Les procédés de séparation par membranes dans l’industrie laitière

Les procédés de séparation par membranes dans l’industrie laitière

L’industrie laitière au Canada

Au Canada, l’industrie laitière se classe au deuxième rang du secteur agricole. En générant 17,0 milliards de dollars de revenus, le lait et les produits laitiers représentent 16 % des revenus totaux des aliments et boissons au Canada (Agriculture et Agroalimentaire Canada, 2016a). Le Québec et l’Ontario se partagent à eux seuls 68,6 % des recettes du secteur laitier, les recettes des autres provinces allant de 0,8 % pour Terre-Neuve et Labrador à 9,3 % pour la Colombie Britannique. Le pays compte plus de 470 usines de transformations laitières par lesquelles sont passés plus de 80 millions d’hectolitres de lait issus de plus de 11 600 fermes laitières au cours de l’année 2015 (Agriculture et Agroalimentaire Canada, 2016a et 2016b).Trois multinationales — Agropur, Saputo, et Parmalat/Lactalis — dominent la transformation laitière au Canada (Agriculture et Agroalimentaire Canada, 2016b). Agropur est une coopérative d’origine québécoise, Saputo une entreprise privée d’origine québécoise, et Parmalat/Lactalis une entreprise privée d’origine européenne (Les Producteurs de Lait du Québec, 2014). Les chiffres d’affaires de Parmalat/Lactalis et Saputo les classent parmi les neuf plus grandes entreprises du secteur laitier du monde (Centre Canadien d’Information Laitière, 2016a). Ces trois entreprises sont propriétaires de 14 % des usines de transformations du Canada et transforment environ 75 % du volume de lait produit au Canada (Les Producteurs laitiers du Canada, 2011). Ainsi, quand les usines de ces trois géants transforment en moyenne 910 000 hectolitres de lait par an et par site, les autres entreprises transforment en moyenne 49 400 hectolitres par an. Ces différences de volumes suggèrent des capacités de productions différentes mais aussi des efficacités et des procédés de transformations différents.Le lait canadien est principalement transformé en laits de consommation et fromages. La figure 2.1 présente l’utilisation faite du lait au Canada. Outre leur conditionnement, les laits de consommation se distinguent par leur teneur en matière grasse (3,25 %, 2 %, 1 %, écrémé) et leur durée de conservation.Le Canada a produit 440 000 tonnes de fromages en 2015 (Agriculture et Agroalimentaire Canada, 2016a). La figure 2.2 présente la production canadienne de fromage par variété pour l’année 2015. Le cheddar et la mozzarella sont les variétés les plus produites avec une production de plus de 125 000 tonnes chacune. Comparativement à la Nouvelle-Zélande et à l’Union Européenne, le Canada est un petit producteur d’ingrédients à base de protéines laitières mais les plus gros transformateurs canadiens disposeraient des technologies et des infrastructures pour produire la grande majorité de ces ingrédients (Doyle, 2007).

Les procédés de séparation par membranes dans l’industrie laitière

Les opérations de séparation par membranes sont devenues une étape importante et systématique de la préparation des produits laitiers, et plus particulièrement dans la préparation des ingrédients laitiers (GEA, 2003). Les membranes sont utilisées pour séparer des substances de tailles inférieures à 10 µm en suspension dans les fluides laitiers en fonction de leur dimension et/ou de leur poids moléculaire (TetraPak, 2003). Le tableau 2.1 présente quelques caractéristiques des constituants du lait cru.La plupart des membranes utilisées en transformation laitière sont constituées d’un support macroporeux sur lequel est déposée une fine couche de membrane filtrante. Cette dernière est poreuse dans le cas de la microfiltration (MF), l’utrafiltration (UF), et la nanofiltration (NF), et permsélective dans le cas de l’osomose inverse (OI) (Bimbenet & al., 2007). Les membranes sont organiques (polymériques) ou inorganiques (céramiques) et sont présentées selon divers arrangements (plan, spiralé, à fibres creuses, tubulaire) dans les modules industriels. Dans ces modules fermés, le flux d’alimentation est orienté tangentiellement à la surface de la membrane et c’est la différence de pression entre les deux faces de la membrane (pression trans-membranaire) qui permet la séparation de la solution d’alimentation en perméat (le filtrat) et rétentat (TetraPak, 2003). Les membranes se distinguent par les matériaux utilisés pour leur fabrication, mais aussi par la taille de leurs pores, et la limite nominale de poids moléculaire (plus petite masse moléculaire retenue à 90 % par la membrane) pour les membranes d’UF et NF. La limite nominale de séparation de poids moléculaire n’est qu’une indication puisque la concentration du flux d’alimentation, la pression appliquée, les caractéristiques moléculaires, la charge, et l’adsorption, peuvent aussi avoir un impact sur la sélectivité des membranes (De Boer, 2014). Le principe des membranes d’OI est de faire passer le solvant à l’inverse du gradient de concentration en appliquant de fortes pressions (Bimbenet & al., 2007). Le tableau 2.2 présente les principales caractéristiques des procédés de séparation par membranes. On remarquera que plus la taille des pores est faible plus la pression appliquée est importante. Enfin, les opérations sont conduites à 10 ou 50°C afin de limiter le développement des micro-organismes (De Boer, 2014).

Table des matières

Abstract
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Remerciements
Avant-propos
1. Introduction
2. Revue de littérature
2.1. L’industrie laitière au Canada
2.2. Les procédés de séparation par membranes dans l’industrie laitière
2.3. L’évaluation des impacts environnementaux
2.4. Les outils d’aide à la décision disponibles pour les industriels laitiers
2.5. Les simulateurs de procédés
3. Hypothèse et objectifs
3.1. Principaux enseignements de la revue de littérature _
3.2. Hypothèse
3.3. Objectifs
4. Ecoefficiency applied to dairy processing: from concept to assessment
Résu-mé
Abstract
4.1. Introduction
4.2. The eco-efficiency concept
4.2.1. Origins of the concept
4.2.2. Presentation of the concept
4.2.3. Eco-efficiency key aspects
4.3. Dairy processing: a multi-stakeholder activity, both consumer of natural resources and source of potentially polluting discharges into the environment.
4.3.1. A multi-stakeholder activity
4.3.2. A consumer of natural resources and a source of potential pollution released into the environment
4.4. Eco-efficiency guidelines and implementation
4.4.1. WBCSD eco-efficiency guidelines
4.4.2. Implementation of the eco-efficiency concept
4.4.3. Incentives and challenges
4.5. Measuring eco-efficiency
4.5.1. Efficiency and intensity assessments
4.5.2. A normalised assessment method
4.5.3. Assessing environmental impacts with Life Cycle Assessments
4.5.4. Determining the associated value
4.5.5. Eco-efficiency indicators
4.6. Process simulation as support for eco-efficiency assessments
4.6.1. Presentation of process simulation
4.6.2. Process simulation and eco-efficiency
4.7. Conclusion
5. Évaluation de l’éco-efficacité par simulation de procédés dans le domaine de la transformation laitière.
Résumé
5.1. Introduction
5.2. Démarche proposée
5.2.1. Concept de base de l’outil
5.2.2. Exigences relatives au développement de l’outil
5.2.3. Approche logicielle
5.3. Modélisation des procédés
5.3.1. Choix de réalisation et explications
5.3.2. Méthodes de développement informatique
5.3.1. Modélisation de procédés
5.4. Évaluation des impacts potentiels à l’environnement et de la valeur associée au procédé modélisé
5.4.1. Principes des calculs
5.4.2. Inventaire des flux de matières et d’énergies
5.4.3. Impacts potentiels à l’environnement
5.4.4. Valeur économique associée au procédé
5.5. Présentation des résultats
5.5.1. Indicateurs d’éco-efficacité
5.5.2. Contributions aux impacts
5.5.3. Paramètres économiques
5.6. Démonstration
5.6.1. Description des scénarios évalués
5.6.2. Résultats de l’évaluation
5.6.3. Bilan de la démonstration
5.7. Discussion
5.7.1. Avantages de la méthode
5.7.2. Possibilités d’amélioration
5.8. Conclusion
6. Contribution des procédés baromembranaires à l’éco-efficacité des procédés de transformation des produits laitiers
Résumé
6.1. Introduction
6.2. Matériel et méthodes
6.2.1. Scénarios évalués
6.2.2. Évaluation de l’éco-efficacité des scénarios
6.2.3. Modélisation des procédés de séparations par membranes
6.2.4. Modélisation du procédé fromager
6.2.5. Modélisation des opérations d’évaporation et séchage
6.2.6. Paramètres économiques
6.3. Résultats
6.3.1. Produits laitiers générés
6.3.2. Distribution des fluides à l’étape de standardisation
6.3.3. Unités de filtration
6.3.4. Indicateurs d’éco-efficacité
6.3.5. Contributions aux impacts potentiels à l’environnement
6.3.6. Viabilités économiques
6.4. Discussion
6.4.1. Rendements laitiers
6.4.2. Effets de la distribution différenciée des fluides
6.4.3. Éco-efficacités comparées
6.4.4. Réalisme des modélisations des unités de filtration
6.5. Conclusion
6.6. Remerciements
7. Conclusion générale
7.1. Principaux résultats
7.1.1. État des lieux de la mise en œuvre du concept d’éco-efficacité dans le domaine de la transformation laitière.
7.1.2. Développement d’un nouvel outil d’évaluation de l’éco-efficacité en transformation laitière
7.1.3. Contribution des procédés baromembranaires à l’éco-efficacité des transformations laitières
7.2. Contributions originales de la thèse
7.2.1. Un état des lieux instructif et exemplaire du concept d’éco-efficacité
7.2.2. Une méthode et un outil novateur
7.2.3. Une démonstration éclairante de la contribution des procédés baromembranaires à l’écoefficacité en transformation laitière
7.3. Perspectives
7.3.1. Poursuite des travaux de recherche
7.3.2. Développements à plus long terme
Bibliographie

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