Applications des techniques membranaires pour le traitement d’huiles

Les applications de la séparation membranaire dans le domaine du traitement des corps gras ont fait l’objet de nombreux travaux, qui ont concerné toutes les phases de l’élaboration des huiles et des graisses, et particulièrement l’étape de raffinage (Snape et Nakajima, 1996). Ce dernier a fait l’objet des travaux les plus complets, aussi bien à l’échelle laboratoire qu’à celle du pilote pré-industriel (Parmentier et al., 2003). La figure I.26 présente la position des applications des techniques membranaires envisagées dans les procédés de production d’huile végétale, par comparaison aux schémas conventionnels.

L’étape de raffinage des huiles brutes la plus étudiée est le dégommage, par ultrafiltration, généralement dans un mélange huile-solvant organique (Iwama, 1987; Lin et al., 1997; Jirjis et al., 2000; Ochoa et al., 2001; Pagliero et al., 2001; In-Chul Kim et al., 2002; Pagliero et al., 2004). Moins d’études ont été réalisées sur le traitement direct de l’huile (Lin et al., 1997; Subramanian et Nakajima, 1997; Subramanian et al., 1998a; Subramanian et al., 1998b; Ong et al., 1999; Alicieo et al., 2002; Koris et Vatai, 2002; Miyagi et al., 2003).

I.3.3.1. Filtration en milieu solvant

L’étude du dégommage par ultrafiltration a commencé dans les années 1970, principalement sur le mélange huile/hexane. Le problème de résistance des membranes aux solvants a longtemps limité ce procède (Ochoa et al., 2001). Le mélange huile/hexane micellaire conduit à un colmatage très important des membranes. Néanmoins, l’optimisation des conditions hydrodynamiques et l’apparition de nouvelles membranes permettent l’obtention de flux beaucoup plus élevés.

Le travail de Iwama (1987) a concerné de la séparation de lécithine de l’huile de soja dans l’hexane, avec des qualités d’huile dégommée satisfaisantes et des lécithines obtenues valorisables. Par ailleurs, Lin et al. (1997) ont étudié le dégommage de l’huile de coton dans l’hexane sur membranes DS-7 (1000 Da) et SEPA-AN03 (15 000 Da), et obtenu des qualités d’huile dégommée satisfaisantes. Les flux augmentent avec les élévations de la pression

Recyclage du solvant Hexane Extraction au solvant Préparation de graines Graines oléagineuses Préparation de graines Graines oléagineuses Extraction au solvant UF Ultrafiltration OI Osmose inverse NF Nanofiltration Huiles raffinées Désodorisation Lécithine Hexane Dégommage Eau Lécithine Déacidification Acide gras libre Acide Savon Soude Huiles raffinées Désodorisation Décoloration Acide gras libre

transmembranaire, de la température et même de la vitesse d’alimentation. Dans le cas du dégommage de l’huile de soja sur membranes en polyvinylidenefluoride (PVDF), poly(éther)sulfone (PES) et polysulfone (PS), Ochoa et al. (2001) rapportent que les flux diminuent rapidement en fonction du temps, ce qui traduit un important phénomène de colmatage. Toutefois, la qualité de l’huile filtrée reste satisfaite. Pagliero et al. (2001; 2004) ont également étudié le raffinage de l’huile de soja sur membranes en polyvinylidenefluoride (PVDF) de 20 kDa et polyimide (PI) de 6 kDa. Les résultats montrent que ces membranes présentent des bonnes sélectivités aux phospholipides (99%) et produisent des réductions partielles de la couleur. Le flux de perméat était compris entre 50 et 90 l/m2.h avec la membrane PVDF et entre 30 et 60 l/m2.h avec la membrane PI. Néanmoins, les flux diminuent rapidement en fonction du temps, mais augmentent avec les élévations de la pression transmembranaire, de la température et même de la vitesse de fluide.

L’utilisation de solvant permet d’augmenter les performances de filtration mais la fin annoncée des solvants dans l’industrie alimentaire, et l’absence de développement industriel significatif indique que cette voie n’est pas la plus adaptée (Parmentier et Fanni, 1998).

I.3.3.2. Filtration en milieu homogène

Les approches "sans solvant" ont permis d’atteindre des qualités d’huile dégommée satisfaisantes. L’ultrafiltration de l’huile de soja brute sur membranes en polysulfone (NTGS- 1100) et polyimide (NTGS-2100) montre que ces deux membranes présentent des bonnes sélectivités vis à vis des phospholipides (Subramanian et Nakajima, 1997), des pigments et de certain produit oxydé, ainsi que de bonnes stabilités sur une long durée (Subramanian et al., 1998b). La rétention des phospholipides est supérieure à 99%, alors que la couleur est réduite. Dans le cas de l’huile de tournesol, la performance de filtration de ces deux membranes est moins bonne. Elles ne présentent plus qu’une rétention des phospholipides de 50% pour la membrane polysulfone et 75% pour la membrane polyimide (Subramanian et al., 1998a). En fait, la séparation triglycéride-phospholipides est réalisable en phase homogène. Elle peut s’expliquer par la différence de taille entre les micelles de phospholipides et les triglycérides, mais d’autres hypothèses peuvent être formulées comme la structuration du milieu ou les interactions solutés/membrane (Parmentier et Fanni, 1998; Subramanian et al., 2001b; Pagliero et al., 2004).

Les flux obtenus lors de la filtration de l’huile de soja brute sont très faibles, autour de 0.5 l/m2.h. Des valeurs aussi faibles ne sont pas dues uniquement à la viscosité de l’huile, et

indiquent soit un colmatage important de la membrane soit l’existence d’interactions huile/membrane très importantes. Ces hypothèses sont confirmées par les résultats obtenus par Alicieo et al. (2002). Lors de l’ultrafiltration d’huile de soja avec des membranes fibres creuses de 100 kDa, les flux de perméat obtenus sont compris entre 2 et 10 l/m2.h selon le type de membrane, et peuvent être augmentés par élévations de la pression transmembranaire et de la température. Le taux de rétention des phospholipides est compris entre 70 et 99%. Le seuil de coupure n’est pas le seul facteur déterminant la sélectivité d’une membrane (Parmentier et Fanni, 1998).

Les membranes poly(éther)sulfone (type de ES209, 9000 Da) s’avèrent également favorables pour dégommer, et même décolorer l’huile de palme brute (Ong et al., 1999). La membrane permet une rétention des phospholipides et des carotènes, respectivement supérieure à 96% et à 15%, mais avec un flux de perméat proche de 1 l/m2.h avec une pression transmembranaire de 26 bars. Ce résultat serait dû au colmatage et à la formation d’une couche de polarisation de concentration.

Le dégommage de l’huile sur membranes céramiques est aussi efficace que celui sur membranes organiques (De et al., 1998). Dans le cas de dégommage de l’huile de soja brute, les membranes céramiques présentent une sélectivité vis à vis des phospholipides plus élevée que celle des membranes polysulfone, mais le flux de perméat obtenu est plus faible (Alicieo et al., 2002). Une rétention des phospholipides plus élevée peut aussi être obtenue par addition de petites quantités d’eau (5 à 10%) dans l’huile brute (De et al., 1998; Koris et Vatai, 2002).

Dans toutes les études réalisées, l’ultrafiltration permet de décolorer partiellement l’huile, peut-être parce que les composés colorants sont emprisonnés dans les micelles (Subramanian et al., 1999; Pagliero et al., 2004). L’ultrafiltration ne peut en revanche pas être utilisée pour la déacidification, car les acides gras passent librement (Subramanian et al., 1998b; Ong et al., 1999).

Cependant, en dépit des avantages considérables en termes de qualité des produits et d’impact sur l’environnement, la majorité des procédés membranaires testés présente deux défauts: un colmatage important induisant une instabilité trop grande des débits, et des performances trop faibles en terme de débit de perméation.