Soutenance mémoire
Ces dernières décennies ont vu émerger de nouveaux comportements de consommation, tournés vers la quête du « manger sain et naturel ». Ce nouveau modèle alimentaire s’accompagne de nouveaux modes de consommation et d’achats, qui poussent les secteurs de l’industrie et de la recherche à s’adapter constamment en développant des procédés de transformation plus respectueux du produit et de l’environnement. En parallèle à l’attention portée au développement de technologies innovantes adaptées aux nouveaux modes de consommation, le secteur industriel est également confronté à la nécessité de faire évoluer ses systèmes de gestion des déchets et effluents générés pendant la production pour répondre aux nouveaux enjeux inhérents à un contexte sociétal, législatif et politique de plus en plus tourné vers le développement durable et l’économie circulaire.
Cette évolution générale des mœurs impacte fortement les industries de transformation des fruits, dans lesquelles nous incluons les industries des jus de fruits, configures, compotes, etc. mais également les industries vinicoles. Les fruits, aliments indispensables à une alimentation équilibrée, sont des produits sensibles dont la qualité sensorielle, nutritive et gustative peut être fortement impactée par les différents procédés mis en œuvre au cours de leur transformation. Transformés pendant des siècles via des procédés de fermentation permettant d’assurer leur conservation, les fruits sont de plus en plus consommés sous la forme de jus de fruits, rendue possible en particulier par le développement des technologies de stabilisation thermique. L’effet rafraichissant, le goût agréable et les propriétés nutritionnelles intéressantes associés à cette forme de consommation font des jus de fruits des produits alimentaires de plus en plus consommés à l’échelle mondiale. De nombreux travaux soulignent cependant l’impact négatif de certains procédés conventionnels, impliquant de fortes températures, sur la qualité du jus, notamment sa qualité nutritionnelle. La demande croissante des consommateurs pour des produits alimentaires sains et plus naturels motive le développement de procédés innovants permettant de respecter au maximum la qualité initiale du jus.
En parallèle, une attention particulière est également portée au traitement des déchets des industries de transformation des fruits. Les agro-déchets représentent des tonnages considérables (plus de 10 millions de tonnes par an au sein de la communauté européenne) auxquels sont associés des coûts de gestion de l’ordre de plusieurs dizaines de millions d’euros. Les déchets de fruits représentent une part non négligeable de ces agro-déchets, avec des pourcentages de matières rebutées par les industries de transformation pouvant aller jusqu’à 50 % pour les agrumes, la mangue ou encore la grenade. Longtemps utilisés pour l’épandage ou l’alimentation animale, ces déchets font l’objet d’un intérêt croissant de par leur richesse en composés à haute valeur ajoutée (antioxydants, agents texturants, d’arôme, de couleur, etc.). La valorisation des déchets de fruits est au centre de très nombreux travaux de recherche et projets industriels, motivés à la fois (i) par les récents changements législatifs et sociétaux qui imposent de reconsidérer les pratiques de recyclage, et (ii) par l’opportunité de créer de la valeur en produisant des ingrédients d’origine naturelle appréciés par les consommateurs et présentant de multiples applications (agroalimentaire, pharmaceutique, cosmétique). La valorisation de ces déchets nécessite néanmoins le développement de procédés permettant l’extraction des composés d’intérêt à moindre coût, tout en assurant le maintien des propriétés nutritionnelles, texturales, etc. de ces composés.
Les procédés membranaires trouvent de nombreuses applications au sein des industries des jus de fruits et de la chaîne de valorisation des déchets en résultant. Leurs nombreux avantages (forte sélectivité, séparation athermique, absence de solvant, coûts réduits, etc.) leur ont permis de s’imposer comme des procédés de séparation incontournables, qui s’intègrent parfaitement dans l’évolution des pratiques de transformation imposées par l’évolution des modes de consommation. Au sein du procédé de fabrication des jus de fruits et autres boissons à base de fruits, la microfiltration est particulièrement utilisée comme technique de clarification, stabilisation athermique et concentration. Elle permet également d’assurer le prétraitement de déchets liquides inhérents à la production afin de faciliter leur valorisation via l’extraction de certains composés d’intérêt trouvant par la suite de nombreuses applications industrielles.
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, associée à une baisse de la productivité du procédé et à des coûts opérationnels supplémentaires. Pendant la filtration de suspensions polydisperses comme les jus de fruits ou certains coproduits liquides, si de nombreux mécanismes de colmatage (adsorption, blocage de pores, etc.) peuvent être observés simultanément, 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 les forces convectives (imposées par le flux de perméat), qui attirent les particules de la suspension à proximité de la membrane, et les forces de rétrotransport, qui sont pour la plupart liées aux conditions hydrodynamiques imposées à proximité de la surface membranaire. Ainsi, la stratégie la plus employée pour maitriser le colmatage membranaire par dépôt est la filtration tangentielle, au travers de modules membranaires tubulaires, en mode de filtration interne-externe, qui permet d’imposer de forts cisaillements à la surface membranaire et ainsi de limiter la formation du dépôt. 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 en conséquence son implantation aux industries présentant de fortes capacités de production et d’investissement, et travaillant sur des produits à haute valeur ajoutée.
Dans d’autres domaines, notamment le domaine du traitement de l’eau, le même constat a, ces dernières décennies, motivé le développement d’une nouvelle configuration de filtration, dite filtration à membranes immergées. 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 externeinterne, frontal ou quasi-frontal. Si l’absence de conditions hydrodynamiques intenses au voisinage de la membrane impacte négativement les flux obtenus, la possibilité de multiplier la surface membranaire et les nombreux autres avantages de ce mode opératoire (coût de fonctionnement réduit, simplicité opérationnelle, forte compacité, etc.) ont favorisé l’implantation industrielle de ce type de système de filtration.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Synthèse bibliographique
1. La filtration membranaire de jus de fruits et extraits végétaux
1.1. Intégration des procédés membranaires dans la chaîne de production
1.2. Jus de fruits et extraits végétaux : caractéristiques et potentiel colmatant
1.2.1. Composition biochimique
1.2.2. Caractérisation physicochimique
1.2.3. Potentiel colmatant
2. Focus sur le colmatage membranaire : modélisation et contrôle
2.1. Outils de compréhension et de description du colmatage
2.2. Outils et stratégies opérationnelles de prévention et de contrôle du colmatage
3. Filtration par membranes immergées
3.1. Principe de fonctionnement de ce mode de filtration
3.2. Un retour d’expérience : les bioréacteurs à membranes immergées pour le traitement des eaux usées
3.3. Particularités de la conduite de l’opération de filtration
4. Bilan et positionnement de l’étude
Chapitre II : Matériels et méthodes
1. Choix des suspensions
1.1. Jus de fruits
1.2. Coproduits vinicoles
1.3. Analyses biochimiques réalisées pour l’évaluation de la sélectivité de la microfiltration
2. Caractérisation physicochimique et caractérisation du potentiel colmatant des suspensions étudiées
2.1. Caractérisation physicochimique
2.2. Potentiel colmatant
3. Filtrations à l’échelle pilote : Matériels et procédures
3.1. Pilote de filtration tangentielle par membranes tubulaires
3.2. Pilote de filtration par membranes fibres creuses immergées
3.3. Caractérisation de l’hydrodynamique à proximité de la surface membranaire dans les deux configurations
Conclusion
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