Procédés baromembranaires :

2.5.1 Principes :

Les procédés baromembranaires sont des procédés basés sur l'application d'une pression pour la séparation de divers constituants à l'aide d'une membrane. Différents procédés existent selon le spectre de rétention des espèces d'une membrane, tel que présenté en Figure 2-7. La sélectivité des membranes peut être caractérisée par la taille de leurs pores, mais la notion de seuil de coupure, qui représente le poids moléculaire de la plus petite espèce qui est retenue à 90% par la membrane, est généralement plus propice du fait de l’hétérogénéité de la taille des pores au sein d’une même membrane (75). Cependant, les membranes les plus sélectives, comme celle d’osmose inverse, ne sont plus considérées comme des membranes poreuses mais comme des membranes denses (75, 76) et les notions de pores et de seuil de coupure ne sont plus adéquates. La sélectivité de ce type de membranes est plutôt caractérisée par la rétention de différents sels.

Figure 2-7: Schéma du principe des différents procédés baromembranaires et leurs sélectivités, d’après (75).

Le fluide à traiter est forcé à travers la membrane et les constituants du fluide qui passent à travers la membrane se retrouvent dans le perméat tandis que les constituants qui ne passent pas à travers la membrane se retrouvent dans le rétentat (ou concentré). Le facteur de concentration volumique (FCV) représente la réduction du volume initial du fluide et est caractérisé par le ratio du volume initial du fluide sur le volume de rétentat obtenu (75). De la même façon, le coefficient de rejet d’une espèce peut être calculé de la façon suivante (75) :

Équation 2-14 Coefficient de rejet = 1 − 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙′𝑒𝑠𝑝è𝑐𝑒 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑙𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑚é𝑎𝑡 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙′𝑒𝑠𝑝è𝑐𝑒 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝑙𝑒 𝑟é𝑡𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡

Comme mentionné précédemment, les procédés baromembranaires sont basés sur l’utilisation d’une pression pour forcer un fluide à travers une membrane. La différence de pression de part et d’autre de la membrane est

dénommée pression transmembranaire et représente la différence de pression entre l’entrée et la sortie du module membranaire (75). Ces pressions vont dépendre du type de membrane utilisées et des fluides filtrés. Il est important de noter que la sélectivité des membranes est affectée par les conditions d’utilisations, telles que la pression transmembranaire utilisée, la sélectivité précise de la membrane (gamme de sélectivité disponible pour chaque type de membrane), le facteur de concentration volumique atteint ou encore la température de filtration (75). La concentration du lait via l’utilisation de procédés baromembranaires est le plus souvent réalisée à partir du lait écrémé de façon à limiter le colmatage des membranes par les globules gras ainsi que préserver leurs propriétés. Le colmatage est une problématique majeure faisant partie intégrante de l’utilisation des membranes d’une façon générale, mais elle ne sera pas détaillée dans ce document comme elle n’a pas été étudiée.

2.5.2 Ultrafiltration :

D’une manière générale, il est admis que ce procédé permet la rétention des caséines et des protéines du sérum ainsi que de la matière grasse du lait (si lait non écrémé), même si de faibles quantités de protéines du sérum, notamment de l’α-lactalbumine, ont été notées dans le perméat de lait écrémé concentré par UF (10kDa) (77). Les minéraux micellaires sont ainsi concentrés avec les caséines, augmentant la teneur en minéraux du concentré par rapport au lait initial et impactant son pouvoir tampon (8). En revanche, la phase soluble du lait (contenant principalement le lactose et des minéraux) est similaire entre un concentré UF et du lait écrémé car ces composants sont libres de passer à travers la membrane (7). Ainsi, les pressions utilisées pour ce type de procédé de séparation sont relativement faibles car la pression osmotique est souvent négligeable. Les facteurs limitants sont plus généralement la viscosité importante des solutions qui augmente considérablement à partir d’une concentration en protéines d’environ 14% et le faible transfert de masse (78).

2.5.3 Nanofiltration :

Ce procédé permet une rétention des espèces de plus petite taille telles que le lactose et certains minéraux. Les membranes de nanofiltration sont des membranes chargées, généralement négativement. Ainsi, la taille des ions et leurs charges respectives sont les facteurs qui déterminent leur passage à travers la membrane (79). Une étude sur la concentration du lait par nanofiltration (15) donne un exemple des valeurs de rétention qu’il est possible d’obtenir avec une membrane négativement chargée possédant un seuil de coupure de 200Da. Les auteurs ont rapporté une rétention du lactose variant entre 90 et 95% en fonction du facteur de concentration et des paramètres de filtration (température, flux, pression). La rétention des ions divalents était presque totale tandis que celle des ions monovalents était très faible et dépendait de la concentration en ions de la solution. Ainsi, ce procédé permet la concentration d’une très grande partie des composés du lait. Seuls les ions

monovalents et un faible pourcentage de lactose peuvent passer à travers la membrane et se retrouver dans le perméat. Les pressions utilisées sont supérieures à celles nécessaires en UF, ce qui est dû notamment à une augmentation de la pression osmotique (qui s’ajoute à la résistance accrue du matériau membranaire) résultant de la concentration de certaines espèces de faible poids moléculaire, mais restent modérées.

Les propriétés physico-chimiques d’un concentré NF sont traitées dans le paragraphe suivant, comme on s’attend à observer de nombreuses similitudes entre un concentré NF et un concentré RO.

2.5.4 Osmose inverse :

L’osmose est un phénomène qui se produit naturellement lorsque deux solutions de concentrations différentes sont séparées par une membrane semi-perméable, résultant en un gradient de potentiel chimique entre les deux compartiments (Figure 2-8).

Figure 2-8: Principe de l'osmose inverse, d’après (75).

Pour tenter d’atteindre un équilibre entre les deux solutions, le solvant va diffuser de la solution la moins concentrée à la plus concentrée, à travers la membrane. Le compartiment contenant la solution qui était la plus concentrée au départ va donc voir son niveau de liquide augmenter jusqu’à ce que la différence de pression hydraulique soit égale à la différence de potentiel chimique entre les deux compartiments (75). Dans le cas de l’osmose inverse, une solution à une certaine concentration est forcée à travers une membrane semi-perméable, ce qui augmente la concentration des espèces présentes dans ce fluide d’un côté de la membrane tandis que les molécules d’eau vont pouvoir passer à travers la membrane et se retrouver dans le deuxième compartiment. La concentration des espèces va induire une augmentation de la pression osmotique du fluide initial et ainsi la pression appliquée va devoir être augmentée de façon à surpasser la pression osmotique afin de garantir que le fluide puisse continuer de passer à travers la membrane (80). Ce procédé nécessite souvent l’utilisation de pressions importantes et ainsi la consommation énergétique du procédé augmente sous peine d’obtenir un flux

de perméation de plus en plus faible, voire nul. Dans le cas de la concentration du lait par RO, il a été montré qu’à partir de 25-30% solides, l’économie énergétique due à l’utilisation d’un système membranaire en comparaison avec un système d’évaporation est perdu (81).

Ainsi, en NF et RO, quasiment tous les constituants sont concentrés. En NF, une faible quantité de lactose peut passer dans le perméat de même que certains ions monovalents. Toutes les protéines sont retenues ainsi que les ions divalents, conduisant inévitablement à une augmentation importante du pouvoir tampon, qui est encore plus marquée en RO. L’effet de l’augmentation de la force ionique sur les micelles de caséines et sur les équilibres salins au sein de systèmes concentrés par RO ou NF n’a pas été étudié, à notre connaissance. De plus, comme certains équilibres sont plus ou moins réversibles selon les modifications de l’environnement, il est difficile de prévoir dans quelle mesure les propriétés fromagères du lait vont être altérées par ces modifications physico-chimiques.