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Les membranes dans l'industrie


 

Introduction

Avantages

Qu’est-ce que c’est une membrane ?

Les technologies membranaires

Applications industrielles

  
Introduction

Les procédés membranaires deviennent de plus en plus importants dans de nombreux secteurs comme l’industrie pharmaceutique, l’industrie agro-alimentaire, la production d’eau potable, l’environnement et la production d'énergie. Pendant longtemps, l’essentiel des opérations basées sur des membranes ont été des séparations. Cependant plus récemment, les nouveaux matériaux développés ont été exploités comme contacteurs. Dans ce cas là, ce n’est plus la sélectivité de la membrane qui est recherchée, mais sa capacité à matérialiser une interface entre des phases qui doivent échanger de la matière ou de l’énergie.

Avantages

Comparés aux techniques dites conventionnelles, les avantages des procédés membranaires sont nombreux. Dans la plupart des cas :

  • Le procédé est réalisé à température ambiante, ceci est particulièrement important dans l’industrie agro-alimentaire et la biotechnologie.
  • Le fractionnement est fait sans changement d’état.
  • L’intégration industrielle est facile : les équipements membranaires sont modulaires c’est à dire avec toujours un dimensionnement ajusté et les opérations peuvent être facilement conduites en continu et automatisées avec fiabilité.
  • L’environnement est respecté : les procédés intégrant les membranes sont à considérer comme des opération propres.
Qu’est-ce que c’est une membrane ?

Une membrane est une barrière matérielle (film polymère, céramique ou, rarement, métallique) qui permet le passage sélectif de certains composés sous l’action d’une force agissante. Les forces de transfert peuvent être :

  • un gradient de pression : microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), osmose inverse (OI) et permeation gazeuse (PG),
  • un gradient de concentration : dialyse, hémodialyse et membranes liquides,
  • un gradient d’activité combinant pression et concentration : pervaporation (PV),
  • un gradient de potentiel électrique : électrodialyse conventionnelle (ED), électrodialyse à membranes bipolaires (EDMB) et électrodialyse à membranes ou électro-électrodialyse (EED).  
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Les technologies membranaires
1 . Microfiltration (MF) et Ultrafiltration (UF)

Ce sont deux techniques voisines. La séparation dans les deux cas se fait par une différence de pression de part et d’autre de la membrane. La filtration s’opère le plus souvent en mode tangentiel, c’est à dire que le fluide circule parallèlement à la membrane afin de limiter l’accumulation des espèces arrêtées à la surface de celle-ci, contrairement à la filtration frontale. Leurs principales différences sont : la taille des constituants retenus, la pression de travail appliquée et les flux de filtration.

Dans la Microfiltration on utilise des membranes avec des pores de taille comprise entre 0.1 et 10 µm. Les membranes de microfiltration éliminent toutes les bactéries.

L’Ultrafiltration permet de séparer les molécules de poids moléculaire compris entre 1 000 et 500 000 daltons.

2. Nanofiltration (NF)

Elle couvre un domaine de séparation intermédiaire entre l’ultrafiltration et l’osmose inverse dans la famille des procédés membranaires sous pression. Elle propose une séparation en fonction de la taille et de la charge des particules. La nanofiltration présente l’intérêt de retenir la matière organique (de faible poids moléculaire) et laisser passer préférentiellement les sels monovalents. Cette séparation sélective permet d’éliminer les composés organiques (de poids moléculaire supérieur à 200 daltons), sans déminéraliser les solutions.

3. Osmose Inverse (OI)

L'osmose inverse utilise des membranes denses sans porosité qui laissent passer le solvant et arrêtent les ions.

4. Pervaporation (PV)

Elle permet la séparation des constituants d’un mélange liquide par vaporisation partielle au travers d’une membrane dense présentant une affinité particulière par un des constituants. Ses applications au niveau industriel sont encore limitées mais son potentiel est élevé, surtout dans le domaine de l’agroalimentaire.

5. Techniques électro-membranaires : Electrodialyse (ED) et Electrodialyse à Membranes Bipolaires (EDMP)

Les deux techniques mettent en jeu un champ électrique pour déplacer des espèces ionisées en solution à travers des membranes denses, porteuses elles mêmes de charges électriques.

6. Une technologie un peu particulière : Les bioréacteurs à membrane (BRM)

Ils sont surtout utilisés dans le domaine de l’environnement (notamment pour la partie traitement des effluents) et les biotechnologies (incluant la pharmacie et l’agroalimentaire). Ils combinent deux fonctions : l’épuration et la séparation. Les membranes utilisées dans les bioréacteurs sont en général des membranes d’ultrafiltration ou de microfiltration. Il existe deux configurations de BRM : les bioréacteurs à membrane à boucle externe et les bioréacteurs à membrane immergées.     

  
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Applications industrielles  

Les membranes ont d’abord été utilisées pour la séparation et la filtration des particules en milieu liquide ou gazeux. Cependant plus récemment, les nouveaux matériaux développés ont été exploités comme contacteur. Dans ce cas là, ce n’est plus la sélectivité de la membrane qui est recherche, mais sa capacité à matérialiser une interface entre des phases qui doivent échanger de la matière ou de l’énergie. Ainsi les membranes permettent aujourd’hui bien d’autres possibilités et leurs applications industrielles sont variées.

En voici quelques exemples :

Industrie Textile

  • l’Ultrafiltration (UF) peut être utilisée pour l’élimination des matières en suspension (MES) lors du recyclage des colorants, des produits d’encollage, etc.
  • l’Osmose Inverse (OI) et l’Electrodialyse permettent le recyclage des eaux de process.

Industrie du Papier

  • l’ultrafiltration (UF) peut être utilisée pour la séparation de molécules lors du pré-traitement et du recyclage en papeterie.
  • l’Osmose Inverse (OI) permet le recyclage de produits de couchage .

Production et Recyclage d'eau

  • la Microfiltration (MF) et l’Ultrafiltration (UF) sont utilisées pour l’élimination des MES lors de la clarification.
  • l’Osmose Inverse (OI) et l’Electrodialyse (ED) sont des techniques qui permettent le dessalement des eaux de mer et des eaux saumâtres.
  • la Nanofiltration (NF), l’Osmose Inverse (OI) et l’Electrodialyse (ED) sont utilisées pour l’affinage d’eaux potables et industrielles.

Chimie Fine et Pharmacie

  • l’Electrodialyse (ED) pour la production d’acides organiques, vitamine C, purification d’acides aminés, régénération d’amines dans la purification de fumées d’incinération ou la préparation de solutions isotoniques.
  • les Bioréacteurs à membrane (BRM) pour la production d’hormones de croissance.

Industrie Agroalimentaire

La filière du lait utilise différents procédés membranaires :

  • la Microfiltration (MF) pour certaines applications comme l'épuration bactérienne du lait lors de la stérilisation, mais également pour le fractionnement des globules gras du lait (délipidation),
  • l’Ultrafiltration (UF) pour la standardisation protéique ou pour la séparation/concentration des protéines du lactosérum, fabrication de préfromage liquide ou le traitement des effluents de saumure,
  • la Nanofiltration (NF) pour la concentration et déminéralisation de lactoserum,
  • l’Osmose Inverse (OI) pour la préconcentration du lactosérum,
  • l’Electrodialyse (ED) pour la déminéralisation de lactosérum en vue de la valorisation des protéines,
  • les Bioréacteurs à membrane (BRM) pour la production d’hydrolysats de protéines laitières,

La filière des jus de fruits emploie :

  • la Microfiltration (MF) ou l’ultrafiltration (UF) pour la clarification et stabilisation de jus - L’Osmose Inverse (OI) pour la concentration des jus,
  • l’Electrodialyse (ED) pour la désacidification des jus de fruits, déminéralisation de jus sucrés ou la production d’acides organiques.

La filière du vin emploie la microfiltration pour la clarification et stabilisation tartrique du vin, en le rendant brillant et stable sur le plan microbiologique. La filière bière également pour la clarification et désalcoolisation.

 

Les membranes sont présentes dans l’industrie agroalimentaire à travers l’emballage et dans l'extraction d'arômes (pervaporation).

 

Métallurgie et Traitements de Surfaces

  • la Microfiltration (MF) pour le dégraissage ou le recyclage des bains.

Cette liste est non exhaustive. Il existe bien évidemment d’autres industries qui utilisent ou développent les technologies membranaires.

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