Biofouling: Formation d'une couche colmatante par des bactéries sécreétant du mucus.

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1 Definition Filtration: Technique de séparation mécanique, lors de laquelle un liquide chargé de particules insolubles ou suspendues passe un média perméable ou poreux. Les particules ayant un diamètre plus grand que la taille des pores du filtres sont retenus dans le gâteau filtrant. Lors d'une filtration, toutes les particules doivent être retenues pour un taux de séparation donné sans modifier la composition chimique du liquide. Des solutions vraies ne sont pas modifiés dans leur composition chimique par la filtration. Seulement l'osmose inverse permet de modifier des solutions vraies. Membrane: Couche de séparation en forme d'une pellicule mince en polymère qui permet par sa structure poreuse le fractionnement sélectif des composantes diverses. Rétentat: Terme utilisé pour les techniques de séparation avec des membranes décrivant les particules retenues lors d'une filtration. Le contraire du rétentat est le perméat. Le rétentat est aussi appelé non-filtrat ou cencentrat. Perméat: Liquide, dont certains organismes ou substances (p.ex. levures, bactéries, sels, etc.) ont été enlevés à l'aide d'une membrane. Le perméat est aussi appelé filtrat. Gâteau filtrant: Accumulation des particules retenues dans le filtre. En cours de filtration, le gâteau filtrant devient de plus en plus épais et empêche de manière progressive la filtration par l'accumulation de particules solides. Fouling: Formation d'une couche colmatante par des substances colloïdes anorganiques et organiques qui sont adsorbées par la membrane ou poussées dans la membrane par une pression transmembranaire trop élevée. Biofouling: Formation d'une couche colmatante par des bactéries sécreétant du mucus. Scaling: Dépot de substances anorganiques (p.ex. de sels) à la surface de la membrane par dépassement de la solubilité. Taille des pores: Mesure pour la taille de particules retenues dans le filtre. Flux: Caractérise le volume de liquide qui passe une surface de filtration donné dans un certain temps. Le flux est exprimé en l/(m 2 h), l/(couche filtrante h), l/(cartouche h), l/(filtre h). Capacité de filtration: Indique le volume total de liquide qui peut être filtré par unité sans tenir compte du temps nécessaire. La capacité de filtration s'exprime en l/m 2, l/couche filtrante, l/module.

2 Bases de la filtration La filtration fonctionne avec les trois pricipes suivants: - Effet tamisant: le diamètre des pores détermine la taille maximum des particules qui peuvent passer la couche filtrante. L'inconvénient de ce principe est que les pores colmatent avec la progression de la filtration.

3 - Filtration en profondeur: La matrice filtrante est composée d'un réseau tridimensionnel de fibres qui ont été fixées les unes aux autres avec de la chaleur. L'atout de la filtration en profondeur est la capacité de rétention élevée de particules sans colmatage précoce. par absorption: des particules petites peuvent être retenues par des fibres passant à travers un pore. Les particules peuvent sédimenter à l'intérieur d'un pore à cause d'une faible vitesse d'écoulement.

4 par adsorption: Par la charge électrostatique positive (potentiel zéta) du matériel filtrant, des particules avec un charge négative peuvent être attirées et retenues à condition qu'elles passent lentement et à proximité d'une fibre. Le potentiel zéta dépend du ph, de la température, de la vitesse d'écoulement et de la charge électrostatique.

5 Filtration en profondeur La filtration en profondeur ne permet pas de rétention "absolue". Le taux de rétention nominal est déterminé en particulier par le diamètre des fibres, de la densité des fibres et de l'épaisseur de l'élément filtrant. L'effet filtrant est basé sur l'effet tamisant, sur l'effet de profondeur et sur l'adsoption par le potentiel zéta en cas de plaques avec une charge électrostatique. Le taux de rétention se détermine avec des tests de rétention de particules à l'aide des appareils compteurs laser (rétention d'env. 95% à 99,99% de particules en latex de taille bien définie). Avantage: Filtration continue par effet en profondeur Limites: Sécurité limité contre voltigeurs lors de différences de pression élevées et lors de coups de bélier (pulsations).

6 Filtration sur membrane: filtration frontales (aussi appelée dead end-filtration) La matière filtrante est composée d'une structure poreuse et homogène ressemblant à une éponge. Cette matrice présente une bonne stabilité mechanique et résiste aux pression élevées. La structure est comparable avec des tamis superposés. La rétention de particules et de microorganismes se fait essentiellement à la surface ou en proximité de la surface par action mechanique. Le liquide à filtrer passe la membrane de manière frontale. Plus la pression d'entrée est élevée, plus les particules sont poussées dans la membrane ce qui peut provoquer un colmatage précoce. Taux de rétention absolu, disponible en plusieures tailles de pore moyens. La taille des pores peut être déterminée avec un poromètre ou par des taux de rétention avec certains germes de référence (taille et nombre/surface filtrante). Avantage: Sécurité élevée contre voltigeurs, aussi lors de différences de pressions élevées et lors de coups de bélier. Limites: Des pulsations peuvent fatiguer la membrane. Cece fait que l'effet filtrant diminue et que la membrane finit par casser.

7 Filtration sur membrane: filtration tangentielle (aussi appelée filtration cross-flow) La matrice filtrante présente la même structure comme lors de la filtration frontale. Cependant, le liquide à filtrer passe sur la membrane de manière tangentielle. Les membranes sont disposées de manière symmétrique. La rétention de particules et de microorganismes se fait essentiellement à la surface ou en proximité de la surface par action mechanique. Le liquide à filtrer passe la membrane de manière frontale. Des pressions d'entrée peuvent également bloquer un colmatage précoce de la membrane. Le flux tangentiel empèche les particules d'être poussées trop dans la membrane. Cet effet est encore augmenté si le sens d'alluvion est changé dans des intervalles de temps réguliers. Avantage: Sécurité élevée contre voltigeurs, aussi lors de différences de pressions élevées et lors de coups de bélier. Limites: Des pulsations peuvent fatiguer la membrane. Ceci fait qu l'effet filtrant diminue et que la membrane finit par casser.

8 Spectre de filtration Le choix du diamètre de pores adéquat permet de retenir différents types de microorganismes. Le tableau suivant donne des informations sur les possibilités d'utiliser des membranes. Taille d. pores Utilisation typique 0,2 µm Filtration stérile (rétention de pseudomonades par filtration stérile à froid) 0,45 µm Rétention de bactéries dans le contrôle qualité microbiologique (rétention de Lactobacillus lindneri lors de la filtration stérile à froid de la bière) 0,65 µm Rétention de champignos (rétention de Sacharomyces cerevisiae lors de la filtration stérile à froid de vin) 0,8 µm Filtration fine, ultra-nettoyage 1,2 µm Filtration limpide 3,0 µm Filtration clarifiante / élimination de particules, etc.

9 Techniques de séparation Microfiltration (MF) La microfiltration est une technique de séparation avec une membrane fonctionnant avec une différence pression. Les particules retenues ont un diamètre entre 0.1 µm et 5 µm. Ceci correspond à un poids moléculaire > 200'000 Dalton Champs d'utilisation: Filtration stérile de boissons, fractionnement de caséine et de protéines du petit lait dans le lait maigre, nettoyage de solutions d'eau salée en fromagerie, exploitation de matières premières dans l'industrie agroalimentaire.

10 Ultrafiltration (UF) L'ultrafiltration est une technique de séparation avec une membrane fonctionnant avec une différence de pression. Les particules retenues ont un diamètre entre µm (correspond à 2nm) et 0.1 µm. Ceci correspond à un poids molöculaire d'entre 1'000 et 200'000 Dalton. Champs d'utilisation: Récupération d'eau de rinçage de filtres, concentration de protéines dans le petit lait, filtration de vinaigre, séparation d'émulsions huile/eau, séparation de biomasse en biotechnologie, rétention de virus dans de l'eau.

11 Nanofiltration (NF) La nanofiltration est une technique de séparation avec une membrane fonctionnant avec une différence de pression. Les particules retenues ont un diamètre inférieur à µm (correspond à 2nm). Ceci correspond à un poids moléculaire d'entre 100 et 1'000 Dalton. Champs d'utilisation: Désalcoolisation, réduction de la teneur en alcool de la bière et de vin rouge en mode diafiltration, élimination de troubles/pigments de couleur du sirop de sucre, concentration et purification de bland d'oeuf, séparation d'impuretés organiques (pesticides, insecticides) dans le recyclage d'eau, filtration des bases/d'acides.

12 Osmose inverse (fr. OL, angl. RO) L'osmose inverse est une technique de séparation avec une membrane fonctionnant avec une différence de pression. Les particules retenues ont un poids moléculaire inférieur à 100 Dalton. Unen membrane pour l'osmose inverse n'a pas de pores. Elle est donc semiperméable. Champs d'utilisation: Concentration de moûts et de jus de pomme, récupération d'enzymes de tissus végétaux et animaux, concentration de petit lait, désalcoolisation de vin blanc en mode diafiltration, désalification d'eau de mer, recyclage d'eau pour réutilisation.