La microfiltration est largement utilisée pour la clarification, la stabilisation et la concentration de nombreuses suspensions à base de fruits (jus de fruits, agro-déchets, vin, etc.). Malgré ses divers avantages, la microfiltration présente néanmoins un inconvénient majeur qui est le phénomène de colmatage qui s’installe pendant l’opération de filtration et entraîne une diminution de la perméabilité membranaire. Si de nombreux mécanismes de colmatage (adsorption, blocage de pores, etc.) sont observés pendant la filtration de suspensions polydisperses comme les jus de fruits ou certains coproduits liquides, le dépôt de particules sur la membrane est souvent supposé être le mécanisme limitant. La formation de ce dépôt est fortement dépendante de l’équilibre entre forces convectives (imposées par le flux de perméat), qui attirent les particules de la suspension à proximité de la membrane, et forces de rétrotransport, qui éloignent les particules de la surface membranaire. La stratégie la plus employée pour maitriser le colmatage membranaire par dépôt est la filtration tangentielle qui permet d’imposer de forts cisaillements à la surface membranaire qui favorisent les mécanismes de rétrotransport des particules. Si cette stratégie de maîtrise du colmatage est amplement utilisée à l’échelle industrielle pour la microfiltration des suspensions à base de fruits, elle nécessite des coûts d’investissement et de fonctionnement non négligeables qui limitent son implantation aux industries présentant de fortes capacités de production et d’investissement. Au regard de cela, l’utilisation d’une configuration de filtration à membranes immergées pour la microfiltration de suspensions à base de fruits pourrait être une alternative intéressante. Cette configuration repose sur l’immersion de la membrane (modules plans ou fibres creuses) dans la suspension à filtrer, et est associée à un mode de filtration externe-interne, frontal ou quasi-frontale. Si l’absence de conditions hydrodynamiques intenses au voisinage de la membrane est associée à des flux relativement bas, les nombreux avantages de ce mode opératoire (coûts de fonctionnement réduits, simplicité opérationnelle, forte compacité, etc.) pourraient favoriser son emploi par les petits producteurs de jus de fruits et/ou les industries de valorisation des coproduits présentant des capacités limitées d’investissement et enclins à minimiser leurs couts opérationnels. Ce travail a ainsi étudié pour la première fois la possibilité d’utiliser un tel système pour la microfiltration de suspensions à base de fruits variées (jus de fruits et coproduits vinicoles). Ce travail de thèse a ciblé ainsi plusieurs objectifs : (i) caractériser le potentiel et le comportement colmatant de suspensions à base de fruits, en lien avec les caractéristiques physicochimiques propres à chaque suspension et au regard de leur filtration par membranes immergées, (ii) étudier des performances d’un système de microfiltration de suspensions à base de fruits par membranes immergées, performances en termes de productivité et de sélectivité et enfin (iii) dégager des pistes de réflexion qui conduiraient à une choix pertinent de conditions de filtration (mode immergé ou tangentiel) pour un type de suspension ciblé. Ce travail fournit ainsi des résultats d’identification de paramètres physico-chimiques clefs qui pourraient constituer un premier guide pour le choix de la configuration membranaire la plus adaptée au produit, permettant d’assurer une productivité acceptable lors de la microfiltration de suspensions à base de fruits. / Microfiltration is widely used to ensure clarification, stabilization, and concentration of various fruit-based suspensions (e.g. fruit juices, food by-products, wine). However, the performances of membrane filtration remain highly challenged by membrane fouling. During microfiltration of polydisperse suspensions, such as fruit-based suspensions, membrane fouling is generally associated to the deposition of particles on the membrane layer. This type of fouling is mainly governed by the equilibrium between convective forces (permeate flow), leading particles to flow towards the membrane, and back-transport forces, removing particles away from the membrane surface. The filtration performances depend strongly on this equilibrium, which is mostly governed by the hydrodynamic conditions of the filtration process and the particles size distribution of the suspension. In food industries, cross-flow microfiltration is generally used to limit membrane fouling. In this configuration, high cross-flow velocities are applied in order to enhance the back-transport forces limiting the deposition of foulant materials on the membrane surface. However, this working mode is well known to be highly energy consuming and might not always be relevant depending on the suspension characteristics. In the light of this, using immersed membranes configuration for the microfiltration of fruit-based suspensions might be an interesting alternative, especially for small producers with limiting investment capacity. In this configuration, widely used in other fields, the membranes are immersed in the suspension and filtration is performed in operating conditions close to that of dead-end filtration with limited back-transport forces and low operating costs. However, the performances of this filtration configuration remain little studied for the microfiltration of fruit-based suspensions. In this respect, 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). Firstly, a characterization of the fouling potential of various suspensions during their microfiltration using immersed membranes filtration was performed in relation with their physicochemical properties (particle size distribution). Then, this work allowed highlighting the promising performances of immersed membranes configuration when used for the microfiltration of fruit-based suspensions, in terms of productivity and in terms of selectivity (clarification, concentration of bioactive compounds). Finally, it allowed drawing preliminary results about the relation between the physicochemical characteristics of a suspension and its fouling behavior while using (i) immersed membranes filtration or (ii) conventional cross-flow filtration. These results might be of great interest for the identification of relevant physicochemical parameters to predict the usefulness of using high cross-flow velocity to prevent membrane fouling during the microfiltration of fruit-based suspensions.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2018MONTG041 |
| Date | 01 October 2018 |
| Creators | Rouquié, Camille |
| Contributors | Montpellier, Wisniewski, Christelle, Delalonde, Michele |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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