Effet des conditions opératoires sur la performance du procédé d’UF

L’étape clé de la production de rétentats d’UF ou MPC, implique des choix technologiques qui peuvent varier selon le transformateur laitier. Les modes opératoires comme la PTM ainsi que la température de filtration ont des effets sur la performance du procédé. Ces choix technologiques sont susceptibles d’affecter l’efficience du procédé d’UF.

1.4.4.1 La PTM

La plupart des applications d’ultrafiltration industrielles fonctionnent à flux de perméation constant. Le mode opératoire à flux constant consiste à faire passer la solution à travers la membrane d’UF à débit constant puisque la perte de flux est remédiée grâce à l’augmentation graduelle de la PTM. À l’opposé, lorsque le fluide est filtré dans des conditions où la pression transmembranaire est maintenue constante, inévitablement, après un certain temps, une baisse de flux est observée (41). Ainsi, l’industriel peut filtrer à différents niveaux de PTM et appliquer le mode de filtration à flux constant ou à pression transmembranaire constante.

1.4.4.1.1 Effet de la PTM sur le flux de perméation

La PTM a un effet direct sur le flux de perméation, démontré à l’équation 9. En effet, il est connu que le flux de perméation augmente linéairement avec l’élévation de la PTM en début de filtration (37) (41) (42) (73). Cependant, il est également démontré que la PTM a un effet sur l’encrassement de la membrane polymérique. En effet, les études de Kanani et al. (74) et Huang et al. (73), ont démontré que l’application d’une faible pression transmembranaire procure un encrassement moindre et permet la prolongation du temps d’utilisation de la membrane. Pour atténuer l’encrassement causé par une PTM élevée, l’industriel choisi généralement d’opérer à flux constant. Ceci est basé sur le fait que le mode de filtration à flux constant est moins encrassant que le fonctionnement à PTM constante, car il évite une PTM élevée lors des premières minutes de la filtration (74). À l’opposer, l’étude de Miller et al. (43) a démontré, lors de l’ultrafiltration d’une solution émulsifiante, que la PTM constante inférieure au flux critique procure un encrassement de la membrane moindre comparativement au mode opératoire à flux constant et à PTM constante élevée. La littérature soulève donc des conclusions

contradictoires quant à l’effet de la pression transmembranaire constante et du flux constant sur l’encrassement des membranes polymériques. L’étude de ces modes opératoires sur les performances du procédé d’UF lors de la concentration d’un fluide complexe comme le lait nécessite d’être plus documentée.

1.4.4.1.2 Effet de la PTM sur la sélectivité de la membrane

Plusieurs facteurs peuvent influencer le coefficient de rejet des molécules contenues dans le lait. Parmi ces facteurs, la PTM a démontré une forte corrélation avec la rétention de certaines particules comme les minéraux. En effet, une PTM élevée occasionne une concentration par polarisation à la surface de la membrane plus grande comparativement à basse PTM. Cette couche de particules agit comme une barrière additionnelle et empêche le passage des molécules de petites tailles. Par exemple, l’étude de Sargozaei et al. (45) a montré que les coefficients de rejet de la matière grasse, du lactose et des minéraux augmentaient avec l’élévation de la pression transmembranaire. Ils attribuent l’augmentation du coefficient de rejet à une obstruction des pores (colmatage) qui est accentuée à haute PTM.

1.4.4.1.3 Effet de la PTM sur la consommation énergétique

Il va de soi que la consommation énergétique d’un système de filtration est influencée par le mode opératoire comme la pression transmembranaire puisqu’elle constitue une charge à contrer par la pompe. L’équation théorique de la consommation énergétique lors du pompage du système d’UF, présenté à l’équation 12 (section 1.3.4.3.4), démontre que la PTM est proportionnelle à celle-ci. D’autant plus, plusieurs études ont prouvé cette corrélation (37) (54) (75). Par exemple, l’étude de Rinaldoni et al. (54) a effectué l’analyse énergétique de manière théorique sur les performances de l’ultrafiltration du lait. Les auteurs ont comparé la consommation énergétique d’une filtration faite à différentes pressions transmembranaires. Ils ont conclu que l’énergie mécanique de la pompe augmentait de 5,12 kJ à 12,91 kJ lorsque la pression transmembranaire passait de 0,5 à 1,5 bar.

1.4.4.2 La température d’UF

Bien que la température d’UF du lait ait des conséquences aux niveaux physicochimiques, le choix de la température d’UF est également important afin de produire des rétentats ou MPCs de bonnes

qualités. En effet, la température d’UF a un impact sur la qualité microbiologique des rétentats d’UF produits. Par exemple, l’étude de Maubois et al. (76) a démontré qu’un lait filtré à une température de 4C amplifie la flore microbienne psychrotrophe alors que la multiplication de cette flore est ralentie à une température de filtration de 50C. Ces auteurs ont également révélé qu’un lait pasteurisé, ayant une contamination initiale de 10 UFC/g, ultrafiltré à une température de 50C, résulte en un rétentat contenant une concentration de 3 200 000 UFC/g de bactéries thermophiles (76). Ceci dit, l’utilisation d’un lait pasteurisé de haute qualité est requise pour la production de MPC puisque la température d’UF a une influence directe sur le taux de croissance des bactéries survivantes à la pasteurisation (69). L’industrielle a donc pour option de filtrer à basse température (10C) ou à haute température (50C) afin de minimiser la croissance microbienne survivante à la pasteurisation.

1.4.4.2.1 Effet de la température sur le flux de perméation

La température de filtration a un effet direct sur la viscosité apparente du lait et par conséquent, sur le flux de perméation. En effet, selon l’équation 9 (section 1.3.4.2) la viscosité du lait est inversement proportionnelle au flux de perméation. Ceci est expliqué par le fait que la température occasionne des changements physico-chimiques sur les sels minéraux et les micelles de caséines. En fonction de la température, la micelle de caséines subit des changements au niveau de la taille, du potentiel zêta et au niveau de son hydratation. Luo et al. (77) ont démontré que les micelles de caséines du lait, lorsque le lait est UF à basse température, ont un potentiel zêta plus important qu’un lait UF à 50C. Les forces électrostatiques sont plus importantes à basse température comparativement à 50C. Ainsi, les micelles de caséines chargées négativement lient davantage les molécules d’eau ce qui augmente la viscosité du rétentat d’ultrafiltration à 10C. De plus, la solubilité du calcium et du phosphate est augmentée à basse température, ce qui contribue également à l’augmentation de la viscosité du lait (78).

L’augmentation de la viscosité engendre une réduction de la diffusion des particules et du coefficient de transfert de masse à travers la membrane (37). En effet, une température de filtration basse, 4- 10C, conduit à la formation d’une couche de polarisation à la surface de la membrane (ou encrassement réversible) supérieure comparativement à un lait filtré à 50C (79). Ceci a pour effet de former une barrière additionnelle qui diminue considérablement le transfert de masse et donc, le flux

de perméation. D’un autre côté, l’étude de Luo et al. (77) a démontré que l’UF du lait à basse température permet d‘obtenir de meilleurs flux de perméation et un encrassement moindre comparativement à l’UF à haute température. Ils ont également montré que le calcium et les protéines étaient les espèces principalement responsables de l’encrassement de la membrane d’ultrafiltration à 50C. Ils ont conclu que l’encrassement lors de l’UF à 50C contenait majoritairement des protéines de faibles poids moléculaires tels que des peptides générés par l’activité protéolytique de la plasmine. À l’opposé, plusieurs études ont montré une augmentation des flux de perméation à 40-50C (32) (80) (81).

1.4.4.2.2 Effet de la température sur la sélectivité de la membrane

La température d’UF, qui induit des changements à l’équilibre minéral du lait (section 1.2.6.2.1), influence la rétention de certains sels minéraux notamment le calcium. À basse température, une partie du calcium colloïdal se retrouve sous forme de sels ionisés solubles dans le sérum (82). Ces sels ionisés ont une taille inférieure comparativement à la taille des pores de la membrane d’UF, ce qui permet leur passage à travers celle-ci. L’étude de Luo et al. (77) a démontré que l’ultrafiltration à 15C permet la transmission de 24,9% du calcium du lait écrémé comparativement à 16,6% à une température de 50C. À l’inverse, on observe une plus grande rétention du calcium dans le rétentat d’ultrafiltration à une température de filtration de 50C (83). Par ailleurs, l’étude de Pompei et al. (81) et a démontré qu’une UF à 50C occasionnait des pertes de protéines, spécifiquement la -LG et la -LA, représentant près de 1% des protéines totales. Cette perte de protéines sériques n’était pas observée à une UF à basse température (5C). Selon cette étude, la différence de rétention de protéines est attribuée à un changement de la porosité de la membrane ou à une différence de concentration par polarisation à la surface de la membrane dépendamment de la température d’UF.

Par ailleurs, l’étude de Barbano et al. (84) a observé qu’à une température d’UF de 50C des petites protéines, probablement des produits de la protéolyse de la caséine-β, passent à travers la membrane de 10kDa. En fait, à haute température (50C), la plasmine, une enzyme protéolytique résistante à la pasteurisation, est toujours active et hydrolyse la caséine-, la caséine-s1 et la caséine-s2 pour produire la -caséine et des protéoses-peptones (83).

1.4.4.2.3 Effet de la température sur la consommation énergétique

L’énergie mécanique fournit par le pompage doit être supérieure aux forces extérieures du système d’UF (pertes de charges régulières, singulières ou frottements) afin de fournir au fluide l’énergie cinétique et potentielle nécessaires pour effectuer le travail. Les pertes de charges régulières représentent les pertes d’énergies dues aux frottements du fluide dans un conduit tandis que les pertes singulières sont dues aux accidents de canalisation (37). Il est connu que l’augmentation de la température diminue la viscosité de l’eau et par conséquent, diminue les pertes de charges régulières et donc diminue l’énergie attribuée au pompage (37).

De plus, une étude a démontré que l’énergie thermique dépensée pour chauffer le lait de 4C à 30- 40C est supérieure à la quantité d’énergie attribuée au pompage lors de l’UF du lait (54). En fait, la quantité d’énergie thermique est proportionnelle à la chaleur massique du fluide, sa quantité et la différence de température, l’équation 11 est présentée à la section 1.3.4.3.3. Ainsi, plus le fluide sera visqueux, plus la quantité ou la différence de température est importante, plus l’énergie thermique sera grande.

CHAPITRE 2 HYPOTHÈSE ET OBJECTIFS DE

Dans le document Caractérisation de l'impact des conditions opératoires sur l'efficience d'un procédé de concentration du lait par ultrafiltration (Page 47-52)