Eco conception des procédés alimentaires Comment réduire les consommations ?

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Eco conception des procédés alimentaires Comment réduire les consommations ?

Geneviève Gésan-Guiziou

To cite this version:

Geneviève Gésan-Guiziou. Eco conception des procédés alimentaires Comment réduire les consom- mations ?. Workshop “ Agroalimentaire : Et si mon entreprise devait survivre dans un monde sans pétrole ? ”, Oct 2019, Bruxelles, Belgique. �hal-02790694�

Eco-conception des procédés alimentaires

Comment réduire les consommations ?

Geneviève Gésan-Guiziou

INRA - Agrocampus Ouest UMR 1253 STLO

“Science et Technologie du Lait et l’Oeuf”

65, rue de Saint-Brieuc – 35042 Rennes Cedex Tel. 33 2 99 28 53 25 – Fax 33 2 99 28 53 50 genevieve.gesan-guiziou@inra.fr www.rennes.inra.fr/stlo

Wagralim, Bruxelles, 25 Octobre 2019 1

2

Un exemple historique

• Découverte des propriétés du plomb tétraéthyle

(principal composant des produits antidétonants pour les carburants)

Mais  Saturnisme parmi les ouvriers de General Motors

Plomb Tétraéthyle: Produit persistant, non-biodégradable Interdit dans l’UE depuis 2000

Thomas Midgley, Jr (1889-1944)

Ingénieur mécanicien et chimiste américain

(170 brevets)

• « Inventeur » du fréon (chlorofluorocarbures ou CFC, gaz refrigérants non inflammables): à l’époque, les fuites de réfrigérateurs (ammoniac (NH₃), chlorométhane (CH3Cl) ; dioxyde de soufre (SO2)) causaient de nombreux morts Mais  . Responsable du « Trou dans la couche d’ozone »

. ↗ cas de mélanomes dans les pays les plus exposés

. Interdit par plusieurs protocoles internationaux depuis les années 80s

3

Ce que l’histoire retient …

« Thomas Midgley Jr (…) eut plus d’impact sur l’atmosphère qu’aucun être vivant quelconque dans l’histoire de la planète »

John R. Mc Neill (1954 - ) Historien de l’environnement

Ce que nous retiendrons …

 Ne pas se concentrer uniquement sur les performances économiques et technologiques d’une innovation

 Prendre en compte

– les performances environnementales (santé, écologie) – l’impact sur la société

– le devenir du produit lors de son utilisation et en fin de vie

Intégration du paramètre « environnement »

dans la conception ou la re-conception d’un produit ou d’un procédé

Qu’est ce que l’éco-conception ?

Conception de produits / procédés durables (Eco-conception)

Critères techniques

Critères environnementaux Critères sociaux

Critères économiques

4

Approche multicritère

prise en compte sur tout le cycle de vie du produit / du procédé Démarche préventive

Eco-conception : Définition (1)

Production / Acquisition des matières premières

Matières premières

Transformation

Produit Co-produit

Distribution Utilisation

Traitement en fin de vie

Energie Eau

Emissions air Emissions eau Déchets solides Ressources

naturelles

Cycle de vie

5

Eco-conception : Définition (2)

Avant modifications Après modifications

Impact X Impact X

Matières1^ères

Transformation Transformation

Distribution

Utilisation

Distribution Valorisation

Utilisation

Valorisation

6

Identifier les points sensibles et les voies d’amélioration, en évitant ou en arbitrant les déplacements de pollution

Matières 1^ères

Eco-conception : différents niveaux d’ambition

Eco-efficacité

Stratégie d’éco-conception

Amélioration

incrémentale Re-conception Innovation Même besoin

Même usage

Même besoin

Nouveaux usages Nouveaux besoins Nouveaux usages

7

Approches IAA

Matières premières

(Lait, lactosérum)

Procédés de transformation

Consommateur

Produit Co-produits

Usage

non alimentaire

Eau Energie Saumure

L’industrie laitière

Ingrédients

Détergents NEP "Eaux de procédés"

Approche préventive Approche curative

Volume 50 - 95 %

(0,5-5 L/L lait)

Charge

0,5 - 5,0 gDCO/L

Eaux résiduaires

(9<pH<11)

+

Boue

Eau purifiée

9

Quelles démarches en éco-conception ? Quelques exemples

Incrémental

– Au niveau des opérations de transformation

• Opérations unitaires

– Conduite / Maîtrise des opérations unitaires de transformation (ex: opération de filtration, séchage)

– Au niveau du traitement des effluents / fluides techniques

– Réduction des phases de nettoyage par meilleur suivi et régulation (ex:

échangeur de chaleur)

– Régénération des fluides techniques (solutions détergentes)

Re-conception

- Au niveau des opérations unitaires (innovations technologiques) - Au niveau des procédés (Agencement des opérations unitaires)

Evaluation des impacts environnementaux des procédés, évaluation des opérations les plus

génératrices d’impacts; proposition de voies alternatives (ex: Analyse de cycle de vie : optimisation multi-critères)

DST Week 20- 24 April 2009 10

J = 76 L h^-1 m^-2

_w= 100 Pa

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100 120 140

Wall shear stress, _w (Pa) Divergent runs

Steady runs

Casein micelles properties & Microfiltration performances

Example : Critical Hydrodynamic Conditions

Permeation flux, J

(J/_w)_crit

Fouling resistance R_f/R_m ^-LG transmission

0 20 40 60 80

0 5000 10000

Filtration time (s)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 20 40 60 80

0 5000 10000

Filtration time (s)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fouling resistance R_f/R_m -LG transmission

J = 38 L h^-1m^-2

_w= 100 Pa Ceramic membrane 0.1µm, UTP system, VRR=2, T= 50°C

Le Berre et Daufin, 1996; Gésan-Guiziou et al., 1999; 2000

11

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100 120 140

Wall shear stress, _w (Pa) Divergent runs

Steady runs

Permeation flux, J

(J/_w)_crit Irreversible deposition of casein micelles

governs separation (permeability, protein transmission)

Kerasep 0.1µm, UTP system, VRR=2, T= 50°C Gésan-Guiziou et al., 1999

Irreversible fouling

Concentration polarization

Casein micelles properties & Microfiltration performances

Example : Critical Hydrodynamic Conditions

12

Pourquoi ?

- Pas de méthodes permettant de déterminer a priori les paramètres de séchage et les propriétés des poudres => nécessité d’essais complexes et coûteux

- Cause: Séchage non isenthalpe ^(séchage d'un eau "pure" dans des conditions idéales)

2

Air (entrée)

Lit fluidisé

Chambre

Cyclones

Poudre

0

2 Air (sortie) Air après

chauffage 1

Concentré

Séchage non isenthalpe 1

Causes :

• Pertes énergétiques

• Chaleur latente d’évaporation non constante mesurables

L’eau du produit est ‘liée’ aux constituants à des degrés variables

 Entraînement nécessite un surcroît d’énergie

 Diminution des performances de séchage (écart à l’isenthalpe)

Logiciel d’aide à la détermination des paramètres de séchage par atomisation

13

Question

- Comment évaluer le surcroît d’énergie latente à apporter pour compenser la liaison des molécules d’eau/ matière ?

- Comment prédire les paramètres de séchage et les caractéristiques du produit ? Difficulté

- Complexité de la technologie

- Restrictions d’accès et de mesure du séchage d’une gouttelette dans la chambre Originalité

- Combiner bilans matière / énergie à 2 échelles:

Echelle globale : séchage par désorption + « boîte noire »

=> paramètres du séchage

Echelle locale : Reaction Engineering Approach (REA)

=> paramètres du produit (température et humidité finale de la poudre)

Logiciel d’aide à la détermination des paramètres de séchage par atomisation

PRODUCT

H₂o

SENSOR mRH (%) – T (°C)

PRODUCT

H₂o

SENSOR

mRH (%) – T (°C) Eau

Concentré Point de

divergence

zéolithes

 Zéodratation _ Cinétique d’élimination d’eau

Temps (h)

Eau éliminée (mg)

10 100 1000 10000 100000

10 100 1000 10000 100000

Measured parameters

Calculated parameters

Débit concentré et poudre

Température d’air entrée

Humidité air de sortie

r²0.99

r²0.95

r²0.93

Paramètres mesurés

Paramètres calculés

 Bilan d’énergie

 50 produits testés

 25 séchoirs de 5 kg.h^-1à 6 tonnes.h^-1 de capacité

évaporatoire

 Validation

Bed drying +2%

Eie losses -3%

T°C [C] +70°C

AH0(a) -12g/kg DA

AH0(b) -12g/kg DA

Total Solid +4%

T°0 +30°C

Eie Cost -2 cts$

0 5 10 15 20 25

30 Energy Profit (%)

[SM]; [SW]

[ALW]; [Inf. M]

[MPC/I]; [WPC/I]

16

Incrémental

– Au niveau des opérations de transformation

• Opérations unitaires

– Conduite / Maîtrise des opérations unitaires de transformation (ex: opération de filtration, séchage)

– Au niveau du traitement des effluents / fluides techniques

– Réduction des phases de nettoyage par meilleur suivi et régulation (ex:

échangeur de chaleur)

– Régénération des fluides techniques (solutions détergentes)

Re-conception

- Au niveau des opérations unitaires (innovations technologiques) - Au niveau des procédés (Agencement des opérations unitaires)

Evaluation des impacts environnementaux des procédés, évaluation des opérations les plus

génératrices d’impacts; proposition de voies alternatives (ex: Analyse de cycle de vie : optimisation multi-critères)

Quelles démarches en éco-conception ? Quelques exemples

17

Rationalisation du NEP

Objectifs

– Organiser, gérer selon des raisonnements et/ou des modes de calculs Création d ’« une boîte à outils d’aide à la décision » = capteurs,

traceurs, traitement de données

POUR

un NEP moins coûteux avec une efficacité maintenue, voire améliorée

– Réduire le durée totale du NEP

(conception de l’installation; réduction de la durée des phases successives)

– Réduire le volume des rejets

(diminution des durées; tri avant recyclage, réutilisation, valorisation ultérieure)

Stratégie pour maîtriser NEP

 Analyse -> Maîtrise de l’existant

 Etape 1: connaissance équipement et procédé = plan global de l’installation

 Etape 2: capteurs (installation, étalonnage, incertitudes); traceurs

 Etape 3: base de données Excel

– Conception base

– Acquisition: capteurs; traceurs

 Etape 4: outils pour maîtriser la gestion du NEP = exploitation

– Traitement des données

– Contrôle - commande séquence révisée

– Compromis durée encrassement - durée nettoyage

 Prospective

 Valorisation des fluides: recyclage, réutilisation

Bac d'alimentation

Homogénéisateur

Pré-

chauffage Chauffage ^Chambreur Récupération

1

Récupération 2

Refroidissement Tank stérile

Pompe 1

Pump 2

P

Turbidimètre Conductivimètre Point de prise

d'échantillon

Q T

Tanks détergent Vanne

Egout

Vanne production / circulation

Fluide chauffant

T T

Q

Alimentation

Pré- chauffage

T

Exemple : stérilisation d’une crème dessert chocolat

Capteurs, traceurs pertinents /phase

Phase Fin opération Tri

Production

Nettoyage Production Lancement

Pousse et premier rinçage NaOH

HNO₃

Rinçages détergents (intermédiaires; final)

ES, (Turbidité, Conductivité )

P, R_f, Ptm

Turbidité, (Conductivité)

Conductivité, (Turbidité)

P, R_N, PC, ^(DCO)

Ca (perméat), (Ptm)

Conductivité

Conductivité, (Turbidité)

Conductivité

 Taux de colmatage, a ^D_D ^{D 100}

0

0  





0 40 80 120 160 200 240

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Temps (min)

ES (g.kg-1 )

0 1 2 3 4 5 6 7

Débit (m3 .h-1 ) ES

Débit

Circuit fermé

Circuit fermé

Circuit ouvert ouvert

Circuit ouvert

Ln( ) = AC _i - k_i t ; (i=1,2,3) ; r² > 0,93 C_o

Etape 4: Traitement des données

Pousse et premier rinçage: Fin d’opération + Tri

Paramètre opératoire majeur: cisaillement paroi

0 4 8 12 16 20

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Temps (min) Turbidité (FTU), DCO (g.l-1 ), P (bar)

0 40 80 120 160 200

Conductivité (mS.cm-1 )

Turbidité DCO DP

Conductivité Circuit fermé

Etape 4: Traitement des données

Nettoyage NaOH : Fin opération + Tri

P

Critère: P ou  stationnaire

∆P

Circuit ouvert

0 50 100 150 200 250

0 5 10 15 20 25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Conductivité (mS cm-1 )

Taux d'encrassement (%)

Temps (min)

HNO₃-1 RI

NaOH-1 RI NaOH-2 RI HNO₃-2 RF

Circuit ouvert

Circuit fermé

Exemple stérilisateur crème Chocolat – Situation initiale

Alvarez et al., 2007, 2010

0 5 10 15 20 25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Temps (min)

Taux d'encrassement (%)

0 50 100 150 200 250

Conductivité (mS cm-1 )

NaOH HNO₃-1 HNO₃-2

RI RI RF

Circuit ouvert

Circuit fermé

Exemple stérilisateur crème Chocolat – Situation revisitée

25

Régénération des solutions de NEP

• Plusieurs interrogations …

– Comment évolue la composition des solutions détergentes au cours de leur utilisation ?

– Quels sont les constituants que l'on cherche à éliminer dans les solutions détergentes usagées ?

– Quels sont les critères de régénération de la solution ?

…

– Comment maîtriser la composition de la solution de NEP par l'opération de régénération ?

– Quelles opérations unitaires utiliser ?

– Quelles performances à ces opérations de régénération ?

…

26

Evolution de la composition des solutions de NaOH

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 2 4 6 8

Demande chimique en oxygène soluble, DCO_s (g.L^-1) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Tension de surface

g (mJ.m^-2)

Matières en suspension MES (g.kg^-1)

Diminution de g et augmentation de MES observées pour plusieurs types d’installations (11 usines bretonnes; NEP à réutilisation et à usage unique; NEP principalement atelier de standardisation)

Solutions NaOH industrielles NaOH 1,0-24,2 g.kg^-1 DCO_t 0,3-3,9 g.l^-1 DCOs 0,3-2,8 g.l^-1 MES 20-1760 mg.kg^-1 Turbidité 16-2020 NTU

Diminution de g et augmentation de MES attribuées à des réactions chimiques d’hydrolyse de protéines et de saponification de matières grasses

27

Performances de nettoyage (efficacité (91-94%), propreté hydraulique (70%) et cinétiques) :

- effet bénéfique de g abaissée - effet néfaste de SS

Efficacité des solutions de NaOH réutilisées

Elimination des MES de la solutions NEP « polluée » MF (0.1 µm) UTP; P = 0.5 bar; J = 200 L h^-1m^-2; T=70°C

(Alvarez et al., 2007;

Gésan-Guiziou et al., 2007)

Solution g

mJ.m ^-2

COD t

g.l^-1

COD s

g.l^-1

SS mg.kg ^-1

k 10^-13 m.h ^-1

1. Ultrasil 13 41.0 2,1 2.1 0 24

2. « clean » NaOH 74.0 0.0 0.0 0 8

3. « polluted » NaOH with SS 28.7 9.1 6.1 1700 13

4. «Polluted» NaOH without SS 33.5 6.1 5.9 0 24

cte t

R1_f k 

Modèle du 2^ndordre

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Time (h) Rf (1012 m-1 )

Nettoyage (50°C) d’une membrane UF préalablement colmatée

par du lait écrémé

28

Nettoyage des membranes

• Nettoyage non maitrisé des membranes

Pour:

• Proposer des protocoles de nettoyage adaptés et simplifiés

• Formuler des solutions détergentes

→ Identifier les mécanismes physico-chimiques qui sous-tendent le nettoyage Définir des critères d’évaluation du nettoyage

0 5 10 15 20 25 30

0 10 20 30 40 50 60 70 80

gL ( mJ.m^-2 ) Proteins ( g.cm-2 )

NaOH Tween 20 SDS

SDS +Tween 20 Ultrasil 10 Ultraclean II

Nettoyage en réacteur agité

pH= 11.5 50°C

Solution efficace g_L < 35 mJ m^-2

Critère de formulation

Membrane UF 5-10 kDa HFK-131 (Koch)-PES Colmatée par du lait écrémé

Quantité de protéines résiduelles = f(tension superficielle des solutions détergentes) Rabiller-Baudry et al. (2006)

Purification Station

Conclusions : Régénération des solutions de NaOH

«Process waters»

Circuit chaud

Circuit froid

Conditioning

H₂O

«potable» H₂O

recovered

Solution alcaline

HNO₃

Regeneration

 Régénération par membrane: maîtrise composition solution NaOH NEP, fⁿ de

 Système NEP : V_NEP, Apport

 Régénération : J-Abt-A

 Procédé propre : réduction rejets

 Procédé sobre : produit détergent, énergie MF attractive

30

Incrémental

– Au niveau des opérations de transformation

• Opérations unitaires

– Conduite / Maîtrise des opérations unitaires de transformation (ex: opération de filtration, séchage)

– Au niveau du traitement des effluents / fluides techniques

– Réduction des phases de nettoyage par meilleur suivi et régulation (ex:

échangeur de chaleur)

– Régénération des fluides techniques (solutions détergentes)

Re-conception

- Au niveau des opérations unitaires (innovations technologiques) - Au niveau des procédés (Agencement des opérations unitaires)

Evaluation des impacts environnementaux des procédés, évaluation des opérations les plus

génératrices d’impacts; proposition de voies alternatives (ex: Analyse de cycle de vie : optimisation multi-critères)

Quelles démarches en éco-conception ? Quelques exemples

31

Production du lait

Transport

Lait

Valorisation fromagère, …

Transport

Commercialisation, consommation

Crème, micelles de caséine & lactose

Traitement des effluents

Poudre enrichie en α-LA Poudre de β-LG

Frontières du système

Purification, concentration, séchage protéines (Acidification / solubilisation, MF à 50°C, UFs à 15°C) (Chromatographie, UFs à 15°C)

Transformation du lait et préparation des concentrés de protéines solubles

(MF à 50°C, UF et OI à 15°C)

MF : Microfiltration. UF : Ultrafiltration. OI : Osmose Inverse Traitement du lait

(Ecrémage, Pasteurisation, refroidissements)

Définition du procédé initial ^Ecoprom

32

Production du lait

Transport

Lait

Valorisation fromagère, …

Transport

Commercialisation, consommation

Crème, micelles de caséine & lactose

Traitement des effluents

Poudre enrichie en α-LA Poudre de β-LG

Frontières du système

Purification, concentration, séchage protéines (Acidification / solubilisation, MF à 50°C, UFs à 15°C) (Chromatographie, UFs à 15°C)

Transformation du lait et préparation des concentrés de protéines solubles

(MF à 50°C, UF et OI à 15°C)

MF : Microfiltration. UF : Ultrafiltration. OI : Osmose Inverse Traitement du lait

(Ecrémage, Pasteurisation, refroidissements) 4 sous-systèmes

→ Transformation

→ Nettoyage / effluents

→ Equipements

→ Transport

Définition du procédé initial

33

Objectif : identifier les faiblesses et définir les recommandations d’éco-conception

(puis comparaison d’options technologiques avec études de sensibilité)

1- Définition du système étudié : objectifs et champ 2- Inventaire des flux entrant et sortant

Données collectées auprès de l’ensemble des partenaires : - Pratiques industrielles

- Expérimentations spécifiques (labo)

- Base de données / savoir-faire / logiciels de recherche

(dimensionnement –calculs énergétiques)

logiciel SD²P

Le procédé et l’ACV

34

ACV du procédé

Inventaire des flux entrants et sortants

35

Périmètre

→ Inclus : opérations unitaires / équipements / nettoyages / transport

→ Exclus : locaux de production : entretien, éclairage…

Hypothèses

→ Durée de vie du système : 20 ans

→ 2 sites : Usine de transformation fromagère / unité de purification des protéines distantes de 100 km

→ Périmètre géographique : France (cf. mix énergétique de la production d’électricité)

Unité fonctionnelle

→ Traitement de 583 000 L de lait (Obtention de 1700 kg β-LG/j à 95 % pureté)

=> qui conduit à :

. 5 co-produits: Crème crue refroidie, rétentat enrichi en micelles de caséines refroidi, lactose

. 2 fractions de protéines : α-lactalbumine et β-lactoglobuline

Règles d’allocation

→ Evaluation d’un procédé sans règles d’allocation entre ses différents co-produits

ACV du procédé : champs de l’étude

(Méthode IMPACT 2002+ associée à un indicateur de flux de consommation d’eau (Q_eau/L _lait) avec logiciel SimaPro 7.2)

36

Eco-conception des procédés : Analyse de Cycle de Vie

Exemple de méthode d’évaluation de l’impact IMPACT 2002+

37

La charge environnementale du procédé est due majoritairement aux sous-systèmes « transformation » (2/3) et « nettoyage » (1/3)

Dommages normalisés d’après la méthode IMPACT 2002+

ACV du procédé à membrane initial (4 sous-systèmes)

38

→ Epuisement des ressources

- électricité consommée pour le traitement des effluents (STEP) - chauffage et production des solutions à usage unique (membrane)

→ Sous-estimation de l’impact des nettoyages car non-prise en compte l’impact environnemental

- des prélèvements d’eau douce

- et de certains constituants de solutions détergentes par les méthodes/bases de données ACV

Dommages normalisés d’après la méthode IMPACT 2002+

ACV du procédé à membrane (sous-système nettoyage)

39

Microfiltration à 50°C

Dommages normalisés d’après la méthode IMPACT 2002+

ACV du procédé à membrane initial (sous-système transformation)

La charge environnementale du sous système « Transformation » est due majoritairement à des opérations communes aux 2 voies (membrane et chromato):

MF 0.1 µm (céramique T=50°C) et traitement thermique

ACV=> Préconisations de re-conception sur la base d’impacts environnementaux

Changement de mode de conduite Changement de procédé

Recyclage de certains fluides

Exemple MF 0.1 µm de lait écrémé

MF 0.1 µm, 50°C Membrane minérale

Système UTP Uniform Transmembrane Pressure

(Feasibility : Fauquant et al., 1988)

Lait écrémé

v > 7 m s^-1; ΔP = 0.5 10⁵ Pa

à FRV = 3; J = 75-80 Lh^-1m^-2; Tr_prot= 65-80%; 8-10 h

(Saboya et Maubois, 2000; Nelson and Barbano, 2005; Zulewska et al, 2009)

UF 800 kDa - MF 0.3 µm, < 10°C Membrane organique (PVDF)

Pas de UTP

(Faisabilité: Lawrence et al., 2006) v  0.5 m s^-1; ΔP = 1-1.5 10⁵Pa

à FRV = 3; J <10 Lh^-1m^-2; Tr_prot 20-50 %

(Lawrence et al., 2006, 2008; Govindasamy-Lucey et al., 2007;

Zulewska et al, 2009)

→ Des différences nombreuses et importantes - Surface membranaire

- Puissance installée et consommation énergétique

- Transmission des protéines (=> diafiltration pour membranes organiques avec perméat d'UF => modification du schéma de process)

- Transmission des caséines: A froid passage de caséine (=> précipitation sélective à pH=4.1-4.6 avant utilisation du perméat)

- Nettoyage des membranes organiques moins maitrisé, et de plus en plus enzymatique

Vision a priori difficile des impacts environnementaux comparatifs des 2 voies proposées …

41

Rétentat Rétentat

Perméat Perméat

Perméat

Rétentat

Rétentat Culot

Perméat Surnageant

Perméat Rétentat

MF Organique

à froid

MF Céramique

à chaud

UF à froid Rétentat

refroidi

Fromagerie

Concentré de protéines

solubles Rétentat

froid

Fromagerie

Perméat froid

(avec caséine β)

MF Organique T "ambiante"

UF à froid

Concentré de protéines

solubles

Jus lactosé acidification +

centrifugation ou

. Utilisation de MF organique à 8-12°C / MF céramique à 50°C

MF organique à « froid » : 15 % de charge environnementale supplémentaire 2,5 x plus d’eau

Cause : qualité de produits différente  schéma technologique plus complexe

Démarche d’éco-conception: scénarii alternatifs basés sur l’ACV

Projet OPTIMAL (2017-2020)

42

. Utilisation de MF organique à 8-12°C / MF céramique à 50°C

MF organique à « froid » : 15 % de charge environnementale supplémentaire 2,5 x plus d’eau

Cause : qualité de produits différente  schéma technologique plus complexe . Mise en place de scenarii d’optimisation des nettoyages :

. réutilisation de l’eau de l’OI avec mise en place d’un polisher (300 m³/j)

. diminution de la fréquence de renouvèlement des sol. NEP (hors membrane) (facteur 3-4) . Suppression de phases acides pour les nettoyage membranes

. diminution de températures des NEP alcalines de 10°C

 baisse de ≈20 % des impacts dus au nettoyage

baisse > 1/3 des volumes d’eau utilisée pendant le nettoyage

. Positionnement procédé à membrane / référence (chromatographie)

Démarche d’éco-conception: scénarii alternatifs basés sur l’ACV

Conclusions / perspectives

44

Approches actuelles de l’éco-conception de procédés

1- Objectif prioritaire : économie

on traite le critère environnemental comme une contrainte de l’optimisation économique

Ex : « Bon sens » : diminution de la consommation d’énergie, d’eau, de matières premières mises en œuvre…

2- Objectif prioritaire : environnement

on traite les critères environnementaux comme les principaux objectifs, tout en prenant en compte la faisabilité économique

alternative

Schéma de procédé Analyse

environnementale (Optimisation)

Pas d’optimisation multi-objectif

45

Futurs besoins en éco-conception de procédés

- Enrichir les bases de données de données fiables sur les procédés

- Développer des outils simplifiés d’aide à l’évaluation environnementale sur la base de l’ACV

- Développer des méthodologies d’évaluations multicritères (relier/agréger des indicateurs hétérogènes)

- Développer l’optimisation-multi-objectif appliquée aux

procédés agro-alimentaires (description experte, modélisation, simulation)

Means-INRA platform

.046

. Simultaneous optimization of conflicting objectives

Multi-objective optimization

Material flows (consumptions,

emissions, products)

Indicators :

- Technical performances - Quality of products - Environmental impacts - Economic criteria

Economic and environmental

analyses Operating

conditions Dimension

s

Feasible solutions (compromise)

Decision- making Utilities production

Process (production + cleaning)

Products &

co-products

Emissions / waste (effluents) Raw

material

Fuel Water

Other products (detergents

…)

Optimisation multi-objectifs

… vers une nouvelle approche pour l’éco-conception des procédés agro-alimentaires

Démarche en émergence dans le domaine des procédés chimiques

.047 Indicators :

- Technical performances - Quality of products - Environmental impacts - Economic criteria

Multi-objective optimization

Material flows (consumptions,

emissions, products)

Economic and environmental

analyses Operating

conditions Dimension

s

Feasible solutions (compromise)

Decision- making Modelling-Simulation

Utilities production Process (production + cleaning)

Products &

co-products

Emissions / waste (effluents) Raw

material

Fuel Water

Other products (detergents

…)

Exemple éco-conception d’un évaporateur Lait

.048

Indicateurs économiques et environnementaux

Net Present Value

(M€) Pay-back time (years) Internal Rate of Return Natural Gas

(reference) 8,26 3,6 47%

Oil 9,34 (+13%) 3,4 (-7%) 51% (+9%)

Wood Chips 9,54 (+16%) 4,0 (+9%) 42% (-10%)

Choice of the primary source of energy

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Human Health

Ecosystems Resources Score

ReCiPe

Natural gas Oil Wood chips

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Human Health

Ecosystems Resources Climate change

Score

Impact 2002+

Natural gas Oil Wood chips

.049

Multicriteria analysis (M-TOPSIS)

Combustible

Natural gas Oil Wood chips

Net Present Value, Single score ReCiPe

1 3 2

Net Present Value, Single score Impact 2002+

2 3 1

3 economic criteria, 3 Endpoint scores ReCiPe

2 3 1

Choice of the primary source of energy

50

Conclusions / perspectives

Approche incrémentale sur des opérations unitaires Avantages

Gains récurrents en énergie et eau

Eco-conception / innovation de procédés alimentaires

Vision systémique sur le procédé combinant

- des évaluations multi-critères

(environnemental, économique, social) - des outils de modélisation des procédés, - des méthodes d’optimisation multi-objectif et d’aide à la décision

- sur la chaine de valeur combinant - des évaluation multi-critères

- du recueil de données expertes

- des méthodes d’optimisation multi-objectifs et d’aide à la décision

- une participation de l’ensemble des acteurs de la chaine