La nanofiltration

La nanofiltration (NF) est un procédé de séparation baromembranaire. C’est une technique qui utilise un gradient de pression pouvant aller de 10 à 40 bars, appliqué à une solution au contact d’une membrane poreuse afin d’en séparer certains éléments. La séparation est principalement basée sur la distinction des composés en fonction de leur taille. Dans le cas de membranes de NF, le seuil de coupure est généralement proche de 300 Da avec des variantes allant de 150 à 1000 Da. La NF étant un procédé baromembranaire, la séparation est majoritairement basée sur le principe d’exclusion stérique. Néanmoins, il arrive que les interactions électrostatiques soient très importantes dans le processus de séparation (Chandrapala, Chen, et al. 2016). En effet, la très grande majorité des membranes de NF présentes aujourd’hui sur le marché sont faiblement chargées négativement avec des points isoélectriques compris principalement entre 3 et 4,5. Le procédé est donc fortement dépendant du pH.

L’application de la NF dans l’industrie laitière est déjà largement répandue dans le cadre de la déminéralisation et de la concentration du lactosérum doux (Alkhatim et al. 1998; Kumar et al. 2013; Román et al. 2011; Yorgun, Balcioglu, and Saygin 2008). Cependant, son étude et son utilisation pour le retrait de l’acide lactique du lactosérum acide reste récente (Barrantes and Morr 1997; Chandrapala, Chen, et al. 2016; Dec and Chojnowski 2007). Le seuil de coupure des membranes de NF est pourtant idéal puisqu’il permet de retenir les protéines et les sucres tout en excluant les sels et les molécules de plus petites tailles comme les acides organiques. Toutefois, l’efficacité du procédé va être modulée par les interactions des composants du lactosérum, entre eux et avec la membrane, ainsi que par certains paramètres comme le pH et la température.

Les protéines du lactosérum acide ont peu d’interactions avec les acides organiques. Elles vont cependant avoir de l’influence sur l’efficacité de séparation puisqu’elles sont impliquées dans de potentiels colmatages des membranes et un ralentissement des transferts en présence de minéraux et d’autres composés organiques (Kumar et al. 2013; Nyström, Kaipia, and Luque 1995; Yorgun et

al. 2008). Elles influeront également légèrement sur les charges du système de par leur pouvoir tampon en venant occulter certains sites chargés des membranes. Le lactose est un disaccharide d’environ 340 Da et les membranes de NF ont en moyenne un seuil de coupure de l’ordre de 300 Da. Cette faible différence et la pression appliquée seront responsables d’une perte de lactose dans le perméat pouvant atteindre 10% de la concentration totale (Chandrapala, Chen, et al. 2016; Rice et al. 2008).

En ce qui concerne les minéraux, la charge des membranes aura une forte influence puisque parmi eux se trouvent des anions qui seront repoussés par les charges de la membrane et seront donc concentrés dans le rétentat. De plus, parmi les cations, bien que sujets à des interactions électrostatiques favorables avec la membrane, le calcium et le magnésium sont des ions divalents ayant une couche d’hydratation importante qui va ralentir voire empêcher leur passage. Les résultats finaux de déminéralisation obtenus sont généralement de l’ordre de 50 à 70% en fonction du pH du lactosérum (Alkhatim et al. 1998; Nguyen et al. 2003). Les meilleurs résultats ont été obtenus pour des pH standards de lactosérum acide, relativement bas, compris autours de 4,5, cela en raison notamment d’un colmatage moins important. Le calcium, plus particulièrement, a tendance à précipiter sous forme de phosphate de calcium ou d’hydroxyde de calcium à des pH élevés (Chandrapala et al. 2015). Aussi, en se plaçant à des pH proches ou inférieurs au point isoélectrique des membranes, cela permet de diminuer les interactions électrostatiques non favorables (Chandrapala, Duke, et al. 2016).

En ce qui concerne la séparation de l’acide lactique, ce dernier est à 80 % sous forme de lactate à pH 4,5. Le même type de répulsions électrostatiques que pour les minéraux sera présent. Plus le pH sera élevé, plus ces répulsions seront fortes puisqu’à la fois la membrane et l’acide lactique seront de plus en plus fortement chargés négativement. À contrario, en abaissant le pH, la force de ces répulsions sera diminuée. Ainsi, le taux de désacidification sera significativement différent pour des variations de pH proches des points isoélectriques des groupements chargés de la membrane et du pKa de l’acide lactique, celui-ci pouvant passer de 20 à 60 % de séparation (Chandrapala, Chen, et al. 2016; Pan et al. 2011). Plus communément, les taux observés dans la littérature se situent entre 30 et 40 % dépendamment de l’utilisation de diafiltration avant ou après la NF, de la présence d’une étape de neutralisation du lactosérum et des membranes utilisées en fonction des points isoélectriques de leurs groupements chargés et de leur seuil de coupure (Chandrapala, Duke, et al. 2016; Dec and

Chojnowski 2007). La température a également une influence sur les matières grasses et la phase solide du lactosérum qui ralentissent les transferts à basse température. Quant à la pression et au débit employés, ceux-ci auront principalement un impact sur les temps de procédés plutôt que sur la séparation des acides organiques en tant que tel.

La NF permet de concentrer le lactosérum acide tout en permettant une déminéralisation spécifique allant jusqu'à 60 % des ions monovalents (Bédas et al. 2017) ainsi qu’une séparation de l’acide lactique partielle atteignant 50 % dans des conditions optimales (Chandrapala, Duke, et al. 2016). À l’heure actuelle, c’est un procédé intéressant de par son faible coût énergétique et sa relative faible consommation en eau comparée aux procédés de résines échangeuses d’ion ou d’ED (Okawa et al. 2015). Il est utilisé par l’industrie laitière dans le cadre du traitement du lactosérum acide en tant qu’étape préliminaire de déminéralisation et de concentration avant les étapes de chromatographie et d’ED. Des études récentes ont également évalué la faisabilité d’une application de la NF seule. Selon ces auteurs, l’obtention de poudre de bonne qualité serait possible pour des tests conduits jusqu’à l’échelle semi-industrielle avec un gain d’énergie de 43 % lors du séchage comparativement à un lactosérum non traité (Bédas et al. 2017; Chandrapala, Chen, et al. 2016; Pan et al. 2011).