Ultrafiltration

L'ultrafiltration ( UF ) est une variante de filtration membranaire dans laquelle des forces telles que des gradients de pression ou de concentration conduisent à une séparation à travers une membrane semi-perméable . Les solides en suspension et les solutés de poids moléculaire élevé sont retenus dans ce que l'on appelle le rétentat, tandis que l'eau et les solutés de faible poids moléculaire traversent la membrane dans le perméat (filtrat). Ce procédé de séparation est utilisé dans l'industrie et la recherche pour purifier et concentrer des solutions macromoléculaires (10 ³ –10 ⁶ Da ), en particulier des solutions protéiques .

L'ultrafiltration n'est pas fondamentalement différente de la microfiltration . Ces deux techniques sont distinctes en fonction de l'exclusion de taille ou de la capture de particules. Elle est fondamentalement différente de la séparation des gaz par membrane , qui se sépare en fonction de différentes quantités d' absorption et de différents taux de diffusion . Les membranes d'ultrafiltration sont définies par le seuil de coupure du poids moléculaire (MWCO) de la membrane utilisée. L'ultrafiltration est appliquée en mode cross-flow ou dead-end .

Les industries telles que la fabrication de produits chimiques et pharmaceutiques , la transformation des aliments et des boissons et le traitement des eaux usées utilisent l'ultrafiltration afin de recycler le flux ou d'ajouter de la valeur aux produits ultérieurs. La dialyse sanguine utilise également l'ultrafiltration.

L'ultrafiltration peut être utilisée pour éliminer les particules et les macromolécules de l'eau brute afin de produire de l'eau potable. Elle a été utilisée soit pour remplacer les systèmes de filtration secondaire (coagulation, floculation, sédimentation) et tertiaire (filtration sur sable et chloration) existants utilisés dans les usines de traitement des eaux, soit comme systèmes autonomes dans les régions isolées où la population est en croissance. Lors du traitement de l'eau contenant beaucoup de solides en suspension, l'UF est souvent intégrée au processus, en utilisant des traitements primaires (tamisage, flottation, filtration) et certains traitements secondaires comme étapes de prétraitement. Les procédés d'UF sont actuellement préférés aux méthodes de traitement traditionnelles pour les raisons suivantes :

• Aucun produit chimique requis (à part le nettoyage)
• Qualité de produit constante quelle que soit la qualité de l'alimentation
• Taille compacte de la plante
• Capable de dépasser les normes réglementaires de qualité de l’eau, atteignant 90 à 100 % d’élimination des agents pathogènes

Les procédés UF sont actuellement limités par le coût élevé lié à l'encrassement et au remplacement des membranes. Un prétraitement supplémentaire de l'eau d'alimentation est nécessaire pour éviter des dommages excessifs aux unités membranaires.

Dans de nombreux cas, l'UF est utilisé pour la préfiltration dans les usines d'osmose inverse (RO) afin de protéger les membranes RO.

L'UF est largement utilisée dans l'industrie laitière ; en particulier dans le traitement du lactosérum de fromage pour obtenir un concentré de protéines de lactosérum (WPC) et un perméat riche en lactose. En une seule étape, un procédé UF est capable de concentrer le lactosérum 10 à 30 fois la charge.
L'alternative originale à la filtration membranaire du lactosérum consistait à utiliser le chauffage à la vapeur suivi d'un séchage au tambour ou d'un séchage par atomisation. Le produit de ces méthodes avait des applications limitées en raison de sa texture granuleuse et de son insolubilité. Les méthodes existantes avaient également une composition de produit incohérente, des coûts d'investissement et d'exploitation élevés et, en raison de la chaleur excessive utilisée pour le séchage, dénatureraient souvent certaines protéines.
Par rapport aux méthodes traditionnelles, les procédés UF utilisés pour cette application :

• Sont plus économes en énergie
• Avoir une qualité de produit constante, 35 à 80 % de produit protéique selon les conditions d'exploitation
• Ne dénature pas les protéines car elles utilisent des conditions de fonctionnement modérées

Le risque d'encrassement est largement discuté, car il est identifié comme un facteur important de baisse de productivité. Le lactosérum de fromage contient de fortes concentrations de phosphate de calcium qui peuvent potentiellement entraîner des dépôts de tartre sur la surface de la membrane. Par conséquent, un prétraitement important doit être mis en œuvre pour équilibrer le pH et la température de l'alimentation afin de maintenir la solubilité des sels de calcium.

• Filtration des effluents d'une usine de pâte à papier
• Fabrication de fromage, voir lait ultrafiltré
• Élimination de certaines bactéries du lait
• Traitement des eaux de process et des eaux usées
• Récupération d'enzymes
• Concentration et clarification des jus de fruits
• Dialyse et autres traitements sanguins
• Dessalage et échange de solvants de protéines (par diafiltration )
• Fabrication de qualité laboratoire
• Datation au radiocarbone du collagène osseux
• Récupération des peintures par électrodéposition
• Traitement des émulsions d'huile et de latex
• Récupération des composés de lignine dans les liqueurs de pâtes usées

Le principe de fonctionnement de base de l'ultrafiltration repose sur la séparation sous pression des solutés d'un solvant à travers une membrane semi-perméable. La relation entre la pression appliquée sur la solution à séparer et le flux à travers la membrane est généralement décrite par l'équation de Darcy :

où J est le flux (débit par surface de membrane), TMP est la pression transmembranaire (différence de pression entre le flux d'alimentation et le flux de perméat), μ est la viscosité du solvant et R _t est la résistance totale (somme de la résistance de la membrane et de la résistance à l'encrassement).

Lors de la filtration, la concentration locale de matière rejetée à la surface de la membrane augmente et peut devenir saturée. Dans l'UF, une concentration ionique accrue peut développer une pression osmotique du côté alimentation de la membrane. Cela réduit le TMP effectif du système, réduisant ainsi le taux de perméation. L'augmentation de la couche concentrée à la paroi de la membrane diminue le flux de perméat, en raison de l'augmentation de la résistance qui réduit la force motrice du solvant pour se transporter à travers la surface de la membrane. La CP affecte presque tous les processus de séparation par membrane disponibles. Dans l'osmose inverse, les solutés retenus au niveau de la couche membranaire entraînent une pression osmotique plus élevée par rapport à la concentration du flux en vrac. Des pressions plus élevées sont donc nécessaires pour surmonter cette pression osmotique. La polarisation de concentration joue un rôle dominant dans l'ultrafiltration par rapport à la microfiltration en raison de la petite taille des pores de la membrane. La polarisation de concentration diffère de l'encrassement car elle n'a aucun effet durable sur la membrane elle-même et peut être inversée en soulageant le TMP. Elle a cependant un effet significatif sur de nombreux types d'encrassement.

Voici les quatre catégories par lesquelles les encrassements des membranes UF peuvent être définis :

• substances biologiques
• macromolécules
• particules
• ions

Les modèles suivants décrivent les mécanismes de dépôt de particules sur la surface de la membrane et dans les pores :

• Blocage standard : les macromolécules se déposent uniformément sur les parois des pores
• Blocage complet : le pore de la membrane est complètement scellé par une macromolécule
• Formation de gâteau : les particules ou macromolécules accumulées forment une couche d'encrassement sur la surface de la membrane, dans l'UF, cela est également connu sous le nom de couche de gel
• Blocage intermédiaire : lorsque des macromolécules se déposent dans les pores ou sur des pores déjà obstrués, contribuant à la formation de gâteaux

En raison de la polarisation de la concentration à la surface de la membrane, des concentrations ioniques accrues peuvent dépasser les seuils de solubilité et précipiter à la surface de la membrane. Ces dépôts de sels inorganiques peuvent bloquer les pores, provoquant une baisse du flux, une dégradation de la membrane et une perte de production. La formation de tartre dépend fortement de facteurs affectant à la fois la solubilité et la polarisation de la concentration, notamment le pH, la température, la vitesse d'écoulement et le taux de perméation.

Les micro-organismes adhèrent à la surface de la membrane et forment une couche de gel, appelée biofilm . Le film augmente la résistance à l'écoulement, agissant comme une barrière supplémentaire à la perméation. Dans les modules spiralés, les blocages formés par le biofilm peuvent entraîner une distribution inégale du flux et ainsi augmenter les effets de la polarisation de la concentration.

Selon la forme et le matériau de la membrane, différents modules peuvent être utilisés pour le processus d'ultrafiltration. Les conceptions disponibles dans le commerce dans les modules d'ultrafiltration varient en fonction des contraintes hydrodynamiques et économiques requises ainsi que de la stabilité mécanique du système sous des pressions de fonctionnement particulières. Les principaux modules utilisés dans l'industrie comprennent :

La conception du module tubulaire utilise des membranes polymères moulées à l'intérieur de composants en plastique ou en papier poreux avec des diamètres généralement compris entre 5 et 25 mm et des longueurs comprises entre 0,6 et 6,4 m. Plusieurs tubes sont logés dans une coque en PVC ou en acier. L'alimentation du module passe par les tubes, ce qui permet un transfert radial du perméat vers le côté de la coque. Cette conception permet un nettoyage facile, mais le principal inconvénient est sa faible perméabilité, son volume de rétention élevé dans la membrane et sa faible densité de remplissage.

Cette conception est conceptuellement similaire au module tubulaire avec un agencement de coque et de tube. Un seul module peut être constitué de 50 à des milliers de fibres creuses et est donc autoportant contrairement à la conception tubulaire. Le diamètre de chaque fibre varie de 0,2 à 3 mm, l'alimentation circulant dans le tube et le perméat du produit collecté radialement à l'extérieur. L'avantage d'avoir des membranes autoportantes est la facilité avec laquelle elles peuvent être nettoyées en raison de leur capacité à être rétrolavées. Les coûts de remplacement sont cependant élevés, car une fibre défectueuse nécessitera le remplacement de l'ensemble du faisceau. Étant donné que les tubes sont de petit diamètre, l'utilisation de cette conception rend également le système sujet au blocage.

Les modules à enroulement en spirale sont une alternative compacte et bon marché dans la conception de l'ultrafiltration, offrent un débit volumétrique élevé et peuvent également être facilement nettoyés. Cependant, ils sont limités par les canaux minces où les solutions d'alimentation avec des solides en suspension peuvent entraîner un blocage partiel des pores de la membrane.

Ce module utilise une membrane placée sur une plaque plate séparée par un matériau en forme de maille. L'alimentation passe à travers le système à partir duquel le perméat est séparé et collecté à partir du bord de la plaque. La longueur du canal peut varier de 10 à 60 cm et la hauteur du canal de 0,5 à 1,0 mm. Ce module offre un faible volume de rétention, un remplacement relativement facile de la membrane et la possibilité d'alimenter des solutions visqueuses en raison de la faible hauteur du canal, unique à cette conception particulière.

Les caractéristiques du procédé d'un système UF dépendent fortement du type de membrane utilisé et de son application. Les spécifications des fabricants de membranes tendent à limiter le procédé aux spécifications typiques suivantes :

Lors de la conception d'une nouvelle installation de séparation par membrane ou de son intégration dans une usine existante, de nombreux facteurs doivent être pris en compte. Pour la plupart des applications, une approche heuristique peut être appliquée pour déterminer bon nombre de ces caractéristiques afin de simplifier le processus de conception. Voici quelques domaines de conception :

Le traitement de la charge avant la membrane est essentiel pour éviter d'endommager la membrane et minimiser les effets de l'encrassement qui réduisent considérablement l'efficacité de la séparation. Les types de prétraitement dépendent souvent du type de charge et de sa qualité. Par exemple, dans le traitement des eaux usées, les déchets ménagers et autres particules sont filtrés. D'autres types de prétraitement communs à de nombreux procédés UF comprennent l'équilibrage du pH et la coagulation. Un séquençage approprié de chaque phase de prétraitement est essentiel pour éviter d'endommager les étapes suivantes. Le prétraitement peut même être utilisé simplement en utilisant des points de dosage.

La plupart des membranes UF utilisent des matériaux polymères ( polysulfone , polypropylène , acétate de cellulose , acide polylactique ), mais les membranes céramiques sont utilisées pour les applications à haute température.

La règle générale pour le choix de la taille des pores dans un système UF est d'utiliser une membrane dont la taille des pores est dix fois inférieure à la taille des particules à séparer. Cela limite le nombre de particules plus petites qui pénètrent dans les pores et s'adsorbent à la surface des pores. Au lieu de cela, elles bloquent l'entrée des pores, ce qui permet de simples ajustements de la vitesse du flux transversal pour les déloger.

Les systèmes UF peuvent fonctionner avec un flux transversal ou un flux en cul-de-sac. Dans la filtration en cul-de-sac, le flux de la solution d'alimentation est perpendiculaire à la surface de la membrane. En revanche, dans les systèmes à flux transversal, le flux passe parallèlement à la surface de la membrane. Les configurations en cul-de-sac sont plus adaptées aux procédés par lots avec une faible teneur en solides en suspension, car les solides s'accumulent à la surface de la membrane, ce qui nécessite des rinçages et des nettoyages fréquents pour maintenir un flux élevé. Les configurations à flux transversal sont préférées dans les opérations continues, car les solides sont continuellement évacués de la surface de la membrane, ce qui entraîne une couche de gâteau plus fine et une résistance moindre à la perméation.

La vitesse d'écoulement est particulièrement critique pour l'eau dure ou les liquides contenant des suspensions afin d'éviter un encrassement excessif. Des vitesses d'écoulement transversal plus élevées peuvent être utilisées pour améliorer l'effet de balayage sur la surface de la membrane, empêchant ainsi le dépôt de macromolécules et de matériaux colloïdaux et réduisant les effets de la polarisation de concentration. Des pompes coûteuses sont cependant nécessaires pour atteindre ces conditions.

Pour éviter d'endommager excessivement la membrane, il est recommandé de faire fonctionner l'installation à la température spécifiée par le fabricant de la membrane. Dans certains cas, cependant, des températures supérieures à la plage recommandée sont nécessaires pour minimiser les effets de l'encrassement. Une analyse économique du procédé est nécessaire pour trouver un compromis entre le coût accru du remplacement de la membrane et la productivité de la séparation.

Les chutes de pression lors d'une séparation à plusieurs étages peuvent entraîner une baisse drastique des performances du flux dans les dernières étapes du processus. Cela peut être amélioré en utilisant des pompes de surpression pour augmenter le TMP dans les étapes finales. Cela entraînera un coût d'investissement et d'énergie plus élevé qui sera compensé par la productivité améliorée du processus. Avec une opération à plusieurs étages, les flux de rétentat de chaque étage sont recyclés par l'étape précédente pour améliorer leur efficacité de séparation.

Plusieurs étapes en série peuvent être appliquées pour obtenir des flux de perméat de plus grande pureté. En raison de la nature modulaire des procédés membranaires, plusieurs modules peuvent être disposés en parallèle pour traiter des volumes plus importants.

Le post-traitement des flux de produits dépend de la composition du perméat et du rétentat et de leur utilisation finale ou de la réglementation gouvernementale. Dans des cas tels que la séparation du lait, les deux flux (lait et lactosérum) peuvent être collectés et transformés en produits utiles. Un séchage supplémentaire du rétentat produira de la poudre de lactosérum. Dans l'industrie papetière, le rétentat (matière organique non biodégradable) est incinéré pour récupérer de l'énergie et le perméat (eau purifiée) est rejeté dans les cours d'eau. Il est essentiel que l'eau de perméat soit équilibrée en pH et refroidie pour éviter la pollution thermique des cours d'eau et la modification de son pH.

Le nettoyage de la membrane est effectué régulièrement pour éviter l'accumulation de salissures et inverser les effets dégradants de l'encrassement sur la perméabilité et la sélectivité.
Un lavage à contre-courant régulier est souvent effectué toutes les 10 minutes pour certains procédés afin d'éliminer les couches de gâteau formées à la surface de la membrane. En pressurisant le flux de perméat et en le forçant à revenir à travers la membrane, les particules accumulées peuvent être délogées, améliorant ainsi le flux du procédé. Le lavage à contre-courant est limité dans sa capacité à éliminer les formes plus complexes d'encrassement telles que l'encrassement biologique, l'entartrage ou l'adsorption sur les parois des pores.
Ces types d'encrassement nécessitent un nettoyage chimique pour être éliminés. Les types courants de produits chimiques utilisés pour le nettoyage sont :

• Solutions acides pour le contrôle des dépôts de tartre inorganique
• Solutions alcalines pour l'élimination des composés organiques
• Biocides ou désinfectants tels que le chlore ou le peroxyde lorsque l'encrassement biologique est évident

Lors de la conception d'un protocole de nettoyage, il est essentiel de prendre en compte :
Le temps de nettoyage – Il faut prévoir suffisamment de temps pour que les produits chimiques interagissent avec les salissures et pénètrent dans les pores de la membrane. Cependant, si le processus est prolongé au-delà de sa durée optimale, il peut entraîner une dénaturation de la membrane et le dépôt des salissures éliminées. Le cycle de nettoyage complet, y compris les rinçages entre les étapes, peut prendre jusqu'à 2 heures.
L'agressivité du traitement chimique – Avec un degré élevé d'encrassement, il peut être nécessaire d'utiliser des solutions de nettoyage agressives pour éliminer les salissures. Cependant, dans certaines applications, cela peut ne pas être approprié si le matériau de la membrane est sensible, ce qui entraîne un vieillissement accéléré de la membrane.
Élimination des effluents de nettoyage – Le rejet de certains produits chimiques dans les systèmes d'eaux usées peut être interdit ou réglementé, il faut donc en tenir compte. Par exemple, l'utilisation d'acide phosphorique peut entraîner des niveaux élevés de phosphates dans les cours d'eau et doit être surveillée et contrôlée pour éviter l'eutrophisation.

Résumé des types courants d'encrassement et de leurs traitements chimiques respectifs

Afin d'augmenter le cycle de vie des systèmes de filtration membranaire, des membranes économes en énergie sont développées dans les systèmes de bioréacteurs à membrane. Une technologie a été introduite qui permet de réduire la puissance nécessaire pour aérer la membrane pour le nettoyage tout en maintenant un niveau de flux élevé. Des processus de nettoyage mécanique ont également été adoptés en utilisant des granulés comme alternative aux formes de nettoyage conventionnelles ; cela réduit la consommation d'énergie et réduit également la surface requise pour les cuves de filtration.

Les propriétés des membranes ont également été améliorées pour réduire les tendances à l'encrassement en modifiant les propriétés de surface. Cela peut être observé dans l'industrie biotechnologique où les surfaces des membranes ont été modifiées afin de réduire la quantité de liaison protéique. Les modules d'ultrafiltration ont également été améliorés pour permettre d'utiliser plus de membrane pour une zone donnée sans augmenter son risque d'encrassement en concevant des composants internes de module plus efficaces.

Le prétraitement actuel de la désulfonation de l'eau de mer utilise des modules d'ultrafiltration qui ont été conçus pour résister à des températures et des pressions élevées tout en occupant un encombrement réduit. Chaque cuve de module est autoportante et résistante à la corrosion et permet un retrait et un remplacement faciles du module sans le coût de remplacement de la cuve elle-même.