I.1.4.1.
Séchage
Pour la grande majorité de ses applications, le lactosérum nécessite d’être transporté et conservé de la ferme ou de l’usine où il est produit jusqu’à son lieu de transformation. À ces fins, le lactosérum sera conditionné sous forme de poudre permettant à la fois de décupler sa stabilité mais également de gagner un volume de transport considérable (Carić 1994; O’Sullivan et al. 2019; Schuck et al. 2016). Le séchage du lactosérum est effectué grâce à une étape d’atomisation, précédée d’une étape de concentration par évaporation. Celui-ci est pulvérisé lors de son passage au travers d’un nébuliseur ou bien dispersé par la force centrifuge d’une turbine sous forme de gouttelettes. Le liquide passe alors dans un flux de gaz à haute température dans une tour de séchage résultant en l’évaporation rapide et quasi-totale de l’eau présente (Figure I-2). L’ajustement des paramètres du procédé ainsi que le type de matériel employé sera déterminant afin de préserver la qualité des éléments constituant la solution séchée.
Figure I-2 : Schéma d’une unité de séchage par atomisation (O’Sullivan et al. 2019)
Cependant, le lactosérum acide obtenu directement à la sortie du caillage présente des caractéristiques qui le rendent particulièrement difficile à traiter avec les procédés habituellement
utilisés pour le lactosérum doux. Son atomisation résulte en une très forte agglomération dans la tour de séchage, comme illustré par la Figure I-3, et l’obtention de poudre à haut taux d’humidité pour une consommation énergétique importante (158.6 kWh / tonne de poudre selon Bédas et al. 2017). Cela s’explique de par la nature hygroscopique et l’interaction de certains composés du lactosérum, tel que le lactose ou le calcium.
Figure I-3 : Photographie du fonds d’une tour de séchage après production de poudre de lactosérum acide (Bédas et al. 2017)
I.1.4.2.
Impact des composés du lactosérum
Le lactose sous forme solide existe principalement sous deux états : un état amorphe et un état cristallin. Le premier, à l’inverse du second, est un arrangement moléculaire désordonné pouvant se traduire par une texture de « sirop » ou de « gomme » collante possédant de fortes propriétés hygroscopiques. Le changement vers ces états se produit lorsque la température de transition vitreuse (𝑇%) est atteinte. Celle-ci est spécifique à chaque substance et peut être déterminé pour une solution grâce à l’équation de Gordon-Taylor (Wall, Roestamsjah, and Aldridge 1974) :
𝑇%=
∑ (𝑤* *. 𝑘*. 𝑇%*)
∑ (𝑤* *. 𝑘*) (1)
où 𝑤* représente la fraction massique du composé au sein du mélange et 𝑘* est un paramètre ajustable pouvant être fixé comme étant la différence de capacité thermique entre l’état amorphe et l’état cristallin.
À partir et au-delà de cette température, la cristallisation va débuter et ainsi diminuer la capacité d’absorption d’humidité. Cependant, lorsqu’une solution de lactose comme le lactosérum est séchée rapidement, sa viscosité augmente fortement, empêchant l’agencement ordonné des molécules et donc une cristallisation sous forme vitreuse (Chandrapala and Vasiljevic 2017). De ce fait, pour une même température de séchage, si l’écart entre celle-ci et la 𝑇% augmente, alors la cristallisation
du lactose tendra vers l’état amorphe (Saffari and Langrish 2014). La cristallisation du lactose sous forme amorphe ou cristalline va donc dépendre d’un certain nombre de paramètres tels que la vitesse et la température du procédé, l’humidité relative et la présence d’autres composés comme l’acide lactique ou le calcium. Ceux-ci influeront sur la nature hygroscopique et la 𝑇% du lactose (Chandrapala
and Vasiljevic 2017; Jouppila et al. 1997; Saffari and Langrish 2014). Au-dessus de la 𝑇%, la mobilité moléculaire augmente, se traduisant par une diminution de la viscosité. Dans le cas de composés pouvant atteindre un état de cristallisation amorphe comme le lactose, certains autres composés jouent alors un rôle d’agent plastifiant venant diminuer considérablement la 𝑇% du cristal, et cela proportionnellement à leurs concentrations et leur interaction avec lui.
En ce sens, l’acide lactique et le calcium sont grandement responsables du comportement du lactose lors du séchage du lactosérum. Tous deux possédant de très basses 𝑇% et de fortes interactions avec l’eau. La couche d’hydratation importante de l’acide lactique ainsi que les complexes ion-dipôle formés par les ions Ca2+ et l’eau favoriseraient l’attraction des molécules de lactose entre elles et modifieraient la mobilité de l’eau lors du procédé (Chandrapala and Vasiljevic 2017). La principale cause d’agrégation du lactosérum acide aux parois de l’atomiseur lors du séchage résiderait donc dans la cristallisation du lactose sous forme amorphe causée par la présence simultanée de lactose, d’acide lactique et de calcium dans des proportions particulières. Ce phénomène n’ayant pas lieu dans le cas du lactosérum doux, la solution serait alors d’ajuster les concentrations respectives des composés impliqués à celles du lactosérum doux (Chen et al. 2016). Si le séchage s’avère efficace pour un ratio inférieur ou égale à 4,2 g d’acide lactique pour 100 g de lactose, alors un retrait idéal d’environ 70% sera nécessaire pour un lactosérum acide ayant une concentration moyenne de 6,5 g/L d’acide lactique. Cependant, une étude récente menée par Bédas et al. en 2017 a récemment montré qu’une déminéralisation partielle couplée à un retrait de 30 % de l’acide lactique permettait d’améliorer considérablement la séchabilité du lactosérum acide (Bédas et al. 2017).
Avant séchage, le lactosérum doux subit habituellement un certain nombre de traitements dépendamment de son application future comme le résume le Tableau I-3. Ces traitements permettent à la fois d’isoler les éléments d’intérêt du lactosérum mais également de retirer tout ou une partie des composants problématiques dans le produit fini. Une partie de ces procédés seront également utilisés dans le cadre du traitement du lactosérum acide afin d’en améliorer le conditionnement et la valorisation.
Tableau I-3 : Récapitulatif des traitements et procédés appliqués au lactosérum, les produits obtenus et leurs applications (adapté de G. Daufin, F. René 1998)
Traitements et procédés Produit Application
Concentration Poudre de
lactosérum
Alimentation animale Évaporation - Osmose inverse - NF
Déminéralisation Poudre de
lactosérum
Alimentation humaine ED - Résine échangeuse d’ions - NF
Séparation des protéines Isolat et concentré protéique
Alimentation humaine Résine échangeuse d’ions - UF - Traitement thermique
Fractionnement protéique Fraction protéique
purifiée Pharmaceutique Résine échangeuse d’ion - Précipitation sélective