Sandra Robaire, ing. jr, M.Sc.A. Alfa Arzate, ing., Ph.D. Stratford, ON, October 2010

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1 La séparation membranaire de la sève d érable : avancements récents et facteurs qui influencent la performance des membranes Sandra Robaire, ing. jr, M.Sc.A. Alfa Arzate, ing., Ph.D. Annual meeting of the International maple syrup institute and the North American maple syrup council Stratford, ON, October 2010

2 Objectifs de la présentation 1. Fournir des renseignements généraux sur la performance des membranes utilisées pour concentrer la sève d érable afin d en faire la meilleure utilisation possible. 2. Présenter les résultats de deux études sur le terrain et d un projet de recherche à l échelle léchelle pilote sur la concentration membranaire de la sève d érable. 2

3 Objectif 1 Principes de la concentration membranaire GÉNÉRALITÉS : Quoi? Pourquoi? Comment? MEMBRANES UTILISÉES EN ACÉRICULTURE COLMATAGE VÉRIFICATION DE LA QUALITÉ DE L OPÉRATION 3

4 Qu est-ce que la concentration par membrane? Sous l effet d une différence de pression Le liquide qui reste en deçà de la membrane est appelé concentré, CONCENTRÉ SÈVE D ÉRABLE nologiesosmo osys.com/ FILTRAT http p:// L eau contenue dans la sève d érable qui est capable de traverser la membrane se retrouve dans le filtrat 4

5 Pourquoi la sève d érable est concentrée b? par membrane? VOLUME D EAU À ÉVAPORER PAR VOLUME DE SIROP PRODUIT Vo olume (Ga allons impé ériaux) 45 14,1 $/gal.imp Économie de 10,9 $ 30 par gal.imp. sirop Concentration par membrane ,2 $/gal.imp Évaporation Teneur solides solubles concentré de sève ( Brix) EE évap =75 % Huile à 0,75 $/litre 5

6 Technologies de séparation par membrane Microfiltration Eau, sels, protéines, virus Ultrafiltration Eau, sels, protéines Nanofiltration Eau, sels Osmose Inverse Eau > Masse moléculaire (Da) 6

7 Technologies de séparation par membrane Nano filtration Eau, sels Osmose inverse Eau P 200 P Masse moléculaire (Da) L/h/m 2 L/h/m 2 Pores 1 nm Membrane dense Selectivité par différence de taille et de charge entre les particules ou molécules à séparer Sélectivité par différence de solubilité et de diffusion dans la membrane des molécules à séparer 7

8 Technologies de séparation par membrane Nano filtration Eau, sels Osmose inverse Eau 376 Da vitamine B2 360 Da 200 Masse moléculaire (Da) sucrose 200 Da acide malique 180 Da glucose 100 Da vanilline sels minéraux 8

10 Composition des membranes Des membranes composites organiques (TFC), c est à dire faites en polymères tel que la polyamide (PA) ou les dérivés é de polyvinyl alcool (PVA) Des modules spiralés composés d une membrane plane enroulée sur elle même autour d un tube poreux qui recueille le filtrat Nanofiltration (NF) Module spiralé Membrane plane Osmose Inverse (OI) 10

11 Comment est composé un module spiralé? Carter rigide contenant la membrane, une entrée et deux sorties Filtrat Concentré Sève d érable Filtrat Dans le cylindre multicouches, le filtrat s écoule selon un chemin spiralé vers le tube poreux et l alimentation circule axialement dans les canaux -conseils.html tement-osmoseynavive.eu/trait 11

12 Quelles sont les composants de l appareil? Pompe d alimentation Circuit du filtrat Caisson et membrane Pompe haute pression (à piston ou à turbine) Préfiltration Circuit d alimentation (sève d érable) Circuit du concentré Circuit de «recirculation» 12

13 Critères de sélection des membranes Capacité de traitement nominale Caractéristiques fonctionnelles de la membrane Taux de rétention (Na +, K +, Mg ++, Ca ++ et sucres) Tolérance au ph et au chlore résiduel libre Débit maximal à travers la membrane Pression et température d opération maximales Résistance à la biodégradabilité d bl é La majorité de cette information est fournie dans les fiches techniques 13

14 Quelles sont les limites d opération? Membrane Température d opération max Pression d opération max ( C) (psi) BW 30 (Filmtec) Maple 8040 (Osmonics) NF 70 (Filmtec) NF 270 (Filmtec) NF 90 (Filmtec) XLE 440 (Filmtec) Mark I (Filmtec) PVD 1 (Hydranautics) TFC S8" (Koch) Ces températures s appliquent au nettoyage aussi! * Information obtenue de fiches techniques 14

15 Quelles sont les limites d opération? X ph ph Membrane en opération continue courte période lavage BW 30 (Filmtec) 2 to 11 1 to 13 Maple 8040 (Osmonics) 3 to 10 1 to 11 NF 70 (Filmtec) 3 to 9 1 to 11 NF 270 (Filmtec) 3 to 10 1 to 12 NF 90 (Filmtec) 3 to 10 1 to 13 XLE 440 (Filmtec) 2 to 11 1 to 13 Mark I (Filmtec) 3 to 9 2 to 11 PVD 1 (Hydranautics) 2 to 8 Not available TFC S8" (Koch) 4 to 11 25t 2,5 to 11 * Information obtenue de fiches techniques 15

17 Qu est-ce que le colmatage des membranes? Le colmatage est défini comme le dépôt de matière sur les membranes (en surface ou dans les pores) entraînant une baisse de la perméabilité. Les mécanismes de colmatage sont complexes. SÈVE D ÉRABLE CONCENTRÉ Membrane Membrane Fixation Blocage de pore FILTRAT Dépôt 17

18 Principaux agents colmatants en acériculture Polysaccharides et métabolites bactériens (biofilm) Microorganismes vivants Sels minéraux Résidus d écume décume (composés peptidiques ou protéines) Autres : lubrifiant des pompes 18

19 Nettoyage des membranes Indicator de colmatage = Débit du filtrat Lorsqu une diminutioni i du débit de filtrationi est observée pendant la période de concentration de la sève d érable, la membrane doit être nettoyée La méthode de nettoyage dépend de : La sévérité du colmatage Consultez votre équipementier Le type d agents colmatants présents ou votre conseiller en acériculture pour plus de détails Les caractéristiques de la membrane Respect du ph, de la température maximale et des règlements (ex. biologique) 19

21 Comment évaluer l efficacité de l opération de concentration? Par la mesure globale de certaines propriétés du filtrat, ce qui permet d évaluer la performance de la membrane quant à la rétention. Le filtratt devrait respecter les valeurs de référence. Teneur en solides solubles Conductivité électrique Mesure globale l de Solides solubles Ions minéraux Reflète une perte en Saccharose Minéraux Instrument de mesure Réfractomètre Conductimètre électrique (Méthode réduit 20:1) Valeur de référence 0 Brix < 50 µs/cm 21

22 Quelles sont les causes de la perte d intégrité du filtrat? Mauvais choix de membrane Perte des propriétés fonctionnelles de la membrane : Par une altération chimique Par un choc thermique Par un bris ou rupture mécanique Défauts de conception ou d assemblage du concentrateur t 22

23 Objectif 2 Études sur le terrain et projet de recherche PORTRAIT DE LA SITUATION Étude préliminaire (2003) Validation (2007) PROJET DE RECHERCHE CONTROLÉ À L ÉCHELLE PILOTE PARTIE A : CONCENTRATION MEMBRANAIRE PARTIE B : ÉVAPORATION DU CONCENTRÉ Concentration membranaire Analyse de la sève, du filtrat et du concentré Production de sirop d érable Analyse de la composition du sirop d érable 23

24 Études sur le terrain Caractériser le filtrat produit par les appareils de séparation membranaire utilisés en acériculture en 2003 et 2007 Déterminer l intégrité des filtrats en comparant les résultats de leur caractérisation avec les valeurs de référence (0.1 Brix et 50 µs/cm) filtrats 52 filtrats de 6 régions du Québec De 8 régions du Québec avec 9 types de membranes 24

26 Résultats de l étude sur le terrain (2007) Teneur en solides solubles du filtrat étude 2007 No ombre d ob bservations 6 % des filtrats analysés possèdent une teneur en solides solubles supérieure à 0,1 Brix Teneur en solides solubles ( Brix) 26

27 Résultats de l étude sur le terrain (2007) Conductivité électrique du filtrat étude 2007 Nombre d o observation ns 15 % des filtrats analysés possèdent une conductivité électrique supérieure à 50 S/cm Conductivité électrique ( S/cm) 27

28 Résultats de l étude sur le terrain (2007) bservations s Nbre d'obs. Nombre d o Teneur en solides solubles Histogramme du (FILTRAT-tableau.sta filtrat par type de 15v*52c) membrane étude ,9%1,9% 0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Nano-1 17,3% 0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,9% 5,8% 0,0% 0,0%0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Nano-2 Nano-3 Membrane: DS-8040 Membrane: MARK1 Membr ane: NF90 1,9%1,9% 0,0% 0,0%0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 9,6% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 OI-1 Membrane: BW30 0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Nano-6 11,5% 17,3% 7,7% 0,0% 0,0%0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Nano-4 Membrane: TFC Serie S 1,9% 0,0% 0,0%0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 11,5% 3,8% 1,9% 0,0%0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Nano-5 Membr ane: NF70 1,9% 0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0%0,0% 0,0%0,0%0,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 OI-2 Nano-7 Brix Membrane: PVD1 Membrane: XLE440 Membrane: NF270 Teneur en solides solubles ( Brix) LÉGENDE Nano = Nanofiltration OI = Osmose inverse 28

29 Nombre Nbr d observatio re d'obs. ons Résultats de l étude sur le terrain (2007) Conductivité électrique Histogramme du filtrat (FILTRAT-tableau.sta par type de 34v*52c) membrane étude ,4% 7,7% 3,8% 1,9% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Nano-1 Nano-2 Nano-3 Membrane: DS-8040 Membrane:MARK1 MARK1 Membrane:NF90 11,5% 11,5% 3,8% 3,8% 3,8% 19% 1,9% 19% 1,9% 19% 1,9% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% OI-1 Membrane: BW30 Nano-4 Membrane: TFC Serie S Nano-5 Membrane: NF70 15,4% 3,8% 3,8% 1,9% 1,9% 1,9% 1,9% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% Nano-6 OI-2 Conductivité électrique ( S / cm) ( S/cm) Nano-7 Membrane: PVD1 Membrane: XLE440 Membrane: NF270 LÉGENDE Nano = Nanofiltration OI = Osmose inverse 29

30 Conclusions des études sur le terrain Pour les 2 études sur le terrain, des filtrats qui ne rencontraient pas le standard de qualité (valeurs de référence) ont été détectés. Les 2 systèmes d osmose inverse (comprenant le type de membrane et sa configuration, les conditions d opération et le régie d entretien) produisent des filtrats qui atteignent le standard de qualité. 5des7systèmesdenanofiltration produisent des filtrats qui n atteignent pas le standard de qualité requise. Lorsque le bon type de membrane est utilisé en harmonie avec une bonne régie d opération et d entretien de la membrane, les valeurs de référence pourle filtrat sont atteignables. 30

32 Étude contrôlée à l échelle pilote Objectif Évaluer la performance (él (sélectivité) iié) de 4 membranes utilisées en acériculture et leur incidence sur la composition et les caractéristiques sensorielles du sirop d érable. 32

33 Context du projet Pourquoi a t on fit fait ce projet jt? Pour valider les résultats des études sur le terrain sous des conditions contrôlées Pour pouvoir exprimer les résultats d une manière homogène. 33

34 Partie A : Concentration par membrane Membranes 2 NF 90 (250 psi) FILTRAT SÈVE D ÉRABLE NF 270 (250 psi) BW 30 (500 psi) NF 70 (250 psi) LÉGENDE NF = membrane de nanofiltration Propriétés physico chimiques chimiques Minéraux Phénols totaux Acides organiques Profile de sucres CONCENTRÉ DE SÈVE * Membrane de référence : BW 30 BW = membrane d osmose inverse 34

35 Partie A : Concentration par membrane Variables utilisées pour la sève d érable : Producteurs (2) Périodes de la saison (3 : Début, milieu, fin) Types de membranes (4 : NF 90, NF 270, BW 30,andNF70) 24 concentrations membranaires complétées Contrôlé à la même teneur en solides solubles (8,0 ± 0,2 Brix) Analyse de compositioncomplétée sur 6 sèves d érable 24 filtrats 24 concentrés 35

36 Résultats : Approche globale SÈVE D ÉRABLE M E M B R A N E CONCENTRÉ FILTRAT EVAPORATION SIROP D ÉRABLE Propriétés globales (ph, conductivité électrique) 36

37 Résultats : Approche globale (moyenne des 2 producteurs et des 3 périodes dans la saison) Cond ductivité électrique (µs/cm) Conductivité électrique du filtrat Étude à l échelle pilote , , ,5 37 3,7 0 NF 90 NF 270 BW 30 NF 70 Type de membrane 37

38 Résultats : Approche globale (moyenne des 2 producteurs et des 3 périodes dans la saison) ph du filtrat Étude à l échelle pilote 7,2 6,1 6,1 6,4 ph ( ) NF 90 NF 270 BW 30 NF 70 Type de membrane 38

39 Résultats : Approche microscopique SÈVE D ÉRABLE Csaccharose = 2,0 % M E M B R A N E CONCENTRÉ Csaccharose = 8,0 % FILTRATE Csaccharose = 0,1 % SIROP D ÉRABLE ÉVAPORATION Rétention pour les composés chimiques (minéraux, sucres, etc.) Ex. Rétention de saccharose = (2,0 0,1)/2,0 = 95 % RÉTENTION IDÉAL PRÈS DE 100% Quand la composition d un composé (ex. saccharose) n est pas détectable dans le filtrat par des méthodes analytiques, la rétention de ce composé est considérée être de 100 % 39

40 Résultats : Approche microscopique Sucres 100% (sucrose, glucose, fructose) Rétention Phénols COMPOSITION DU FILTRAT Acides organiques 100% (Succinic, acetic, fumaric, gluconic, lactic, malic, pyruvic) Rétention Minéraux (K, Mn, Ca, Na, Mg, Zn) (Totaux) Rétention quantifiable des minéraux : 100% Mn : varie entre 93,6 to 99,9 % Rétention Ca : varie entre 95,1to99,8, % K : varie entre 63,0 to 98,5 % 40

41 Résultats : Approche microscopique (moyenne des 2 producteurs et des 3 périodes éi dans la saison) Réten ntion (%) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Rétention de potassium (K) Étude à l échelle pilote 97,02% 97,61% 93,91% 73,43% NF 90 NF 270 BW 30 NF 70 Type de membrane 41

43 Partie B : Évaporation du concentré CONCENTRÉ DE SÈVE Propriétés physico chimiques Minéraux Phénols totaux Acides organiques Profile de sucres Caractéristiques sensorielles Sirops produits pour seulement 1 des 2 producteurs Évaporation à l échelle laboratoire SIROP D ÉRABLE Les résultats de composition suivent la même tendance que pour les concentrés et les filtrats : K + dans le sirop produit à partir du concentré de la membrane NF

44 Résultats : Caractéristiques sensorielles COULEUR = Aucune différence perceptible de la transmittance GOUT : Tests de comparaison Tous les sirops ont été comparés avec la membrane de référence (BW 30) Pas de répétitions 5juges Est ce qu il y avait une différence perceptible entrelesirop produit par la membrane de nanofiltration et celui produit par la membrane de référence d osmose inverse? NF 90 Sirops de DÉBUT de saison AUCUNE DIFFÉRENCE BW 30 Sirop de référence NF 270 NF 70 Sirops de MILIEU de saison AUCUNE DIFFÉRENCE Sirops de FIN de saison NF 70 BW 30 (Différence aperçue) 44

45 Summary Conclusions sur l étude pilote Dans cette étude, nous supposons qu un un sirop d érable devrait : Être produit à partir d un concentré ayant près de 100 % de rétention ti pour chaque composé Avoir des caractéristiques sensorielles comparables à celle d un sirop de référence produit à partir du concentré de la membrane d osmoseinverse La membrane NF 270 n atteint pas la rétention (sélectivité) désirée pour le potassium (K). La performance d autres membranes utilisées dans le domaine acéricole n a napas été évaluée dans cette étude pilote. 45

46 Summary Conclusions La nanofiltration peut être une bonne option lorsque La membrane est choisie avec SOIN et Des bonnes conditions d opération et d entretien sont employées Il est TRÈS IMPORTANT de surveiller les propriétés du filtrat Conductivité électrique Teneur en solides solubles Composition microscopique Dans notre étude, seulement certains composés du sirop d érable ont été analysés. D autres composés tels que les antioxydants, les composés bioactifs, certains acides organiques, etc. n ont pas été étudiés. 46

47 À l avenir Cette étude ouvre la porte à une réflexion sur l établissement de références quant à la rétention minimale nécessaire pour les composés du sirop d érable. 47

48 Merci pour votre attention Ce projet a été réalisé grâce à l aide financière du : MAPAQ Programme d appui financier aux regroupements et aux associations de producteurs désignés La Table sectorielle en acériculture Centre ACER Les travaux ont été complétés par l équipe du Centre ACER avec l aide des conseillers en acériculture du MAPAQ pour les études sur le terrain. 48