Contribution à la compréhension du colmatage membranaire lors de la microfiltration de jus de fruits : identification de leur potentiel colmatant

Contribution to the understanding of membrane fouling during fruit juices microfiltration : identification of their fouling potential

• Auteur / Autrice : Layal Dahdouh
• Direction : Michèle Delor-Delalonde, Manuel Dornier, Christelle Wisniewski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 10/07/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Qualisud (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michèle Delor-Delalonde, Manuel Dornier, Christelle Wisniewski, Martine Mietton-Peuchot, Marie-Laure Lameloise, Aude Vernhet, Patrice Bacchin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martine Mietton-Peuchot, Marie-Laure Lameloise

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jus d'oranges

Technique de la production

Jus de fruits

Ultrafiltration

Mots clés libres

Colmatage membranaire

Microfiltration tangentielle

Physico-chimie

Génie des procédés

Jus de fruits

Membrane fouling

Crossflowl microfiltration

Physico-Chemical

Process engineering

Fruit juices

Résumé

La microfiltration est un procédé baro-membranaire largement utilisé pour stabiliser et clarifier les jus de fruits ou pour concentrer leur fraction pulpeuse. Toutefois le colmatage membranaire limite la productivité économique du procédé. Même si de nombreuses études ont été menées pour comprendre et limiter le colmatage, aucun véritable outil n'est aujourd'hui disponible pour prévoir la filtrabilité d'un jus de fruits. Le développement de ce type d'outils prévisionnels est pourtant essentiel pour faciliter l'optimisation des conditions de filtration et pour une meilleure maitrise du colmatage membranaire. Dans ce contexte, l'étude a été axée sur l'identification de nouveaux critères de filtrabilité des jus de fruits au travers de la compréhension et de la caractérisation des mécanismes de colmatage qui interviennent.En choisissant le jus d'orange comme modèle, une approche statistique a permis, dans un premier temps, une sélection rapide et pertinente des caractéristiques physico-chimiques des jus de fruits directement corrélées à leur filtrabilité, à savoir la matière sèche totale, l'extrait sec soluble, le pH, la conductivité et la granulométrie. Ensuite, des stratégies expérimentales complémentaires basées sur des filtrations à l'échelle du laboratoire ont été proposées pour identifier les différentes fractions colmatantes en fonction de leur taille ainsi que les mécanismes de colmatage associés. Ces stratégies novatrices ont permis d'étudier le pouvoir colmatant du jus d'orange en prenant en compte toute sa complexité et de proposer par la suite des cartographies de composés colmatants. Ces cartographies s'avèrent particulièrement intéressantes pour anticiper le comportement colmatant des jus de fruits sans avoir recours à des filtrations longues et coûteuses à grande échelle. Les résultats ont montré que le phénomène le plus important qui régit le colmatage membranaire global au cours de la filtration du jus d'orange semble être le colmatage externe par dépôt. Les objectifs de la dernière partie du travail, ont été de considérer plus fortement le caractère complexe et hétérogène des jus de fruits, pouvant les conduire à des changements brutaux de comportement lors de leur filtration. Pour cela des mesures rhéologiques en mode dynamique couplées à une stratégie d'isolement spécifique des différentes fractions colmatantes du jus d'orange ont été menées pour déterminer le comportement viscoélastique de la fraction insoluble du jus d'orange au cours de sa concentration. Les observations ont montré que les énergies des interactions entre les particules insolubles sont des fonctions croissantes de la concentration de la fraction insoluble et dépendent de la taille des particules. De plus, la transition vers un comportement « solide » du jus d'orange semble être favorisée par la présence des fractions particulaire et supra-colloïdale. Ces observations sont cohérentes avec le mécanisme de colmatage prédominant dû à l'accumulation de ces fractions à la surface de la membrane. La confrontation de nouvelles études de filtrabilité à l'échelle du laboratoire avec la performance de la filtration à grande échelle permettra de généraliser les stratégies proposées pour prédire la performance de la filtration de nouveaux jus de fruits.

Microfiltration is a pressure driven process successfully used to clarify and stabilize fruit juices or to concentrate their pulpy fraction. However, membrane fouling remains the critical factor governing the overall economic productivity of this process. Even if, many studies have been made to understand and limit membrane fouling, to date, there stills a lack of predicting tools to evaluate the filterability of fruit juices. However, it is interesting to develop practical and efficient tools for the prediction of fruit juices filterability in order to adapt and optimize filtration conditions to the fouling behavior of the filtered juice. In this respect, this study focused on the identification of new criteria of fruit juices filterability through the comprehension and the characterization of the potential fouling mechanisms.First, orange juice was chosen as test matrix and a statistical approach was used to select simple and relevant physico-chemical characteristics of this juice in relation with its filterability, namely dry matter, TSS, pH, conductivity, and particles size. Later, additional experimental strategies based on filtration tests at lab-scale were developed to identify the relevant size-classes of foulant compounds and related fouling mechanisms. These innovative strategies allowed studying the fouling potential of orange juice with the consideration of its complexity and proposing cartographies of foulant compounds. These cartographies are particularly interesting to anticipate the fouling behavior of fruit juices without any costly filtration operation at large scale. Moreover, results showed that external fouling seems to be the predominant fouling mechanism governing the overall membrane fouling during orange juice filtration. Finally, the aim of the last part of the work was to highlight the role of the complex and heterogeneous nature of fruit juices in their unexpected behavior during their filtration. For this purpose, the viscoelastic behavior of orange juice suspended solids during their concentration was obtained from rheological measurements in dynamic mode coupled with specific isolation of orange juice foulant fractions. Results showed that the energy of the interactions between juice particles increased as the suspended solids concentration increased and depends on the particles size. Furthermore, the solid-like behavior of the juice was enhanced by the presence of supra-colloids and large particles. These observations are in accordance with the predominant fouling mechanism that is due to the accumulation of these fruit fractions on the membrane surface. The confrontation of new filterability studies at laboratory scale with the performance of large-scale filtration will enable to generalize the proposed strategies to predict the performance of filtration of new fruit juices.