Modes opératoires et techniques de filtration

Il existe plusieurs configurations des systèmes de filtration qui sont utilisées dans la pratique industrielle. Ces derniers sont choisis en fonction de la productivité à assurer, du niveau de séparation souhaité et des caractéristiques recherchées du produit (Bhave, 2014). Le mode opératoire de recirculation totale, préalable aux étapes de concentration et de DF, est exploité afin de déterminer les conditions opératoires optimales d’un procédé de filtration, principalement en ce qui a trait aux paramètres de pression. Réalisée en boucle fermée et sans concentration du rétentat, cette configuration est définie par le fait que les fractions de rétentat et de perméat sont toutes deux réacheminées dans le réservoir d’alimentation (Fallis, 2013). Le principe de la recirculation totale fonctionne généralement avec des paliers de PTM, paliers qui sont habituellement présélectionnés en fonction de sélectivité du procédé de filtration, de la littérature et des recommandations des fabricants. Une fois les paramètres de pression atteints et la PTM obtenue, cette dernière est maintenue constante pour une période d’au moins 45 minutes. Tel que décrit à la section 2.5.1, la PTM optimale sans atteinte du flux de perméation limite peut être déterminée en ciblant la pression maximale où la relation entre le flux de perméation et la PTM demeure linéaire (Fallis, 2013; Tremblay-Marchand et al., 2016).

2.6.2 Concentration

Le mode concentration, qui consiste à éliminer une quantité définie de perméat, permet la production de fractions enrichies en solutés d’intérêt. Le facteur de concentration, appelé facteur de concentration volumique (FCV), représente le rapport entre le volume initial de fluide à traiter et le volume final du rétentat généré (Bylund, 1995). La concentration par procédé baromembranaire implique que les constituants ayant une taille supérieure au DP soient retenus par la membrane et se concentrent dans le rétentat, tandis que les constituants plus petits que les pores et l’eau traversent la membrane et sont récupérés dans le perméat. Cependant, la composition et la concentration

initiale du fluide à traiter par les procédés baromembranaires peuvent avoir une influence sur les performances de ce mode opératoire (Lapointe-Vignola, 2002). Premièrement, le procédé global peut être limité par la solubilité du produit sous des conditions définies. Certains constituants ont tendance à interagir et à s’agréger entre eux lorsque des concentrations élevées sont atteintes. Par exemple, lors de la concentration du lait, plus le FCV sera élevé, plus le retrait des PS sera faible puisque les CN interagissent entre elles et affectent négativement le passage des PS (Zulewska and Barbano, 2013; Tremblay-Marchand et al., 2016). Par ailleurs, des limites pratiques existent quant à l’augmentation de ce facteur (Singh, 2007). Papadatos et al. (2003) soutiennent que le FCV optimal lors de la MF du lait est de 2.0X et qu’un FCV de 3.0X n’apporte aucun avantage économique supplémentaire, malgré l’augmentation du rendement massique. En effet, au fur et à mesure que le FCV augmente, la concentration en CN dans le rétentat va augmenter et la viscosité résultante du rétentat à la surface de la membrane augmentera l’encrassement engendrant ainsi une diminution de transmission des PS (Hurt and Barbano, 2010).

Le mode de concentration peut s’effectuer de quatre façons différentes. La première est la concentration par filtration discontinue (ou «batch operation»), qui est principalement utilisée pour la filtration de petits volumes de produit (Jirjis and Luque, 2010). Le fluide à traiter circule dans le système jusqu'à l’atteinte de la concentration requise, qui n’est atteinte qu’à la fin du procédé (Bylund, 1995; Bazinet and Castaigne, 2011). Les lots de lait sont transformés l’un à la suite des autres, ce qui implique que le système soit nettoyé entre chaque essai de filtration afin de traiter un autre lot (Jirjis and Luque, 2010). La deuxième consiste à réaliser une filtration en continu. Appelée «single-pass processing», l’étape de concentration ne nécessite aucune recirculation du rétentat dans le système (Jirjis and Luque, 2010). Toujours réalisée en continu, le concept «feed and bleed», regroupant les deux dernières façons, fonctionne avec un principe de prélèvement du rétentat au même débit que l’alimentation du système en fluide à traiter (Jirjis and Luque, 2010; Bazinet and Castaigne, 2011). Cette approche peut être exploitée en une seule étape (troisième façon, tel qu’illustré à la Figure 4) ou en plusieurs étapes (quatrième façon) (Jirjis and Luque, 2010). L’opération «feed and bleed» est principalement utilisée pour les procédés à grande échelle où de grands volumes de rétentats sont requis. Ainsi, il est possible d’avoir une productivité élevée et un rétentat de composition et de qualité constante (Bazinet and Castaigne, 2011). La manière multi- étapes, plus communément appelée «multistage designs», constitue la dernière façon de concentrer

par filtration en continu. Les systèmes fonctionnant en multi-étapes reposent sur un principe de juxtaposition des boucles de filtration où le rétentat des systèmes en aval est toujours issu d’une boucle en amont (Bazinet and Castaigne, 2011). Ce principe opérationnel est principalement exploité lorsque de longs cycles de filtration sont nécessaires. Un système de filtration multi-étapes nécessite moins de surface membranaire qu'un système à simple étape afin d’atteindre un FCV spécifique, mais ces installations impliquent par ailleurs des coûts d’achat et de remplacement importants (Jirjis and Luque, 2010).

2.6.3 Diafiltration

Une autre approche influant sur les performances hydrauliques et les aspects économiques des procédés baromembranaires est la DF. Cette étape permet d’augmenter le degré de pureté du rétentat ainsi que l’efficacité de séparation entre les constituants d’un fluide à traiter par filtration (Hoek and Tarabara, 2013). C’est un procédé qui consiste à ajouter une quantité définie d’un diluant au rétentat, appelée diavolume (Lapointe-Vignola, 2002). Ce diluant, qui est généralement de l’eau et parfois un perméat de filtration issu d’un procédé d’UF, de NF ou d’OI, vise à remplacer le rétentat en terme de volume (Fallis, 2013). Cette approche peut être réalisée en discontinu (aussi appelée DF séquentielle) ou en continu (Bazinet and Castaigne, 2011). La DF en continue permet de maintenir un niveau constant des fluides par l’addition du diluant en provenance d’un réservoir tampon à la même vitesse que celle du retrait du perméat (Fallis, 2013). La DF en discontinue, quant à elle, implique l’ajout d’un diavolume en une seule fois pour diluer le rétentat. Cet ajout peut être répété à plusieurs fréquences, ce qui implique des dilutions et des re-concentrations autant de fois que désiré (Figure 8) (Fallis, 2013). Selon une étude impliquant la DF en discontinue en MF, la DF a toutefois été considérée comme peu EE, car elle requiert une grande quantité d’eau, est moins rapide que le procédé de filtration conventionnel et apporte peu davantage en termes d’efficacité de séparation protéique (Tremblay-Marchand et al., 2016). Dans un processus qui implique à la fois la concentration et la DF, la concentration est souvent réalisée en deux étapes, séparées chacune par des étapes de DF (Fallis, 2013).

(A)

(B)

Figure 7. Schématisation des étapes chronologiques d’une DF en discontinu (A) et en continu (B) (Bazinet and Castaigne, 2011)

2.7 Mesure d’efficacité, indicateurs de performance et aspects économiques des procédés