Démarche d éco-conception de procédés de transformation Exemples du fractionnement des protéines et des lipides laitiers

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Démarche d’éco-conception de procédés de transformation Exemples du fractionnement des

protéines et des lipides laitiers

Frederic Gaucheron, Genevieve Gesan-Guiziou

To cite this version:

Frederic Gaucheron, Genevieve Gesan-Guiziou. Démarche d’éco-conception de procédés de transformation Exemples du fractionnement des protéines et des lipides laitiers. Séminaire éco-conception Plate-forme STLO, Jun 2013, Rennes, France. �hal-01209464�

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Juin 2013

http://www4.rennes.inra.fr/stlo

Séminaire scientifique

UMR 1253 Science et Technologie du lait et de l’œuf, Rennes

28 Juin 2013 - 14h-16h30

Démarche d'éco-conception de procédés de transformation

Exemples du fractionnement des protéines et des lipides laitiers

Frédéric Gaucheron

Geneviève Gésan-Guiziou

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Juin 2013

Concevoir des procédés en tenant compte des critères:

- techniques (propriétés/qualité des produits finaux)

- économiques

- et environnementaux

Contexte général

Démarche

Utiliser l’Analyse de Cycle de Vie sur l’ensemble du procédé (Agencement d’OUs) pour

- Identifier les faiblesses et axes d’amélioration

- Suggérer des recommandations d’éco-conception (par comparaison

d’options technologiques)

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Juin 2013

Deux exemples

Purification de protéines laitières (ANR Ecoprom, 2007-2010)

Purification de phospholipides laitiers

(ANR Valobab, 2012-2015)

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Juin 2013

Purification de protéines laitières (ANR EcoProM)

Eco-conception de Procédés à Membranes visant l’obtention de protéines à fonction cible

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Juin 2013

Objectif du projet EcoProM

Définir des procédés à membrane, respectueux de l’environnement, ouvrant la voie à l’élaboration de

fractions protéiques à fonction(s) cible(s) / chromatographie de référence

Lait

Voie « membrane » Voie « chromatographie »

Fraction protéique à fonction cible

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Juin 2013

Itinéraires technologiques

Lait-entrée usine

Prétraitement – stockage - standardisation Séparation micelles / protéines du lactosérum

Concentration + purification protéines du lactosérum (UF+OI)

Concentrés protéiques

Crème

Micelles de caséine

(Transformation fromagère)

Voie membrane

Précipitation sélective +MF organique

Voie chromatographie

Echange d’ions avec résine polystyrénique anionique forte

Pur ββββ-Lg > 95 % Pur αααα-La >> 70 % (αααα/ββββ> 15)

Rdt ββββ-Lg > 75 % Rdt αααα-La > 80 %

Pur ββββ-Lg > 95 % Pur αααα-La > 70 % Rdt ββββ-Lg > 90 % Rdt αααα-La > 90 %

Les opérations à membranes permettent d’obtenir des fractions protéiques à des puretés comparables à celles obtenues par chromatographie

Concentration / diafiltration Séchage

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7

Juin 2013

http://www4.rennes.inra.fr/stlo 7

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

Transport

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Juin 2013

http://www4.rennes.inra.fr/stlo 8

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

4 sous-systèmes

→ Transformation

→ Nettoyage / effluents

→ Equipements

→ Transport

Transport

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Juin 2013

ACV du procédé

Inventaire des flux entrants et sortants

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

- Expérimentations spécifiques (labo) - Base de données / logiciels de recherche

(dimensionnement – calculs énergétiques)

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Juin 2013

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 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 d’ env. 1700 kg β-LG/j à 95 % pureté) . 5 co-produits: Crème crue refroidie, rétentat enrichi en micelles 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)

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Juin 2013

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)

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Juin 2013

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

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Juin 2013

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; ∆P = 0.5 10⁵Pa

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

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; ∆P = 1-1.5 10⁵Pa

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

→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 β(=> 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 …

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Juin 2013

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 différentes schéma technologique plus complexe

Démarche d’éco-conception: scénarios alternatifs

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Juin 2013

(Méthode IMPACT 2002+, SimaPro 7.2) Profil environnemental similaire

Impacts des nombreux traitements thermiques, chauffage des solutions de nettoyage, fonctionnement des pompes …

Comparaison ACV des procédés à membrane /chromatographie

Filtration

Chromatographie

Normalisation des impacts environnementaux / charge env. annuelle d’un européen moyen pour ces mêmes catégories d’impact

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Juin 2013

Conclusions

• ACV sur procédés (OUs) = Approche qui permet

– d’identifier les points faibles

– de faire des préconisations d’améliorations – de comparer des scénarios

• Limitations

– Approche laborieuse (description des schémas technologiques + recueil de données) → capitaliser dans

– Pas de propositions de pistes d’amélioration – Des questions en suspens / méthodologie ACV

• Comparaison selon différentes unités fonctionnelles impossible

• Comment comparer 2 systèmes de fractionnement qui ne conduisent pas aux mêmes co-produits ? Quelles règles d’allocation retenir pour définir la part des effets sur l’environnement attribuable à chacun des produits ?

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Juin 2013

Purification de phospholipides laitiers (ANR Valobab)

VALOrisation durable du BABeurre : bénéfices nutritionnels, intérêt fonctionnel dans les aliments et perception par le consommateur

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Juin 2013

Objectif général du projet Valobab

Elucider l’intérêt santé des Lipides Polaires (LP) laitiers chez l’homme en intégrant leur fonctionnalité

dans les aliments

Métabolisme des lipides Inflammation

Tube digestif : barrière/absorption

Microbiote intestinal Métabolisme des lipides

Inflammation

Tube digestif : barrière/absorption

Microbiote intestinal

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19

Juin 2013

Organisation du projet Valobab

Mettre au point des schémas de procédé innovants et raisonnés dans le cadre de l’éco-conception pour la production de fractions enrichies en LP à partir de diverses sources de babeurres

Etudier chez l’homme l’effet des LP laitiers sur le métabolisme lipidique (cholestérol, triglycérides, lipolyse

digestive), le microbiote et l’inflammation

Etudier la fonctionnalité alimentaire des LP laitiers (émulsification,

moussage, texture, propriété sensorielle) et leur structuration

Evaluer la perception des consommateurs vis-à-vis des ingrédients lipidiques dans les aliments

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Juin 2013

Matière première

Le Babeurre : coproduit de l’industrie beurrière

• Production 2008: 32000 tonnes de poudre de babeurres

• 90% utilisés pour la nourriture du bétail

Le babeurre contient 1 à 7 g / litre de lipides polaires laitiers

(PE, PI, PC, SM, PS,…. )

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Juin 2013

Démarche autour de l’itinéraire technologique

Caractérisations microbiologique et physico-chimique de matière première identifiées (babeurres)

Définir un itinéraire technologique

(combinaison d’action physico-chimique et technologiques) avec des indicateurs d’enrichissement

Caractérisation bio-physico-chimique de la fraction enrichie

Intégration de l’écoconception avec une mise en place de l’ACV

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22

Juin 2013

Traitement thermique

Ultrafiltration / diafiltration Concentration en protéines & PLs Elimination lactose + minéraux solubles Sérums de beurre

Ecrémage 50 -60°C

Caillé

Sérum

Rétentat

Congélation & Lyophilisation Coagulations

Elimination de protéines Élimination de matière grasse

L’itinéraire technologique de référence

Bactériologie Insolubilisation PS

Egouttage

Combinaison

d’actions physico- chimiques et

technologiques

Produit enrichi en Produit enrichi en

lipides polaires lipides polaires

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23

Juin 2013

Composition de l’ingrédient enrichi en lipides polaires

20

10,4

52

31 30

61

34

56

109

35

0 20 40 60 80 100 120

MAT/EST MG/EST PL/EST PL/MG PL/MAT

Babeurre écrémé (essai 11)

Fraction finale = Ingrédient enrichi

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Juin 2013

Perspectives autour de l’itinéraire technologique

Compréhension des relations Procédé / Produit

Caractérisation du produit (microbiologie, teneurs en phospholipides, protéines,….) par opération unitaire (ex : écrémage, type de coagulation, conditions d’acidification, égouttage, technologie membranaire, diafiltration,….)

Impact des caractéristiques du produit sur les performances des opérations unitaires

Evaluation environnementale (ACV) pour évaluer et donc définir des différents scénarios conduisant à des impacts environnementaux réduits

Prenant en compte des alternatives opératoires (ex coagulation lactique / présure), le devenir des co-produits

Incorporant de nouvelles opérations unitaires (ex MF en amont ou en aval)

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25

Juin 2013

Remerciements

Merci de votre attention !

Et l’ensemble des partenaires des projets