Effet du mode opératoire sur l’efficience d’un
procédé d’ultrafiltration pour la fabrication d’un
concentré à haute teneur en protéines
Mémoire
Camile Gavazzi-April
Maîtrise en sciences et technologie des aliments
Maitre ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
Effet du mode opératoire sur l’efficience d’un
procédé d’ultrafiltration pour la fabrication d’un
concentré à haute teneur en protéines
Mémoire
Camile Gavazzi-April
Sous la direction de :
Yves Pouliot, directeur de recherche
Alain Doyen, codirecteur de recherche
iii
Résumé
Les concentrés laitiers à haute teneur en protéines (plus de 80% de protéines sur base sèche) sont générés par ultrafiltration (UF) et diafiltration (DF). Des membranes polymériques spiralées en polyéthersulfone de seuil de coupure de 10 kDa sont généralement utilisées en industrie laitière afin de maximiser la rétention des protéines. La baisse des flux de perméation et l’encrassement membranaire sont les principales limites à l’efficience du procédé. Ces inconvénients pourraient être limités par une sélection optimale du seuil de coupure membranaire et de la séquence UF-DF.
Ce projet avait pour objectif de caractériser les performances (flux de perméation, résistance hydraulique, composition et consommation en énergie et en eau) de procédés d’UF-DF en fonction du seuil de coupure (10 et 50 kDa) et de la séquence UF-DF (3,5X – 2 diavolumes (DV) et 5X – 0,8DV). Les séquences UF-DF ont été réalisées avec du lait écrémé et pasteurisé au moyen d’un système de filtration pilote opéré à 50°C et à une pression transmembranaire (PTM) constante de 465 kPa.
Pour une même séquence UF-DF, il a été démontré que le seuil de coupure n’avait pas d’impact (p>0.05) sur les flux de perméation, qui étaient toutefois significativement plus élevés (p<0.05) à l’étape de DF pour la séquence 3,5X – 2DV. Les données expérimentales de ces essais ont été utilisées dans le cadre d'une simulation pour la production d’un concentré de protéines laitières dans une usine laitière modèle traitant 1500 m3 de lait en 20 heures. Cet
exercice a révélé que, malgré la forte baisse du flux de perméation (89% pour la séquence 5X – 0,8DV contre 58% pour la séquence 3,5X – 2DV) survenant lors d'une concentration du lait à haute teneur en solides, limiter l'étape de DF demeurerait bénéfique du point de vue de la consommation en énergie et en eau. Les données générées par ce projet permettront d’outiller les industriels pour leurs choix technologiques quant au niveau de concentration à cibler en lien avec une démarche d’amélioration de l’éco-efficience.
iv
Abstract
High-milk protein concentrates (over 80% total protein on a dry weight basis) are typically produced by ultrafiltration (UF) with constant-volume diafiltration (DF). Polymeric spiral-wound UF membranes with a molecular weight cut-off (MWCO) of 10 kDa are mostly used at commercial scale in order to maximize protein retention. Flux decline and membrane fouling during UF have been studied extensively and the selection of an optimal UF-DF sequence is expected to have a considerable impact on both the process efficiency and the generated volumes of by-products.
The objective of this work was to characterize performances of UF-DF process in terms of permeate flux decline, fouling resistance, energy and water consumption and retentate composition as a function of MWCO (10 and 50 kDa) and UF-DF sequence (3.5X – 2 diavolumes (DV) and 5X – 0.8DV). UF-DF experiments were performed on pasteurized skim milk by means of a pilot-scale filtration system operated at 50°C and under a constant transmembrane pressure (TMP) of 465 kPa.
Results showed that MWCO had no impact (p>0.05) on permeate flux for a same UF-DF sequence. However, permeate flux values were significantly higher during DF for the 3.5X – 2DV sequence whatever MWCO (p<0.05). Experimental values were used as part of a simulation for the production of high milk protein concentrates in a model dairy plant processing 1500 m3 of skim milk in 20 hours. This work revealed that despite the severe total flux decline occurring during high solid concentration of milk (89% for the 5X – 0.8DV sequence vs. 58% for the 3.5X – 2DV sequence), reducing the DF step could still be of great interest in terms of energy and water consumption. The results generated by this project will benefit dairy processors producing high-milk protein concentrates with regards with their technological choices in a sustainable development perspective.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... viii
Liste des figures ... ix
Liste des abréviations ... x
Remerciements ... xi
Avant-propos ... xii
Chapitre 1: Introduction ... 13
Chapitre 2 : Revue de littérature ... 16
2.1 L’impact environnemental des procédés et l’éco-efficience ... 16
2.1.1 Définition de l’éco-efficience... 16
2.1.2 L’analyse du cycle de vie ... 16
2.1.3 Les applications de l’ACV dans l’industrie laitière ... 17
2.2 Le lait et ses constituants ... 19
2.2.1 Les constituants non-protéiques du lait ... 19
2.2.1.1 L’eau ... 19
2.2.1.2 La matière grasse ... 20
2.2.1.3 Les glucides ... 20
2.2.1.4 Les minéraux ... 20
2.2.2 La fraction protéique du lait ... 21
2.2.2.1 La fraction colloïdale ... 21
2.2.2.2 La fraction soluble ... 22
2.3 Les procédés baromembranaires ... 22
2.3.1 Principe général et caractéristiques des systèmes membranaires ... 22
2.3.1.1 L’osmose inverse ... 24
2.3.1.2 La nanofiltration ... 25
2.3.1.3 L’ultrafiltration ... 25
2.3.1.4 La microfiltration ... 26
2.3.2 Les modes de filtration ... 26
2.3.2.1 La concentration ... 27
2.3.2.2 La diafiltration ... 29
2.3.3 Les caractéristiques des membranes ... 31
2.3.3.1 Le matériau membranaire ... 31
2.3.3.2 Le module membranaire ... 32
2.3.4 Les paramètres clé à contrôler lors de la filtration ... 33
2.3.4.1 La température ... 33
2.3.4.2 La pression transmembranaire ... 33
2.3.4.3 La vitesse tangentielle ... 34
2.3.5 Les applications des systèmes baromembranaires en industrie laitière ... 34
2.4 L’ultrafiltration pour la production de concentrés protéiques laitiers ... 35
2.4.1 Les différents types de concentrés protéiques laitiers et leurs applications ... 35
2.4.2 Les étapes de production des concentrés protéiques laitiers ... 36
vi
2.4.3.1 L’effet de la température ... 37
2.4.3.2 L’effet de la pression transmembranaire ... 39
2.4.3.3 L’effet du seuil de coupure membranaire ... 40
2.4.4 Les mesures d’efficacité du procédé d’UF ... 43
2.4.4.1 Le flux de perméation ... 43
2.4.4.2 Le coefficient de rejet ... 44
2.4.5 Le colmatage membranaire ... 45
2.4.5.1 Définition et généralités... 45
2.4.5.2 La polarisation de concentration... 46
2.4.5.3 L’encrassement interne et externe ... 47
2.4.5.4 L’évaluation du colmatage membranaire ... 48
2.4.5.4.1 La mesure du flux en fonction de la PTM ... 48
2.4.5.4.2 Le modèle des résistances en série ... 50
2.5 Leviers technologiques pour l’amélioration de l’éco-efficience des procédés baromembranaires ... 51
2.5.1 La consommation énergétique ... 51
2.5.2 La consommation en eau ... 53
Chapitre 3 : Hypothèse de recherche et objectifs ... 55
3.1 Hypothèse de recherche ... 56
3.2 Objectifs ... 56
Chapitre 4: Preparation of milk protein concentrates by ultrafiltration and continuous diafiltration: effect of process design on overall efficiency ... 57
4.1 Résumé ... 57
4.2 Interpretive Summary ... 59
4.3 Abstract ... 60
4.4 Introduction ... 61
4.5 Materials and Methods ... 63
4.5.1 Ultrafiltration System and Membrane Conditioning Process ... 63
4.5.2 Ultrafiltration-Diafiltration Experiments ... 63 4.5.3 Cleaning Procedure ... 64 4.5.4 Chemical Analyses ... 64 4.5.5 Ultrafiltration-Diafiltration Performance ... 65 4.5.5.1 Permeate flux ... 65 4.5.5.2 Hydraulic Resistances ... 65 4.5.5.3 Energy consumption ... 66 4.5.6 Statistical analysis ... 66 4.6 Results ... 67 4.6.1 Permeate Flux... 67 4.6.2 Retentate Composition ... 68 4.6.3 Hydraulic Resistance ... 69
4.6.4 Specific Energy Consumption and Overall Performance... 70
4.7 Discussion ... 71
4.7.1 Effect of membrane molecular weight cut-off... 71
4.7.2 Effect of the UF-DF sequence ... 71
4.7.3 Energy Requirements ... 73
4.7.4 Overall Performance of the Two UF-DF Sequences in a Model Dairy Plant .... 73
vii
4.7.4.2 Processing Time and Energy Consumption... 75
4.7.4.3 Water Consumption and Generated Volumes of Co-products ... 76
4.8 Conclusions ... 77
4.9 Acknowledgments ... 77
Chapitre 5 : Discussion générale et conclusion ... 78
5.1 Discussion générale ... 78
5.2 Conclusion ... 82
viii
Liste des tableaux
Chapitre 2 :
Tableau 1 : Composition générale du lait de vache (adapté de 11) ... 19 Tableau 2 : Comparaison entre les caséines et les protéines sériques (adapté de 5) ... 21 Tableau 3 : Champ d'application de différents procédés baromembranaires (adapté de 52) 23 Tableau 4 : Avantages et inconvénients des modules membranaires 69 ... 32 Tableau 5 : Compositions de MPC-75 et MPC-80 (adapté de 76) ... 35 Tableau 6 : Volumes théorique de perméat généré et d'eau requis pour l’étape de DF pour
deux séquences UF-DF permettant la fabrication de rétentats d'UF 80% ... 54 Chapitre 4 :
Table 7. Mean composition of initial skim milk, UF-DF retentates and permeates recovered after UF- DF of pasteurized skim milk (T=50°C) with 10 and 50 kDa PES UF
membranes ... 69 Table 8. Hydraulic resistances after UF-DF of pasteurized skim milk (T=50°C) with 10
kDa and 50 kDa PES UF membranes ... 70 Table 9. Comparison of the overall performance of the two UF-DF sequences (3.5X – 2DV and 5X – 0.8DV) conducted in a model dairy plant processing 1500m3 of skim milk in 20 hours. ... 74
ix
Liste des figures
Chapitre 2 :
Figure 1 : Sélectivité de différents procédés baromembranaires (adapté de 51) ... 23
Figure 2 : Schéma simplifié d'une unité de filtration à un stage 17 ... 24
Figure 3 : Filtrations en modes frontal (a) et tangentiel (b) (adapté de 59) ... 27
Figure 4 : Procédé de DF en discontinu 16 ... 30
Figure 5 : Procédé de DF en continu 16 ... 30
Figure 6 : Le module spiralé (adapté de 71) ... 33
Figure 7 : Procédé de fabrication d'un concentré de protéines laitières (adapté de 80) ... 37
Figure 8 : Encrassement membranaire lors de l'UF avec des membranes de seuils de coupure différents (adapté de 92) ... 42
Figure 9 : Différents types d'encrassement membranaire : (A) blocage complet (B) adsorption (C) blocage partiel (D) formation d’un « gâteau » 95... 45
Figure 10 : Évolution du flux de perméation en fonction de la PTM 70 ... 49
Chapitre 4 : Figure 11 : Evolution of mean permeate flux1 during UF-DF of pasteurized skim milk (T=50°C) for two UF-DF sequences (3.5X – 2DV and 5X – 0.8DV) ... 68
Figure 12 : Specific energy consumption (kWh/kg of lactose removed) during UF-DF of pasteurised skim milk (T=50°C) with PES UF membranes ... 73
x
Liste des abréviations
ACV : Analyse du cycle de vie CIP: Cleaning-In-Place
DF: Diafiltration DV : Diavolume EE : Éco-efficience ET : Énergie totale (Wh)
FCV : Facteur de concentration volumique J : Flux de perméation (L/h.m2 ou L/h.m2.Pa)
Jlim : Flux de perméation limite (L/h.m2 ou L/h.m2.Pa) Jcrit : Flux de perméation critique (L/h.m2 ou L/h.m2.Pa) LCA: Life-cycle assessment
MPC: Milk protein concentrate MWCO: Molecular weight cut-off NPN : Azote non-protéique PES : Polyéthersulfone
P1 : Pression à l’entrée de la membrane (en bar ou kPa) P2 : Pression à la sortie de la membrane (en bar ou kPa) P3 : Pression du côté « perméat » (en bar ou kPa) PSW : Polymeric spiral-wound membrane PTM : Pression transmembranaire
Rirr : Résistance irréversible (m-1) Rm : Résistance membranaire (m-1) Rrev : Résistance réversible (m-1) Rtot : Résistance totale (m-1) TMP : Transmembrane pressure UF : Ultrafiltration
S : Puissance apparente (kVA) T : Temps (h)
xi
Remerciements
En premier lieu, j’aimerais remercier mon directeur de recherche, Yves Pouliot, de m’avoir accordé sa confiance pour mener ce projet de recherche. Yves, merci pour ton support, ton écoute et tes encouragements soutenus tout au long de mon parcours. Je suis fière et très reconnaissante d’avoir pu faire partie de ton équipe. Un merci spécial pour m’avoir offert l’opportunité de présenter mes travaux dans le cadre d’un congrès international.
Ensuite, je souhaite remercier mon co-directeur, Alain Doyen, pour son encadrement rigoureux et sa disponibilité. Alain, merci pour tes conseils et pour le temps investi dans la révision de mes travaux. Ta rigueur scientifique a grandement enrichi ma formation en me permettant de développer mon esprit critique et de perfectionner ma rédaction scientifique. Un merci spécial à Scott Benoît pour sa patience et sa disponibilité lors de l’interprétation de mes résultats. Tu as grandement contribué à ce mémoire. Finalement, j’aimerais remercier Michel Britten pour ses conseils et l’intérêt porté envers mon projet.
Pour son aide indispensable lors de la phase expérimentale de mon projet, j’aimerais remercier Diane Gagnon. Diane, merci pour tes encouragements et ta bonne humeur. Ce fut un réel plaisir de te côtoyer au laboratoire. Aussi, merci à Mélanie Martineau, Pascal Lavoie et Pierre Côté pour toute l’aide fournie lors des essais au laboratoire de transformation alimentaire. J’en profite pour remercier tous mes collègues de la Chaire et du département pour les conseils et tous les bons moments passés ensemble.
Ce projet n’aurait pas été possible sans le soutien financier des partenaires. Merci au Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG), au Fonds de recherche du Québec – Nature et Technologies (FQRNT) et à Novalait.
Finalement, merci à ma famille et mes amis pour leurs encouragements et leur soutien durant ce parcours. Pour m’avoir épaulé tout au long de cette aventure, un merci tout spécial à Cédric pour ton support et ton amour. Une grande partie de cette réussite t’appartient.
xii
Avant-propos
Ce mémoire de maitrise est consacré à l’étude de l’impact du seuil de coupure et de la séquence UF-DF sur l’efficience du procédé d’ultrafiltration pour la fabrication d’un concentré laitier à haute teneur en protéines. Ce travail s’inscrit dans la programmation de la Chaire industrielle en efficience des procédés de transformation du lait dirigée par le Dr Yves Pouliot et financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et génie du Canada (CRSNG) et Novalait. Ce mémoire est divisé en six chapitres.
Le chapitre 1 se veut une introduction générale au projet. Le chapitre 2 présente une revue de la littérature scientifique en lien avec le projet. Une synthèse bibliographique portant sur l’impact environnemental des procédés du secteur laitier et la composition du lait est d’abord présentée. Les travaux récents portant sur les procédés baromembranaires, les différents choix technologiques liés à l’UF du lait et l’impact des paramètres de filtration sur l’efficience du procédé d’ultrafiltration sont ensuite abordés. Quelques mesures d’efficacité possibles sont proposées dans la dernière section. L’hypothèse de recherche et les objectifs qui en découlent sont formulés au chapitre 3.
Le chapitre 4 est rédigé sous la forme d’un article scientifique intitulé : « Preparation of milk protein concentrates by ultrafiltration and continuous diafiltration : effect of process design on overall efficiency ». J'ai été entièrement responsable de la planification et de la phase expérimentale du projet et de la rédaction de l’article. L’élaboration des protocoles, l’interprétation des résultats et la révision des travaux ont été supervisés par Yves Pouliot et Alain Doyen, respectivement directeur et co-directeur de recherche. Les co-auteurs Scott Benoît et Michel Britten ont grandement contribué à la vérification des calculs, la réflexion scientifique et la révision de l’article.
Enfin, le chapitre 5 conclut ce mémoire par un retour sur l’hypothèse et une discussion générale portant sur les principales réalisations et les perspectives de recherche en lien avec ce projet. Tous les travaux cités dans ce mémoire se retrouvent dans la bibliographie au chapitre 6.
13
Chapitre 1: Introduction
L’industrie laitière constitue un moteur de l’économie canadienne. Des recettes monétaires agricoles nettes de 6,17 milliards de dollars ont été générées en 2016, ce qui en fait la troisième industrie agricole en importance au Canada, et la première au Québec 1. En effet, un peu plus de 36% des recettes nettes générées par l’industrie laitière canadienne sont attribuables au Québec 2.
Au cours des dernières décennies, l’industrie de la transformation laitière a su se diversifier et la fabrication d’ingrédients laitiers occupe aujourd’hui une place centrale dans les usines laitières. L’utilisation des procédés baromembranaires (la microfiltration, l'ultrafiltration, la nanofiltration et l'osmose inverse) a largement contribué au développement d’ingrédients protéiques et de la pré-concentration du lait destiné à la fromagerie 3. Plus précisément, l'ultrafiltration (UF) du lait écrémé est un procédé de séparation par membrane largement utilisé en industrie laitière afin de concentrer les protéines du lait en éliminant partiellement l'eau, le lactose, les sels, les peptides et autres solutés 4. La concentration du lait par UF permet la rétention des protéines laitières sans affecter leur structure native 5. La réduction de la consommation énergétique, comparativement aux procédés de concentration impliquant une étape d’évaporation ou de séchage, constitue également l’un des principaux avantages 4. Les concentrés protéiques générés par UF sont principalement utilisés pour stabiliser et améliorer la productivité du procédé de fabrication fromagère par l’ajout d’une étape d’enrichissement en protéines du lait de fromagerie 6,7. La pré-concentration de lait par UF permet de maximiser la capacité des équipements, de réduire la quantité de présure et de sel nécessaire, de mieux contrôler la composition finale du caillé et d'améliorer les rendements fromagers 3,6,8,9. L'UF est aussi largement utilisée pour la production de concentrés de protéines de lait (MPC) 3,9,10.
Malgré les nombreux avantages de l'UF pour fabrication de concentrés laitiers, la réduction sévère des flux de perméation demeure la principale limite de l’utilisation de ces procédés 11–13. Le déclin du flux de perméation résultant du phénomène de polarisation de la concentration et de l'encrassement a été étudié de manière approfondie 14,15. Lorsque de
14
hautes teneurs en protéines sont visées (plus de 80% de protéines totales sur base sèche), il est possible de combiner l’UF à une étape de diafiltration (DF) à volume constant 16,17, laquelle consiste à ajouter un nombre prédéfini de volumes d’eau (diavolumes) au bassin d’alimentation au même débit que celui du flux de perméation 4. L’étape de DF est introduite au procédé lorsque la teneur en solides du rétentat atteint un certain niveau, et permet ainsi de pallier la forte augmentation de viscosité du rétentat. Lors de la concentration du lait écrémé par UF-DF, le degré de concentration auquel sera introduite l’étape de DF doit être choisi de telle sorte que la concentration maximale de protéines possible soit atteinte tout en minimisant l'encrassement de la membrane et la consommation d'eau 11. La sélection d'une séquence UF-DF optimale pour améliorer l'efficacité du processus de fabrication de concentrés à haute teneur en solides demeure peu étudiée.
Dans l'industrie laitière, les membranes polymériques spiralées en polyéthersulfone (PES) sont les plus utilisées pour la concentration du lait écrémé, notament en raison de leur faible coût d'investissement et de remplacement 18. Un seuil de coupure membranaire (MWCO) de 10 kDa est généralement sélectionné par les transformateurs afin de maximiser la rétention des protéines et la perméabilité membranaire 19. Toutefois, le seuil de coupure membranaire à lui seul ne suffit pas pour prédire les performances de filtration car la teneur en solides du rétentat et la pression appliquée au système peuvent avoir un impact important sur les performances de filtration. De plus, les phénomènes de polarisation de concentration et d'encrassement ne sont pas pris en compte dans ce paramètre de membrane 5.
Vu l’importance du secteur laitier au Québec et au Canada, il importe de se questionner sur l’impact environnemental engendré par l’industrie de la transformation du lait. Les principaux impacts associés à la transformation de produits laitiers sont liés à la consommation en eau, aux rejets d’eaux usées ainsi qu’à la consommation énergétique 20. Dans cette optique, les procédés de séparation par membranes sont d’un grand intérêt puisqu'ils sont omniprésents dans l’industrie laitière et que leur impact sur l’utilisation de ressources n'est pas négligeable. D’ailleurs, parmi les principaux défis auxquels sont confrontés les procédés baromembranaires, le besoin de minimiser l'utilisation de l'eau est l'un des plus importants 3. Les procédés de filtration par membranes génèrent également de
15
grands volumes de coproduits (perméat) qui, malgré leur faible valeur commerciale, doivent être traités afin de valoriser le lactose et les minéraux qui s’y trouvent 21. La réduction de la consommation en eau et du volume des sous-produits constitue donc une avenue d’amélioration importante pour ce type de procédés.
L’amélioration de l’efficience d’un procédé d'UF-DF pour la fabrication d’un concentré de protéines laitières à haute teneur protéique peut se faire en maximisant les flux de perméation et la rétention protéique, tout en minimisant l’encrassement membranaire et la quantité d'eau requise pour la DF. L'objectif de ce travail est de caractériser l'impact du seuil de coupure membranaire (10 et 50 kDa) et de la séquence UF-DF (3,5X – 2 diavolumes (DV) et 5X – 0,8DV) sur la performance du procédé UF-DF (chute du flux de perméation, résistance hydraulique, rejet de protéines, consommation d'eau et d'énergie) lors de l’UF-DF du lait écrémé. Les données générées par ce projet permettront d’outiller les industriels pour leurs choix technologiques quant à la sélectivité des membranes à sélectionner et au niveau de concentration visé en lien avec l’efficience du procédé.
16
Chapitre 2 : Revue de littérature
2.1 L’impact environnemental des procédés et l’éco-efficience
2.1.1 Définition de l’éco-efficience
L'efficience est « le rapport entre les biens produits ou les services livrés et les ressources utilisées ». L’efficience d’un procédé de transformation passe alors par l'optimisation de la consommation des ressources (intrants) lors de la production d’un bien ou d’un service 22. L’éco-efficience (EE), pour sa part, désigne « le ratio entre la valeur (qualité, fonctionnalité) d’un bien ou d’un service et son impact environnemental tout au long de son cycle de vie » 23. Ses objectifs consistent à réduire la consommation de ressources (énergie, eau, matières premières, etc.), ainsi que l’impact sur l’environnement (émissions de substances toxiques, élimination des déchets et des eaux usées, etc.), tout en conservant ou en augmentant la valeur du bien ou du service produit 24. Les principales opportunités d’amélioration possibles dans le domaine industriel sont la réduction de l’intensité énergétique des produits et services et de la dispersion des substances toxiques, l’amélioration de la recyclabilité des matériaux, l’optimisation de l’utilisation durable des ressources renouvelables et la prolongation de la durabilité des produits 23. Dans le cadre d’une démarche d’amélioration de l’EE à l’échelle industrielle, il importe d’analyser de façon rationnelle et globale la contribution de différents facteurs sur l’impact environnemental d’un procédé, et ce, pour toutes les étapes de la chaine de production alimentaire 25. Des outils d’évaluation environnementale sont disponibles afin d’épauler les industriels dans la prise de décisions pour l’amélioration de leur EE, comme par exemple, l’analyse de cycle de vie.
2.1.2 L’analyse du cycle de vie
L’analyse de cycle de vie (ACV) est une méthode standardisée par l’International Organization for Standardization (ISO). Elle est acceptée à l’échelle internationale et peut être employée pour comparer les charges environnementales de différents produits, processus ou systèmes entre eux 23. En ce sens, elle vise l’accompagnement des entreprises dans la réalisation de leurs objectifs environnementaux et commerciaux de façon simultanée 26. En
17
tenant compte de tout le cycle de vie d’un produit, l’ACV permet de quantifier l’impact environnemental lié à la production d’un bien ou d’un service, et permet d’identifier les possibilités d’amélioration aux différents points du cycle alimentaire 27. Cette méthode est applicable à tous les secteurs de production; elle est d’ailleurs internationalement standardisée par ISO14040 et 14044 (ISO, 2006a, 2006b) 27. La principale force de l’ACV est sa capacité à éviter de déplacer la charge environnementale d'un impact environnemental à l'autre et d'un stade de production à l'autre. Pour le secteur laitier, la Fédération Internationale de Laiterie (FIL) a publié « Une approche commune de l'empreinte carbone pour les produits laitiers » dans le but d’encadrer la réalisation d’une ACV 28.
2.1.3 Les applications de l’ACV dans l’industrie laitière
Récemment, plusieurs équipes de recherche ont réalisé des ACV en lien avec l’industrie laitière 29–31. À titre d’exemple, une analyse très complète pour la production du lait de consommation aux États-Unis a été effectuée par une équipe de l’Université d’Arkansas 32. Orientée sur les impacts en lien avec les émissions de gaz à effet de serre, cette analyse est un exemple du type « berceau à la tombe », c’est-à-dire une approche qui englobe la totalité du cycle de vie du produit, soit de la production d’engrais à l’élimination des emballages. Cette étude a été réalisée en collaboration avec 536 fermes laitières et 50 usines laitières américaines. Les conclusions de cette étude confirment que les plus grands contributeurs (>80%) à l’impact environnemental des produits laitiers se situent à l’étape de la production laitière, plus précisément les pratiques en lien avec la gestion du fumier, les émissions de méthane (fermentation entérique) et la production alimentaire pour les bovins. Celles-ci représentent donc les principaux points d’intérêt pour la diminution de l’impact environnemental de la chaine d’approvisionnement des produits laitiers. Cependant, ces travaux ont également permis de conclure que des améliorations dans les usines de transformation ont également leur rôle à jouer, et ce, principalement au niveau de la gestion énergétique et du transport entre les usines 32. Les conclusions apportées par l’équipe de Xu et al. (2009) 33 vont dans le même sens, c’est-à-dire que l’implantation de standards d’efficience énergétique doit être considérée, à la fois pour les systèmes de réfrigération et d’air comprimé, les moteurs et l’éclairage.
18
Selon le Dairy UK Environnemental Benchmarking, l’industrie de la transformation laitière est très énergivore en raison de ses nombreuses étapes de chauffage et de refroidissement en lien principalement avec l’utilisation de technologies de séchage et de concentration 34. En ce qui a trait au secteur de la transformation laitière, quelques ACV ont été réalisées. Les études visent principalement des ACV sur le lait de consommation 35, le yaourt 36, le beurre 37 et le fromage 25. Certains travaux ont également porté sur le lait en poudre 38,39. Plus récemment, deux études portant sur les émissions de gaz à effet de serre liée à la production de lait en poudre ont été publiées 40,41. Ridoutt et al. (2010) 42 se sont intéressés à la consommation en eau dans l’industrie laitière et ont proposé une méthode de calcul de l’empreinte hydrique en lien avec la production de poudre de lait écrémé. Il s’agirait de la première application d’ACV traitant de l’impact lié à la consommation d’eau en lien avec l’industrie laitière. Ces travaux ont démontré que les produits laitiers peuvent être produits en minimisant l’impact sur l’utilisation d’eau douce. Toutefois, les systèmes de production dans l’industrie laitière différant beaucoup entre eux, la variabilité dans l’application de ces calculs doit être étudiée plus en profondeur dans le cadre d’autres travaux 42.
Malgré que quelques ACV aient été réalisées en lien avec la production de poudre de lait, force est de constater que l’étape de séchage des produits laitiers, lesquels sont généralement suivis d'une reconstitution, contribuent de façon importante à l’impact environnemental en raison de leur coût énergétique. Depping et al. (2017) 43 ont analysé le potentiel de réduction de l'impact environnemental des concentrés de lait écrémé (liquides) par rapport à une matrice laitière de référence, le lait en poudre. Il était attendu que la teneur importante en eau des concentrés de lait augmenterait considérablement le coût environnemental lié au transport et au stockage aux températures de réfrigération. Les travaux ont permis de conclure que pour les indicateurs environnementaux tels que la demande énergétique, le potentiel de réchauffement planétaire, d'eutrophisation et d'acidification, les concentrés liquides ont un impact environnemental inférieur à celui des poudres, même si les premiers sont transportés jusqu'à 1000 kilomètres. Évidemment, le potentiel de réduction environnementale des concentrés de lait liquides diminue avec l'augmentation des distances de transport en raison des besoins de refroidissement et des volumes de transport plus importants 43.
19
2.2 Le lait et ses constituants
Le lait est une suspension colloïdale complexe composée de globules de gras et de protéines dans une solution aqueuse de lactose, de minéraux et d’autres éléments mineurs. La composition générale du lait de vache est présentée dans le Tableau 1 de la page suivante. La proportion des constituants peut varier en fonction de différents facteurs liés à l’animal (race, âge, alimentation) ou à son environnement (stress, saison) 17.
Tableau 1 : Composition générale du lait de vache (adapté de 11)
Constituant Proportion (%) Poids moléculaire
(Da)/diamètre (nm) Eau 87 18 Da Globules de gras 4 0,1-15 µm Caséines 2,6 100-200 nm αs1 (1,04) 22-24 kDa αs2 (0,26) 25 kDa β (0,91) 24 kDa κ (0,39) 19 kDa Protéines sériques 0,7 3-7 nm α-lactoglobuline (0,12) 14 kDa β-lactoglobuline (0,32) 18 kDa BSA (0,04) 66 kDa Immunoglobulines (0,08) 150-900 kDa Lactose 4,6 350 kDa Minéraux 0,7 Acides organiques 0,17 Autres 0,15
2.2.1 Les constituants non-protéiques du lait 2.2.1.1 L’eau
L’eau est le constituant le plus abondant dans le lait (87%). Sa nature polaire lui permet de former, avec les autres constituants du lait, différents types de solutions. Par exemple, l’eau
20
forme une émulsion du type « huile dans l’eau » avec la matière grasse, tandis que les micelles de caséine et les protéines sériques s’y retrouvent sous forme de suspension colloïdale (phase solide non-solubilisée). Les molécules polaires, telles que les glucides et les minéraux, forment une solution vraie avec l’eau. Une solution vraie est un « mélange de substances liquides ou solides solubilisées dans un solvant liquide » 17.
2.2.1.2 La matière grasse
La matière grasse, composée principalement de triglycérides (environ 98%) avec des teneurs mineures en phospholipides, en cholestérol et en β-carotène, représente environ 4% de la composition totale du lait. Elle se présente sous la forme d'une émulsion de globules gras en équilibre dans la phase aqueuse. La présence de charges négatives sur la structure des protéines présentes à la surface des membranes de globules de gras empêche leur agglomération. Toutefois, cette émulsion n’est pas complètement stable et la membrane des globules de gras peut être altérée par les traitements mécaniques tels qu’une agitation excessive ou une homogénéisation 17.
2.2.1.3 Les glucides
Le glucide prédominant dans le lait est le lactose (environ 4,6%). Le lactose sert de substrat aux bactéries lactiques lors des processus de fermentation. D’autres glucides mineurs sont présents dans le lait, tels que le glucose, le galactose ainsi qu’une faible quantité d’oligosaccharides. Ces-derniers proviennent principalement de l’hydrolyse du lactose 17.
2.2.1.4 Les minéraux
Les minéraux se retrouvent dans le lait à l’état soluble, sous la forme d’ions ou de sels ou à l’état colloïdal, associés à la micelle de caséine. Les principaux minéraux du lait sont, en ordre d’importance, le calcium, le potassium, le chlore, le phosphore et le sodium. Le phosphore et le calcium jouent un rôle primordial dans la structure de la micelle de caséine
21 et participent à l’équilibre soluble-colloïdal 17.
2.2.2 La fraction protéique du lait
Dans l’industrie laitière, la protéine du lait est le constituant le plus important, notamment en raison de son rôle essentiel en fromagerie. En effet, en plus de leur impact sur le prix du lait et leur contribution importante à la valeur nutritive du lait, les protéines permettent d’améliorer les rendements fromagers 5. Les protéines représentent 3,3% de la composition du lait et environ 95% de sa matière azotée. L’azote non-protéique est composé de substances diverses telles que l’urée, l’ammoniac, l’acide urique, des acides aminés libres, des peptides, etc.
Il existe deux principales classes de protéines dans le lait : les caséines (80%) et les protéines sériques (20%). Elles se distinguent, entre autres, par leur solubilité à pH 4,6 à 20ºC. Dans ces conditions, les caséines précipitent tandis que les protéines sériques, ou protéines du lactosérum, demeurent solubles 44. Tel que représenté dans le Tableau 2, les deux types de protéines se distinguent par leur solubilité dans l’eau, leur sensibilité à la chaleur et aux agents coagulants enzymatiques 5.
Tableau 2 : Comparaison entre les caséines et les protéines sériques (adapté de 5)
Caséines Protéines sériques
Solubilité
-
+
Stabilité à la chaleur
+
-
Formation d’un gel
-
+
2.2.2.1 La fraction colloïdale
Les caséines, insolubles à pH 4,6 et à 20ºC, sont présentes dans le lait sous forme de micelles de caséine. Leur capacité à précipiter à pH 4,6 ou en présence de présure est à la base de leur
22
contribution à la structure du caillé pour la fabrication fromagère 45. Les micelles de caséines sont également stables à la chaleur. Les caséines sont constituées de différentes fractions (αs1, αs2, β et κ), dans les proportions respectives de 38%, 10%, 35% et 12% 44. Les micelles de caséine peuvent être décrites comme une association stérique de colloïdes de diamètre variant entre 100 et 300 nm. Les protéines représentent 95% de la matière sèche des micelles de caséine 44,46. Les micelles sont composées de unités comprenant de 10 à 100 sous-micelles. Les sous-micelles sont reliées entre elles par des ponts phosphate de calcium 45. En plus des protéines et des minéraux, les micelles contiennent des quantités considérables d'eau, à savoir entre 3,0 et 3,5 gramme d’eau par gramme de matière sèche 44,46. À noter que la fraction colloïdale du lait est en équilibre dynamique avec la fraction soluble par le biais des équilibres salins, notamment le phosphate de calcium.
2.2.2.2 La fraction soluble
Les protéines sériques ont une structure globulaire et sont constituées d'environ 60% de β-lactoglobuline, 20% de α-lactalbumine, 10% de BSA et 10% d'immunoglobulines. La sensibilité à la chaleur des protéines du lactosérum les distingue des caséines. En effet, un traitement thermique a pour effet de dénaturer les protéines engendrant leur agrégation et leur précipitation47. D'autres protéines telles que la lactoferrine, les peptides, les hormones et les enzymes sont également présentes dans la fraction soluble en quantités mineures 17.
Les protéines sont d’un grand intérêt en industrie laitière. Il est cependant généralement nécessaire de les concentrer par des procédés baromembranaires afin de générer des ingrédients laitiers qui peuvent être utilisés pour différentes applications.
2.3 Les procédés baromembranaires
2.3.1 Principe général et caractéristiques des systèmes membranaires
Les systèmes baromembranaires sont des procédés de séparation des fluides utilisant un gradient de pression comme force motrice pour le transfert de matière de part et d’autre d’une
23
membrane semi-perméable. Il est alors possible de séparer les différents constituants du fluide. Ainsi, les molécules de taille inférieure aux pores de la membrane traversent dans le perméat, alors que la portion du fluide retenue par la membrane constitue le rétentat. La Figure 1 illustre les quatre principaux procédés de filtration membranaire à gradient de pression, soit la microfiltration (MF), l’UF, la nanofiltration (NF) et l’osmose inverse (OI).
Figure 1 : Sélectivité de différents procédés baromembranaires (adapté de 48)
Ces différents systèmes diffèrent principalement par la pression d’opération ainsi que la des pores membranaires. Tel que détaillé dans le Tableau 3, la pression d’opération augmente inversement à la taille des pores de la membrane 17.
Tableau 3 : Champ d'application de différents procédés baromembranaires (adapté de 49) Procédé
baromembranaire
Pression d’opération (bar)
Gamme de taille (nm) ou (poids moléculaire) des particules retenues
MF 1 – 3 100 – 10 000 UF 2 – 10 1 – 100 (102 – 106 daltons) NF 10 – 40 0,5 – 5 (102 – 103 daltons) OI 30 – 100 (101 – 102 daltons) Bactéries M atières grasses Caséines Protéines sériques Lactose Sels divalents Sels non-dissociés Sels monovalents Eau
4.2. MODELING OF MEMBRANE PROCESSES 61
MF UF NF RO Suspended particles Macro-molecules Dissociated acids Divalent salts Sugars Undisociated salts Monovalent salts Water
Figure 4.1: Classification of membranes with regard to pore size and filterable/ retained components.
required concentration of micro- or macro-soluteis achieved. Then, it is usually necessary to remove afiltration cake (i.e. accumulated matter) consisting of retained macro-solute and the membrane is prepared for another operation (batch).
In cross-flow filtration, solution is continuously transfered to the membrane module which is usually a tube with membrane on the inner side. The term“cross-flow” is used sincethepermeate(streamthat passesthrough themembrane)flowsperpendicularly tothe feed stream. Unlikedead-endfiltration, thissetup isobviously suitablefor both continuous and discontinuous (batch) treatment of solutions.
4.2 Modeling of Membrane Processes
In the last century, many theories have been developed and presented to describe the complex phenomena happening in the system: solution– membrane – permeate. The most evolved theoretical concept is using classical (stagnant)film theory (Zydney, 1997) which predicts aflow through ultrafiltration membrane(flux, q) to begiven by
q= k lnclim c1 , (4.1) Bactéries M atières grasses Caséines Protéines sériques Lactose Sels divalents Sels non-dissociés Sels monovalents Eau
4.2. MODELING OF MEMBRANE PROCESSES 61
MF UF NF RO Suspended particles Macro-molecules Dissociated acids Divalent salts Sugars Undisociated salts Monovalent salts Water
Figure 4.1: Classification of membranes with regard to pore size and filterable/ retained components.
required concentration of micro- or macro-soluteis achieved. Then, it is usually necessary to remove afiltration cake (i.e. accumulated matter) consisting of retained macro-solute and the membrane is prepared for another operation (batch).
In cross-flow filtration, solution is continuously transfered to the membrane module which is usually a tube with membrane on the inner side. The term“cross-flow” is used sincethepermeate(streamthat passesthrough themembrane)flowsperpendicularly tothe feed stream. Unlikedead-endfiltration, thissetup isobviously suitablefor both continuous and discontinuous (batch) treatment of solutions.
4.2
Modeling of Membrane Processes
In the last century, many theories have been developed and presented to describe the complex phenomena happening in the system: solution– membrane – permeate. The most evolved theoretical concept is using classical (stagnant)film theory (Zydney, 1997) which predicts aflow through ultrafiltration membrane(flux, q) to begiven by
q= k lnclim c1
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Malgré leurs différentes caractéristiques de rétention, les unités de filtration membranaire sont constituées sensiblement des mêmes éléments. Tel qu’illustré par la Figure 2, un système de filtration typique à un stage comprend un réservoir d’alimentation, une membrane de filtration, une pompe et deux manomètres (P1 et P2) situés aux deux extrémités de la membrane 17.
Figure 2 : Schéma simplifié d'une unité de filtration à un stage 17
2.3.1.1 L’osmose inverse
L’OI exploite des membranes denses et des hautes pressions d’opération afin de générer un perméat constitué essentiellement d’eau. Les pressions appliquées dans le cadre de ce procédé sont généralement comprises entre 30 et 100 bar 49. En effet, la pression appliquée doit être supérieure à la pression osmotique pour observer un flux de perméat à travers la membrane 50. L'OI est un procédé de filtration membranaire qui a été largement appliqué pour le dessalement de l’eau de mer 9. D’autres applications, telles que le dessalement d’eaux saumâtres, la déminéralisation de l’eau potable, l’élimination de pesticides et d’herbicides et la concentration d’antibiotiques ont également été étudiées 50. En industrie alimentaire, l'OI est mise à profit pour la concentration des jus de fruits et de légumes, la pré-concentration du lait et du lactosérum et la désalcoolisation de diverses boissons 9. En transformation laitière, et dans une optique d’économie des ressources, l’OI peut être utilisée pour retirer partiellement l’eau d’un rétentat permettant des économies d’énergie liées au séchage ou à
25
l’évaporation. Ce procédé peut également être mis à profit lors du traitement des eaux usées telles que les eaux de lavage. Le perméat d’OI, essentiellement composé d’eau, peut être utilisée comme eau de procédé lors du rinçage ou du lavage des équipements ou comme eau de diafiltration lors de la concentration des fluides laitiers.
2.3.1.2 La nanofiltration
La NF est un procédé intermédiaire à l’OI et l’UF, tant au niveau du seuil de coupure (200 à 1000 Dalton), correspondant à un diamètre de pores inférieur ou égal à 1 nanomètre, que de la pression transmembranaire (5 à 25 bar) 49. La NF rejette les ions qui contribuent de manière significative à la pression osmotique, permettant ainsi des pressions de fonctionnement inférieures à celles nécessaires en OI 9. Cela permet de réduire considérablement la consommation énergétique, en comparaison avec l’OI. Les membranes de NF retiennent les ions multivalents en raison du rôle des interactions électrostatiques tout en permettant le passage dans le perméat des sels monovalents et des molécules organiques 50. Les principales applications de la NF sont le traitement des eaux usées et la production d'eau potable 51. Dans l’industrie laitière, la NF présente un intérêt pour la déminéralisation du lactosérum ou le recyclage des eaux de lavage 50.
2.3.1.3 L’ultrafiltration
L’UF exploite des membranes dont le seuil de coupure est compris entre 102 et 106 Dalton (g.mol-1). La pression d’opération est généralement comprise entre 2 et 5 bars 49. Les membranes d’UF (diamètre de pore de 2 à 100 nanomètres) peuvent retenir des colloïdes plus petits, les pigments et les virus non retenus en MF, mais retiennent presque intégralement les protéines 50. L’UF est un procédé très répandu en transformation lait en raison de la sélectivité des membranes d’UF qui permettent de retenir la totalité des protéines laitières dans le perméat sans affecter leur structure native 5. Il est alors possible de concentrer les protéines du lait par l'élimination du lactose, des minéraux et de l'eau. Les avantages du procédé d’UF comprennent une forte rétention de protéines lorsque le seuil de coupure membranaire est adéquat et la possibilité d’obtenir une concentration élevée en solides tout en réduisant la
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consommation énergétique liée au séchage ou à l’évaporation 11. En évitant une exposition prolongée à la chaleur, l’UF permet également de conserver les qualités fonctionnelles et sensorielles du lait 52. Les principales applications de l’UF dans l’industrie laitière sont la standardisation (pré-concentration) du lait de fromagerie et la production d’ingrédients laitiers 3.
2.3.1.4 La microfiltration
La MF permet la séparation de fluides à basse pression transmembranaire. Le mécanisme est basé exclusivement sur l’effet tamis (taille) et rend possible la rétention de colloïdes ou particules en suspension, ou encore, de bactéries dont la taille se situe entre 0.1 et 10 m. La MF implique l'utilisation d'une pression transmembranaire inférieure et d'un flux supérieur à celui de l'UF 49. Les applications laitières de la MF (taille des pores de 1,4 µm) comprennent la débactérisation du lait et la rétention de substances particulaires. La MF, à une taille des pores de 0,1 µm, permet également de séparer les caséines et les protéines du lactosérum9.
Malgré l’essor important des procédés baromembranaires en transformation laitière, ceux-ci comportent leurs limites, telles que la diminution des flux de perméation à hauts FCV en raison du phénomène de polarisation de la concentration et de l’encrassement membranaire et la hausse importante de la viscosité du fluide lors de l’UF à hauts FCV 53,54. La valorisation du perméat d’UF, représente également un défi puisqu’il doit être traité en raison du lactose et des minéraux qu’il contient. Dans cette optique, l’industrie cherche toujours à développer des stratégies permettant de minimiser la réduction du flux sans sacrifier la rétention des protéines tout en minimisant la fréquence de nettoyage de la membrane, donc leur durée de vie 11.
2.3.2 Les modes de filtration
Il existe différents modes opératoires permettant d’atteindre les degrés de concentration et de pureté ciblés : la concentration et la diafiltration (DF).
27 2.3.2.1 La concentration
La concentration du fluide est caractérisée par le FCV, lequel représente le rapport du volume initial à traiter sur le volume final de rétentat. L’Équation 1 permet de calculer le FCV et de suivre le phénomène de concentration tout au long du procédé de filtration 55 :
FCV = V0 Vf
[1]
Tel qu’illustré par la Figure 3, la filtration peut être réalisée de manière frontale (a) ou tangentielle (b).
Figure 3 : Filtrations en modes frontal (a) et tangentiel (b) (adapté de 56)
Lors d’une filtration de type frontale, ou « dead-end filtration », la pression appliquée entraîne le fluide de façon perpendiculaire à la membrane de filtration, poussant les constituants à traverser la membrane 56. Conséquemment, sous l’effet de la pression, les particules retenues forment rapidement un gâteau à la surface membranaire. Lorsqu’effectuée à PTM constante, le gâteau de filtration devient de plus en plus épais à mesure que la filtration frontale progresse, entraînant un important déclin du flux de perméation. Lorsque le flux de
où FCV = facteur de concentration volumique (exprimé en X) V0 = le volume initial de la solution (en L ou m3)
28
perméation devient insuffisant, la filtration doit être interrompue afin de nettoyer ou remplacer la membrane. De ce fait, la filtration frontale n’est pas adaptée aux fluides complexes tels que le lait 56. La filtration peut également être réalisée de façon tangentielle, ou « cross-flow filtration », c’est-à-dire que le fluide circule parallèlement à la membrane. Cette technique de filtration est à privilégier pour le traitement de fluides tels que le lait car elle permet une amélioration des performances de filtration par une réduction de l’épaisseur de la couche de polarisation à la surface membranaire 56. En ce sens, la filtration tangentielle entraîne une diminution des coûts liés au lavage ou au remplacement des membranes 55. L’augmentation du débit de recirculation favorise la turbulence et la dispersion des solides dans la cuve d’alimentation, permettant de limiter le phénomène de polarisation de la concentration 56.
L’UF en mode discontinu consiste à retirer le perméat du système jusqu’à ce que le facteur de concentration volumique (FCV) visé soit atteint, tandis que le rétentat est continuellement retourné dans la cuve d’alimentation. Ce mode de filtration en boucle fermée est peu adapté au traitement de volumes importants ; il convient toutefois aux applications à l’échelle pilote. De plus, le procédé en discontinu est moins adapté pour des procédés de concentration à hautes teneurs en solides. De fait, le flux de perméation diminuant progressivement en fonction de l’augmentation de la teneur en solides du fluide, lorsque des hauts FCV sont ciblés, le procédé peut être difficile à réaliser en raison de l’encrassement membranaire 56. Pour le traitement de volumes conséquents, la filtration en mode continu et multi-stages est à privilégier, puisqu’elle permet de réduire considérablement la capacité de la cuve d’alimentation nécessaire au procédé, en comparaison avec le mode discontinu. De même, la filtration en continu permet de réduire la durée du procédé, ce qui représente un avantage d’un point de vue microbiologique, surtout lorsque le procédé d’UF est mené à haute température 57. La surface membranaire requise étant beaucoup plus élevée pour les systèmes de filtration en continu, cela génère des coûts d’investissement élevés et des dépenses importantes liées au lavage 56. Toutefois, les systèmes multi-stages permettent de pallier ce désavantage et permettent le maintien d’un flux de perméation plus constant au cours du procédé de concentration.
29
Le mode continu à un seul stage est peu optimal, surtout pour la production de concentrés à hautes teneurs en solides. Avec le mode continu multi-stages, le concentré obtenu à l’issue de chaque stage devient le fluide d’alimentation pour le stage suivant. Cela permet de répartir l’encrassement sur une plus grande surface de membrane et donc de prolonger la durée de vie des membranes 56. Le nombre de stages requis dépend de l’application et du niveau de concentration voulu. Ainsi, des systèmes de filtration jusqu’à 10 stages sont disponibles dans les usines de transformation laitières. La minimisation du temps de séjour est un élément crucial pour prévenir une croissance bactérienne excessive 56. L’un des désavantages est le coût d’investissement élevé. Par exemple, un système multi-stages nécessite une pompe de recirculation pour chaque boucle, ce qui entraîne des coûts énergétique et d’exploitation plus importants 56.
2.3.2.2 La diafiltration
La diafiltration (DF) est une étape complémentaire à l’UF permettant d’augmenter la pureté du rétentat. Le procédé permet l'élimination sélective des espèces de faible masse moléculaire à travers la membrane par l'addition et l'élimination d'eau. L'augmentation du FCV en UF entraîne l'augmentation de la teneur en solides du fluide et donc de la viscosité du rétentat. Le phénomène de polarisation de la concentration à la surface de la membrane menant à la formation d’un gel irréversible entrave également l’efficacité du procédé 58. En ce sens, coupler l’UF à une étape de DF permet d’améliorer les performances du procédé et d’atteindre une teneur en protéines sur base sèche supérieure à 60%, tout en minimisant le déclin du flux de perméation 4.
La DF peut être réalisée de façon continue ou séquentielle 55. Tel qu’illustré par la Figure 4, la DF séquentielle, ou « batch » consiste à réaliser une séquence de dilution et de re-concentration. Le volume d’eau est calculé en diavolumes (DV) et représente le nombre de volumes d’eau par rapport au volume de rétentat obtenu à l’issue de l’étape d’UF 4.
30
Figure 4 : Procédé de DF en discontinu 16
La purification du concentré par DF séquentielle, comparativement à la DF en continu, augmente considérablement la durée du procédé, ce qui peut représenter un désavantage du point de vue de la consommation énergétique. Lors d’une DF en continu, telle qu’illustrée par la Figure 5, les DV sont ajoutés à la cuve d’alimentation au même débit que le flux du perméat de sorte que le volume dans le bassin d’alimentation demeure constant. La méthode en continu est plus adaptée au milieu industriel alors qu’elle permet une économie de temps en plus de limiter phénomène d’encrassement en raison de la diminution graduelle de la teneur en solide du fluide 16.
Figure 5 : Procédé de DF en continu 16
L’Équation 2 permet d’estimer le nombre de DV nécessaires à l’étape de DF en continu 4 : C = C0e−Vd(1−σ) [2]
où C = concentration finale C0 = concentration initiale
Vd = nombre de DV (volume de diluant/volume de concentré) σ = coefficient de rejet
31
Plusieurs travaux recensés dans la littérature portent sur des modélisations mathématiques permettant l’optimisation du procédé de DF autant en mode continu 16,59,60 que discontinu 61– 64. Choisir le mode de DF optimal (continu ou discontinu) et le moment d’intégrer la DF au procédé d’UF sont des aspects essentiels à prendre en compte lors de l’optimisation des procédés UF-DF 62. La manière standard de réaliser un procédé UF-DF est la combinaison de l’UF avec une DF à volume constant 4. L’optimisation du procédé UF-DF implique de définir le point d’introduction de l’étape de DF de façon à atteindre la teneur ciblée en solides, à maximiser les flux de perméation et à optimiser la consommation énergétique liée au pompage, tout en minimisant la consommation d’eau 65. De plus, pour la fabrication de MPC impliquant une étape de séchage subséquente (évaporation, atomisation), l’ajout d’eau présente le désavantage d’augmenter l’humidité du rétentat, et donc d’augmenter la consommation énergétique liée à l’étape de séchage 56.
2.3.3 Les caractéristiques des membranes 2.3.3.1 Le matériau membranaire
Deux principales classes de matériaux membranaires, soit les membranes constituées de matériaux organiques (membranes polymériques) ou de matériaux inorganiques (membranes céramiques) sont disponibles. Plus précisément, les membranes polymériques peuvent être constituées de polyamide, de polysulfone, de polyéthersulfone (PES), de polycrylonitrile ou de polyfluorure de vinylidène (PVDF). Le matériau membranaire sélectionné doit être compatible avec les conditions chimiques, thermiques et mécaniques du procédé ainsi qu’avec le fluide traité. Les membranes en polysulfone sont très répandues pour des procédés d’UF, NF et OI en raison de leur capacité à supporter des températures allant jusqu’à 90°C et une gamme de pH allant de 2 à 12 50. Pour ces raisons, et considérant leur faible coût d’investissement et de remplacement, les membranes polymériques, principalement en PES, sont fréquemment utilisées dans l’industrie laitière 19. Toutefois, elles sont sensibles aux produits chimiques agressifs tels que ceux nécessaires à l’étape de nettoyage, impactant leur durée de vie 45.
32 2.3.3.2 Le module membranaire
Il existe différentes configurations de membranes, dont les principales sont les modules plans, spiralés, tubulaires, à fibres creuses ou à disques rotatifs. Tel que résumé dans le Tableau 4, chaque type de module comporte ses avantages et ses inconvénients, le type de module doit donc être sélectionné selon l’application visée. Le signe (-) désigne un désavantage, alors que l’indication (+++) désigne un avantage important.
Tableau 4 : Avantages et inconvénients des modules membranaires 66 Type de module
Choix selon : Critère Plan Spiralé Tubulaire Fibres creuses Disque rotatif
Surface disponible Compacité
+
++
-
+++
-
Caractère colmatant Rétrolavage
-
-
-/++
++
-
Valeur produit Coût
+
+++
-
+++
-
Viscosité Perte de charge
-
++
+++
++
+++
Turbidité Pré-traitement
nécessaire
+
-
+++
+
+++
En industrie laitière, les membranes spiralées sont les plus utilisées, notamment en raison de leur faible. Leur configuration est également compacte, ce qui représente un avantage lorsque des volumes importants sont traités. Tel qu’illustré à la Figure 6, ces modules membranaires consistent en deux feuillets (membranes) séparés par un promoteur de turbulence. Ces feuillets sont enroulés et collés sur un tube central perforé qui assure la collecte du perméat en provenance de tous les espaceurs 50. Les promoteurs de turbulence, sous forme de feuillet grillagé se retrouvent du côté rétentat et servent à accroître la turbulence du fluide afin de limiter le phénomène de polarisation de la concentration et l’encrassement de la membrane en général 55,67. D’ailleurs, la configuration compacte des modules spiralés a pour impact de ce type de module.
33
Figure 6 : Le module spiralé (adapté de 68)
2.3.4 Les paramètres clé à contrôler lors de la filtration 2.3.4.1 La température
La température de filtration est un paramètre déterminant lors de la filtration de fluides complexes tels que le lait. En effet, une hausse de température peut diminuer la viscosité du fluide permettant l’augmentation des flux de perméation et la diminution de la durée du procédé. Toutefois, des coûts énergétiques accrus peuvent être occasionnée par le chauffage et le maintien du fluide à haute température. La croissance microbiologique représente l’un des principaux défis de la filtration réalisée à des température entre 25 et 40ºC. L’effet de la température sur l’efficacité des procédés de filtration sera abordé en profondeur à la section 2.4.3.1.
2.3.4.2 La pression transmembranaire
La pression transmembranaire (PTM) constitue la force motrice permettant le transfert de matière à travers une membrane semi-perméable. Elle représente la différence moyenne de pression entre le côté rétentat et le côté perméat de la membrane. La PTM peut être calculée à l’aide de l’Équation 3 55. Seuil de coupure net M atériau de protection Collecteur de perméat Joint d’étanchéité Flux d’alimentation
Tube central perforé
M embrane Promoteur de turbulence Perméat Rétentat C o e ff ic ie n t d e r e je t
Poids moléculaire (Da)
Seuil de coupure idéal Seuil de coupure diffus
34 ΔPTM =
P1+ P2
2 − P3 [3]
où ΔPTM= le gradient de PTM (en bar ou kPa)
P1 = la pression à l’entrée de la membrane (en bar ou kPa) P2 = la pression à la sortie de la membrane (en bar ou kPa) P3 = la pression du côté « perméat » (en bar ou kPa)
L’effet de la pression transmembranaire sur l’efficacité du procédé d’UF sera abordé plus en détail dans la section 2.4.3.2.
2.3.4.3 La vitesse tangentielle
La vitesse tangentielle est la vitesse de circulation du fluide à la surface de la membrane. Une augmentation de la vitesse tangentielle a pour effet d’augmenter le phénomène de turbulence, ce qui aide à limiter l’encrassement de la membrane lors de la filtration. L’augmentation de la vitesse tangentielle du fluide et de la turbulence entre les feuillets de la membrane demeure l’une des principales stratégies pour améliorer la performance d’un système membranaire lors de la filtration d’un fluide visqueux comme le lait 56.
2.3.5 Les applications des systèmes baromembranaires en industrie laitière
L’utilisation de membranes de filtration pour la fabrication fromagère a débuté à la fin des années 1960 avec l’invention du procédé MMV développé par Maubois, Mocquot et Vassal. Ce procédé consiste à concentrer le lait par UF à des FCV allant jusqu’à 5X afin de former un pré-fromage liquide. Le procédé MMV, principalement appliqué pour la fabrication de fromages de types camembert 69 ou semi-fermes 8,70 a permis des innovations technologiques importantes en fromagerie : l’amélioration du rendement fromager, la diminution des volumes de lactosérum générés à l’étape d’égouttage, la réduction de la quantité de présure et de ferments nécessaires, la standardisation de la teneur en solides du lait de fromagerie, le développement de procédés en continus et la création de nouveaux produits 71,72. En
35
fabrication fromagère, la concentration du lait par UF est maintenant davantage utilisée pour la standardisation ou l’enrichissement du lait de fromagerie 6.
2.4 L’ultrafiltration pour la production de concentrés protéiques laitiers
2.4.1 Les différents types de concentrés protéiques laitiers et leurs applications
Les protéines laitières sont d’un intérêt majeur pour différentes applications technologiques. Les concentrés de protéines laitières, généralement désignés par le terme MPC (Milk Protein Concentrates), sont des ingrédients laitiers issus d’un procédé de concentration. La teneur en protéines des MPC est exprimée sur base sèche et peut varier entre 50 et 85%. La concentration du lait par UF permet d’augmenter la teneur en protéines totales sur base sèche et de diminuer la teneur en lactose. Ce sont les cendres qui comblent principalement la portion restante, plus précisément le phosphate de calcium présent dans les micelles de caséines. Si le lait est concentré à son pH normal (entre 6,6 et 6,8), les sels minéraux, dont les principaux sont le calcium, le magnésium et le phosphore, demeurent liés aux caséines. Ils sont donc également concentrés 71. Les compositions de MPC-75 et MPC-80 sont présentées dans le Tableau 5.
Tableau 5 : Compositions de MPC-75 et MPC-80 (adapté de 73)
Composant (g/100g) MPC-75 MCP-80
Protéines totales 75,0 80,0
Protéine vraie 73,5 78,4
Azote non protéique (NPN) 1 1,5 1,6
Eau 5,0 5,0
Matière grasse 1,5 1,7
Lactose 10,9 5,5
Cendres 7,6 7,8
1 NPN : l’azote qui n'est pas sous forme de protéines, par exemple l’urée, les acides aminés libres, la créatine, l’acide urique, etc.
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viande, les produits laitiers ou pour le développement de nouveaux aliments. L’intérêt porté envers les MPC repose à la fois sur leur valeur nutritionnelle alors qu’ils peuvent servir à augmenter la teneur en protéines de certains aliments (aliments pour athlètes, laits maternisés, etc.) 5. La fonctionnalité des MPC suscite également un intérêt alors qu’ils peuvent être utilisés comme agents émulsifiant, moussant ou gélifiant 73.
Les MPC ont révolutionné le secteur laitier à leur façon, en menant à plusieurs avancées significatives, autant du point de vue de l’optimisation des procédés que du développement de nouveaux produits 5,71. En transformation laitière, la principale application des MPC demeure la standardisation du lait de fromagerie afin d’optimiser le ratio caséine : gras lors de la production de fromage 6,7. En effet, le lait de fromagerie doit être standardisé en raison de la teneur en protéines du lait qui peut varier en fonction des saisons et d’autres variables technologiques (stage de lactation, température, race, etc.). Une faible teneur en protéines pour un lait de fromagerie mène à une faible structure de caillé, et possiblement des pertes de caséines dans le lactosérum 71. Non seulement l’UF est un moyen de pallier ce problème mais elle permet aussi d’enrichir le lait de fromagerie en protéines. Contrairement à la MF, l’UF permet de concentrer l’intégralité des protéines du lait, son utilisation en fromagerie est donc d’un grand intérêt pour l’amélioration du rendement du fromage 74. L’enrichissement des laits de fromagerie à l’aide d’un rétentat d’UF réduit également les quantités de sel, de culture lactique, de présure et de chlorure de calcium nécessaires 7. La fabrication de fromage à partir de MPC pour l’étape de standardisation est documentée pour une variété de fromages. Entre autres, des études concluantes ont porté sur la fabrication de fromage mozzarella 75 et de fromage Cheddar 76.
2.4.2 Les étapes de production des concentrés protéiques laitiers
Il est possible de distinguer les concentrés de protéines laitières liquides, ou rétentats, des MPC qui supposent généralement un séchage suivant l’étape de concentration. Les MPC sont produits à partir de lait écrémé et pasteurisé. Par la suite, l’étape d’UF permet d’obtenir un rétentat liquide. Pour la fabrication d’un concentré à haute teneur en protéines, une
