Microfiltration de jus de fruits et suspensions à base de fruits : Faisabilité et performances d'une filtration par membranes immergées

Rouquie Camille. 2018. Microfiltration de jus de fruits et suspensions à base de fruits : Faisabilité et performances d'une filtration par membranes immergées. Montpellier : Université de Montpellier, 191 p. Thèse de doctorat : Génie des Procédés : Université de Montpellier

Encadrement : Wisniewski, Christelle ; Delalonde, Michèle ; Dahdouh, Layal

Résumé : Parmi les nombreux mécanismes de colmatage observés pendant la microfiltration des suspensions à base de fruits (jus de fruits, agro-déchets, etc.), le dépôt de composés à la surface membranaire est souvent supposé être le mécanisme limitant. A l'échelle industrielle, ce type de colmatage est limité par la mise en oeuvre de forts cisaillements à la membrane qui favorisent les mécanismes de rétrotransport des plus gros composés de la suspension, notamment les supra-colloïdes (1 – 10 μm) et les particules (> 10 μm). Si ce mode opératoire permet d'obtenir des productivités intéressantes, les coûts d'investissement et de fonctionnement associés à la microfiltration tangentielle peuvent rendre son accessibilité difficile pour de petites structures de production de jus de fruits et/ou de valorisation de leurs coproduits, notamment dans les pays en développement. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont porté sur l'étude des performances d'un procédé de filtration à membranes immergées. Ce procédé de filtration externe-interne, associé à un mode de filtration quasi-frontale (peu énergivore) présente divers avantages comme sa forte compacité et une relative simplicité d'opération (absence de pressurisation). Dans un premier temps, l'évaluation des performances d'une filtration par membranes organiques fibres creuses immergées, jusqu'alors jamais utilisée pour la microfiltration de suspensions à base de fruits, a été proposée, en comparaison avec le procédé conventionnel de filtration tangentielle par membranes minérales tubulaires. Elle a permis d'identifier pour la première fois les domaines de productivité associés à une filtration à membranes immergées pour 5 jus de fruits et 2 coproduits vinicoles (flux de 3 et 7 L.h-1.m-2, pour des pressions transmembranaires entre 0.04 et 0.70 bar), et d'y juxtaposer les domaines de productivité associés à la filtration tangentielle pour ces mêmes suspensions (20 - 120 L.h-1.m-2, 1.5 – 2 bar). L'étude des performances en termes de sélectivité a ensuite permis de souligner que la filtration à membranes immergées permettait de répondre à des objectifs de clarification et de concentration de composés d'intérêt (caroténoïdes et polyphénols) au moins équivalents à ceux observée pour le procédé conventionnel. Dans un second temps, l'étude s'est intéressée à identifier des paramètres physicochimiques intrinsèques des suspensions pouvant fournir des clefs de compréhension sur leur comportement colmatant lors de leur filtration en mode immergé (faible cisaillement à la membrane). Une stratégie expérimentale innovante alliant fractionnement des suspensions et études de filtrabilité a permis de mettre en évidence divers profils de suspensions, caractérisés par la présence de certaines classes de taille de composés majoritaires (colloïdes, supracolloïdes ou particules) se révélant être ou non colmatants. Cette stratégie a permis de mettre en évidence un profil type de suspension, caractérisé par une forte richesse en colloïdes (< 1 μm) colmatants, pour lequel la mise en oeuvre de forts cisaillements pourrait ne pas être justifiée. De façon plus globale, ces travaux offrent de nouvelles perspectives à la filtration à membranes immergées, qui pourrait s'avérer être une alternative intéressante à la filtration tangentielle pour les industries de transformation des fruits traitant de petits volumes et/ou présentant des capacités limitées en termes de coûts d'investissement et de fonctionnement.

Résumé (autre langue) : During microfiltration of polydisperse suspensions, such as fruit-based suspensions, membrane fouling is generally associated to the deposition of particles on the membrane layer. In food industries, crossflow microfiltration is generally used to limit this type of fouling by applying high cross-flow velocities in order to enhance the back-transport forces of the suspension larger compounds, mainly supra-colloids (1 – 10 μm) and particles (> 10 μm). If this working mode allows raising interesting productivities (i.e. high fluxes), it is well known to be highly energy consuming and implies significant investment costs which hamper its application to small juice production units, especially in developing countries. In the light of this, this work investigated for the first time the possibility of using immersed membranes configuration for the microfiltration of various fruit-based suspensions (fruit juices and winery byproducts). This out-to-in filtration process, running in conditions similar to that of dead-end filtration, requires low operating and investment costs and offer various practical advantages such as its great packing density and relative ease of operation. Firstly, the performances of immersed organic hollow fibers membranes were evaluated, in comparison with conventional cross-flow filtration using tubular mineral membranes. This performances characterization allowed identifying for the first time the productivity area related to immersed membranes filtration for 5 fruit juices and 2 winery byproducts (fluxes from 3 to 7 L.h-1.m-2, associated to transmembrane pressures between 0.04 and 0.70 bar), and to compare these productivity results with the ones related to cross-flow filtration (20 – 120 L.h-1.m-2, 1.5 – 2 bar). Moreover, the study of immersed membranes filtration performances highlighted that this operating mode allowed fulfilling selectivity objectives with ratios of clarification and concentration towards compounds of interest (e.g. carotenoids, polyphenols) at least as good that conventional crossflow filtration ones. Secondly, this study focused on the identification of intrinsic physicochemical properties that could explain the suspensions fouling behaviors during their immersed membranes filtration (limited back-transport mechanisms). An innovative experimental strategy based on suspensions fractionation coupled with lab-scale filterability tests allowed identifying various profiles of suspensions. These profiles were characterized by the predominance of given size-classes of compounds (colloids, supra-colloids or particles) that were or were not identified as being the main sizeclasses of foulant compounds. This strategy allowed identifying a type of suspension, characterized by its richness in foulant colloids (< 1 μm), for which the use of high cross-flow velocities might not be relevant. More generally, this work offers new perspectives for immersed membranes filtration that could be an interesting alternative to conventional cross-flow filtration for small units of juice production and/or by-products valorization presenting limited investment capacity.

Mots-clés Agrovoc : jus de fruits, microfiltration, membrane de filtration, colmatage

Classification Agris : Q02 - Traitement et conservation des produits alimentaires

Champ stratégique Cirad : Axe 3 (2014-2018) - Alimentation durable

Auteurs et affiliations

• Rouquie Camille, CIRAD-PERSYST-UMR Qualisud (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/593107/)

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