Filtration tangentielle
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La filtration tangentielle, en anglais : cross-flow filtration, est un procédé de filtration membranaire destiné à séparer les particules d'un liquide par leur taille. Ce procédé s'oppose à la filtration frontale (en anglais : Dead-end filtration), dans laquelle le flux est perpendiculaire au filtre. Permettant de filtrer les levures et de bactéries, ce type de filtration est très présent dans l'industrie agroalimentaire.
Principe
Le flux du liquide est parallèle au filtre. C'est la pression du fluide qui permet à celui-ci de traverser le filtre. Ceci a pour conséquence que les particules assez petites passent au travers du filtre alors que celles qui sont de taille trop importante continuent leur route via le flux[1].
Le flux de fluide est divisée en deux courants :
- le flux BP (basse pression) qui traverse la membrane, dit aussi perméat ou flux perméé;
- le flux HP (haute pression) qui longe la membrane, dit aussi rétentat ou flux non perméé.
Le rapport entre le débit de circulation du flux de solution à filtrer (flux BP) et le débit de perméat (flux HP) peut être d’un à plusieurs facteurs 100[2].
L'élément filtrant peut être une membrane poreuse minérale ou en polymère organique. La pression de service va de 0,3 à 0,4 MPa[1].
Il existe quatre types de modules permettant de mettre en oeuvre la filtration tangentielle.
Module plan
Ce module est constitué d'un empilement de membrane et de plaques supports. Le canal de circulation du fluide présente alors une configuration tortueuse, avec de fortes pertes de charges[3]. Ce système est adapté au flux de basse pression (0,2 MPa)[1].
Module spiralé
Les feuilles de membranes, séparées par des espaceurs permettant la formation d'un espace pour la circulation du liquide, forme une cellule unique, enroulée autours d'un tube, formant un cylindre. Le perméat est recueilli au centre de ce tube. Ces modules présentent un bon débit, et leur remplacement des modules est aisé. Cependant, ils sont sensibles au colmatage et difficiles à nettoyer[1]. Ce sont les types de modules les plus utilisées dans le traitement de l'eau[4].
Module tubulaire
La membrane est située sur la surface interne de tubes supports poreux,et la filtration est effectuée de l’intérieur vers l’extérieur. Ce système permet une grande vitesse de circulation du liquide, et permet de traiter des liquides visqueux ou chargés[1].
Module à fibres creuses
Les modules à fibre creuses présentent un assemblage de tube de membranes très fins (diamètre intérieur de 25 à 800 µm, diamètre extérieur de 50 à 1 000 µm), assemblée dans un module pouvant contenir plusieurs millions de fibres. Le passage peut avoir lieu vers l'intérieur ou l'extérieur. Ce type de module est plus sensible au colmatage, et le coût de remplacement des membranes est élevé. Pour remédier à ces problèmes, certains modules sont décolmatable à contre-courant[1].
Avantages et inconvénients
Avantages
Ce type de filtre se nettoie automatiquement du fait du simple balayage du fluide à la surface de la membrane, et sa fréquence de remplacement est faible[1]. Il peut aussi, dans certaines applications, être nettoyé par inversion du flux (backwash). Son utilisation est automatisable[5].
Inconvénients
La filtration tangentielle est réservée à la séparation des très petites particules[6], d'une taille allant du nanomètre jusqu'au micromètre. Son coût d'investissement est élevé, et son débit par unité de surface est limité[5]. Le liquide à filtrer doit circulier le long de la membrane à des vitesses relativement élevées (2 à 5 m/s), ce qui implique des pompes de grande taille et une consommation d’énergie élevée[2].
Utilisations
La filtration tangentielle peut s'utiliser de deux manières :
- soit pour filtrer la solution en éliminant à la surface de la membrane les particules les plus grosses : on s'intéresse alors au filtrat (ou perméat) ;
- soit pour purifier la solution en laissant passer à travers la membrane les molécules de petite taille, notamment les solvants : on s'intéresse alors au rétentat qui reste en amont de la membrane. Cette technique de purification est souvent employée pour séparer les protéines de grande taille des molécules de plus petite taille qui sont à éliminer.
La filtration tangentielle peut également être utilisée en microfiltration et ultrafiltration (filtration pour de très petites particules, particules solides de 0,1 à 10 µm pour la microfiltration, et macromolécules de 0,06 µm pour l’ultrafiltration)[1].
Industrie agro-alimentaire
La filtration tangentielle est très utilisée dans les industries agro-alimentaires (et pharmaceutique[1]), notamment car elle peut être considérée comme stérilisante[7].
La filtration tangentielle et microfiltration tangentielle peuvent être utilisées dans l'industrie du vin. Cette technique simplifie la logistique de filtration du vin, est économique, car présentant moins de consommables, déchets et pertes de vin que la filtration sur kieselguhr, mais présente un débit moyen (8 à 13 hl/heure) plus faible que d'autres techniques. Elle peut entrainer une diminution de la couleur du vin, mais limite le secouage du vin par rapport à la filtration sur kieselguhr[8]. Le vin peut être stérilisé par l'utilisation de cette filtration, ce qui permet de limiter l'emploi de sulfites ou de la flash-pasteurisation[5]. Les membranes utilisées sont variées : membranes organiques (polysulfone, polyethersulfone, polyamide, polyacrylonitrile), minérales (alumine, carbone ou oxyde de titane), membranes composites. Leurs pores du média filtrant mesurent de 0,05 à 3 ou 8 μm[5]. Le média filtrant doit être changé tous les 4 ans au minimum, et nécessite des débits d'eau (froide et chaude) importante pour son nettoyage. Un nettoyage chimique est également nécessaire[8].
Des travaux concernant l'intérêt de la filtration tangentielle en brasserie (production de bière) ont été réalisés, insistant sur les intérêts de cette technique qui permet une filtration en continue sans consommer de kieselguhr[9].
Cette filtration est également utilisée dans d'autres types d'industrie alimentaire, comme pour la fabrication de certains fromages[10],[11] ou de produits issus de l'oeuf[12].
Traitement de l'eau
La filtration tangentielle peut être utilisée pour la production d'eau potable[4],[13].
Dans le vivant
La filtration glomérulaire du plasma, dans le rein, est réalisée de manière tangentielle par le glomérule rénal, à travers un filtre dialysant comportant l’endothélium capillaire, la membrane basale glomérulaire et l’épithélium urinaire[14].
