Les membranes d'échange d'ions (MEI) jouent un rôle crucial dans de nombreux procédés industriels, notamment la déminéralisation du lactosérum dans l'industrie laitière. L'électrodialyse (ED), une technique de séparation membranaire, utilise des MEI pour séparer les ions des solutions. Les membranes échangeuses d'ions hiérarchiques (hMEI), une technologie émergente, qui seraient moins coûteuses à fabriquer, offriraient une alternative prometteuse aux membranes commerciales. Les hMEIs sont fabriquées en appliquant un revêtement mince échangeur d'ions sur un substrat poreux. Cette structure combine la stabilité mécanique du substrat avec la sélectivité ionique du revêtement, conduisant à des performances améliorées. Dans la première étude, les impacts de la densité de réticulation et de la chimie des nouvelles membranes cationiques hiérarchiques sur les performances de déminéralisation du lactosérum par électrodialyse ont été examinés. Deux chimies différentes ont été testées et trois densités de réticulation par chimie ont été formulées. Les six formulations de membranes (UL5, UL6, UL7, EbS-1, EbS-2 et EbS-3) ont été testées et comparées à une référence commerciale, la CMX. Les résultats indiquent qu'une augmentation de la densité de réticulation diminue la conductivité de la membrane, ce qui augmente la résistance globale du système pendant l'ED. Malgré cela, deux hMECs ont démontré une capacité à déminéraliser efficacement le lactosérum, atteignant un taux de déminéralisation de 70 %, similaire à celui de la membrane de référence CMX. Dans la deuxième étude, une étude similaire a été menée mais avec de nouvelles membranes anioniques hiérarchiques. Une chimie avec trois différentes densités de réticulation a été évaluée. Les trois membranes ont été comparées à une membrane anionique commerciale, l'AMX. Un encrassement par l'azote non protéique a été détecté à la surface des membranes, entraînant une augmentation de la résistance globale du système. Globalement, une membrane s'est démarquée et a montré des performances similaires à celles de la référence alimentaire, la membrane EbN-1. Dans la troisième étude, les meilleures hMECs (UL6 et EbS-2) et hMEAs (EbN-1) identifiées lors des études précédentes ont été combinées et testées pour évaluer leur application potentielle dans l'industrie alimentaire en remplacement des systèmes ED composés de membranes commerciales de qualité alimentaire mais plus coûteuses. Une consommation d'énergie et des efficacités de courant comparables ont été obtenues avec le nouveau système ED proposé par rapport aux systèmes existants. Les résultats obtenus lors de cette thèse de doctorat ont démontré la faisabilité d'utiliser des membranes échangeuses d'ions hiérarchiques comme alternative pour la déminéralisation des solutions de lactosérum. Les hMEIs ont démontré des performances de déminéralisation comparables à celles des membranes commerciales, avec une résistance à l'encrassement prometteuse pour les hMECs. Le potentiel de réduction des coûts de fabrication des hMEIs pourrait rendre l'ED plus accessible et compétitive. La mise à l'échelle du système et la conformité aux exigences pour les membranes de qualité alimentaire pourraient permettre à la technologie des hMEIs d'être appliquée à divers procédés de séparation membranaire dans l'industrie alimentaire pour en diminuer les coûts ou d'autres secteurs à faible valeur ajoutée. / Ion-exchange membranes (IEMs) play a crucial role in many industrial processes, including the demineralization of whey in the dairy industry. Electrodialysis (ED), a membrane separation technique, uses IEMs to remove ions from solutions. Hierarchical ion-exchange membranes (hIEMs), an emerging technology, offer a promising alternative to commercial homogeneous membranes, supposedly less expensive to manufacture. hIEMs are made by applying a thin ion-exchange coating on a porous substrate. This structure combines the mechanical stability of the substrate with the ionic selectivity of the coating, leading to improved performance. In the first study, the impact the crosslinking density and the chemistry of novel hierarchical cation-exchange membranes on the performances for whey demineralization by electrodialysis is studied. Two different chemistries were tested and three crosslinking densities per chemistry were formulated. The six membranes formulated (UL5, UL6, UL7, EbS-1, EbS-2 and EbS-3) were tested and compared to a commercial reference, the CMX. The results indicate that increasing the crosslinking density decreases the membrane's conductivity, which increases the overall system resistance during ED. Despite this, two hCEMs demonstrated an ability to effectively demineralize whey, achieving a demineralization rate of 70% similar to that of the reference CMX membrane. In the second study, similar study was conducted but with novel anion-exchange membranes. One chemistry with three different crosslinking densities was evaluated. The three membranes were compared to a commercial anion-exchange membrane, the AMX. Fouling by non-protein nitrogen was detected on the surface of the membranes leading to an increase in the global system resistance. Overall, one membrane stood out and showed similar performances as the food grade reference, the EbN-1 membrane. In the third study, the best hCEMs (UL6 and EbS-2) and hAEM (EbN-1) pinpointed from previous studies were combined and tested to evaluate their potential application in the food industry as a replacement of ED systems composed of commercial, more expensive, food grade membranes. Comparable energy consumption and current efficiencies were obtained with the new proposed ED system as existing ones. The results obtained in this Ph.D. thesis demonstrated the feasibility of using alternative hierarchical ion-exchange membranes for the demineralization of whey solutions. The proposed ED system makes a significant contribution to the dairy industry and the field of membrane technologies. The potential for reducing the manufacturing costs of hIEMs could make ED more accessible and competitive. hIEMs have demonstrated demineralization performance comparable to commercial membranes, with promising fouling resistance for hCEMs. Scaling up the system and meeting the requirements for food grade membranes can make hIEM technology applied to various membrane separation processes in the food industry to reduce the cost and other low value sectors.

Des travaux récents ont montré que le transfert d'espèces neutres à travers différents types de membranes est modifié selon la composition ionique. En présence de sels, le flux de soluté est augmenté, ce qui peut conduire à une dégradation des performances des procédés. Ce travail présente les résultats d'une étude expérimentale dans laquelle les flux de diffusion de sucre dans différentes matrices ioniques, eau et électrolytes, ont été déterminés à travers des membranes échangeuses d'ions. Une procédure spécifique a été mise au point pour déterminer l'impact des différentes interactions sur les flux de solutés. Les résultats montrent que, dans les conditions étudiées, la modification du transfert de matière est due principalement aux interactions entre le matériau membranaire et la solution. Une corrélation a été établie entre l'échelle d'hydratation des contre-ions de la membrane et le flux de soluté.

Thèse de Doctorat sur l'étude du transport ionique à travers une membrane échangeuse d'ions par cartographie par spectroscopie Raman confocale. Le but de ce travail était de déterminer expérimentalement par spectroscopie Raman les profils de concentration dans la membrane et ceci pour les expériences de dialyse et d'électrodialyse. Une cellule de transport et de mesures a été spécialement conçue pour nos besoins. Dans les cas les plus simples, nous avons pu tracer les profils de concentration en fonction des points sondés par le faisceau laser dans la membrane et aussi en fonction du temps. L'établissement d'un état stationnaire a aussi pu être observé. L'autre grande partie de ce travail reposait sur le traitement des données spectrales obtenues. Expérimentalement, on obtient un nombre très important de spectres. Afin de les traiter, nous avons utilisé la technique d'analyse en composantes principales qui un outil statistique puissant de traitement de données. Cet outil permet de savoir comment varient les différents paramètres, au cours des expériences, en analysant un grand nombre de spectres Raman. On peut alors déterminer l'évolution des concentrations des différentes espèces en fonction des paramètres expérimentaux. Plusieurs communications découlent de ce travail dont un article publié dans Desalination « Confocal Raman micro-spectroscopy and electrochemical investigation of anion transport through ion-exchange membrane ».

Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette étude avait comme objectif l’étude de l’effet de la composition en calcium et carbonate d’une solution modèle de protéine de lactosérum et de l’influence du pH du concentrat sur le colmatage des membranes en électrodialyse conventionnelle. L’intégrité des membranes a été évaluée en fonction des paramètres de fonctionnalité comme l’épaisseur et la conductivité électrique. Le colmatage formé sur les membranes échangeuses d’anions (MEA) et de cations (MEC) a été caractérisé à l’aide de la microscopie optique, de l’ATR-FTIR et de la microscopie électronique couplée à une caractérisation élémentaire de surface par rayons-X. Un colmatage protéique sur les AEM a été observé sous conditions acides du concentrat, tandis qu’un colmatage minéral s’est formé sous conditions alcalines sur les MEC et les MEA. Suite à ces résultats, une nouvelle configuration concernant la circulation des fluides et la valeur de pH des concentrats a été proposée afin d’éviter la formation des colmatages observés. / The aim of this project was to investigate the effect of the composition in calcium, and carbonate of a model whey protein solution to be treated by electrodialysis on the fouling of ion-exchange membranes. The pH of the concentrate was also controlled at different values to study its influence on membrane fouling. Membrane integrity was determined by membrane parameters and completed with fouling characterization by macroscopic and microscopic pictures, ATR-FTIR analyses and electron microscope images coupled to elementary X-ray mapping to identify the deposits. A protein layer was formed when the pH of the concentrate compartment was acidic, while a mineral deposit occurred when pH was basic. From these results, a stack arrangement is proposed to prevent the formation of mineral and protein fouling.

La nécessité de valoriser les co-produits laitiers, dans un souci de croissance économique dans ce secteur, a conduit à l'émergence de nouveaux ingrédients. Par exemple, les hydrolysats de protéines lactosériques constituent une source importante de peptides potentiellement bioactifs. Toutefois, l'isolation et la purification de telles molécules semblent nécessaires afin d'améliorer leur bioefficacité. Les peptides peuvent être dessalés par électrodialyse (ED) mais leur colmatage sur les membranes échangeuses d'anions (MEA) et de cations (MEC) diminue l'efficacité du procédé. Dans cette optique, la présente étude a pour objectifs (1) d'identifier, caractériser et quantifier les séquences peptidiques responsables du colmatage des MEA et MEC, (2) de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents au colmatage et (3) d'évaluer l'impact des différents régimes de courant en ED quant-à l'éventuelle prévention du colmatage. Dans un premier temps, le colmatage a été généré en condition statiques sans application de courant puis caractérisé. Dans un second temps, les phénomènes de dissociation d'eau et d'électroconvection ont été étudiés afin d’optimiser le procédé in-situ avec courant. Ainsi, en conditions statiques, les MEA chargées positivement (N+(CH3)3), présentaient un colmatage plus élevé à pH 6 et 10 qu’à pH 2. Les analyses HPLC-MS ont révélé que les peptides VLVLDTDYK, TPEVDDEALEK et IDALNENK (chargés négativement à pH 6 et 10) constituaient 86% du colmatage à ces pH alors qu’aucun peptide n’a été détecté à pH 2. Par conséquent, des interactions électrostatiques entre les charges peptidiques (COO-) et les groupements des MEA se sont établies. Concernant les MEC chargées négativement (SO3-), le colmatage était plus important à pH 6 qu'à pH 2 et 10. En outre, les analyses HPLC-MS ont révélé qu'à pH 6, les séquences ALPMHIR et TKIPAVFK chargées positivement (NH3+) ont établit des interactions (1) électrostatiques peptide/MEC créant une première couche puis (2) hydrophobes peptide/peptide via leurs résidus hydrophobes respectifs générant une seconde couche. Néanmoins à pH 2, le colmatage était moindre alors que ces peptides portaient théoriquement davantage de charges positives. Il est possible qu'à pH acide, les charges membranaires des MEC aient été protonnées (HSO3) et donc non chargées contrecarrant ainsi l'établissement d'interactions électrostatiques. Dans la seconde partie avec application de courant, le colmatage respectif des MEA et MEC a été réduit de 62 et 36 % en conditions électroconvectives. Les résultats démontrent que travailler à pH acide ou en régime post-limite permettrait de limiter voire d'éviter totalement le colmatage des membranes augmentant ainsi leur durée de vie et l'efficacité du procédé. Cette thèse propose différents mécanismes de colmatage en fonction de la nature de la MEI et des caractéristiques physico-chimiques des peptides. L'utilisation future de séquences peptidiques modèles, connues et synthétiques permettrait d'améliorer davantage les connaissances de ces mécanismes. / In the dairy industry, the economical growth led to the necessity of creating high added-value products from low commercial value by-products. For example, whey proteins hydrolysates (WPH) are an important source of peptides potentially bioactive. However, bioactive peptides need to be isolated and purified in order to enhance their bioactivities. The WPH demineralization by conventional electrodialysis (ED) may lead to peptide fouling on anion (AEM) and cation-exchange membranes (CEM) and decrease the process efficiency. Therefore, this study aimed (1) to identify, characterize and quantify the peptide sequences responsible for membrane fouling, (2) to better understand the mechanisms involved in peptide fouling and (3) to evaluate the impact of non-conventional ED modes on fouling. In a first phase, peptide fouling was generated and characterized in static conditions and without applying current. In a second phase, fouling was carried-out in real hydrodynamic conditions using ohmic, limiting and overlimiting currents in order to optimize the demineralization process. Results showed that in static conditions for AEMs, fouling was important at pH 6 and 10 and absent at pH 2. Based on HPLC-MS results, the VLVLDTDYK, TPEVDDEALEK and IDALNENK sequences (negatively charged at pH 6 and 10) represented 86% of the total fouling at these pH values whereas no peptide was detected at pH 2. Consequently, electrostatic interactions were established between the negative peptide charges (COO-) and positive AEM charges (N+(CH3)3). Concerning the CEMs, fouling was more important at pH 6 than 2 and 10. At pH 6, ALPMHIR and TKIPAVFK sequences firstly established electrostatic interactions with the negative CEM charges (SO3-) through their positive residues (NH3+) creating a first layer. Secondly, peptide/peptide interactions occurred through their respective hydrophobic residues creating a second layer. Nonetheless at pH 2, fouling was twice lower whereas peptides carried more positive charges. It is possible that for acidic pH values, CEM charges were partially protonated (HSO3) and consequently neutralized and unable to establish electrostatic interactions. Finally during a demineralization step in hydrodynamic conditions, fouling of AEM and CEM was reduced using overlimiting current by 62 and 36 %, respectively. According to these results, working at acidic pH values or using overlimiting conditions would hamper nay avoid fouling on membranes which would increase their lifetime and effectiveness. Different fouling mechanism models depending on the nature of IEM and the physicochemical characteristics of peptides are suggested in this thesis. In the future, the use of synthetic and well-characterized peptide sequences would enable to improve the knowledge of these mechanisms.

L'Électrodialyse (ED) est un procédé en plein essor qui trouve actuellement de nombreuses applications dans plusieurs secteurs de l'agroalimentaire. Cependant, le colmatage des membranes et la consommation énergétique (CE) élevée associée, doivent encore être minimisés pour permettre une intensification des procédés d'ED en termes de taux de déminéralisation (TD) et de dépenses d'opération. Un des problèmes les plus communs des procédés électromembranaires est le colmatage des membranes par des sels minéraux présents dans des solutions physiologiques complexes telles que les effluents laitiers et l'eau de mer. Les tentatives récentes d'induire la formation de colmatage, et ainsi de pouvoir étudier ce problème, ont été centrées sur les traitements d'électrodialyse de solutions modèles ayant des ratios Mg /Ca élevés, sous densités de courant élevées et en utilisant des solutions de concentrât alcalinisées. De plus, une étude récente a montré que l'application de champs électriques puisés (CEPs) de basse fréquence, avec l'utilisation d'une solution de concentrât acidifiée, avait un impact positif sur l'optimisation des procédés et sur la réduction du colmatage des membranes échangeuses de cations (MEC). Néanmoins, la durée excessive du procédé, due à la longue période de pause appliquée, n'a pas permis de réduire la consommation d'énergie et de contrôler complètement le colmatage de la MEC. Cette étude a cependant montré que la fréquence de CEP utilisé peut être optimisée en ajustant les ratios pulse/pause (Ton/Toff) appliqués en cours de traitements d'électrodialyse effectués sous des conditions colmatantes. Par conséquent, les objectifs de ce travail de recherche ont été : 1) d'évaluer deux ratios de courant en CEP (ratio 1 (Ton/Toff = 10 s/10 s) et 0.3 (Ton/Toff = 10 s/33.3 s)) sur la performance du procédé et sur l'évolution du colmatage minéral sur les membranes échangeuses d'ions, au cours de traitements consécutifs d'ED et leur comparaison avec des traitements en courant continu, 2) d'identifier la nature et l'évolution des couches de colmatage sur les MECs et sur les membranes échangeuses d'anions (MEAs) 3) d'étudier et expliquer les mécanismes de précipitation et leurs évolutions au cours de traitements d'ED consécutifs, et 4) d'ajuster les régimes de CEPs appliqués pour optimiser le contrôle du colmatage et pour améliorer Ta performance du procédé. Cet ajustement sera fait en considérant les résultats et les phénomènes observés durant la réalisation du premier objectif. Les résultats obtenus ont montré qu'un régime en courant continu conduit à une formation importante de colmatage sur la MEC alors que les traitements effectués sous CEPs (ratio 1 (Ton/Toff = 10 s/10 s) et 0.3 (Ton/Toff = 10 s/33.3 s)) ont intensifié les taux de déminéralisation (TD) tout en réduisant la formation du colmatage et la consommation énergétique. Le CEP ratio 1 a conduit à l'atteinte de taux de déminéralisation plus rapides de la solution traitée et à une consommation énergétique réduite durant les trois traitements consécutifs; cette efficacité serait liée à la pulsation de courant plus répétitive effectuée sur les interfaces des membranes. De plus, l'inspection des surfaces des membranes par le biais des analyses de diffraction à rayons X et microanalyse X a révélé l'existence de colmatages cristallins multicouches survenant sur les deux cotés de la MEC et son retardement par l'application de CEPs. En parallèle, le colmatage observé sur la MEA a été relié à la performance globale du système; ce dernier était supprimé par l'application d'un régime en courant continu grâce au maintien d'un phénomène de barrières de protons produit par la dissociation de molécules d'eau aux interfaces des membranes. Ainsi, lors de l'application d'une longue période de pause (33.3 secondes) une couche de bruche est apparue sur le coté diluât de la MEA à cause de l'absence à la surface de la membrane d'une barrière de protons constante. Selon les premiers résultats observés et les phénomènes liés, une gamme de ratios de CEP a été appliquée à fin d'optimiser les conditions de CEP. Cela a permis d'observer que les ratios de CEP les plus élevés (Ton/Toff = 10 s/5 s et Ton/Toff = 5 s/5 s) permettaient les plus importantes optimisations en relation avec leurs plus hautes fréquences de puise. Ces traitements ont augmenté considérablement les TDs (58.48 et 59.64 %, respectivement, pour Ton/Toff = 10 s/5 s et pour Ton/Toff = 5 s/5 s) en contrôlant complètement la croissance du colmatage minéral sur le coté diluât de la MEC. Les périodes de pause plus courtes ont ainsi permis de conférer une pulsation de courant plus répétitive à l'interface des MECs. Ces périodes de pauses courtes ont permis une génération de protons plus constante ce qui a facilité la neutralisation du pH sur le coté concentrât de la MEC. Ces résultats ont montré en détail les mécanismes de formation du colmatage minéral sur les membranes échangeuses d'ions au cours d'électrodialyse d'une solution modèle ayant un ratio Mg +/Ca2+ élevé (2/5). Le contrôle du colmatage a été efficace grâce à l'action constante des barrières de protons établies par l'utilisation de ratios de CEP optimisés.

La pile à combustible a suscité une attention croissante en tant que solution de rechange écologique aux carburants fossiles. Les membranes échangeuses d’ions (PEM)s sont utilisées dans des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible directes au méthanol (DMFC) comme composant séparateur pour fournir une barrière au transfert de carburant entre les électrodes et pour transférer des protons de l'anode à La cathode. Les PEMFC et les DMFC suscitent des intérêts plus particuliers pour l'utilisation dans les applications automobiles, stationnaires et électroniques portables. En tant que composante clé d’une PEMFC, une PEM est nécessaire pour effectuer des fonctions multiples telles que la séparation de gaz, l'isolation électrique et le transfert ionique pour transporter des protons de l'anode à la cathode. La présence d'eau dans une PEM est essentielle pour que les polymères traditionnels sulfonés transfèrent les protons et facilitent la conductivité protonique. Comme le Nafion, la conduction protonique des polymères de type PEM sulfonés dépend de le teneur en eau dans les membranes. Cependant, une absorption excessive d'eau dans une PEM conduit à un changement dimensionnel inacceptable, à une mésadaptation dimensionnelle avec les électrodes, à une délamination des couches de catalyseur de la PEM et à une perte des propriétés mécaniques, ce qui pourrait conduire à une mauvaise performance ou un manque de durabilité de l'assemblage membrane – électrode (MEA). En tant que systèmes hautement intégrés, les piles à combustible sont faites de matériaux hétérogènes comportant contenant du gaz, du liquide et du solide. Les MEA sont typiquement fabriqués par collage d'électrodes de catalyseur de platine supporté sur du carbone sur l'électrolyte PEM, en utilisant un ionomère de type Nafion liant du catalyseur, quel que soit la PEM utilisée. La structure et l'activité des différentes interfaces, l'adhérence et la compatibilité entre les différentes couches ainsi que les caractéristigues du carburant jouent des rôles clés sur la performance globale de la pile à combustible. Parmi ces questions diverses, le transfert inévitable de méthanol dans une PEM, telle que le Nafion, limite les applications en DEMFC. Malgré le développement de nombreuses PEM à base d'hydrocarbures en tant que substituts au Nafion, le comportement de surface et l'adaptation / compatibilité interfaciale entre ce type de PEM et les autres couches est moins bien compris. Dans cette thèse, nous... / The fuel cell has received attention as a promising eco-friendly alternative energy source to fossil fuels. Polymer exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs) have attracted increasing interest for use in motor vehicles and electronic applications including stationary and portable devices. As a key component of PEMFC and DMFC, PEM is required to perform multiple functions such as fuel separator, electrical insulator and ionic path to transport protons from the anode to the cathode. The presence of water in PEM is essential for traditional, sulfonated polymers to transfer protons and to facilitate proton conductivity. As Nafion, the proton conduction of the sulfonated PEM-type polymers depends upon the water content in the membranes. However, excessive water uptake in a PEM results in unacceptable dimensional change, dimensional mismatch with the electrodes, delaminating of catalyst layers from the PEM and loss of mechanical properties, which could result in poor membrane electrode assembly (MEA) performance or durability. As a highly integrated system, fuel cells are used in a heterogeneous environment containing gas, liquid, and solid. Typically, MEAs are constructed by bonding carbonsupported platinum catalyst electrodes onto the PEM electrolyte. Regardless of the PEM used, a Nafion-type ionomer is usually employed as a catalyst support. The structure and activity at the different interfaces, the adhesion and compatibility among various layers, as well as fuel property on PEM play key roles on the fuel cell universal performance as vital as the individual components. Among these heterogeneous concerns, crossover of methanol in PEM, such as Nafion, limits DEMFC applications. In spite of the development of numerous hydrocarbon PEMs as substitutes to Nafion, the surface behavior and interfacial match between a PEM and the other layers, such as, the interface between a PEM and gas diffusion layer/catalyst layer/methanol layer are less understood. In this thesis, the surface/interface behavior of a representative selection of hydrocarbon-based proton exchange membranes (PEMs) was investigated. These PEMs are: copolymerized sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK-HQ), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone) (Ph-SPEEK), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone ketone) (Ph-m-SPEEKK), and sulfonated poly (aryl ether ether nitrile) (SPAEEN-B).

Depuis plusieurs années, la production de yogourts grecs, de caséines et de fromage frais est en forte croissance. En résulte une production de plus en plus conséquente d’un co-produit: le lactosérum acide. Si ce co-produit possède des qualités nutritives et même des applications pharmaceutiques bien connues de certains de ses composants, son utilisation est freinée par la difficulté que représente son séchage. En effet, la présence importante d’acide lactique et de calcium donne au lactosérum acide des propriétés hygroscopiques provoquant son agglutination lors de séchages conventionnels. Industriellement, ce lactosérum est donc préalablement traité par une série de procédés comme la nanofiltration, les résines échangeuses d’ions et l’électrodialyse (ED) afin d’en retirer les éléments problématiques. Cet ensemble de traitements représente néanmoins un investissement ainsi qu’un coût de fonctionnement très important, en plus de générer de grandes quantités d’effluents polluants. L’utilisation d’un procédé unique d’ED permettrait de réduire ces coûts tant économiques, qu’écologiques. Cependant, l’application de l’ED est limitée par les problèmes de colmatages membranaires venant diminuer les performances du procédé ainsi qu’accentuer les nettoyages et accélérer la dégradation des membranes, rendant alors une application industrielle non viable. Au cours de ces travaux, l’ED du lactosérum acide a été réalisée en utilisant différents agencements membranaires ainsi que différents types de membranes. De plus, une configuration utilisant des membranes bipolaires a été testée pour la première fois sur du lactosérum acide. Ces premiers essais ont permis de mesurer la faisabilité du procédé d’ED en termes de déminéralisation et de retrait de l’acide lactique dans le cadre du traitement du lactosérum acide. Pour plusieurs configurations, dont celle utilisant des membranes bipolaires, les taux atteints de 70 % et 45 % respectivement, permettraient un séchage correct du lactosérum. Cependant, un fort colmatage minéral fut observé. Celui-ci fut identifié et caractérisé pour deux configurations d’ED différente afin d’en étudier les mécanismes de formation tout au long du procédé. Suite à ces premiers résultats, de nouveaux essais ont été conduits dans le but de réduire voire de supprimer le colmatage membranaire obtenu par l’application de champs électriques pulsés (CEP). Les présents résultats ont démontré que l’emploi d’une combinaison adéquate d’un temps de pulsation et d’un temps de pause permettait de réduire considérablement le colmatage membranaire lors du traitement de lactosérum acide par ED en plus d’améliorer les performances de séparation du procédé. Cette thèse apporte également de nouveaux éléments de compréhension quant aux mécanismes impliqués dans les améliorations apportées par l’utilisation des CEP grâce au test de neuf conditions différentes. Parmi ces mécanismes, un phénomène de migration sélective de cations divalents a pu être mis en évidence et pourra faire l’objet d’études ultérieures dans le cadre de l’élargissement des applications du procédé d’ED. Enfin, l’optimisation des conditions de CEP a permis de sélectionner des paramètres électrodialytiques permettant le traitement du lactosérum acide tout en minimisant le colmatage membranaire. / Since several years, the increasing production of Greek-style yogurt, caseins and fresh cheese results in the co-production of increasing amounts of acid whey. If this co-product has nutritional qualities and even well-known pharmaceutical applications of some of its components, its use is hindered by drying issues. Indeed, acid whey high lactic acid and calcium contents are responsible for the powder hygroscopic character causing its agglutination during conventional spray-drying. Industrially, this whey is therefore treated by a series of processes such as nanofiltration, ion exchange resins and electrodialysis (ED) before hand in order to remove the problematic elements. However, this treatment represents a high investment and operating cost, in addition to generating large amounts of polluting effluents. The use of a single ED process would reduce these economical and ecological costs. However, the application of ED is limited by membrane fouling issues decreasing the process performance while increasing membrane’s cleaning and degradation, thus rendering an industrial application unsustainable. During this work, acid whey ED was performed using different membrane configurations and types of membranes. For the first time on acid whey, a configuration using bipolar membranes was tested. These first tests made it possible to measure the feasibility of an ED process for acid whey treatment in terms of demineralization and lactic acid removal. For several configurations, including the one using bipolar membranes, demineralization rate of 70% and lactic acid removal rate of 45% were achieved, allowing proper potential drying of the whey. However, a strong membrane scaling was observed. The scaling was identified and characterized for two different ED configurations in order to study the mechanisms involved in its formation throughout the process. Following these initial results, new tests were conducted aiming for the mitigation of the membrane scaling by means of pulsed electric fields (PEF). The present study demonstrated that the use of an adequate combination of pulse time and pause time can significantly reduce membrane scaling during acid whey treatment by ED, in addition to enhancing separation performance. This thesis also brings new elements of understanding regarding the mechanisms involved in the improvements brought by the use of the CEP through the test of nine different conditions. Among these mechanisms, a phenomenon of selective migration of divalent cations has been demonstrated and may be the subject of further studies aiming for the widening of ED process applications. Finally, the optimization of the CEP conditions made it possible to select electrodialytic parameters allowing the treatment of acid whey by ED while minimizing membrane scaling

Le soya est une culture en pleine expansion au Canada. L’augmentation de la production au cours des dernières années a créé un besoin au niveau du développement des compétences pour la transformation et la valorisation de cette légumineuse. L’industrie des aliments fonctionnels et des nutraceutiques s’est beaucoup intéressée au soya étant donné son contenu riche en molécules potentiellement bioactives, telles que les protéines. Cependant, il faut réussir à isoler ou concentrer ces molécules bioactives pour les rendre efficaces. Les procédés membranaires sont des technologies offrant la possibilité de fractionner des solutions afin d’en concentrer des molécules cibles. Ces technologies membranaires peuvent se diviser en deux grands groupes : celles dont la force motrice principale est la pression; dont font partie l’ultrafiltration (UF) et la nanofiltration (NF), et celles dont la force motrice est le champ électrique; l’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration (EDUF). Cependant, l’application de ces procédés de séparation membranaires à des solutions protéiques s’est parfois révélée problématique dû à la tendance au colmatage des membranes. Cette étude avait donc pour objectifs 1) d’évaluer le potentiel à l’encrassement des membranes échangeuses d’ions par un hydrolysat de protéines de soya, 2) de comparer l’efficacité de séparation des couplages d’UF/NF et UF/EDUF en termes de transfert de masse et de taux de migration, 3) de caractériser les fractions obtenues en termes de masses moléculaires, de concentrations en protéines et peptides et de profils de poids moléculaires et d’acides aminés, et 4) d’évaluer le potentiel antioxydant et neuroprotecteur des fractions obtenues. L’étude des colmatages peptidiques de membranes ioniques a démontré que les interactions électrostatiques sont la principale cause de ce phénomène dont l’intensité varie selon le type de membrane (cationique ou anionique) et les conditions du milieu utilisées (acide ou basique). Des étapes simples de nettoyages des membranes à l’aide de solution salines de NaCl peuvent améliorer les performances de ces procédés à long terme et ainsi améliorer leur efficacité. Les 2 couplages à l’étude ont démontré des taux de transfert de masse semblables alors que le couplage avec nanofiltration s’est montré plus efficace au niveau du taux de migration en fonction du temps et de la surface de membrane utilisée. Les 2 couplages ont produit des fractions peptidiques très différentes tant au niveau des profils en acides aminés, des poids moléculaires et du contenu peptidique qu’au niveau du potentiel antioxydant. En effet, le couplage UF/NF a permis de produire des perméats très concentrés en petits poids moléculaires alors que le couplage UF/EDUF a produit des fractions possédant une gamme plus large de poids moléculaires, mais présentant une spécificité en fonction du pH de la solution. Le perméat de nanofiltration et les KCl 1 et 2 de l’ÉDUF ont démontrés des niveaux transfert de protéines totales semblables avec les procédés utilisés. Le procédé d’ÉDUF a permis la récupération de fractions ayant un contenu plus élevé en peptides polaires. Les fractions d’ÉDUF KCl 1 à pH 3 et 6 ont démontré un potentiel antioxydant élevé lors du test de l’ORAC. Ces mêmes fractions ainsi que le KCl 1 à pH 9 et le perméat de NF à pH 6 ont aussi démontré un effet intéressant sur le potentiel redox. Cependant, aucune fraction recueillie n’a démontré d’effet de protection contre les espèces réactives à l’oxygène sur les cellules neuronales mais se sont montrées non-toxiques pour ces cellules. / Soy is an important legume produced in Canada and its culture and production rate increased significantly in the recent years. Developing new competences to create by-products instead of exporting soya to other countries is of interest for the economy. The functional food and nutraceutical industry have great interests on soya due to its high bioactivity potential in regard of the protein content. Technologies using membranes offer the possibility of fractionating solutions to concentrate and isolate molecules of interest. These technologies can be divided in two main categories: Pressure-driven processes in which ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) take part and electrically-driven processes in which electrodialysis with ultrafiltration (EDUF) membrane takes place. Working with protein or hydrolyzate solutions (soya in this case) can be problematic since these proteins or peptides have the tendency to foul the membranes. The aim of this study was 1) to evaluate the ion-exchange membranes potential to fouling by soy peptides 2) to compare pressure- and electrically-driven process in terms of mass flux and mass balance 3) to characterize the fractions in terms of molecular weight and amino acid profile, protein and peptide contents and 4) to evaluate their antioxidant potential and neuroprotection capacity. The study on ion-exchange membranes fouling by peptides showed that electrostatic interactions are the main cause of this phenomenon and its intensity depends on the type of membrane (cationic or anionic) used and the medium characteristics (acid or basic). Simple cleaning steps with NaCl solution could enhance performances of this process and improve its efficiency. Both processes showed a similar mass balance, however UF/NF process showed a higher mass transfer than UF/EDUF process when considering the time and membrane surface used to complete the run. UF/NF system produced a permeate with small molecular weights while UF/EDUF system produced fractions with a large range of molecular weights with a very specific molecular weight range depending on the pH value. Both processes produced similar fractions in terms of protein content. Specific fractions of EDUF were composed of a high level of polar amino acids. KCl 1 pH 3 and 6 from EDUF showed antioxidant capacities by the ORAC test. The same fractions as well as KCl 1 pH 9 and NF permeate pH 6 showed an interesting effect in the redox potential. Therefore none of these fractions showed protection against oxidative stress induced in cells.