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innovations et réalité industrielle.
Luc Fillaudeau, Mehdi Yazdanshenas
To cite this version:
Luc Fillaudeau, Mehdi Yazdanshenas. L’opération de clarification dans l’industrie brassicole : inno-
vations et réalité industrielle.. MEMPRO-IV, Oct 2010, Aix-Marseille, France. �hal-02306182�
2-910239-74-8, Ed. SFGP, Paris, France
L'opération de clarification dans l'industrie brassicole : innovations et réalité industrielle.
FILLAUDEAU Luca* and YAZDANSHENAS Mehdib
aLaboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés, CNRS UMR5504, INRA UMR792, INSA, Toulouse, France
bIran Behnoush Co. 5, Poori av., Karaj Special road, Tehran, Iran
and Department of Chemical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, I.R. Iran
Résumé
La clarification de la bière est probablement l'une des opérations les plus importantes, lorsque la bière de garde est filtrée pour éliminer les levures et les particules colloïdales responsables du trouble. En outre, cette opération doit également assurer la stabilité biologique de la bière. À l'heure actuelle, plus de 90%
de la bière produite mondialement est filtré sur filtres à terre de diatomée. La filtration conventionnelle sur filtre-presse avec adjuvant de filtration constitue une pratique industrielle standard et est de plus en plus critiquée d'un point de vue sanitaire, environnemental et économique. L’opportunité d’effectuer la filtration à l’aide d’adjuvants alternatifs et/ou régénérables ou par procédé de séparation par membrane (sans adjuvant) constitue une option économique et technologique réaliste.
Mots-clés : brasserie, clarification, adjuvant de filtration, membrane.
1. Introduction
Dans l'industrie agroalimentaire, la brasserie tient une position économique stratégique avec une production mondiale de 182 10+9 L de bière in 2008 (Braustatistik, 2010). La bière est la cinquième boisson la plus consommée derrière le thé, les sodas, le lait et le café et elle continue d'être une boisson populaire avec une consommation de 27,5 L/pers par an. En Europe, la contribution totale du secteur brassicole à l'économie en termes de valeur ajoutée est de 57,5 € milliards, générant 164000 emplois dans les brasseries, alors que 2,6 millions d'emplois peuvent être attribués au secteur brassicole (Ernst and Young, 2006). Le secteur brassicole est l'un des seuls dans lequel plusieurs compagnies européennes se positionnent comme les leaders mondiaux (AB InBev-Bel, SABMiller-RU, Heineken-PB et Carslberg- DN). Ce secteur intègre également des PME très dynamiques et innovantes estimées à environ 2800 (données 2005). Ce marché cache une grande hétérogénéité des capacités de production (Ciancia, 2000;
Levinson, 2002). En 2008, les 10 plus grands groupes se partageaient plus de 63% de la production mondiale, alors qu'une micro-brasserie peut débuter une activité avec une production annuelle inférieure à 1000 hL (Braustatistik, 2010, Répertoire des brasseries, 2010).
Le procédé brassicole basé sur des opérations d'extraction solide/liquide, de fermentation et de séparation constitue un important consommateur d'eau et producteur d'effluent et rejets solides et conduit à la production d'une boisson alcoolisée, la bière. Les principaux ingrédients pour la production de la bière sont les céréales maltées et les grains crus, le houblon, l'eau et la levure. La production de bière passe alternativement de 3 étapes de réactions chimiques et biochimiques à 3 opérations de séparation solide- liquide (Figure 1). Les principaux intrants et extrants du procédé sont quantifiés dans le tableau 1.
L'industrie brassicole résulte d'une tradition ancienne mais se positionne comme un secteur dynamique et ouvert aux technologies nouvelles et innovations scientifiques. Les brasseurs s'astreignent à ce que les technologies qu'ils utilisent soient les meilleures en termes de qualité-produit, de coût et d'impact environnemental. La directive européenne IPPC 96/61/EC constitue un outils important pour identifier et
*Auteur correspondant: Luc.Fillaudeau@insa-toulouse.fr
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quantifier l'impact environnemental des productions avec l'analyse des cycles de vie (LCA) et à définir les meilleurs techniques disponibles (BAT) sous des contraintes économiques et environnementales réalistes (CBMC, 2002; Koroneos et al., 2005, Kawasaki and Kondo, 2005). En conséquence, la consommation d'énergie, l'utilisation d'eau et la génération d'effluent constituent de réelles opportunités économiques pour améliorer les procédés existants.
Tableau 1: Consommations, ressources et rejets (Moll, 1991; CBMC, 2002; Fillaudeau et al., 2006).
Paramètre Unité Gamme
Grains crus et céréales maltées
g/L 100-200
Houblon g/L 0,1
Eau L/L 4-10
Matières premières
Ferment L/L 0.01-0,1
PVPP, silicagel,etc. g/L 0,1 Auxiliaires
techno. Kieselguhr g/L 1-2
Thermique MJ/L 1,7-3,0
Energies
Electrique kWh/L 0,08-0,12 L/L 2,2-8,7 Rejets d’eau usée
g DCO/L 8-25 Rejets « solide » g/L <10-240 avec……...Drêches g/L 180-240
Levures en excès g/L 25 Cassure ou Trub g/L 8 Rejets
Rejet de kieselguhr g/L 4-8
Figure 1- Procédé brassicole et applications membranaires existantes, récentes et potentielles.
Efficacité accrue et renforcement des restrictions environnementales composent le nouveau cahier des charges pour les technologies alternatives, pour lesquelles durabilité et économie sont les maîtres mots.
Les procédés de filtration tangentielle présentent des avantages clés sur les technologies conventionnelles de séparation, par exemple le traitement du produit à faible température et l'absence d'adjuvant de filtration (terre de diatomée). Ces avantages sont directement liés à l'unique mécanisme de séparation (convection, diffusion) utilisé dans les procédés de filtration tangentielle conventionnelle de microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) et osmose inverse (OI : transport par un mécanisme de solution-diffusion) et la figure 1 indique les implantations existantes, récentes et potentielles. L'utilisation de l'OI et de technologies similaires pour traiter l'eau de brassage, réduire la teneur en sel et éliminer des traces de pesticides apparaît sans surprise, mais ne concerne pas au sens strict le procédé brassicole. Notre présente synthèse est dédiée à l'analyse des innovations et potentialités des procédés de filtration pour améliorer l'opération de clarification en brasserie.
2. L'opération de clarification
La clarification de la bière est probablement l'une des opérations les plus importantes, la bière de garde est filtrée pour éliminer les levures et les particules colloïdales responsables du trouble. En outre, cette opération doit également assurer la stabilité biologique de la bière. Elle doit être conforme à la spécification du trouble d'une bière de type Pils, afin de produire une bière claire et brillante. La filtration standard consiste en la rétention des particules solides (levures, macro-colloïdes, matière en suspension) lors de la filtration frontale sur adjuvants. La variété des composés (diversité chimique, plage de taille importante) à retenir fait de cette opération l’une des plus difficiles à contrôler (Moll et al. 1991).
Toutes les opérations classiques de filtration ne pourraient afficher de telles performances - en termes de débit volumique et de rétention particulaire - sans l'utilisation d'adjuvants de filtration. On distingue ceux de type adsorbant (pré-couche de filtration et alluvionnage: kieselguhr, perlite, cellulose ou de charbon actif, coton) et ceux de type précipitant (action physico-chimique sur les substances colloïdale:
polyvinylpolypyrrolidone, enzymes protéolytiques, tanins ou gel de silice).
2-910239-74-8, Ed. SFGP, Paris, France En France, une réglementation spécifique (Arrêté, 2006) s’applique aux auxiliaires technologiques employés ou destinés à être employés dans la fabrication de denrées alimentaires. Les adjuvants utilisables en brasserie y sont référencés dans les annexes I-A, B et C et leur fonction vise à faciliter les opérations de filtration, clarification ou collage (adjuvants de type adsorbant ou précipitant) mais également de liquéfaction ou solubilisation (enzymes). Cette liste doit être complétée par plusieurs avis récents de l'ANSES (ex-AFSSA) mentionnant de nouvelle autorisation d'usage.
À l'heure actuelle, plus de 90% de la bière produite mondialement est filtré sur filtres à terre de diatomée (Modrok et al; 2006). Les terres de diatomée présente plusieurs avantages pour la filtration comme le rapportent Baimel et al. (2004) et Blümelhuber (2007). La filtration conventionnelle sur filtre-presse avec adjuvant de filtration (inclus le kieselguhr) constitue une pratique industrielle standard depuis plus de 100 ans et sera de plus en plus critiqué d'un point de vue sanitaire, environnemental et économique dans les décennies à venir (Hrycyk, 1997; Knirsch et al., 1999 et Blümelhuber 2007). Elle nécessite une grande quantité de kieselguhr : entre 1 et 2 g•L-1 de bière, selon la charge de bière soit une consommation mondiale estimée entre 160 et 320 kt/an en 2008. Diverses natures de kieselguhrs sont employées : on distingue généralement la réalisation d'une pré-couche de kieselguhr déposée à la surface du filtre (entre 1 et 2 kg•m-2 de surface filtrante) et l'apport en continu (alluvionage) lors de la filtration (entre 0,7 et 2 g•L-
1) dépendant très étroitement de la nature de la bière.
Sur le plan environnemental, les terres de diatomée sont extraites de mines à ciel ouvert et constituent une ressource naturelle sujette à épuisement. À la fin de l'opération de filtration, les résidus (kieselguhr, levures, matière organique, eau) posent de sérieux problèmes de régénération, de recyclage, et surtout, ils constituent des effluents fortement polluants et un coût de mise en décharge croissant. Après nettoyage du filtre, le kieselguhr se retrouve sous forme de rejet (chargé en matière organique et en eau) avec une masse qui a plus que triplé (Tableau 1).
Sur le plan de la santé publique, les kieselguhr contiennent des particules de silice (quartz) et de cristobalite suffisamment fines pour être inhalées. Chaque forme est classée comme carcinogène chez l'homme. Les kieselguhr sont ainsi classés parmi les produits dangereux pour les utilisateurs (reconnu par l'OMS comme produit pulvérulent pouvant entraîner des lésions respiratoires, type silicose) par l'IARC.
Leur utilisation nécessite donc un aménagement des postes de travail. Un autre inconvénient est que les ressources en kieselguhr de bonne qualité sont limitées (Martinovic et al., 2006) et les brasseurs font face aux problèmes d'une augmentation continue des teneurs en fer et métaux lourds dans la matière première (Braun et al, 2009, Modrok et al., 2006).
Du point de vue économique, la consommation de terre de diatomée, le traitement des rejets, le recyclage ou à la mise en décharge génèrent le coût principal du procédé de filtration qui est estimé entre 0,0025 and 0,007 €/L (Knirsch et al., 1999, Modrok et al., 2006 et Schuurman et al., 2005a and b). En Europe, cette contrainte économique est renforcée car la consommation est supérieure (environ 1,7g/L de bière clarifiée). Diverses méthodes de traitement ou de recyclage sont possibles pour les résidus de kieselguhr résultant de l'étape de filtration des jus et boissons: la régénération, la mise en décharge, l'épandage sur les terres agricoles et le recyclage dans les matériaux de construction. Les voies de traitement des rejets de kieselguhr sont généralement l'épandage en agriculture et le recyclage avec un coût moyen de 170€/tonne. Cependant les coûts varient énormément d'une brasserie à l'autre avec une recette de 7,5
€/tonne jusqu'à une charge de 1,100 €/tonne de kieselguhr utilisé (Knirsch et al., 1999). En 2007, Blümelhuber rapporte que le coût de mise en décharge des rejets de kieselguhr non-traités varie de 120 à 430€/tonne soit environ 0,0010€/L de bière produite.
En brasserie, la réduction de la consommation de kieselguhr peut être réalisée en optimisant le procédé existant de différentes façons (Freeman et Reed, 1999): sélection et caractéristiques des adjuvants, formation de la pré-couche et filtration à plusieurs étages, automatisation du système de filtration et du dosage de l’adjuvant, augmentation des capacités de filtration, économie d’eau lors du nettoyage, régénération par traitement chimique et thermique. La régénération des rejets de kieselguhr consiste à purifier la terre jusqu'à un degré de pureté autorisant sa réutilisation dans l'industrie agroalimentaire et répondant à l'ensemble des contraintes réglementaires. Les technologies industrialisées (Blümelhuber, 2007) fonctionnent sur des principes thermiques (trois procédés industriels : Tremonis, Wärmetechnik Umweltschultz GmbH et Forschunsinstitut für Nichteisenmetalle Gmbh) ou chimiques (pour exemple, les procédés Henninger, BeFis et Meyer-Breloh). Cependant malgré ces avancées, l'efficacité économique
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des procédés thermiques ou chimiques (voie humide) ne semble pas démontrée et l’utilisation de kieselguhr régénéré est peu fréquente dans la pratique industrielle (Braun et al., 2009).
L’opportunité d’effectuer la filtration à l’aide d’adjuvants alternatifs et/ou régénérables ou sans adjuvant (procédé de séparation par membrane) semble très attractive et répond à un besoin sociétal et industriel prégnant (Hahn, 2008, Braun et al., 2010).
3 Les adjuvants alternatifs et/ou régénérables.
L’adjuvant de filtration doit satisfaire les exigences d'un procédé alimentaire (sécurité sanitaire et alimentaire), résister aux solutions caustiques et à des températures allant jusque 100°C (conditions de régénération conventionnelles), afficher des propriétés mécaniques spécifiques (matériau inerte et rigide), posséder une faible surface spécifique mais aussi une capacité de rétention élevée (clarification) de même qu’une forte efficacité de filtration. La régénération du média filtrant utilisé ne doit pas modifier ses performances initiales. Des résultats récents ont été rapportés aux échelles pilote et industrielle sur divers adjuvant de filtration. Leur classification peut globalement se faire par leurs origines: chimique ou organique en complément des terres de diatomée (minérale).
- Adjuvant de type organique (cellulose):
Au cours des dernières décennies, plusieurs articles traitant de la filtration en brasserie en utilisant des fibres de cellulose ont été publiés (Braun et al. 2009), simultanément environ une vingtaine de brevets relatifs aux adjuvants de filtration à base de cellulose peuvent être dénombrés.
La cellulose est un matériau renouvelable et complètement biodégradable. Plusieurs propriétés de la cellulose comme adjuvant de filtration doivent être considérées dans le design des procédés de filtration.
Elle est utilisable en pré-couche de filtration formant un gâteau flexible et élastique. Ce dernier est également inhomogène et compressible. L'aptitude à la décantation de la cellulose diffère notablement du kieselguhr. Des fibres longues, courtes ou défibrillées sont utilisées en mélange pour atteindre une réduction du trouble significative et des durées raisonnables. La régénération de l'adjuvant est requise pour des raisons économiques et elle peut se faire en utilisant de des solutions caustiques diluées.
Cependant la filtration avec la cellulose exige une bonne pré-clarification et est très problématique sans une séparation préalable. Les contraintes technologiques des filtres-presses actuellement utilisés n'est pas toujours compatibles avec l'utilisation de la cellulose. Enfin, l'analyse des travaux portant sur la filtration avec de la cellulose ne démontrent pas une opération économiquement réaliste (Braun et al., 2009).
- Adjuvant régénérable de type chimique:
L’adjuvant régénérable développé par Interbrew et l’Université Catholique de Louvain (UCL, Belgique) est composé de granules de polymères (base polyamide) ayant des propriétés spécifiques (densité, taille de particules, taille de pores, diamètre, forme et surface spécifique) (Rahier et Hermia, 2001). Le matériau, en combinaison avec le PVPP, a été utilisé avec succès pour la clarification et stabilisation de bière. Les avantages cités pour ce matériau sont une seule étape de clarification-stabilisation avec un débit spécifique élevé et des durées de fonctionnement longues. Dostalek et al., 2009 ont développé un nouvel adsorbant en polyamide pour éliminer les polyphénols de la bière.
La société Meura (Bonacheli et al., 1999) a développé un adjuvant composé d’un mélange de polymère synthétique ou de fibres spéciales en cellulose avec des microbilles de 44-88 µm revêtues d’un polymère qui améliore les propriétés de surface. Le mélange combine les propriétés mécaniques des microbilles (incompressibilité, faible porosité) avec les qualités des fibres. La performance de filtration est annoncée comme étant similaire aux filtres conventionnels sur kieselguhr.
L'institut Meurice (Bruxelles, Belgique) et l'UCL (Louvain, Belgique) ont déterminé les performances d'un adjuvant de filtration à base d'oxyde de polyéthylène haute densité (Libouton et al., 2006 et 2009).
Le PEox utilisé seul pour la clarification semble efficace mais un trouble résiduel reste supérieur à l'attente des brasseurs. Avec l'ajout d'un additif favorisant la formation d'une floculation, les résultats montrent une réelle amélioration sur le trouble mais se traduisent par une forte augmentation importante de la pression. Il peut être régénéré 4 fois dans une solution de détergente à 2% (60°C, 1h, c=150g/L).
Depuis quelques années, la société BASF commercialise un adjuvant de filtration régénérable dénommé Crosspure® (Zuber et al., 2008, Schnell et al., 2008, Fritanni 2010). Il s'agit d'un co-polymère (Polystyrène et Polyvinylpolypyrolidone) dont la procédure de régénération inclus 7 étapes dont une de
2-910239-74-8, Ed. SFGP, Paris, France nettoyage caustique (2% NaOH, 85°C) et une de traitement enzymatique (40-50°C, pH=4-5). Les essais industriels démontrent l'équivalence qualitative et quantitative avec une filtration conventionnelle.
4 Les procédés membranaires
Les procédés membranaires doivent satisfaire les mêmes critères économiques et qualitatifs (O’Reilly et al., 1987; Wackerbauer and Evers, 1993) que la filtration frontale conventionnelle. La MFT doit être capable: (i) de produire une bière claire et brillante avec une qualité similaire à une bière filtrée sur kieselguhr, (ii) d'effectuer la séparation en une seule étape sans additifs, (iii) de fonctionner à basse température (0 ° C), (iv) d’atteindre un flux économique. Jusqu'à présent, l'implantation de la microfiltration tangentielle dans l'industrie brassicole reste ponctuelle (Buttrick, 2010) et la situation de monopole détenue par la microfiltration tangentielle comme seule alternative technologique à la filtration sur kieselguhr est désormais remise en cause avec les progrès récents sur les adjuvants régénérables.
D'un point de vue académique, les travaux scientifiques relatifs à la MFT de la bière portent sur : (i) L'étude des mécanismes de colmatage, leur nature en lien avec les interactions physico-
chimiques avec le matériau membranaire (Gan et al., 2001, Fillaudeau et al, 2002, Eagles et al., 2002, Yokhanis et al., 2003, Brantley et al., 2005, Riddell et al., 2004, Jin et al., 2004, Zator et al., 2009, Yazdanshenas et al, 2010a),
(ii) l'étude des performances quantitatives et qualitatives en lien avec l'hydrodynamique et les membranes (Stopka et al. 2000 et 2001 Gan, 2001, Thomassen et al., 2005, Fillaudeau et al., 2006, Roh et al., 2006, Yazdanshenas et al, 2010b) et
(iii) (iii) le développement de procédés membranaires alternatifs, ce qui se traduit principalement par des recherches sur la structure des membranes (Kuiper et al., 2002, Meinhold et al., 2005, Van Iersel et al., 2005,) et la filtration dynamique (Van Iersel et al., 2005, Roh et al., 2006, Fillaudeau et al., 2007, Girones et al., 2006) .
Norit Membrane Technology / Heineken Technical Service (Schuurman et al., 2005a)
Alfa-Laval AB / Sartorius AG (Modrok et al., 2004)
Pall Food & Beverage / Westfalia Food Tech (Denniger and Gaub, 2004) D'un point de vue industriel, depuis 1995, beaucoup de rapports ont mentionné les enjeux économiques et scientifiques de la clarification de la bière de garde. Cependant les expérimentations industrielles rencontraient deux principaux problèmes: (i) le contrôle des mécanismes de colmatage et (ii) l’amélioration de la qualité du perméat. La MFT semblait pénalisée par un flux de perméat faible en comparaison avec la filtration frontale conventionnelle sur adjuvants, comme les terres de diatomée (de 100 à 500 L.h-1.m-2). Depuis 2000, les premiers équipements industriels ont commencé à fonctionner avec trois systèmes proposés par Norit Membrane Technology/Heineken Technical Service, Alfa-Laval AB / Sartorius AG et Pall Food & Beverage/Westfalia Food Tech.
Norit/Heineken (Noordman et al., 2001, Schuurman et al., 2003 et 2005a, b, Bergenhenegouwen, 2010, Buttrick 2007 and 2010) a annoncé plusieurs procédés industriels (dénommé BMF pour "Beer Membrane Filter"). L’unité de filtration contient de 10 ou 24 jusqu’à 72 modules en fibres creuses X-Flow R-100 (taille de pores : 0,5 µm, L : 1 m, dint fibres creuses : 1,5 mm, S : 9,3 m²/module, matériau en polyethersulfone, PES) et fonctionne soit en mode continu ou discontinu. Les capacités de filtration sont
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respectivement 20 000/60 000 L/h avec 24/72 modules, ce qui correspond à une densité de flux moyenne de 80-100 L.h-1.m-2. La clé du procédé est basée sur une procédure de nettoyage spécifique brevetée par la technologie membranaire de Heineken et Norit. Celle-ci combine une étape basique, une étape acide et une étape fortement oxydante (durée de deux heures), cette séquence assurant une durée de fonctionnement comprise entre 7 et 20 h pour environ 120 essais. La filtration est effectuée à 0°C, à une vitesse tangentielle de 1,5-2 m.s-1 et jusqu’à une pression transmembranaire de 1,6 bar. Pendant la filtration, des périodes de rétro-filtration de 10 min sont appliquées toutes les deux heures afin d’éliminer l’encrassement réversible qui s’est formé. Le flux est maintenu entre 80 et 100 L.h-1.m-2 et la bière clarifiée répond aux normes EBC en termes de turbidité (proche de 0,6 unité EBC), d’amertume, d’extrait total, de couleur et de teneur en protéines. En 2005, le coût de la filtration par membrane a été estimé entre 0,20-0,40 €/hl, c’est-à-dire identique celui de la filtration sur kieselguhr (0,20-0,40 €/hL). En 2010, Buttrick (2010) recensait 25 brasseries équipées du système BFM.
La technologie PROFi est une coentreprise entre Westfalia Food Technology et Pall Food & Beverage (Denniger and Gaub, 2004; Snyder et al., 2005, Höflinger and Graf, 2006; Rasmussen et al., 2006, Pickerell et al., 2008 ; Buttrick, 2007 and 2010) qui est basée sur la combinaison d’une centrifugation et d’un système de membranes en fibres creuses. Ce dernier est un système tangentiel de fibres creuses en PES breveté opérant en mode frontal (taille de pores: 0,65µ m, S : 12m²/module PallCFS05, matériau en polyethersulfone, PES, bloc de 20 modules). La centrifugeuse sépare de la bière la plupart des gros solides tels que les levures et les colloïdes à haute matière sèche ; par la suite, le système à membranes sépare efficacement les levures restantes et les colloïdes de petite taille. Le tank rétentat et le circuit de recirculation du fluide ne sont pas nécessaires, ce qui simplifie la conception et le contrôle du système. Le système industriel est conçu pour atteindre un flux constant de 36 000-48 000 L.h-1 (soit des densités de flux de 50 à 100 L.h-1.m-2) sur la base de cinq blocs identiques et indépendants fonctionnant en mode séquentiel (3 à 4 blocs en mode filtration, 1 ou 2 blocs en mode nettoyage et en réserve). Les capacités maximales sont de 24000 L.h-1 pour 20 blocs installés pour un fonctionnement en mode continu. Les essais en fonctionnement durent entre 5 et 10 heures, et si un des blocs a atteint la différence de pression maximale de 2 bars, il est vidé et nettoyé. Les pertes en bière pour la ligne complète représentent 0,02 % de l’extrait ; la consommation d’eau est étonnamment faible avec 0,043 L/L de bière et la consommation en énergie inférieure à 0,4 kWh/hL. En 2007, 11 installations étaient rapportées (Buttrick 2007).
Dans le procédé de filtration tangentielle de Alfa-Laval/Sartorius (Borremans, 2003, Borremans and Modrok, 2003, Modrok et al., 2004 et 2006, Buttrick 2007), la bière de garde passe d’un tank de garde vers une centrifugeuse à haute performance, étape suivie directement par le système de filtration tangentielle. A partir de là, la bière est dirigée vers un tank de bière clarifiée, et est ensuite traitée par filtration stérilisante sur cartouches avant conditionnement. L’unité de filtration contient jusqu'à six dispositifs de maintien avec jusqu’à 72 filtres à cassettes par module (20 membranes, dimensions 175 x 210 mm, des espaces de canal faibles : 120 µ m, surface filtrante de 0,7 m²/cassette, matériau en polyethersulfone PES, taille de pores : 0,6 µm). La capacité maximale de filtration est de 30000 L.h-1.m- 2 pour 432 cassettes pour un mode de fonctionnement continu. Les étapes de filtration sont réalisées par une combinaison d’une filtration tangentielle, d’une inversion périodique du sens de circulation de l’alimentation pour diminuer le blocage des pores et d’un rétro-lavage avec le produit (10min toutes les 2 heures). Un nettoyage intermédiaire (durée : 15 min) est effectué toutes les 3-5 heures et maintient une densité de flux constante (80-120 L.h-1.m-2). Les coûts de fonctionnement sont évalués à 0,46 €/hL et peuvent être partagés entre 22% de coûts de fonctionnement, 48% pour les membranes et 30 % pour le système de filtration. En 2007, 2 installations industrielles étaient rapportées (Buttrick 2007).
5. Conclusion
Les procédés membranaires en brasserie offrent de multiples opportunités et constituent désormais une réalité industrielle. Leur implantation est désormais un fait technologique et un critère d'efficacité économique et environnementale du procédé brassicole. Les applications de la filtration en brasserie sont nombreuses, elles varient en fonction du type de bière et de l'étape d'élaboration concernée: séparation de la maische en moût et drêches, de la bière jeune, des levures de fonds de tank et de la bière de fin de garde. Parmi les différentes étapes de brassage, la filtration-clarification est d'une grande importance
2-910239-74-8, Ed. SFGP, Paris, France parce qu'elle permet d'obtenir une bière claire et de bonne présentation pour le consommateur. Cette opération suivant la garde (étapes de maturation et stabilisation) et précédant le conditionnement est l’étape la plus étudiée et présentant l'enjeu technico-économique le plus pertinent en brasserie. Au début des années 2000, les expérimentations industrielles rencontraient deux principaux problèmes lors du traitement de la bière de garde, l'un du au contrôle des mécanismes de colmatage et l'autre à l’amélioration de la qualité du perméat. La MFT semblait pénalisée par un flux de perméat faible en comparaison avec la filtration frontale conventionnelle sur adjuvants, comme les terres de diatomée (de 100 à 500 L.h-1.m-2). Depuis 2000, les premiers équipements industriels ont commencé à fonctionner en s'appuyant sur des membranes organiques (matériau en polyethersulfone et diamètre de pore entre 0,5 et 0,65µm) fonctionnant en mode tangentiel ou frontal. Cependant cette implantation naissante ne doit pas cacher les évolutions notables des adjuvants de filtration alternatifs et régénérables.
Enfin, les fabricants de membranes et certaines équipes de recherche poursuivent leurs travaux dans ce domaine. Parmi leurs objectifs principaux, nous pouvons citer :
(i) l'amélioration des média filtrants : maîtrise croissante des procédés de fabrication, modification des propriétés de surface des membranes (ex: apparition des membranes "microsieves" issus de l'industrie de la microélectronique et des microsystèmes);
(ii) l'optimisation de l'hydrodynamique des modules : nouvelles techniques dans la perturbation des écoulements, réduction des coûts énergétiques (ex: utilisation de la filtration dynamique) ; (iii) la connaissance des mécanismes d'encrassement et de nettoyage : recherche des facteurs
limitants, nature chimique du colmatage membranaire et des entités moléculaires présentes à l'interface encrassement-membrane (ex : procédures de nettoyage-en-place).
Références
Arrêté du 19 octobre 2006, Journal Officiel de la République Française,NOR : ECOC0600115A.
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Alicieo T.V.R., E.S. Mendes, N.C. Pereira, S.T.D. Barros, T.D. de Innocenti, J. A. de Alves, 2008, Acta Scientiarum Technology, 30(2), 181-186.
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Remerciements:
Les auteurs remercient Prof. Manfred MOLL (Docteur de l'Université Henri Poincarré-Nancy I et Consultant International dans les IAA) pour son aide et son expertise.
