la fabrication du fromage. Avant sa réutilisation, il doit être déminéralisé pour devenir une solution valorisable dans une grande variété de produits. Outre l’eau, le lactosérum contient du lactose, de l’acide lactique, des protéines, de la matière grasse, et les sels suivants : NaCl, KCl, KH2PO4, MgHPO4, Ca(PO4)2, NaCO3, K2CO3, CaCl2, Mg(H2PO4)2, Na3(C6H5O7) et K3(C6H5O7) [99]. En plus d’être économiquement pertinente, la réutilisation du lactosérum permet d’éviter de rejeter cette solution dans les eaux usées dans les égouts, en raison de sa forte demande biologique en oxygène (DBO). Le Tableau 1-1 montre la composition du lactosérum ainsi que le pH et le DBO.
pH <6 DBO 31 Eau 93.6 Matières sèches 6.4 Lactose 4.9-5.0 Acide lactique 0.03-0.04 Protéines 0.84-1.10 Grasses 0.06-0.07 sels 0.49-0.56
Tableau 1-1. Données de pH, DBO et composition (en % en masse) du lactosérum doux [93].
Le lactosérum peut être déminéralisé soit par des résines échangeuses d’ions, soit par des procédés de séparation membranaires ou par combinaison de ces deux types de technologies. Parmi les procédés membranaires, l’ED ou la nanofiltration peuvent être appliquées. La nanofiltration est appropriée seulement pour la déminéralisation partielle, alors que l’ED et l’échange d’ions sont pratiques pour atteindre des niveaux plus élevés de déminéralisation.
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L’ED présente plusieurs avantages par rapport à d’autres processus de déminéralisation, tels que le faible impact sur l’environnement et la qualité supérieure du produit. Etant donné que le temps de travail d’un empilement est normalement de 20 heures par jour, la productivité de l’ED est également élevée. La Fig. 1-18 montre un empilement d’ED industrielle pour la déminéralisation du lactosérum procuré par EURODIA INDUSTRIE S.A.
Fig. 1-18. Photographie montrant plusieurs empilements d’ED pour la déminéralisation du
lactosérum (procuré par EURODIA INDUSTRIE S.A.).
Dans la déminéralisation du lactosérum par ED, des membranes échangeuses d’ions monopolaires sont placées dans l’empilement comme il est montré sur la Fig. 1-15. Au cours du procédé, les ions monovalents tels que K+, Na+ et Cl- sont éliminés, suivis par des ions multivalents, Ca2+, Mg2+, PO43- éliminant globalement 90% en masse de sels [93].
Généralement, le compartiment concentré est alimenté avec une solution de NaCl tandis que la solution idéale pour le rinçage des électrodes contient du Na2SO4 au lieu du NaCl pour éviter la formation de Cl2 dans le compartiment anodique. Afin de diminuer la précipitation de sels, le compartiment concentré est légèrement acidifié avec du HNO3 ou du HCl [100]. Pour les applications industrielles, il est plus favorable de concentrer le lactosérum à 20 TDS pour améliorer la performance faradique à haute densité de courant. La température optimale d’opération doit être entre 10 et 15 °C pour contrôler la croissance bactérienne et assurer la stabilité du lactosérum tout au long de la déminéralisation [101].
Dans le compartiment dilué, des grosses molécules organiques peuvent se déposer sur la surface des MEAs produisant du colmatage ou « fouling ». Cela entraîne une diminution de la surface active de la membrane et une baisse de l’efficacité de production. Dans le
37 compartiment concentré, des couches de sels ou « scaling » contenant Ca2+, Mg2+, PO43-, SO42- ou encore CO32- apparaissent à la surface des MECs [102, 103].
De ce fait, le nettoyage des membranes dit « Cleaning-In-Place » (CIP) est nécessaire pour l’optimisation des performances de la membrane et pour la minimisation des coûts de traitement.
Le CIP est traditionnellement réalisé en alternant des lavages acide-base une fois par jour. Simová et al. [101] réalisent le CIP de la manière suivante :
Rinçage à l’eau Rinçage acide Rinçage à l’eau Rinçage alcalin Rinçage à l’eau Rinçage acide Rinçage à l’eau
Le dernier rinçage acide permet de revenir au pH du travail. Outre le CIP, l’inversion de courant est couramment pratiquée pour eliminer le colmatage dans la surface des membranes. Une autre possibilité qui a prouvé son efficacité pour la réduction du colmatage est l’application de champs électriques pulsés, comme présenté par Ruiz et Sistat [104, 105]. Cifuentes-Araya a montré que la fréquence des champs électriques pulsés doit être optimisée en ajustant les ratios pulse/pause appliqués en cours de traitements d’ED pour maximiser le contrôle du colmatage et pour améliorer la performance du procédé [106].
De nombreuses unités d’ED sont intégrées dans des procédés de déminéralisation de lactosérum en Europe et dans le monde. La société EURODIA INDUSTRIE S.A. a communiqué en 2009 que la surface de membranes Neosepta® installées pour cette application représente plus de 65000 m2 en Europe [87].
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