Microfiltration tangentielle (0.1 µm) de lait écrémé : rôle interactions électrostatiques sur le fractionnement de protéines laitières

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Microfiltration tangentielle (0.1 µm) de lait écrémé : rôle interactions électrostatiques sur le fractionnement de

protéines laitières

Geneviève Gésan-Guiziou, Anne Jimenez-Lopez, Fabienne Lambrouin, Murielle Rabiller-Baudry

To cite this version:

Geneviève Gésan-Guiziou, Anne Jimenez-Lopez, Fabienne Lambrouin, Murielle Rabiller-Baudry. Mi- crofiltration tangentielle (0.1 µm) de lait écrémé : rôle interactions électrostatiques sur le fraction- nement de protéines laitières. Journée scientifique du CFM, Nov 2013, Paris, France. �hal-01354025�

Microfiltration tangentielle (0.1 µm) de lait écrémé : rôle interactions électrostatiques sur le fractionnement

de protéines laitières

Geneviève Gésan-Guiziou

Anne Jimenez-Lopez

Fabienne Lambrouin-Garnier Murielle Rabiller-Baudry

INRA Agrocampus Rennes UMR 1253 STLO

“Science et Technologie du Lait et l’Oeuf”

genevieve.gesan-guiziou@rennes.inra.fr

CFM “Journée Fractionnement” 13 nov 2013

Paris

FRANCE Rennes

Contexte socio-économique

- Filtration membranaire dans l’industrie laitière

•Opérations très largement utilisées : ≈ 40% de la surface membranaire dans les IAA

Concentration des constituants du lait Fabrication fromagère, standardisation, ...

Fractionnement des constituants du lait Ingrédients à forte valeur ajoutée

Opérations mal maîtrisées & Performances encore impossibles à prédire

•Variabilité des durées de production et de la qualité des produits transformés

•Difficultés de nettoyage

Forte consommation d'eau(2-6 m³d’eau / 100 m²de membranes / opérations de nettoyage )

de détergents et d'énergie...

2

- Micro- et Ultra- filtration (tangentielle) de lait écrémé

Contexte scientifique

•Enjeu : Modéliser pour prédire les performances de la filtration

Améliorer productivité / qualité des produits

Diminuer l’impact environnemental de ces opérations

3 Propriétés de transfert Propriétés / Structure de ces

couches concentrées

•Accumulation de matière à la surface des membranes

Micelle de caséine (colloïde)

•Altération des performances de l'opération

Matière colloïdale à l'état "dense", concentré

[Gésan-Guiziou et al., 1999]

Flux de perméation

Transmission des protéines "solubles"

Colmatage irréversible

[Gésan-Guiziou et al., JMS, 1999; Jimenez-Lopez et al, SPT, 2008]

Water (870-875)

Proteins (32-35 g/L,

expressed as N×6.38)

Fat (34-44 g/L) Lactose (48-50 g/L) Minerals (8-9 g/L)

Composition of milk

Soluble proteins (20%)

Caseins (80%)

Composition of proteins in

bovine milk

Concentration g/kg %

Total proteins 33.0 100.0

Total caseins 26.0 79.5

ααααs1 casein 10.0 30.6

2.6 8.0

ββββcasein 9.3 28.4

γγγγcasein 0.8 2.4

κκκκcasein 3.3 10.1

Soluble proteins 6.3 19.3

αααα- lactalbumin 1.2 3.7

ββββ- lactoglobulin 3.2 9.8

BSA 0.4 1.2

Immunoglobulins 0.7 2.1

Others 0.8 2.4

Proteins of fat membrane globule 0.4 1.2

αααα_s2casein

Proteins in bovine milk

micelles

Micelle de caséine

6

Caséine κκκκ

caséines : α_s1, α_s2, β, κ(3:1:3:1) minéraux : phosphate et calcium

• Composition :

• Structure :

phosphate de calcium nanoclusters

caséine κ à la périphérie, fortement chargée

La structure interne est encore controversée...

~80% des protéines dans le lait, C ≈ 25 g/L

• Objet colloïdal (≈ sphérique) :

grande distribution de taille ~50-500nm, taille moyenne ≈ 120nm fortement hydratée voluminosité 4.4 ml/g (3.7g d’eau / g protéines) en équilibre dynamique avec la phase solvante

Micelle de caséine

Micelle de caséine = colloïde déformable et poreux

(et polydisperse) ₇

Caséine κκκκ

• Composition :

• Structure :

phosphate de calcium nanoclusters

caséine κ à la périphérie, fortement chargée

[Walstra, Int. Dairy. J., 1999 ] [de Kruif et al., Adv. Colloid Interface Sci., 2012 ]

[Bouchoux et al., Biophys.J., 2010]

• Objet colloïdal (≈ sphérique) :

grande distribution de taille ~50-500nm, taille moyenne ≈ 120nm fortement hydratée voluminosité 4.4 ml/g (3.7g d’eau / g protéines) en équilibre dynamique avec la phase solvante

~80% des protéines dans le lait, C ≈ 25 g/L

La structure interne est encore controversée...

caséines : α_s1, α_s2, β, κ(3:1:3:1) minéraux : phosphate et calcium

Concentration g/kg %

Total proteins 33.0 100.0

Total caseins 26.0 79.5

ααααs1 casein 10.0 30.6

2.6 8.0

ββββcasein 9.3 28.4

γγγγcasein 0.8 2.4

κκκκcasein 3.3 10.1

Soluble proteins 6.3 19.3

αααα- lactalbumin 1.2 3.7

ββββ- lactoglobulin 3.2 9.8

BSA 0.4 1.2

Immunoglobulins 0.7 2.1

Others 0.8 2.4

Proteins of fat membrane globule 0.4 1.2

αααα_s2casein

Proteins in bovine milk

Protéine MM (kg mol^-1) r_s (nm) pHi U_S0 (10^-8 m² V^-1 s^-1)

αααα-La 14,2 2,0 4,2- 4,5 -2,21^apo -1,02^holo

ββββ-Lg 18,2^mono 36,6 ^dim 2,0^mono 2,7 ^dim 5,1- 5,4 -4,72^mono -7,26^dim

BSA 67 3,5 4,8- 5,1 -5,26

LF 77^mono 324^tetra 2,2^mono 4,4^tetra* 8,0- 9,0 1,70

IgG 150-1000 5,5 5,5-8,3 0

Protéines solubles

Skimmed milk and crossflow filtration

Milk components

10 100 0.1 1

0.01 0.001

0.0001

Inorganic ions 8 g.L^-1

Soluble proteins 7 g.L^-1

Bacteria

Casein micelles 26 g.L^-1

µµµµm

Lactose 47 g.L^-1

Industrial membrane operations Microfiltration 0.1 µµµµm

Ultrafiltration 10-100 kg.mol^-1

Nanofiltration 400 g.mol^-1 (R_NaCl= 45%)

Reverse osmosis ^{100 g.mol-1 (R}_NaCl^{= 90%)}

Fat 29 g.L^-1

Skimmed milk and crossflow filtration

Milk components

10 100 0.1 1

0.01 0.001

0.0001

Inorganic ions 8 g.L^-1

Soluble proteins 7 g.L^-1

Bacteria

Casein micelles 26 g.L^-1

µµµµm

Lactose 47 g.L^-1

Microfiltration 0.1 µµµµm

Fat 29 g.L^-1

Concentré de micelles de caséine Concentrés de protéines solubles fabrication fromagère Ingredients

IMeTI 2009 12 J = 76 L h^-1 m^-2

τ_w = 100 Pa

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100 120 140

Wall shear stress, ττττ

(Pa) Divergent runs

Steady runs

Permeation flux, J

(J/ τ

)

Fouling resistance R_f/R_m β-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 β-LG transmission

J = 38 L h^-1m^-2 τ_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

X Industrial Conditions

Crossflow microfiltration (0.1 µm) of skimmed milk

Objectif

Produits laitiers

Qualité des produits Conduite des opérations

Aide à la conception

?

Choix de stratégie :

- Fluide d’étude = lait écrémé; disponibilité de concentrés de micelles; microfiltrat - avant/pendant/après conditions critiques

- protéines solubles = traceurs Questions

- Quelles caractéristiques de transfert des couches de micelles ? - Quels mécanismes responsables de la sélectivité des couches?

Methodology – Microfiltration experiments

Fluids Heat treated skimmed milk (68°C; 20s) + NaCl (0-300 mM) with pH adjustment (6.55) Casein Micelles Suspension (CMS), Powder Ingredia (France)

Microfiltrate (0.1 µm) (M): milk without the casein micelles (« ideal » whey)

CMS + M= reconstituted milk

Equipment

Ceramic membrane 0.1 µm Kerasep (Orelis, Novasep, France)

Crossflow-filtration with UTP (« Uniform Transmembrane Pressure ») system

Product

Permeate

Retentate

P

P P

P

Methodology – Microfiltration experiments

Equipment

Ceramic membrane 0.1 µm Kerasep (Orelis, Novasep, France)

Crossflow-filtration with UTP (« Uniform Transmembrane Pressure ») system

Methodology J

Steady runs Divergent runs

1 2

ττττ_w

(J/ττττ_w)_crit ττττ_w

t ττττ_wcrit

TMP

(J/ττττ_w)_crit J

• Reversibility / irreversibility

(Hysteresis; Darcy’s law)

• Casein micelle and soluble protein transfer

• Mass balance :identification of soluble protein entrapped with accumulated matter

T = 48°C; J = 50 L h^-1 m^-2; Volume Reduction Ratio = 2 Operating conditions

Fluids Heat treated skimmed milk (68°C; 20s) + NaCl (0-300 mM) with pH adjustment (6.55) Casein Micelles Suspension (CMS), Powder Ingredia (France)

Microfiltrate (0.1 µm) (M): milk without the casein micelles (« ideal » whey)

CMS + M= reconstituted milk

CHC

Critical conditions (J/ ττττ

)

– main contributor

Skimmed milk

0 30 60 90 120 150

3000 8000 13000 18000

Time (s) ττττw (Pa), J (Lh-1 m-2 )

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

TMP (105 Pa)

ττττw

J

TMP_milk

Skimmed milk (with micelles)

Jimenez-Lopez et al., 2008

(J/ττττ_w)_crit

Critical conditions (J/ ττττ

)

– main contributor

0 30 60 90 120 150

3000 8000 13000 18000

Time (s) ττττw (Pa), J (Lh-1 m-2 )

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

TMP (105 Pa)

ττττw

J

TMP_Mf TMP_milk

Skimmed milk (with micelles)

Microfiltrate (without micelle)

Skimmed milk Microfiltrate

Jimenez-Lopez et al., 2008

Les micelles de caséines sont les composants responsables de l’apparition des conditions critiques

Aucun effet des protéines solubles sur l’apparition des conditions critiques (comparaison performances : lait et lait sans protéines solubles)

0 30 60 90 120 150

3000 8000 13000 18000

Time (s) ττττw (Pa), J (Lh-1 m-2 )

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

TMP (105 Pa)

ττττw

J

TMP_Mf TMP_milk

Skimmed milk (with micelles)

Microfiltrate (without micelle)

Leak of casein micelles in the permeate Turbididy

Micelle size similar before and after (J/ττττ_w)_crit Blocage de pore peu probable Dépôt des micelles de caséines à la surface de la membrane

Jimenez-Lopez et al., 2008

Skimmed milk Microfiltrate

Critical conditions (J/ ττττ

)

– main contributor

Critical conditions (J/ ττττ

)

– main contributor

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000 Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) TMP

τw

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000

Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) TMP

ττττw

Below (J/ττττ_w)_crit

Passage au-delà des conditions critiques:

TMP de 67 % R_if/R_m = 5.8 ±0.9

(3 expérimentations)

En dessous des conditions critiques:

TMP de 27 % R_if/R_m = 2.9 ±0.8

(3 expérimentations)

L’accumulation des micelles de caséines aux conditions critiques conduit à une augmentation du colmatage irréversible

Skimmed milk

20

Lait thermisé: avec micelles

0 30 60 90 120 150

3000 8000 13000 18000

Temps (s) ττττw (Pa), J (Lh-1 m-2 ), TrPS (%)

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Ptm (105 Pa)

τw

J

Ptm Tr_PS

CHC

CHC

Forte et brusque ↑ Ptm

↓Tr_PS

0 30 60 90 120 150

3000 8000 13000 18000

Temps (s) ττττw (Pa), J (Lh-1 m-2 ), TrPS (%)

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Ptm (105 Pa)

Ptm τw

J

Tr_PS

Microfiltrat : sans micelles Pas de CHC

Pas de ↑ Ptm

Tr_PS↑, globalement stable

Critical conditions (J/ ττττ

)

– impact on protein transmission

La présence de micelles de caséines affecte la transmission des protéines solubles

Critical conditions (J/ ττττ

)

– impact on protein transmission

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000 Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) TMP

τ_w

Critical conditions (J/ ττττ

)

– impact on protein transmission

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000 Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) αααα-La

BSA ββββ-Lg

IgG

LF TMP

τ_w

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000

Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) TMP

ττττw

Below (J/ττττw)_crit

αααα-LA (14.2 kg mol^-1)

ββββ-Lg (36.6^di kg mol^-1)

BSA (67 kg mol^-1)

IgG (150 kg mol^-1)

LF (324^tetrakg mol^-1)

-

≈ 0 + charge

Critical conditions (J/ ττττ

)

– impact on protein transmission

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000 Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) αααα-La

BSA ββββ-Lg

IgG

LF TMP

τ_w

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000

Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) TMP

ττττw

αααα-La

BSA ββββ-Lg

IgG

LF

Micelle deposit affects protein transmissions

αααα-LA (14.2 kg mol^-1)

ββββ-Lg (36.6^di kg mol^-1)

BSA (67 kg mol^-1)

IgG (150 kg mol^-1)

LF (324^tetrakg mol^-1)

-

≈ 0 + charge

Mécanismes

Modèle de Ferry (1936)

- Tr_IgG et r_SIgG → d_app (membrane + matière accumulée)

- d_app → Tr_F α-La, β-Lg, BSA, LF → (Tr_F – Tr)

2 2

pore solute Ferry

r 1 r 1 1

Tr 























 −

−

−

=

Exclusion stérique ? Interactions/ répulsions électrostatiques ?

Diamètre apparent de la membrane

Diamètre apparent de l’ensemble (dépôt + membrane), (d_app), calculé selon la loi de Ferry en fonction des conditions hydrodynamiques de filtration et de la présence et absence de micelles

Présence de micelles (lait)

Absence de micelles (microfiltrat)

Avant CHC^a 9±1 13±1

Aux CHC^b 9±1 15±1

Après CHC^c 8±1 16±2

d_app (nm)

[Bouchoux et al., Biophys.J., 2010]

d_app ≈9 nm << 100 nm (diamètre pores mbre)

d_app ≈9 nm <18 nm (diamètre vide micelles)

Pas d’évolution d_app, ∀ conditions hydrodynamiques

Adsorption PS + micelles dans pores + surface membrane →→→→ d_app

Dépôt ne modifie pas d_app : premières couches adsorbées = exclusion stérique cste

Avant CHC CHC Après CHC

(Tr_F-Tr)_αααα-La -6±10 32±8 9±9

(Tr_F-Tr)_{ββββ-Lgdim} 10±9 40±7 27±8

(Tr_F-Tr)_BSA 18±10 48±7 31±7

(Tr_F-Tr)_LF 42^±10 44±10 30±8

26

3 CHC/ après CHC : Dépôt micelles: Tr

, Tr

et Tr

1 Avant CHC, Tr

jamais modèle de Ferry (piégeage avec micelles) 2 Avant CHC, Tr

≈ accord avec Ferry

en l’absence de micelles Tr

≈ accord avec Ferry

Evaluation de (Tr

-Tr) en présence de micelles

D’autres phénomènes que le simple effet stérique controlent le transfert des protéines

27

Répulsions électrostatiques micelles - PS < 0 (α-La, β-Lg et BSA) contrôlent le transfert

Modèle établi en électro-ultrafiltration ^{(Daufin et al., 1995)}

Tr=Tr_F(1+U_SE/J)

⇒ calcul E pour α-La et β-Lg avec U_S (Rabiller-Baudry et al., 1998) U_S: mobilité électrophorétique à I lait et 48°C (m²s^-1V^-1)

E : champs électrique subit par les protéines solubles (V m^{0 -1})

100 200 300 400

avant CHC CHC après CHC

E (Vm-1 )

Aux CHC, fort E : ↑↑↑↑ épaisseur et concentration des micelles dans couche de polarisation

⇒

⇒

⇒

⇒ ↑↑↑↑ densité charge

Après CHC, dépôt résiduel ⇒⇒⇒⇒densité charge résiduelle ⇒⇒⇒⇒hysteresis Tr

α-La β-Lg

Repulsions électrostatiques

Critical conditions (J/ ττττ

)

– impact on protein transmission

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000 Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) αααα-La

BSA ββββ-Lg

IgG

LF TMP

τ_w

αααα-LA (14.2 kg mol^-1)

ββββ-Lg (36.6^di kg mol^-1)

BSA (67 kg mol^-1)

IgG (150 kg mol^-1)

LF (324^tetrakg mol^-1)

-

≈ 0 + charge

Tr protein = steric repulsions

except for LF

Tr protein ≠≠≠≠steric repulsions

Proteins - :electrostatic repulsions with micelles - Protein ≈ 0 : polarization of concentration

Presence of casein micelles – impact on protein transmission

0 20 40 60 80 100

2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000 Time (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP (105 Pa), ττττw/100 (Pa) αααα-La

BSA ββββ-Lg

IgG

LF TMP

τw

-Transmission of LF much lower in the presence of casein micelles

(confirmed by mass balance)

Interactions LF (+) / micelles (-)

Skimmed milk (with micelles)

Microfiltrate (without micelles)

0 20 40 60 80 100

3500 5500 7500 9500 11500 13500 15500 17500 19500 Temps (s)

Transmission (%)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

TMP 105 (Pa), ττττw/100 (Pa)

TMP ττττw

αααα-La

BSA β β β β-Lg IgG

LF

Impact of ionic strength -

0 20 40 60 80 100

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Total ionic strength (M) αααα-La

ββββ-Lg

BSA IgG

LF

Transmission (%) Before (J/ττττw)_crit

With I

Tr_LF due to attractive electrostatic interactions LF / micelles

Conclusions

Conclusions

Accumulation de micelles : responsable des conditions critiques (J/ττττw)_crit et des modifications des performances (perméabilité, sélectivité)

Transmission des protéines solubles à travers le réseau de micelles : répulsions stériques + intéractions électrostatiques

Perspectives

Comportement et structure des dépôts des micelles (avec et sans protéines solubles)

Merci de votre attention ! Remerciements

Financement Thèse A. Jimenez

Thèse Soredab