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Impact des propriétés de surface des matériaux membranaires sur les caractéristiques des biofilms formés suivant la filtration de fluides laitiers

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Academic year: 2021

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Texte intégral

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Impact des propriétés de surface des matériaux

membranaires sur les caractéristiques des biofilms

formés suivant la filtration de fluides laitiers

Mémoire

Gabrielle Beaulieu-Carbonneau

Maîtrise en sciences et technologie des aliments

Maître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

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Impact des propriétés de surface des matériaux

membranaires sur les caractéristiques des biofilms

formés suivant la filtration de fluides laitiers

Mémoire

Gabrielle Beaulieu-Carbonneau

Sous la direction de :

Yves Pouliot, directeur de recherche

Laurent Bazinet, codirecteur de recherche

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iii

Résumé

L’encrassement est un problème majeur qui affecte l’efficacité des procédés de filtration. Dans l’industrie laitière, le dépôt de constituants laitiers et le développement de biofilms sont les principaux responsables de l’encrassement des membranes. Comme la formation de biofilms est influencée par les propriétés de la surface des membranes, la sélection du matériau membranaire est un paramètre qui peut affecter l’adhésion de bactéries et la formation de biofilms. Ainsi, l'influence des propriétés de surface (hydrophobicité, potentiel zeta et rugosité) de divers matériaux (PES, PVDF, PAN) sur la performance et l’aptitude à l’encrassement des membranes a été évaluée lors de l'UF de lait et de lactosérum à 50 °C. Il a été montré que pour tous les matériaux, la résistance est globalement plus élevée lors de l'UF de lactosérum, mais que le PVDF présente la plus grande résistance irréversible lors de l'UF de lait et de lactosérum. Ces variations de résistance sont principalement attribuées à l'encrassement de la membrane par les constituants laitiers, car les résultats montrent que le nombre estimé de bactéries n’est significativement pas différent entre les trois différentes membranes. D’autre part, lors de l'UF de lactosérum, il a été montré que la rugosité de la surface des membranes affecte la diversité des communautés bactériennes adhérées aux membranes. En effet, après 20 h d'UF de lactosérum, plus de 5,04 log10/cm2 de bactéries sporulantes ont été dénombrées sur les

membranes les plus rugueuses (PAN et PVDF) comparativement à 0,18 log10/cm2 sur la membrane

la plus lisse (PES). Ainsi, l'utilisation d'une surface plus lisse combinée à une durée de filtration plus courte sont des éléments importants à envisager afin de réduire le nombre de bactéries sporulantes dans les systèmes de filtration et le nombre de spores bactériens dans les ingrédients du lactosérum.

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iv

Abstract

Fouling of filtration membranes is a major issue affecting the efficiency of filtration processes. In the dairy industry, fouling is initiated by the deposition of dairy constituents, but also by the development of bacterial biofilms on filtration membranes. Since the formation of biofilms is primarily influenced by the surface properties, the membrane material selection may represent an important parameter to enable membrane fouling and bacteria adhesion. The influence of membrane surface properties (hydrophobicity, zeta potential and roughness) of various materials (PES, PVDF, PAN) was evaluated on both filtration performance and biofouling behavior during UF of milk and whey at 50 °C. The membrane resistance due to fouling was globally higher during whey UF, and the PVDF material had the highest irreversible resistance during both dairy fluids UF. These variations in resistance were mainly attributed to chemical fouling since no significant difference was observed when microorganisms are quantified through 16S rRNA gene copy numbers found on membranes. According to a metabarcoding approach, the membrane material did not influence the biofilms composition on membranes used for milk UF, mainly composed of water-associated bacteria. On the other hand, during whey UF, the membrane surface roughness clearly affected the bacterial diversity observed on it. Indeed, after 20 h of whey UF, more than 5.04 log10 spore-forming bacteria per cm2

were found on the roughest membranes (PAN and PVDF) compared to 0.18 log10 per cm2 on the

smoothest type (PES). Thus, the use of a smoother surface combined with shorter filtration duration, may help the dairy industry to reduce the occurrence of persistent spore-forming biofilms in filtration systems and the number of bacterial spores in whey ingredients.

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v

Table des matières

 

Résumé  ...  iii  

Abstract  ...  iv  

Table  des  matières  ...  v  

Liste  des  figures  ...  vii  

Liste  des  tableaux  ...  viii  

Liste  des  abréviations  ...  ix  

Remerciements  ...  x  

Avant-­‐propos  ...  xi  

Chapitre  1  :  Introduction  ...  1  

Chapitre  2  :  Revue  de  littérature  ...  3  

2.1  Les  procédés  baromembranaires  ...  3  

2.1.1  Le  principe  ...  3  

2.1.2  Utilisations  dans  l’industrie  laitière  ...  4  

2.2  Les  membranes  polymériques  ...  6  

2.2.1    Les  matériaux  membranaires  ...  6  

2.3  L’encrassement  membranaire  ...  11  

2.3.1  L’adsorption  ...  11  

2.3.2  La  concentration  de  polarisation  ...  12  

2.3.3  Le  colmatage  ...  13  

2.3.4  Méthodes  de  caractérisation  des  phénomènes  d’encrassement  ...  15  

2.4  Les  biofilms  ...  18  

2.4.1  Définition  ...  18  

2.4.2  Formation  des  biofilms  ...  18  

2.4.3  Facteur  influençant  la  composition  des  biofilms  sur  les  membranes  de  filtration  ...  21  

2.5  Encrassement  des  membranes  par  les  fluides  laitiers  ...  23  

2.5.1  Effet  de  la  nature  des  fluides  ...  23  

2.5.2  Effets  des  propriétés  de  surface  des  membranes  ...  25  

Chapitre  3  :  Hypothèse  et  objectifs  ...  26  

Chapitre  4:  Effect  of  membrane  material  chemistry  and  properties  on  biofouling   susceptibility  during  milk  and  cheese  whey  ultrafiltration  ...  27  

4.1  Résumé  ...  27  

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vi

4.3  Experimental  ...  30  

4.3.1  Experimental  protocol  ...  30  

4.3.2  Characterization  of  the  Membrane  Surface  Properties  ...  32  

4.3.3  Membrane  Fouling  Characterization  ...  33  

4.3.4  Biofouling  Characterization  ...  34  

4.3.5  Statistical  Analysis  ...  36  

4.4  Results  ...  37  

4.4.1  Membrane  Surface  Properties  and  Effects  of  Membrane  Conditioning  ...  37  

4.4.2  Membrane  Performance  During  Milk  and  Cheese  Whey  UF  ...  39  

4.4.3  Membrane  Biofouling  Assessment  ...  41  

4.5  Discussion  ...  47  

4.5.1  Impact  of  the  Membrane  Material  on  Filtration  Performance  ...  47  

4.5.2  Impact  of  the  Surface  Properties  on  Bacteria  Adhering  on  Membranes  ...  48  

4.5.3  Mechanism  Suggested  for  Biofilm  Formation  on  Dairy  Filtration  Membranes  ...  49  

4.6  Conclusions  ...  52  

4.7  Acknowledgments  ...  52  

Chapitre  5  :  Discussion  et  conclusion  générale  ...  53  

5.1  Retour  sur  les  résultats  ...  53  

5.2  Limites  de  l’étude  ...  56  

5.3  Retour  sur  l’hypothèse  ...  57  

5.4  Conclusions  et  perspectives  ...  58  

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vii

Liste des figures

Chapitre 2

Figure 2.1: Domaine de fractionnement des procédés baromembranaires ... 3

Figure 2.2 : Structure moléculaire du PES ... 7

Figure 2.3 : Structure moléculaire du PVDF ... 8

Figure 2.4 : Structure moléculaire du PAN ... 8

Figure 2.5 : Mécanismes d’encrassement des membranes poreuses ... 13

Figure 2.6 : Effet de la TMP sur le flux de perméation et sur l'encrassement ... 16

Chapitre 4 Figure 4.1: Images obtained by stylus profilometry of conditionedmembrane coupons. ... 38

Figure 4.2: Permeation flux decline during pasteurized milk and cheese whey UF ... 39

Figure 4.3: Reversible (Rrev), irreversible (Rirrev) and total (Rtot) hydraulic resistances caused by 5 h and 20 h UF of pasteurized milk and cheese whey. ... 41

Figure 4.4: Stacked chart presenting the estimated abundance of the major bacterial genera on cleaned membrane samples and in dairy retentates ... 44

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viii

Liste des tableaux

Chapitre 2

Tableau 2.1 : Méthodes d'analyse pour la caractérisation des propriétés de surface membranaires 10 Tableau 2.2 : Définition des résistances hydrauliques ... 17 Chapitre 4

Table 4.1: Surface properties of virgin and conditioned membranes. ... 38 Table 4.2: Ecological characteristics of membrane and retentate samples collected at the beginning

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ix

Liste des abréviations

CIP Cleaning-in-place (Nettoyage en place) Cp Concentration du soluté dans le perméat

CR Concentration du soluté dans le rétentat

EPS Substances polymériques extracellulaires J Flux de perméation

JAS Flux de perméation à facteur de concentration volumique désiré

Jw Flux de perméation à l’eau avant filtration

Jw' Flux de perméation à l’eau après filtration

MBR Bioréateur à membrane MF Microfiltration

MPC Concentrés de protéines de lait NF Nanofiltration

OI Osmose inverse

PAN Polyacrilonitrile PES Polyéthersulfone PMA Propidium monoazide PVDF Polyfluorure de vinylidène R Coefficient de rejet Rirrev Résistance irréversible

Rm Résistance de la membrane

Rrév Résistance réversible

Rtot Résistance total

S Surface membranaire

t Temps

TMP Pression transmembranaire TMPlim Pression transmembranaire limite

UF Ultrafiltration

V Volume de perméat

WPC Concentrés de protéines de lactosérum ZP Potentiel zêta

ηw Viscosité de l’eau

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x

Remerciements

Je voudrais d’abord remercier Yves Pouliot pour avoir été un directeur de maitrise extraordinaire. Tu as su me faire confiance du début à la fin en m’acceptant au sein de ta Chaire de recherche, mais également en acceptant de me laisser partir avant la fin pour me permettre de commencer ma carrière professionnelle. Je voudrais également te remercier pour ta patience, ton écoute et tes conseils judicieux qui ont fait en sorte de rendre ma maitrise agréable et enrichissante. Merci à mon co-directeur, Laurent Bazinet, pour ton point de vue et le temps que tu as accordé à la révision de mes travaux. Tu as contribué à pousser plus loin mon raisonnement scientifique. De plus, je voudrais spécialement remercier Julien Chamberland pour avoir été le meilleur collègue de travail du monde. Je te remercie pour ta curiosité et ton ouverture scientifique, mais aussi pour ton infatigable optimiste. Merci pour tous les efforts et tout l’aide que tu m’as donné. Cette maitrise n’aurait pas été la même sans toi.

Un grand merci au personnel de l’Université Laval : Marie-Hélène Lessard, Pascal Lavoie, Mélanie Martineau, Diane Gagnon et Jacinthe Thibodeau pour votre temps et votre aide précieuse en laboratoire. Un merci spécial à Kevin Bédard pour ton aide lors de mes essais au laboratoire pilote.

Je souhaite également remercier la FSAA pour son soutien financier tout au long de ma maitrise par les bourses et les contrats de correction qu’elle m’a accordés.

Merci à mes parents et à ma sœur pour votre présence et votre soutien. Merci à tous mes amis de STA qui, à leur façon, ont contribué au succès de cette maitrise. Nous avons eu beaucoup de plaisir et je garde plusieurs beaux souvenirs de cette belle année passée avec vous.

Enfin, je remercie le meilleur copain du monde. François. L’homme le plus tolérant et le plus patient que je connaisse. Merci de m’avoir supporté et de m’avoir encouragé dans les moments les plus difficiles. Tu as grandement contribué à l’achèvement de ce beau projet.

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xi

Avant-propos

Ce projet de maîtrise a été réalisé dans le cadre de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-Novalait en efficience des procédés de transformation du lait, dirigé par le Dr. Yves Pouliot. L’objectif du projet était d’évaluer l’impact de différents matériaux membranaires sur la formation de biofilms lors de l’UF de fluides laitiers.

Une brève mise en contexte du projet est présentée dans le premier chapitre. Une revue de littérature qui rappelle les principaux concepts liés aux technologies membranaires, aux propriétés de surface et aux biofilms est présentée dans le chapitre 2. L’hypothèse et les objectifs du projet sont énoncés dans le chapitre 3.

L’article scientifique qui réunit les principaux résultats de ce projet, dont j’étais responsable de la planification, de l’exécution des expérimentations et de la rédaction de l’article, est présenté dans le quatrième chapitre. Julien Chamberland, Marie-Hélène Lessard, Steve Labrie, Laurent Bazinet, Alain Doyen et Yves Pouliot sont les autres auteurs, car ils ont participé à la réalisation du projet et à la révision de l’article.

Une discussion générale portant sur les résultats obtenus, les méthodes utilisées et les perspectives pour la suite du projet se retrouve au chapitre 5. Enfin, toutes les références se retrouvent dans la bibliographie au chapitre 6.

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1

Chapitre 1 : Introduction

Au Québec, la transformation laitière est une industrie de grande importance au Canada. En effet, 41% des usines de transformation du lait se trouvent au Québec [1]. Des quelques 2,87 milliards de litres de lait transformés par année, plus de 80 % des volumes de lait sont transformés par les trois grandes entreprises laitières du Québec, soit Agropur, Parmalat et Saputo [1]. La grande quantité de lait transformé et le resserrement des normes environnementales ont conduit ces trois grandes entreprises à tenter un virage vers une vision de développement durable. Leurs défis consiste à mettre en place des stratégies afin de réduire leur empreinte environnementale sans affecter le rendement et la qualité de leurs produits. Ainsi, les industriels doivent optimiser l’utilisation des ressources, minimiser les déchets et accroitre la valeur de leurs produits sans affecter leur impact environnemental [2].

Depuis plusieurs années, les procédés de filtration baromembranaires sont utilisés dans l’industrie laitière pour la concentration et le fractionnement des constituants du lait [3]. Bien qu’ils procurent une valeur ajoutée aux produits laitiers, l’empreinte environnementale de ces procédés de séparation est affectée par l’incapacité à contrôler efficacement la formation de biofilms à la surface des membranes [4]. En plus d’être une source préoccupante de contamination des ingrédients laitiers [5], les biofilms sont reconnus comme étant les principaux agents de colmatage à long terme des systèmes de filtration. Leur présence entraine une augmentation accrue des coûts d'exploitation, une diminution de la performance des systèmes et affecte la durée de vie des membranes due aux procédures rigoureuses de nettoyage mises en place pour limiter le colmatage des membranes et le développement des biofilms [5].

Certaines études suggèrent que la formation de biofilms matures soit le résultat de la fixation de bactéries pionnières [6][7]. Les interactions entre les bactéries et la membrane seraient non seulement influencées par les caractéristiques intrinsèques de la surface cellulaire des bactéries, mais également par les propriétés de surface de la membrane et la composition biochimique, physicochimique et microbiologique des produits laitiers [8]. Pour des raisons d’efficacité et de disponibilité, l’industrie laitière utilise principalement le polyéthersulfone (PES) comme matériau membranaire d’UF. Il existe cependant d’autres matériaux membranaires comme le polyfluorure de

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2

vinylidène (PVDF) et le polyacrilonitrile (PAN) qui sont disponibles pour l’UF et qui ont des propriétés de surfaces différentes du PES. Ces différents matériaux ont principalement été étudiés dans un contexte de filtration d’eaux usées ou lors d’essais expérimentaux étudiant l’adhésion d’une bactérie modèle, mais peu de littérature relate leur utilisation pour la filtration d’un milieu complexe comme les fluides laitiers [9–11].

Ainsi, le développement de biofilms à la surface des membranes de filtration constitue un réel problème pour les entreprises de transformation du lait, dont les technologies membranaires sont aujourd’hui indispensables à leur compétitivité sur le marché. Une meilleure compréhension de l’impact des matériaux membranaires sur le développement des biofilms lors de la filtration des fluides laitiers est nécessaire pour identifier des moyens technologiques permettant de mieux contrôler l’encrassement des membranes et ainsi réduire les coûts environnementaux et économiques associés à l’utilisation de ces procédés.

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3

Chapitre 2 : Revue de littérature

2.1 Les procédés baromembranaires

2.1.1 Le principe

Les procédés baromembranaires sont des techniques de filtration à membrane qui permettent la séparation de molécules de différentes tailles par l’utilisation d’un gradient de pression [12]. Le rétentat est la fraction du fluide qui est retenue par la membrane, alors que le perméat passe au travers de la membrane [13]. Il existe deux types de filtration : frontale (dead-end) et tangentielle. La filtration frontale consiste à faire passer le fluide perpendiculairement à la surface de la membrane, alors que le fluide circule parallèlement à la surface de la membrane lors de la filtration tangentielle [12]. Contrairement à la filtration frontale, l’utilisation de filtration tangentielle est grandement répandue dans l’industrie laitière, car elle permet de minimiser l’encrassement membranaire et par conséquent d’améliorer les performances du système de filtration [13]. Il existe 4 types de procédés membranaires à gradient de pression : l’osmose inverse (OI), la nanofiltration (NF), l’ultrafiltration (UF) et la microfiltration (MF). Ces procédés se distinguent principalement par les pressions appliquées, la taille des pores de la membrane et le type d’espèces qu’ils peuvent séparer (Figure 2.1)[12].

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4

2.1.2 Utilisations dans l’industrie laitière

2.1.2.1 L’osmose inverse

L’OI permet de concentrer tous les constituants d’un fluide en laissant uniquement passer l’eau à travers la membrane [15]. Elle est un atout important pour l’industrie laitière sur le plan environnemental. En effet, elle permet de régénérer de l’eau contenue dans les eaux blanches et les eaux de lavage, ainsi que l’eau des perméats de filtration et des condensats d’évaporation, ce qui diminue la consommation d’eau et réduit la quantité d’effluents rejetés dans l’environnement [13,15]. Les eaux régénérées sont habituellement utilisées pour le rinçage des équipements ou pour la production de vapeur. Avec un traitement thermique supplémentaire ou un traitement aux rayons UV, il est possible d'utiliser cette eau comme eau de procédé [15]. L’OI est également utilisée pour concentrer divers fluides laitiers avant l’étape d’évaporation dans le but d’augmenter l’efficacité et de diminuer les coûts du procédé de séchage [15].

2.1.2.2 La nanofiltration

La NF est le procédé membranaire intermédiaire entre l’UF et l’OI. Elle utilise une membrane dont la structure est un peu plus ouverte que celle d’OI ce qui permet à l’eau et aux ions monovalents de passer au travers de la membrane [15]. Dans l’industrie laitière, la NF est principalement utilisée pour la déminéralisation et la concentration du lactosérum et du perméat d’UF [13,15]. Le principal avantage de cette technologie est que, dans une seule et même étape du procédé, elle permet de réduire la charge minérale et de concentrer le lactose dans le rétentat de NF. Ainsi, l’augmentation de la pureté et de la concentration du lactose permet d’améliorer le processus de cristallisation tout en réduisant les coûts de transport et de séchage [15]. Tout comme l’OI, la NF peut être utilisée pour régénérer les solutions de lavage des systèmes de lavage en place, ce qui permet de réduire les coûts environnementaux et économiques des nettoyages en prolongeant leur période d’utilisation [15] .

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5

2.1.2.3 L’ultrafiltration

L’UF est le procédé membranaire le plus utilisé dans l’industrie laitière puisqu’elle permet la concentration des protéines du lait [3]. L’UF est couramment utilisée pour la production de concentrés de protéines de lactosérum (WPC) et de lait (MPC), deux ingrédients qui sont grandement utilisés dans l’industrie laitière [15]. L’UF est également utilisée pour la standardisation des protéines dans les laits destinés à la fabrication de fromage, de yogourt et de plusieurs autres produits laitiers. La standardisation du lait est la clé de la rentabilité de l’industrie laitière. Elle permet d’augmenter la concentration et d’éliminer la variation du taux de protéines du lait, ce qui permet d’uniformiser la production et donc d’optimiser le procédé tout au long de l’année [15].

2.1.2.4 La microfiltration

La MF est la technologie membranaire au plus grand diamètre de pores [13]. Dans l’industrie laitière, elle est essentiellement utilisée pour la débactérisation du lait écrémé, du lactosérum et de la saumure [15]. Elle est également utilisée pour la séparation des deux grandes classes de protéines du lait : les caséines et les protéines sériques. L’isolation et la concentration des protéines sériques permettent la production de protéines de lactosérum natives (non dénaturées), un ingrédient laitier à haute valeur ajoutée [15].

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6

2.2 Les membranes polymériques

Dans l’industrie laitière, deux types de membranes sont utilisés; les membranes polymériques et les membranes céramiques. Dû à leur faible coût, à leur disponibilité et à l’amélioration de leurs résistances chimiques (produits nettoyants et pH extrêmes) et thermiques, les membranes polymériques sont les plus utilisées [12]. Ces membranes peuvent être fabriquées dans une grande variété de matériaux qui se distinguent par leurs caractéristiques de performance et leurs propriétés de surface [16]. Le choix du matériau revient à l’industriel qui le sélectionne en fonction de son coût et de ses applications [12].

2.2.1 Les matériaux membranaires

En fonction du procédé baromembranaire, différents matériaux membranaires sont utilisés. Parmi eux, l’acétate de cellulose, le PES, le PVDF et le PAN. Dans l’industrie laitière, l’acétate de cellulose a longtemps été le matériau privilégié pour tous les types de filtration [17]. Il a été remplacé par le PES qui est maintenant le matériau le plus utilisé pour l’UF. Le PVDF est le matériau le plus utilisé pour la MF [12]. Le PAN n’est pas un matériau utilisé pour la filtration de fluides laitiers, mais il se distingue par ses propriétés membranaires [18,19].

2.2.1.1 Acétate de cellulose

L’acétate de cellulose a longtemps été utilisé comme matériau membranaire pour la filtration tangentielle. En plus de son bas prix, l’acétate de cellulose présente une bonne résistance à l’encrassement dû à son caractère hydrophile. Cependant, ce matériau n’est presque plus utilisé aujourd’hui. En effet, sa faible résistance aux hautes températures (30-40°C max), aux pH extrêmes (2 à 8 max) et aux agents chimiques (1 mg/L de chlore libre max) limitent les performances des systèmes de filtration, due à la plus grande viscosité des fluides à basse température, en plus de rendent le lavage des membranes difficile et peu efficace [17].

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2.2.1.2 PES

Le PES fait partie de la famille des polysulfones. Sa structure moléculaire se caractérise par la répétition de plusieurs unités de diphényl sulfone (Figure 2.2), ce qui lui confère une bonne rigidité ainsi qu’une stabilité à la chaleur et à l’oxydation [17].

Figure 2.2 : Structure moléculaire du PES

Le PES est aujourd’hui largement utilisé comme matériau pour les membranes d’UF et de MF dans plusieurs domaines. En effet, les membranes de PES peuvent être utilisées pour des procédés dont la température d’opération atteint 75°C ; ce qui est un avantage pour les applications dont la viscosité du fluide filtré diminue à haute température [17]. Les membranes de PES sont également utilisées dans les secteurs de la fermentation et de la biotechnologie puisqu’elles peuvent supporter des températures suffisamment hautes pour être stérilisées (121°C) [17]. De plus, la stabilité des membranes de PES facilite leur nettoyage, car elles peuvent être exposées à une vaste gamme de pH (1 à 13) et à des concentrations de chlore libre allant jusqu’à 200 ppm [17]. Cependant, même si les membranes de PES sont versatiles au niveau de leurs applications, leur utilisation peut être limitée par leur faible résistance aux pressions transmembranaires [17].

2.2.1.3 PVDF

Le PVDF est un matériau membranaire plus hydrophobe que le PES dû à sa structure moléculaire qui se caractérise par une disposition symétrique des atomes d’hydrogène et de fluor autour de la chaine polymérique (Figure 2.3). Comme, il interagit plus fortement avec différents solutés, les membranes de PVDF sont habituellement plus enclines à l’encrassement que les membranes de PES [20].

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Figure 2.3 : Structure moléculaire du PVDF

Cependant, le PVDF est reconnu pour sa force mécanique, sa stabilité thermique et sa résistance aux produits chimiques. Pour ces raisons, plusieurs études travaillent à modifier ses propriétés de surface afin d’augmenter son hydrophobicité [17]. Le PVDF est utilisé pour plusieurs applications de MF et d’UF, notamment pour la MF de fluides laitiers, mais également pour la clarification de jus de fruits dû à sa bonne résistance au limonène [17]. De plus, le PVDF présente une meilleure stabilité au chlore libre que le PES en plus de résister à la stérilisation; ce qui favorise son utilisation dans de nombreuses applications [17,20].

2.2.1.4 PAN

Le PAN est une résine synthétique obtenue suite à la polymérisation d'acrylonitrile (Figure 2.4). Les membranes de PAN sont principalement utilisées pour des applications d’UF ou de MF telles que traitement des eaux usées, la filtration de solutions biologiques et la concentration de solutions protéines et huileuses [21]. Le PAN présente une grande résistance au fluage et une bonne stabilité thermique [20]. Tout comme les deux autres matériaux, le PAN présente une grande stabilité face aux agents chimiques de nettoyage comme le chlore, l’acide citrique et les alcalins doux [21].

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9 2.2.2 Caractérisation des propriétés des matériaux

2.2.2.1 La sélectivité

La sélectivité membranaire est définie comme la capacité d’une membrane à retenir ou à rejeter les constituants d’un fluide d’alimentation en fonction de leur taille et/ou de leur charge. Dans la majorité des cas, le fluide d’alimentation est une solution aqueuse diluée, où l’eau passe librement à travers la membrane alors que les molécules de soluté sont partiellement ou totalement rejetées [22]. La sélectivité de la membrane est caractérisée principalement par son coefficient de rejet (R) qui quantifie la proportion de molécules que la membrane retient du côté rétentat (Eq. 1). CP et CR

correspondent respectivement à la concentration du soluté dans le perméat et le rétentat [22].

Eq. 1 𝑅 = 1 − %& %'

Ainsi, plus la rétention d’un constituant est grande, plus le coefficient de rejet tendra vers 1 [12]. La mesure de la sélectivité de la membrane est utilisée pour déterminer le seuil de coupure des membranes d’UF et de NF, qui correspond à la masse moléculaire d’une macromolécule retenue à 90% par la membrane [22].

2.2.2.2 Les propriétés de surfaces

Chaque matériau membranaire possède des propriétés de surface caractéristiques qui jouent un rôle sur sa performance. Les propriétés les plus influentes sont l’hydrophobicité, le potentiel de surface et la rugosité de surface des membranes [16]. Les méthodes pour mesurer les différentes propriétés de surfaces sont décrites dans le Tableau 2.1.

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Tableau 2.1 : Méthodes d'analyse pour la caractérisation des propriétés de surface membranaires

Propriétés de surface Appareil / Méthode d’analyse Description Réf. Hydrophobicité Goniomètre : Mesure de l’angle de contact

La mesure d'angle de contact rend compte de l'aptitude d'un liquide à s'étaler sur une surface par mouillabilité. La méthode consiste à mesurer, à l’intérieur de la goutte, l'angle entre la surface de la membrane sèche et la tangente de la goutte. Plus l’angle est grand plus la surface est hydrophobe. [11] [23] Potentiel de surface Analyseur électrocinétique : Mesure du potentiel d’écoulement

Le potentiel d'écoulement peut être défini comme la différence de potentiel électrostatique générée lorsqu’une solution d'électrolyte passe à la surface d’une membrane sous un gradient de pression. Le potentiel d'écoulement est représenté en termes de potentiel zêta (ZP) apparent qui représente la charge caractéristique de l'interface membrane-solution. [9] [23] Rugosité Profilomètre à stylet : mesure de la rugosité de surface

Le profilomètre à stylet est utilisé pour mesurer le relief d’une surface dans le but d’évaluer sa rugosité. Son principe est basé sur le contact physique entre la pointe du stylet et la surface de l’échantillon à analyser. La pointe balaye la surface et suit la topographie de l’échantillon, donnant une image tridimensionnelle du

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2.3 L’encrassement membranaire

L’encrassement membranaire est le principal enjeu de l’utilisation des procédés de filtration membranaire dans l’industrie laitière. En effet, l’encrassement des membranes entraine une diminution des performances des systèmes de filtration, une augmentation des coûts d’opération et une diminution de la durée de vie des membranes dues aux rigoureuses procédures de lavage. L’encrassement des membranes est un phénomène inhérent aux procédés de filtration baromembranaires qui est provoqué par des interactions physiques et chimiques qui existent entre les différents constituants du fluide d’alimentation et la surface membranaire.

2.3.1 L’adsorption

L’adsorption est un procédé thermodynamique spontané qui survient dès le début de la filtration et qui joue un rôle important dans l’encrassement membranaire. L’adsorption protéique est en partie responsable de la perte de flux de perméation observée au cours des premiers stades d’UF de fluides laitiers.

L’adsorption de soluté à l’interface de la membrane varie en fonction des propriétés de surface de la membrane (hydrophobicité, la charge et la rugosité de surface), du type de soluté (protéines et minéraux principalement) et des propriétés physicochimiques (pH, force ionique, concentration) du fluide d’alimentation [26]. En effet, il a été observé que l’UF de lait encrasse moins sévèrement les membranes que l’UF de lactosérum. Même si le taux de protéines et de calcium sont plus élevés dans le lait que dans le lactosérum, les deux tiers des protéines contenues dans le lait sont des caséines. En UF, la taille des micelles de caséines (10-100 nm) est beaucoup grande que les pores de la membrane. Sous la force de cisaillement du système de filtration, les micelles de caséines encombrent la surface de la membrane, ce qui limite l’adsorption des protéines sériques qui elles, sont suffisamment petites pour s’adsorber dans les pores de la membrane [17]. Il faut savoir que la dénaturation de la β-lactoglobuline (protéine majeure du lactosérum) favorise son adsorption à la membrane via des interactions hydrophobes fortes entre la membrane et son groupe thiol [27][28].

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la surface de la membrane, dû à sa faible solubilité, ou en s’adsorbant directement à la membrane par des interactions électrostatiques [17]. De plus, il a été observé que les flux de perméation durant l’UF sont plus élevés lorsque le lactosérum est préalablement déminéralisé, ce qui montre l’importance du calcium dans l’adsorption des protéines à la membrane[17].

2.3.2 La concentration de polarisation

La couche de concentration de polarisation est formée de solutés provenant du fluide d’alimentation qui se sont accumulés à l’interface de la membrane et du fluide filtré. La formation de la couche de polarisation a pour effet d’augmenter la concentration des solutés retenus à la membrane par rapport à leur concentration dans le fluide filtré [25]. La nature et la densité de la couche de polarisation dépendent des interactions soluté-soluté et soluté-membrane [17]. Les conditions opératoires telles que la pression transmembranaire (TMP) et la vitesse d'écoulement transversal ont également un effet direct sur la concentration de polarisation. En effet, une augmentation de la vitesse d’écoulement diminue l’épaisseur de la couche laminaire et réduit la concentration de polarisation, alors qu’une augmentation de la TMP jusqu'à une valeur limite (TMPlim),a pour effet d’augmenter la

concentration de polarisation et donc de réduire le flux de perméation [29].

La concentration de polarisation a plusieurs effets négatifs. Elle augmente la résistance réversible de la membrane suite à la formation d'un gel sur la surface de la membrane, modifie les caractéristiques de séparation de la membrane due au dépôt de soluté à la surface de la membrane et favorise l’adsorption irréversible de solutés sur la membrane qui peuvent modifier les propriétés de surface du matériau membranaire [30].

Il est cependant important de distinguer concentration de polarisation et colmatage. Il faut savoir que la formation d’une couche de polarisation de concentration à la surface de la membrane est une étape intermédiaire du colmatage membranaire. La perte de flux associée à la concentration de polarisation est réversible, c’est-à-dire qu’un simple lavage à l’eau est nécessaire pour rétablir le flux de perméation initial. Lorsqu’une membrane est colmatée, un lavage chimique complet est nécessaire pour rétablir le flux initial puisque la perte de flux associée au colmatage est majoritairement irréversible [26].

(24)

13

2.3.3 Le colmatage

Le colmatage membranaire découle de l’accumulation de matière à la surface des membranes. Il agit comme une deuxième membrane qui se superpose à la membrane originale, ce qui entraîne une diminution importante de la performance des membranes. La diminution progressive de la perméabilité et de la sélectivité de la membrane est due à l’obstruction des pores de la membrane par les particules contenues dans le fluide d’alimentation [31,32]. Il existe quatre différents phénomènes qui peuvent mener au blocage partiel ou complet des pores de la membrane (Figure 2.5).

Figure 2.5 : Mécanismes d’encrassement des membranes poreuses. A) Blocage complet des pores B) Blocage interne des pores C) Blocage partiel des pores D) Formation d’une couche de particules / gâteau [25]

2.3.3.1 Blocage complet des pores

Lorsque la taille des particules est supérieure à la taille des pores de la membrane, les particules se déposent à la surface de la membrane et bloquent complètement l’entrée des pores (Figure 2.5.A). La résistance de la membrane à la filtration est donc inversement proportionnelle au nombre de pores actifs au cours de la filtration. L’accumulation de particules à la surface des membranes est directement liée à la vitesse du fluide d’alimentation [25,29].

2.3.3.2 Blocage interne des pores

Les particules de plus petites tailles que les pores s’adsorbent ou restent coincées à l’intérieur des pores de la membrane (Figure 2.5.B). Ce phénomène limite le flux de perméation et augmente la

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14

résistance de la membrane due à la réduction de la taille des pores. Contrairement au phénomène précédent, le blocage interne des pores est indépendant de la vitesse d'alimentation puisque la vitesse de l’écoulement tangentiel ne permet pas de limiter l’encrassement interne des pores [25,29].

2.3.3.3 Blocage partiel des pores

Le blocage partiel des pores (Figure 2.5.C) survient lorsqu’une particule du fluide d’alimentation s’adsorbe à une autre particule bloquant déjà certains pores de la membrane ou à une région inactive de la membrane (non poreuse). Ainsi, le blocage partiel des pores contribue à réduire davantage la surface active de la membrane (surface poreuse). Son effet est similaire au blocage complet des pores, mais n’est pas aussi sévère [25,29].

2.3.3.4 Formation d’une couche de particules / gâteau (couche de polarisation)

La couche de particules formée à la surface de la membrane appelée « gâteau » (Figure 2.5.D) se forme rapidement suivant le début de la filtration. Les particules du fluide d’alimentation se fixent sur les particules déjà fixées à la membrane, ce qui a pour effet d’empêcher l’obstruction directe des pores de la membrane puisque toute la surface active et non active de la membrane est occupée. Ainsi, la résistance totale mesurée lors de la filtration correspond à la somme des résistances de la membrane et du gâteau dont la résistance est proportionnelle au volume de fluide filtré [25,29].

Dans tous les cas, une partie de la matière accumulée sur la membrane sera responsable de la perte définitive d’une partie de la perméabilité de la membrane. Cette partie du colmatage dite « irréversible » est essentiellement due à une forte adsorption de substances qui ont une grande affinité pour la membrane. Dans l’industrie laitière, les protéines, les minéraux et les microorganismes sont principalement responsables du colmatage irréversible des membranes. Différentes stratégies peuvent être utilisées pour suivre l’évolution du colmatage des membranes ; notamment la mesure du flux de perméation et des résistances hydrauliques.

(26)

15

2.3.4 Méthodes de caractérisation des phénomènes d’encrassement

L’encrassement des membranes est un phénomène inhérent aux procédés de filtration baromembranaires qui est influencé par les interactions entre la membrane et les constituants du fluide filtré. Le flux de perméation permet d’évaluer rapidement le niveau d’encrassement alors que la résistance hydraulique permet de caractériser l’état de l’encrassement de la membrane [33].

2.3.4.1 Flux de perméation

Le flux de perméation correspond au volume de perméat récolté à la sortie de la membrane par unité de surface et de temps.

Eq 2. J =S  x  tV

J = Flux de perméation (L/m2*h) ; V= Volume de perméat (L) ; S= Surface membranaire (m2) ; t =

Temps (h)

Lors de la filtration d’un fluide pur comme l’eau, le flux de perméation augmente de façon linéaire avec la TMP (différence de pression de part et d’autre de la membrane de filtration) [12]. Cependant, dans le cas d’un fluide complexe comme le lait, la relation entre le flux de perméation et la TMP est linéaire jusqu’à l’atteinte du flux critique où la courbe s’infléchit (Figure 2.6, zone I). Le flux devient alors indépendant de la TMP, car il est contrôlé par la couche de gel filtrante formée à la surface de la membrane (Figure 2.6, zone II). Par la suite, le flux de perméation diminue malgré l’augmentation de la TMP, la membrane est dite colmatée (Figure 2.6, Zone III). Ainsi, il est primordial de connaître le flux critique de chaque unité de filtration afin d’optimiser les performances et de réduire les risques de colmatage de la membrane [12].

(27)

16

Figure 2.6 : Effet de la TMP sur le flux de perméation et sur l'encrassement [12]

La chute du flux de perméation est une manifestation de l'encrassement qui est influencé par le type de membrane, la composition du fluide filtré, les conditions opératoires et le temps de filtration [34]. Le flux de perméation permet de quantifier la performance de filtration des membranes et de comparer la performance de différentes membranes entre elles. Dans un premier temps, la performance de la membrane est caractérisée par son flux à l’eau (Jw) qui est habituellement 10 fois

plus élevée que le flux de perméation de la membrane lors de la filtration de solutions complexes comme le lait. Le flux de perméation à l’eau est également utilisé pour mesurer le taux de restauration des membranes suite aux procédures de nettoyage. Il faut mentionner qu’il existe des différences significatives de perméabilité entre divers coupons d’une même feuille de membrane à cause des irrégularités de fabrication. Pour cette raison, c’est la perméabilité moyenne qui est utilisée pour caractériser une membrane [33].

2.3.4.2 Résistances hydrauliques de colmatage

La résistance hydraulique permet de mesurer la propension d’une membrane à l’encrassement et au colmatage. Le principe du modèle des résistances hydrauliques est décrit par rapport à la loi de Darcy qui permet de mettre en relation le flux de perméation et la TMP selon l’équation suivante [35]:

Eq 3. J =µμ  𝑥  𝑅TMP

𝑚

J = Flux de perméation (L/m2*h) ; TMP = Pression transmembranaire (Pa) ; µ = Viscosité de la

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17

Il existe principalement 3 types de résistance hydraulique : la résistance hydraulique de la membrane propre (Rm), la résistance hydraulique réversible (Rrev) et la résistance hydraulique irréversible (Rirrev).

La résistance totale est simplement la somme des 3 types de résistance hydraulique. Les différents types de résistances hydrauliques sont définis dans le tableau 2.2 [33].

Tableau 2.2 : Définition des résistances hydrauliques

Résistance hydraulique Définition Équations

Membranaire Inverse de la perméabilité de la

membrane propre Rm = TMP/ ηwJw

Irréversible

Correspond à la perte définitive de la perméabilité de la membrane sans effectuer de lavage chimique

Rirrev = (TMP / ηwJw’ ) - Rm

Réversible

Correspond à la partie du colmatage qui peut être enlevée par rinçage à l’eau

Rrev = (TMP / ηwJAs ) - Rm - Rirrev

Totale Correspond à la somme des 3

types de résistance hydraulique RTot = Rm + Rrev + Rirrev

Rm = Résistance de la membrane (m-1)

Rrev = Résistance réversible (m-1)

Rirrev = Résistance irréversible (m-1)

RTot = Résistance totale (m-1)

TMP= Pression transmembranaire (Pa) ηw = viscosité à l’eau (Pa*s)

Jw = Flux de perméation de l’eau avant filtration (m3/m2*s)

Jw’ = Flux de perméation de l’eau après filtration (m3/m2*s)

JAs = Flux de perméation à facteur de concentration volumique

(29)

18

2.4 Les biofilms

La diminution des performances membranaires engendrée par l’encrassement des membranes est un problème récurrent pour les industriels. Dans l’industrie laitière, le colmatage des membranes est habituellement dû aux protéines et aux minéraux qui composent le fluide d’alimentation [36]. Cependant, les bactéries sous forme de biofilm sont très difficiles à contrôler et sont maintenant considérées comme des agents importants dans le processus d’encrassement des membranes de filtration [5,8,11].

2.4.1 Définition

Un biofilm est une communauté microbienne fixée à une surface solide où une source de nutriments est disponible [5]. C’est un écosystème complexe composé d’une ou de plusieurs espèce(s) microbienne(s), viable(s) ou non viables(s) encastrée(s) dans des substances polymériques extracellulaires (EPS) sous forme de monocouches ou de structures tridimensionnelles [37]. Le regroupement de microorganismes en un biofilm leur permet de se protéger, de les rendre plus résistants aux conditions environnementales et d’échanger du matériel génétique et des nutriments (coopération métabolique) entre les cellules du biofilm [38].

2.4.2 Formation des biofilms

Dans des conditions appropriées, un biofilm se développe suite à l'accumulation de matière organique sur une surface qui est ensuite colonisée par des bactéries. La transition des microorganismes entre la forme planctonique et biofilm est régie par une variété de déclencheurs environnementaux et physiologiques, tels que le quorum sensing, la disponibilité des nutriments, et le stress cellulaire [37]. Le biofilm poursuit ensuite son développement jusqu'à atteindre une structure mature. Plus précisément, la formation d’un biofilm se subdivise en 4 étapes : 1- le développement d’une couche de particules, 2- l’adhésion des bactéries, 3- le développement/maturation de la structure du biofilm et 4- la dispersion et recolonisation de bactéries provenant du biofilm mère. Chaque étape est décrite ci-dessous.

(30)

19

2.4.2.1 Développement d’une couche de particules

La filtration d’un liquide provoque l’accumulation de nutriments à l’interface solide-liquide de la membrane. Cette accumulation entraine la formation d’un film de conditionnement (conditioning film) qui, dû à sa forte concentration en nutriments, favorise l’adhésion des bactéries et le développement des biofilms [5,37]. La formation du film de conditionnement peut survenir rapidement après que le fluide filtré soit entré en contact avec la membrane [5]. En effet, lors de la MF de lait entier, l’accumulation de protéines à la surface de la membrane est évidente seulement 30 secondes après le début de la filtration [39]. La composition de la couche de particules est influencée par plusieurs paramètres tels que les propriétés physico-chimiques du fluide filtré, le type de membrane, les propriétés de surface de la membrane et le flux de perméation initial [5,37].

2.4.2.2 Adhésion des bactéries

L’adhésion des bactéries à la membrane est en partie due à l’hydrophobicité et à la charge négative de leur surface cellulaire [11][9]. De nombreux travaux ont porté sur la modification des propriétés de surface en augmentant le caractère hydrophile et la charge négative des membranes afin d’accentuer la répulsion ou les interactions non spécifiques entre les bactéries et la surface membranaire [40,41]. Même s’il y a débat sur l’influence de l’impact de la rugosité de la surface sur la fixation des bactéries, la majorité des études s’entendent pour dire qu’une surface ayant des fissures et des crevasses favoriserait l’adhésion des bactéries et la croissance du biofilm [37]. Il a également été observé que les conditions d’écoulement turbulent amélioraient la fixation des bactéries en poussant les cellules bactériennes sur la surface, améliorant ainsi la probabilité d'adhérence et la formation de biofilm [37]. Les bactéries fixées à une surface sous un régime turbulent seraient plus difficiles à déloger durant les séquences de nettoyage. En effet, dans les bioréacteurs où les bactéries jouent un rôle vital, l’augmentation de la contrainte de cisaillement permettrait de former des biofilms plus denses et plus forts alors qu’un cisaillement faible formerait des biofilms poreux, fragiles et hétérogènes [42]. De plus, certaines souches bactériennes sont connues pour leur facilité à se fixer à la membrane. Ces bactéries sont dites pionnières. Bacilius

cereus est connue pour sa capacité à adhérer et à participer au développement de biofilm à la

(31)

20

Pseudomonas aeruginosa est souvent utilisée comme bactéries modèle pour étudier la capacité de

fixation des bactéries dans les bioréacteurs à membrane (MBR) [11][6]. Enfin, Tang et al., (2009) ont montré que l’interaction entre les espèces (synergie) favoriserait l’adhésion des bactéries sur la membrane d’osmose inverse lors de la filtration de fluides laitiers [8].

2.4.2.3 Développement/maturation de la structure du biofilm

Une fois adhérées à la surface, les bactéries se répliquent et produisent des EPS. Le développement de ce réseau polymérique renforce l’adhésion du biofilm à la surface en procurant une force de liaison entre les bactéries du biofilm [5]. Le réseau d’EPS peut inclure des polysaccharides, des protéines, de l’ADN et des lipides. La croissance du biofilm en masse et en complexité résulte de l’incorporation de nutriment et d’autres microorganismes provenant de l’environnement dans le réseau d’EPS [43]. Le développement d’un biofilm mature peut prendre de plusieurs heures à plusieurs semaines. Compte tenu de la grande disponibilité des nutriments, le développement des biofilms dans l’industrie laitière serait relativement rapide (< 5h) [37][44]. De plus, la production d’EPS joue un rôle important dans la protection du biofilm, car il permet une meilleure résistance du biofilm à plusieurs agents de nettoyage et à certains agents antimicrobiens comparativement aux bactéries planctoniques [45].

2.4.2.4 Dispersion et recolonisation de bactéries provenant du biofilm

La phase finale du développement du biofilm consiste au relâchement de bactéries ou d’un petit groupe de bactéries qui mène à la formation de microcolonies sur la surface. De multiples facteurs sont associés à ces processus de détachement et d’attachement. La disponibilité des nutriments ou de l’oxygène, les contraintes de cisaillement, le quorum sensing, l'activité métabolique et l'expression génique microbienne sont tous des facteurs qui peuvent expliquer le détachement des bactéries du biofilm [37]. Dans l’industrie laitière, le détachement de biofilm se traduit par l’augmentation sporadique de la charge bactérienne dans un fluide traité.

(32)

21

2.4.3 Facteur influençant la composition des biofilms sur les membranes de filtration

2.4.3.1 Le fluide filtré

L’adhésion des bactéries est favorisée de façon significative par la présence de nutriments qui encourage la formation de la couche de conditionnement [5], mais est également influencée par les conditions et les traitements qu’a préalablement subis le fluide filtré. En effet, il est connu que l’entreposage à froid du lait cru favorise le développement des bactéries Gram négatif (représentent 90% du lait cru entreposé à froid) au détriment des bactéries Gram positifs qui constituent majoritairement la flore initiale du lait cru, alors que les traitements thermiques et les procédures de nettoyages favorisent l’enrichissement en bactéries résistantes comme Bacillus sp. [37]. Ainsi, dépendamment des traitements subis par le fluide laitier avant, pendant et après sa filtration, la composition microbienne des biofilms retrouvés sur les membranes peut varier entre les usines ou les systèmes de filtration. Enfin, la composition du biofilm peut également changer au cours du temps, car les bactéries du biofilm sont en compétition pour les nutriments et sont affectées par les conditions environnementales. Par conséquent, seules les bactéries les plus résistantes pourront se développer, ce qui explique que seulement 60% des bactéries isolées de membranes d’OI participent activement à la formation du biofilm [5].

2.4.3.2 Les propriétés de surface des membranes

Il est bien connu que l’adhésion des bactéries à la membrane est en partie due à l’hydrophobicité et à la charge négative de leur surface cellulaire. [11][9]. De nombreux travaux ont porté sur la modification des propriétés de surface en augmentant le caractère hydrophile et la charge négative des membranes afin d’accentuer la répulsion ou les interactions non spécifiques entre les bactéries et la surface membranaire [40,41]. De plus, même s’il y a un débat sur l’influence de l’impact de la rugosité de la surface sur la fixation des bactéries, la majorité des études s’entendent pour dire qu’une surface ayant des fissures et des crevasses favoriserait l’adhésion des bactéries et la croissance du biofilm [37]. En effet, il a été observé que la rugosité et l'hydrophobicité ont un impact majeur sur l’adhésion de Pseudomonas aeruginosa sur des membranes de NF de RO [10]. Dans tous les cas, la majorité de ces travaux ont été effectués à l’aide de solutions de filtration et de

(33)

22

bactéries modèles. Peu de ces études ont porté sur l’impact des propriétés membranaires sur l’adhésion de l’ensemble des communautés bactériennes lors de la filtration de fluides laitiers.

2.4.3.3. Les paramètres opératoires

L'effet des conditions hydrodynamiques sur l’adhésion des bactéries aux membranes a été peu étudié dans le secteur laitier. Néanmoins, de nombreux résultats ont été générés en étudiant d’autres systèmes de filtration [37]. Les biofilms se développent plus facilement sous des conditions de faible cisaillement [37] et leur développement ne serait pas affecté par la vélocité du fluide d’alimentation [11]. Par contre, cette étude a seulement évaluer l’adhésion des bactéries sous un écoulement laminaire alors que la turbulence est un élément clé pour limiter l’apparition d’un film de conditionnement qui favorise la fixation des bactéries [11]. Cependant, il a été observé que les conditions d’écoulement turbulent amélioraient la fixation des bactéries en poussant les cellules bactériennes contre la surface, améliorant ainsi la probabilité d'adhérence et la formation de biofilm [37]. De plus, les bactéries fixées à une surface sous un régime turbulent seraient plus difficiles à déloger durant les séquences de nettoyage. En effet, dans les bioréacteurs où les bactéries jouent un rôle vital, l’augmentation de la contrainte de cisaillement permettrait de former des biofilms plus denses et plus forts alors qu’un cisaillement faible formerait des biofilms poreux, faibles et hétérogènes [42].

(34)

23

2.5 Encrassement biologique des membranes par les fluides laitiers

L’encrassement membranaire est un problème bien connu par l’industrie laitière. L’utilisation et l’entretien des systèmes de filtration font maintenant partie de la gestion quotidienne de la majorité des grandes usines laitières du Québec. Cependant, l’encrassement par les constituants laitier n’est maintenant plus le seul facteur que les industriels doivent gérer. En effet, la contamination de plusieurs rétentats de filtration a mené l’industrie à se pencher sur les biofilms. Bien connus pour leur présence dans les pasteurisateurs, les biofilms sont maintenant le sujet de l’heure dans les systèmes de filtration. En effet, ils présentent un risque important pour la contamination de fluides filtrés et de leurs produits dérivés dus à la présence de bactéries sporulantes et pathogènes. L’étude des biofilms dans les systèmes de filtration de fluides laitiers est encore jeune, mais déjà plusieurs facteurs semblent affecter leur présence et leur composition.

2.5.1 Effet de la nature des fluides

2.5.1.1 Température d’entreposage et d’opération

Dans un premier temps, la nature même du fluide filtré (lait vs lactosérum) semble avoir un effet sur la composition des communautés bactériennes trouvées sur les membranes. En effet, une forte proportion de bactéries psychrophiles a été observée sur les membranes de lait cru alors que les

Lactococcus sp. (culture bactérienne du fromage) sont prépondérant sur les membranes de

lactosérum [44]. Cela s’explique par le fait que le lait est maintenu à basse température tout au long de son entreposage, alors que le lactosérum est généré suite à l’ensemencement d’une culture bactérienne spécifique et maintenu dans une gamme de température convenant aux mésophiles. De plus, il a été observé que la pasteurisation de ces deux fluides affecte le portrait bactérien des membranes, notamment en augmentant la proportion de bactéries résistantes à la chaleur telles que

Streptococcus spp [44]. Sa présence sur les membranes de filtration est d’ailleurs accentuée lorsque

la filtration s’effectue à 40°C puisqu’il s’agit de la température optimale de croissance pour de nombreux streptocoques.

(35)

24

2.5.1.2 Agents chimiques

Il a été observé que l’utilisation d’agents technologiques et de produits de lavage jouaient également un rôle important sur la diversité des communautés bactériennes qui colonisent les membranes de filtration. En effet, l’étude menée par Chamberland et al., 2016 [46] sur des membranes provenant de diverses usines laitières du Québec a montré que le blanchiment du lactosérum à l’aide d’oxydants forts entraine l’augmentation de la proportion de Bacilli sp. et la diminution de la proportion de γ-Proteobacteria. Ainsi, le prétraitement du lactosérum par un oxydant fort aurait un impact négatif sur

la croissance des populations bactériennes plus sensibles (γ-Proteobacteria) et provoquerait une

pression sélective sur les populations plus résistantes dues à leur capacité à former des spores (Bacillus sp., Brevibacillus sp., Paenibacillus sp., et Alicyclobacillus sp.) [46]. De plus, il a été suggéré qu’une partie de la flore bactérienne des produits de lavage coloniserait les membranes de NF destinées à la filtration de perméat de lactosérum. En effet, 93,18% de la population bactérienne identifiée sur les membranes de NF ont été identifiés comme étant des Anoxybacillus spp. [46]. La faible diversité de la population retrouvée sur ces membranes s’explique par le fait que l’UF du lactosérum limite le passage des bactéries ou spores de bactéries dans le perméat d’UF. De plus, ces bactéries sporulantes thermophiles ont d’abord été identifiées dans des environnements extrêmes tels que les geysers et dans des équipements pour le traitement du lait en poudre. Ainsi, sa présence sur les membranes de NF pourrait être due à leur résistance intrinsèque aux conditions alcalines retrouvées dans les solutions pour les lavages en place (CIP) de l’industrie [46].

2.5.1.3 Environnement

La nature et les traitements subis par un fluide laitier ne seraient pas les deux seuls acteurs qui affectent les communautés microbiennes colonisant les membranes de filtration. Il a été montré que la flore intrinsèque d’une usine aurait aussi un impact sur la flore bactérienne des membranes. Dans la même étude, Chamberland et al., 2016 [46] ont observé des similarités entre les communautés bactériennes retrouvées sur différentes membranes, ayant différentes fonctions, mais provenant toutes de la même usine. De plus, il a été montré que les 5 communautés propres à l’environnement de filtration et/ou à l’eau utilisée pour les étapes de nettoyage se retrouvent systématiquement sur les membranes d’UF peu importe le fluide laitier filtré et les étapes de nettoyage qu’elles ont subies.

(36)

25

2.5.2 Effets des propriétés de surface des membranes

Tang et al. [8] ont montré que les membranes de PVDF semblent favoriser l’adhésion de Klebsiella

oxytoca comparativement aux membranes de PES. Ils ont également observé que les membranes

ayant subi des cycles de nettoyage se colonisent plus rapidement et plus densément que les membranes neuves (Tang, 2009). Ces phénomènes pourraient être expliqués par le fait que les membranes nettoyées ont probablement une surface plus rugueuse et des pores plus ouverts dus à l’effet des agents chimiques et des hautes températures (autour de 50°C) des procédures de lavage qui modifient les propriétés de surface des membranes [8]. Une autre étude a montré que le lavage de membranes de PES facilite l’adhésion des bactéries à la surface de la membrane. Le lavage des membranes favoriserait la dénaturation de la matière organique résiduelle, principalement les protéines sériques, qui agiraient comme film de conditionnement, ce qui favoriserait l’adhésion des bactéries lors des filtrations ultérieures [5]. Ainsi, les quelques études montrent un effet potentiel des propriétés de surface de différents matériaux membranaires sur la colonisation des membranes par des bactéries modèles, mais aucune étude n'a encore évalué l'influence du matériau membranaire sur le portrait global des communautés bactériennes colonisant les différentes membranes lors de la filtration de fluides laitiers.

(37)

26

Chapitre 3 : Hypothèse et objectifs

Le développement de biofilm à la surface des membranes de filtration est un réel problème pour l’industrie laitière dont les technologies membranaires sont aujourd’hui indispensables à leur compétitivité sur le marché. Une meilleure compréhension de l’impact des propriétés de surface des membranes et de la composition des fluides laitiers sur le développement des biofilms est nécessaire, car à défaut de pouvoir éliminer la fixation des bactéries à la surface des membranes, il est primordial de connaître les propriétés membranaires qui limitent majoritairement leur adhésion.  

Hypothèse :

La propension à l’encrassement et les caractéristiques des biofilms formés suivant l’UF de diverses fractions du lait sont affectés par les propriétés de surface des membranes de filtration.

Objectifs :

1.   Caractériser les propriétés de surface de trois différents matériaux membranaires vierges (PES, PVDF et PAN) et évaluer l’effet du conditionnement sur leurs propriétés de surface.

2.   Évaluer la performance membranaire et le comportement à l’encrassement de ces membranes lors de l’UF de lait et de lactosérum.

(38)

27

Chapitre 4: Effect of membrane material chemistry and

properties on biofouling susceptibility during milk and cheese

whey ultrafiltration

4.1 Résumé

Reconnu comme étant les principaux agents de colmatage à long terme des systèmes de filtration, la formation de biofilms est influencée par les propriétés de surface des matériaux membranaires. Ainsi, l'influence des propriétés de surface (hydrophobicité, potentiel zeta et rugosité) de divers matériaux (PES, PVDF, PAN) sur l’aptitude à l’encrassement des membranes a été évaluée lors de l'UF de lait et de lactosérum. Il a été montré que la rugosité des membranes affecte la diversité des communautés bactériennes adhérée aux membranes lors de l’UF de lactosérum. En effet, après 20 h d'UF de lactosérum, on compte plus de 5,04 log10/cm2 bactéries sporulantes sur les membranes les

plus rugueuses (PAN et PVDF) comparativement à 0,18 log10/cm2 sur la membrane la plus lisse

(PES). Ainsi, l'utilisation d'une surface plus lisse est un élément important à envisager afin de réduire l'apparition de biofilms formés des bactéries sporulantes dans les systèmes de filtration.

(39)

28

Effect of membrane material chemistry and properties on biofouling susceptibility during milk and cheese whey ultrafiltration

Julien Chamberland†*, Gabrielle Beaulieu-Carbonneau, Marie-Hélène Lessard, Steve Labrie,

Laurent Bazinet, Alain Doyen, Yves Pouliot

These authors contributed equally to this work.

STELA Dairy Research Center, Institute of Nutrition and Functional Foods (INAF), Department of Food Sciences, Université Laval, Québec, Canada, G1V 0A6

* Corresponding author: julien.chamberland.1@ulaval.ca.

(40)

29

4.2 Introduction

Fouling of filtration membranes remains a major issue affecting the efficiency of filtration processes. In the dairy industry, a number of studies have shown that fouling is initiated by the deposition of dairy constituents, mainly proteins and minerals, at the membrane surface during the filtration of dairy fluids [27,39,47,48]. While casein micelles quickly form a reversible fouling layer mostly removed with a rinsing cycle with water, whey proteins such as β-lactoglobulin and α-lactalbumin are adsorbed irreversibly at the membrane surface and require a complete cleaning cycle to be removed [27,48]. Beside organic fouling, the development of bacterial biofilms was observed on filtration membranes used for milk or whey treatment [49–53], which also contributes to a reduction in membrane performance despite daily cleaning procedures with a CIP system [5]. The bacterial survival on membranes may be explained by the fact that communities established at the surface will acquire resistance to cleaning over time [45] or that persistent cells among biofilms formed on them are not affected by the traditional CIP procedure [54]. Consequently, membrane biofouling control is a challenging issue, but chemical remediation of biofilms may not be possible.

It was demonstrated that the nature of the filtered fluid or operational filtration parameters affect the diversity of bacteria colonizing membranes [44], or persisting in mature biofilms formed on membranes [49]. Thus, a natural approach to control biofouling would be to promote the growth of desirable (or less detrimental) microorganisms at the membrane surface through the careful selection of operating filtration parameters. Since the formation of biofilms is primarily influenced by the surface properties (topography, chemistry and free energy) [55], it was hypothesized that the membrane material selection may represent an important parameter to enable this bacterial selection.

In flow cell systems operated with flat-sheet membranes without transmembrane pressure, it was observed that roughness and hydrophobicity had a major impact on the first adhesion of

Pseudomonas aeruginosa on nanofiltration (NF) and on reverse osmosis (RO) membranes [9,56].

Investigations in laboratory-scale cross-flow filtration system showed that the membrane surface properties affected the adhesion of bacteria from complex communities [10]. For example, Vanysacker et al. [10] found a higher number of 16S gene copies on polyvinylidene fluoride (PVDF) membrane compared to polysulfone (PS) or polyethylene (PE) following ultrafiltration (UF) of

Figure

Figure 2.1: Domaine de fractionnement des procédés baromembranaires [14]
Figure 2.2 : Structure moléculaire du PES
Figure 2.3 : Structure moléculaire du PVDF
Tableau 2.1 : Méthodes d'analyse pour la caractérisation des propriétés de surface membranaires
+7

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