Description des différents procédés membranaires . 26

Nous décrivons succinctement dans ce paragraphe et dans cet ordre les techniques de filtration basées sur un gradient de pression, de potentiel chimique puis de potentiel électrique.

Les procédés membranaires à gradient de pression

Quatre types de procédés à gradient de pression peuvent être distingués en fonction de la taille des particules/molécules à sélectionner [40, 44] :

— la microfiltration (MF) permet de retenir les espèces dont la taille est de l’ordre du micron. Le gradient de pression appliqué est en général inférieur à 2 bar pour des membranes dont la taille des pores est en moyenne comprise entre 0.1 à quelques microns. Le procédé de MF est largement utilisé dans les domaines de l’agroalimentaire, des produits laitiers et de la biotechnologie [46, 47] par exemple pour clarifier des suspensions.

— L’ultrafiltration (UF) est une filtration à l’échelle moléculaire qui permet de sé-parer des macromolécules en phase liquide en appliquant un gradient de pres-sion allant de 1 à 3 bar. La taille des pores des membranes d’UF varie entre 2 et 100 nm. Le procédé d’UF peut être utilisé pour retenir les protéines et certains ions [48, 49].

— la nanofiltration (NF) permet de retenir les petites molécules et sépare partiel-lement les sels de l’eau avec des pressions de 10 à 30 bar. Ce procédé se situe entre l’osmose inverse et l’ultrafiltration. La taille des pores de ces membranes est de l’ordre du nm. Cette technique est souvent utilisée pour l’adoucissement de l’eau (séparation des sels minéraux) [50, 51].

— l’osmose inverse (OI) met en jeu des membranes denses qui retiennent toutes les espèces dissoutes dans l’eau dont les sels. Le gradient de pression appliqué varie de 40 à 100 bar et force le solvant à passer à travers la membrane dense d’une région concentrée en soluté (rétentat) à une région peu concentrée en soluté (perméat). L’application la plus importante de l’OI est le dessalement de l’eau de mer pour la production d’eau pure.

Ces quatre techniques sont aujourd’hui les plus exploitées dans l’industrie. Il existe des productions automatisées pour des applications à grande échelle telles que les oxygénateurs de sang pour le maintien de la stabilité du flux sanguin (membrane type microfiltration), la filtration leucocytaire (membrane type ultrafiltration) et les mem-branes pour la production d’eau potable.

Les procédés membranaires à gradient de potentiel chimique

La pervaporation ainsi que la dialyse sont deux procédés qui sont gouvernés par une différence de potentiel chimique de part et d’autre de la membrane [40, 44]. Les solutés migrent à travers la membrane pour équilibrer les potentiels chimiques de part

et d’autre de celle-ci.

— La pervaporation est un procédé de séparation des constituants d’un mélange liquide qui consiste à vaporiser préférentiellement un composé à travers une membrane polymérique. Cette technique est utilisée par exemple pour le traite-ment des effluents aqueux ou la séparation de solvants organiques.

— La dialyse sert à extraire les matières indésirables d’un fluide. La séparation s’effectue en fonction de la masse moléculaire du composé. L’application la plus répandue de cette technique est destinée à la dialyse rénale.

Les procédés membranaires à gradient de potentiel électrique

L’électrodialyse est un procédé qui permet, sous l’influence d’un champ électrique continu, d’extraire les espèces ioniques contenues dans une solution aqueuse. Les es-pèces migrent à travers une membrane sélective qui autorise les échanges d’ions. En plaçant plusieurs membranes en parallèle laissant passer alternativement les ions po-sitifs et les ions négatifs, il est possible d’éliminer certains ions de l’eau. Il existe plu-sieurs types d’électrodialyse qui se dissocient par l’empilement de membranes échan-geuses d’ions disposées en alternance. Les principales applications de l’électrodialyse consistent en la concentration, la dilution voire l’épuisement ionique de solutions. Cette technique est essentiellement utilisée pour le dessalement de l’eau de mer. 1.2.2.3 Quelques exemples d’exploration de diagrammes de phase

En s’appuyant sur une expérience de compression osmotique, il est possible de déterminer le diagramme de phase de dispersions colloïdales. Cette expérience est décrite en détail dans le chapitre 5 c’est pourquoi ici nous en donnons une brève pré-sentation. La figure 1.9 illustre le principe d’une expérience de pression osmotique basée sur le processus de dialyse. Un sac de dialyse contenant une dispersion colloï-dale est plongé dans un bain osmotique (cf. figure 1.9 (a)). La membrane de dialyse retient uniquement les colloïdes et laisse passer les espèces chimiques dont la taille est inférieure à celle des colloïdes. La différence de potentiel chimique entre l’inté-rieur et l’extél’inté-rieur du sac de dialyse, permet d’extraire la phase liquide et de réduire le volume occupé par la dispersion colloïdale (cf. figure 1.9 (b)). Il est alors possible de concentrer continûment la dispersion colloïdale et l’apparition d’une transition de

(a) (b)

sel

FIGURE 1.9: Expérience de compression osmotique. (a) Sac de dialyse contenant une dispersion col-loïdale plongée dans un bain osmotique à un instant t. (b) Concentration de la dispersion colcol-loïdale à un instant t+ dt.

phase est déterminée par analyse structurale (microscopie, SAXS, etc.). La concentra-tion correspondant à un changement de phase est estimée en mesurant par extrait sec la masse totale de la dispersion colloïdale. Grâce à cette méthode, les transitions de phase de dispersions colloïdales d’argile, de nanoparticules de silice ou de latex ont été observées [37, 52–55].

La figure 1.10 illustre une autre méthode de cristallisation de protéines basée sur le processus de dialyse [39]. Cette méthode consiste à isoler la protéine de la solution

Bouton de dialyse Réservoir

FIGURE1.10: Principe de la cristallisation par dialyse : la goutte de protéines est retenue dans le bouton de dialyse et échange avec le réservoir contenant les agents cristallisants [38].

d’agents cristallisants par une membrane semi-perméable qui autorise uniquement la solution d’agents cristallisants à se mélanger lentement par diffusion à la protéine (qui ne traverse pas la membrane). Il est alors possible de construire le diagramme de phase pour une cristallisation par dialyse. La protéine est généralement placée dans un dis-positif commercialisé de type bouton de dialyse ou sac de dialyse [38]. La méthode de cristallisation de protéines par dialyse est notamment utilisée pour changer le tampon

d’une protéine tout en gardant sa concentration constante, lors d’un changement de pH ou d’une diminution de la concentration en sel.