Discussion générale

L’UF du lait écrémé constitue l’opération unitaire essentielle à la production de MPC ou à la standardisation du lait de fromagerie. Cependant, son utilisation implique l’usage de ressources notamment l’énergie. Dans un système d’UF, la pression transmembranaire et la température sont les principaux facteurs influençant l’utilisation de l’énergie. Selon des travaux antérieurs de quantification d’énergie des procédés d’UF, plus la PTM est élevée, plus l’énergie consommée est importante (52). Pour cette raison, nous avons choisi d’étudier l’impact de PTM constante faible (465 kPa), élevée (672 kPa) et dynamique (465 à 672 kPa) sur la consommation énergétique in situ, et ce, à 10C et 50C. Ce dernier choix était d’autant plus important que la température a un impact sur les flux de perméation et la composition des produits générés (perméat et rétentat) en cours de filtration. À partir de ces informations, nos travaux visaient à caractériser l’impact de ces variables (PTM et température) sur l’efficience du procédé d’UF lors de la concentration du lait écrémé à 3.6X.

Dans un premier temps, l’objectif était de caractériser l’effet des paramètres opératoires (PTM) et de la température de filtration sur la sélectivité et le flux de perméation lors de la concentration du lait écrémé par UF. Les principaux résultats obtenus ont montré que :

 À une température de 50C, l’effet de la PTM (T1, T2, T3) influence significativement le flux de perméation lors de la concentration du lait par UF. À cette température, la PTM élevée (T1) induit un flux de perméation moyen plus faible comparativement à la PTM faible (T2). De plus, la PTM dynamique induit une baisse drastique du flux de perméation (perte de flux de 80% à 2.4X). De ce fait, le mode opératoire à PTM faible (T2) semble être une meilleure option car le flux de perméation est plus élevé et stable au cours de l’UF. À une température de 10C, les flux de perméation à différentes PTM (T1, T2, T3) sont similaires. Par contre, à cette température, le flux de perméation à PTM élevée (T1) semble plus stable jusqu’à 3.6X (figure 3.1). Finalement, à une température de 50C la viscosité de l’eau est réduite, ce qui augmente le flux de perméation significativement. Le flux de perméation à 50C est près de 1.5 fois plus élevé que l’UF à 10C, et par conséquent permet d’atteindre le FCV 3.6X plus rapidement.

 Au niveau de l’encrassement de la membrane lors de l’UF, la résistance totale est plus importante à 50C comparativement à 10C. Aussi, lors de l’UF à 50C, la concentration par polarisation (résistance réversible) est plus élevée qu’à basse température. Ceci peut être expliqué par un dépôt plus important des minéraux (calcium et phosphate) et des protéines de petite taille due à l’activité de la plasmine qui est accentuée près de la température physiologique (77). D’un autre côté, l’encrassement irréversible (adsorption des molécules aux pores de la membrane) est supérieur lorsque le lait est filtré à basse température. Au niveau de la PTM, c’est la faible PTM (T2) qui a une résistance réversible (couche de gel) inférieur comparativement aux autres modes opératoires (T1, T3). Par ailleurs, une compaction de la membrane est observée à haute température (50C) ce qui a pour effet de déformer les pores et d’augmenter la résistance hydraulique (44).

 Lors de l’UF du lait écrémé, l’effet de la température est observé au niveau du coefficient de rejet du calcium. Une rétention plus grande de calcium dans le rétentat est observée à 50C comparativement à 10C, représentant un coefficient de rejet de 0,77 et 0,67 respectivement. Cette observation est en accord avec plusieurs travaux antérieurs démontrant le passage du calcium soluble à travers la membrane d’UF à basse température (10-15C) (77) (80) (86). Aussi, aucune différence significative n’est remarquée quant au coefficient de rejet des protéines, ce qui valide une rétention complète des protéines par la membrane de 10 kDa.

Le deuxième objectif de nos travaux visait à caractériser l’effet de la PTM et de la température sur la consommation énergétique du système d’UF. Les principaux résultats obtenus lors cette étude ont démontré que :

 La consommation énergétique attribuée au pompage, mesurée in situ, est indépendante de la PTM appliquée et dépend essentiellement du temps de filtration pour atteindre le FCV de 3.6X. Pour produire 1 kilogramme de rétentat 3.6X à 10C et 50C, la consommation d’énergie mécanique correspond à 0,28 et 0,12-kWh respectivement. La consommation énergétique mesurée in situ est plus élevée que celle obtenue par l’application d’équations théoriques décrites par Cheryan et al.(52) où l’énergie mécanique théorique correspond à 0,05 et 0,02-

kWh/kg rétentat lors de l’UF à 10C et 50C respectivement. Cette différence peut s’expliquer par le fait que l’équation théorique prend en compte le facteur d’efficacité énergétique énoncé par le fournisseur qui est généralement obtenu avec de l’eau comme fluide à pomper. Aussi, ce facteur d’efficacité est exact lorsque le couple moteur-pompe fonctionne à l’intensité nominale qui est de 5 ampères. Dans notre cas, l’intensité réellement consommée est en moyenne de 2,5 ampères ce qui signifie que l’efficacité du couple moteur-pompe est bien en deçà de la valeur théorique. En fait, plus la charge contrée par le moteur est élevée, plus le moteur est performant en terme d’efficacité à utiliser l’énergie électrique. Dans cette étude, les résultats suggèrent que la charge n’est pas assez grande et que le moteur est trop puissant pour la surface membranaire. Ainsi, le débit d’alimentation est trop élevé, on parle alors de surdimensionnement du moteur.

 La consommation d’énergie thermique pour chauffer un kilogramme de rétentat 3.6X jusqu’à 50C est de 0,16-kWh, ce qui est plus élevé comparativement à l’énergie requise pour maintenir le fluide à 10C qui est de 0,035-kWh. La consommation énergique thermique est inférieure à l’énergie requise pour le pompage, contrairement à l’étude de Rinaldoni et al.(54). Ceci peut être expliqué par le fait que le calcul thermodynamique utilisé ne prend pas en compte l’efficacité de l’échangeur de chaleur utilisé et donc sous-estime l’énergie thermique. Le système de filtration utilisé comprenait un échangeur de chaleur avec une surface de contact insuffisante pour maintenir le fluide à basse température. Un autre système de refroidissement a dû être utilisé.

 La température d’UF a un impact significatif sur la consommation énergétique totale du système de filtration contrairement à la PTM appliquée. L’énergie totale pour obtenir un kilogramme de rétentat 3.6X à 10C et 50C est de 0,32 et 0,26-kWh. Ces résultats sont comparables à une étude internationale qui a évalué la consommation énergétique au niveau industriel de certains produits laitiers (beurre, poudre de lait, poudre de lactosérum et lait concentré). Les auteurs rapportent que la production d’un kilogramme de lait concentré nécessite en moyenne près de 0,47-kWh (19).

Le troisième objectif de nos travaux visait à mettre en relation les variables technologiques à l’étude et la consommation énergétique afin d’offrir aux utilisateurs des pistes pour améliorer leur efficience industrielle au niveau du procédé d’UF. Les résultats obtenus prennent la forme suivante :

 Une relation entre le flux de perméation et la consommation énergétique totale a été développée sous forme de graphique facilement interprétable, figure 3.3. La figure permet de présenter de manière visuelle le ratio d’efficience du flux de perméation final (à 3.6X) et de l’énergie totale pour produire un kilogramme de rétentat 3.6X. Les résultats révèlent qu’il est plus efficient d’opérer à température élevée (50C) et à PTM faible constante. Finalement, le mode opératoire le moins efficient est à PTM dynamique et à une température de filtration de 10C.

La principale limite de ce travail de maîtrise réside au niveau du contrôle des modes opératoires étudiés (PTM, température) sur le système d’UF à l’échelle pilote. En effet, l’ajustement de la PTM était réalisé manuellement mais les fortes vibrations du système entraînaient un léger désajustement de la valve de restriction au cours de la filtration. Au niveau du contrôle de la température, le fluide était maintenu à 50C tout au long de la filtration ce qui ne reflète pas la réalité industrielle. Un échangeur de chaleur à l’entrée du système aurait été plus réaliste afin de réduire le temps d’exposition du lait à haute température. Cette courte exposition à une température élevée (50C) influencerait moins l’équilibre physicochimique du lait et réduirait le développement de bactéries thermophiles. Par contre, les résultats démontrent une bonne reproductibilité de l’expérience même si seulement deux répétitions ont été réalisées. Un bloc d’essais a donc été éliminé puisqu’il a eu des pertes de matières trop importantes et à une température de filtration trop élevée (15C). Bien qu’il aurait été idéal de réaliser trois répétitions, le temps était le principal défi. En effet, le bloc à froid a demandé beaucoup de temps d’adaptation pour le bon fonctionnement du système et l’élaboration d’un échangeur de chaleur efficace.

À la vue des différents résultats des travaux présentés dans ce mémoire, nous pouvons affirmer que l’hypothèse présentée au chapitre 3 est valide pour plusieurs raisons. Tout d’abord, filtrer du lait à température élevée (50C) et opérer à pression transmembranaire à faible constante (465 kPa) assure un bon flux de perméation et réduit l’encrassement membranaire. Un plus faible encrassement rend

plus efficace les lavages chimiques et augmente la durée de vie du matériau membranaire, ce qui est non négligeable pour l’utilisation des ressources dans le cycle de vie d’un rétentat d’UF ou d’un MPC. En second lieu, l’hypothèse soulevée spécifie que l’optimisation des paramètres technologiques est mesurable sur l’efficience du procédé d’UF. En effet, l’utilisation d’une pince ampérométrique assure une précision et une exactitude de la consommation d’énergie électrique pour le pompage qui peut être mise en relation avec les performances du système UF.