Filtration de dispersions de micelles de caséine : Propriétés du dépôt, Interactions colloïdales & Modélisation

par Peng Qu

Thèse de doctorat en Biologie et agronomie

Sous la direction de Geneviève Gesan-Guiziou et de Antoine Bouchoux.

Soutenue en 2013

à Rennes, Agrocampus Ouest .

mots clés

• Micelles
• Caséine

Résumé

Lors de l'ultra- ou microfiltration d'un lait écrémé, les micelles de caséine, espèces colloïdales poreuses et déformables, viennent s’accumuler à la surface des membranes et former ainsi des couches de matière concentrées. Dans certaines conditions, ces couches de matière peuvent passer de l'état liquide à l'état solide (gel). La présence de ce gel conduit à des altérations notables des performances de la filtration, aussi bien en termes de flux que de sélectivité. Afin de mieux maîtriser les opérations de filtration, il est nécessaire de mieux connaître les conditions qui conduisent à la formation de ces gels et les interactions impliquées. Il est également primordial de développer un modèle de filtration qui puisse aider les acteurs industriels à conduire leurs opérations de manière optimale et dans des conditions d'encrassement minimum. Nos résultats montrent dans un premier temps que la "pression osmotique critique" nécessaire pour former du gel de micelles de caséine pendant la filtration est de l'ordre de 31-35 kPa. La formation de ce gel est conduite par les interactions cohésives localisées à la surface des micelles de caséine. Ces interactions cohésives peuvent être affectées par les conditions de compression (niveau, cinétique, durée) qui conduisent à la formation du gel. Dans un second temps, nous avons élaboré un modèle de filtration à partir de mesures directes et indirectes de pression osmotiques et de perméabilité de nos dispersions de micelles de caséine. Le modèle obtenu semble tout à fait robuste et peut prédire les performances d'une filtration frontale dans n'importe quelles conditions de flux ou de pression transmembranaire. Outre l'aspect appliqué des recherches menées dans ce travail, nous pensons que de nombreuses questions que nous y soulevons dépassent le simple cadre de la filtration d'un lait. Nous estimons en particulier que certaines des approches proposées sont tout à fait généralisables à l'étude de la filtration d'objets colloïdaux poreux et déformables de toutes origines: microgels ou agrégats colloïdaux protéiques par exemple.

Résumé

In the ultra- or microfiltration of skimmed milk, the casein micelles, porous and deformable colloidal species that represent the major protein composition in the milk, accumulate on the membrane surface and thus form layers of concentrated materials. Under certain conditions, these layers can turn from the liquid state into the solid state (gel). The presence of the gel leads to significant alterations of the filtration performances, both in terms of flux and selectivity. In order to control the filtration operations, it is necessary to understand the conditions that lead to the formation of these gels in the filtration. It is also important to develop a filtration model that can help industry actors to conduct their operations in an optimal manner and in conditions of minimum fouling. Ours results show firstly that the "critical osmotic pressure" for the formation of the gels of casein micelles during the filtration is around 31-35 kPa. The formation of the gels is due to the bonding between the casein micelles through the cohesive interactions located on the surfaces of micelles. These cohesive bonds can be affected by the condition (degree, rate, time) of the compression used for forming the gels. Secondly we developed a filtration model based on the direct and indirect measurements of osmotic pressure and permeability of our dispersions of casein micelles. The resulting model seems quite reliable and can predict the performance of a frontal filtration under any conditions of flux or applied pressure. Beside the aspect of application of our model for the dairy industry, we believe that many questions that we resolved in this work rise beyond the simple framework of the filtration of milk. In particular we noted that some of the experimental or modeling approaches proposed in this work are quite generalizable to study the filtration of porous and deformable colloidal objects from all sources: protein microgels or colloidal aggregates for example.