Durabilité et technologie des membranes

Le développement durable et le changement climatique, la rareté et la qualité de l’eau, l’équilibre des ressources, ainsi que les applications médicales et liées aux sciences de la santé sont cinq des principaux défis auxquels la technologie des membranes doit répondre. Une technologie dont l’application s’est progressivement étendue à divers domaines, comme celui de l’industrie alimentaire. Nous vous expliquons comment cette technologie s’inscrit dans la stratégie d’économie circulaire à travers un projet axé sur la valorisation des saumures (olive de table) grâce à l’utilisation de technologies durables. Les processus de séparation par membranes se définissent comme des opérations unitaires dans lesquelles une barrière fine permet le passage sélectif de certaines substances tout en empêchant ou retenant le transport d’autres composés. Cela permet de former un flux avec le matériau ayant traversé la membrane et un autre flux concentré en substances retenues. Autrement dit, dans une définition plus simplifiée, il s’agit d’un filtre dont la taille des pores est invisible, si petite qu’elle peut ne présenter aucun type de pore. La séparation peut se produire de différentes manières, dont voici quelques exemples :

• Par différence ou gradient de pression, comme la microfiltration, l’ultrafiltration, la nanofiltration ou l’osmose directe, incluant dans ce domaine les bioréacteurs à membrane (MBR).
• Par différence d’activité, de potentiel chimique ou de pression partielle, comme la pervaporation ou la séparation des gaz.
• Par différence de température, comme la distillation par membranes ou les contacteurs à membrane.
• Par différence ou gradient de potentiel électrique, comme l’électrodialyse ou les électrolyseurs à membrane.

Applications des technologies des membranes : eaux de process et eaux usées

À l’échelle industrielle, les technologies des membranes ont diverses applications pour le traitement des eaux de process et des eaux usées, poursuivant généralement les objectifs suivants :

• Concentrer un composant souhaité en éliminant les autres composants qui le contaminent (par exemple, concentrés de protéines à partir du lactosérum).
• Purifier un composé en éliminant les impuretés ou les composants indésirables présents dans le flux initial (par exemple, amélioration de la qualité de l’eau pour son utilisation, sa réutilisation ou son rejet dans l’environnement).
• Fractionner un flux en deux ou plusieurs composants d’intérêt (par exemple, obtention de différentes fractions protéiques ou de polypeptides pour des usages très spécifiques). Cela implique des structures et des configurations de fonctionnement complexes et polyvalentes, allant des membranes poreuses capables d’éliminer les protozoaires, virus et bactéries, aux membranes non poreuses ou denses, capables de retenir des ions et de séparer des mélanges azéotropes.

La relation entre technologie des membranes et durabilité : quel est le lien ?

Depuis quelque temps déjà, son application s’étend progressivement à divers domaines tels que l’industrie agroalimentaire, la biotechnologie, l’énergie, la biomédecine et l’ingénierie tissulaire, le textile, la cosmétique, les encres et vernis, le traitement des eaux usées et la production d’eau potable, la dessalination des eaux saumâtres et salines, ou encore l’élimination des contaminants émergents. En particulier, l’utilisation de la technologie des membranes pour le traitement des eaux, qu’elles soient usées ou de process, s’inscrit dans la stratégie d’économie circulaire et est intensivement appliquée dans :

• Les processus de conditionnement des eaux de process.
• Les systèmes de nettoyage et de régénération des eaux pour des usages industriels et agricoles
• La production d’eau potable pour la consommation humaine.
• Le traitement des rejets d’eaux usées, qu’ils soient municipaux ou industriels.

Quels sont les principaux défis auxquels la technologie des membranes doit répondre ?

Les principaux défis et besoins essentiels auxquels la technologie des membranes doit faire face sont :

• Développement durable et changement climatique :
  • Nouveaux matériaux pour la séparation des gaz et des eaux, particulièrement fonctionnels et capables de surmonter le principal problème de tout processus de membrane : l’encrassement.
  • Nouveaux procédés résistants aux solvants et destinés à la capture du CO? pour la décarbonation de l’industrie.
  • Infrastructures vertes, solutions de remédiation et intégration dans des capteurs de surveillance.
  • Application dans des systèmes décentralisés de traitement des eaux, des processus industriels agroalimentaires, des systèmes de production d’énergie et toute autre industrie permettant l’extraction de composés à forte valeur ajoutée, ainsi que la réduction de la consommation d’eau et de l’empreinte hydrique.
  • Amélioration des opportunités de recyclage et de réutilisation des eaux usées.
• Rareté et qualité de l’eau :
  • Nouvelle génération de membranes d’osmose inverse.
  • Nouvelle génération de membranes d’osmose directe.
  • Extension aux traitements à grande échelle des eaux usées, eaux grises et eaux pluviales pour purification et réutilisation.
• Équilibre des ressources :
  • Mise en œuvre dans les systèmes de distribution d’eau.
  • Mise en œuvre dans les systèmes de transport et les réseaux d’énergie.
• Applications médicales et liées aux sciences de la santé :
  • Développement de systèmes artificiels et extracorporels pour le foie, les poumons ou les reins, ainsi qu’en hémodialyse et aphérèse, entre autres.
  • Intégration de la biotechnologie blanche et rouge à l’industrie, comme l’ingénierie tissulaire ou les applications bioélectrochimiques.
  • Libération contrôlée de composés actifs.
• Énergies renouvelables et conversion énergétique :
  • Nouvelle génération de piles à combustible et électrolyseurs.
  • Nouveaux systèmes plus efficaces pour la capture du CO? et l’amélioration de l’hydrogène bio, du biométhane et du biogaz.

GREEN BRINE ou comment appliquer l’économie circulaire et les membranes : Membranes comme prétraitement durable dans la valorisation des saumures à travers le concept d’économie circulaire.

Un exemple d’application de la technologie des membranes dans le cadre du concept d’économie circulaire est le projet stratégique en coopération GREEN BRINE, financé par l’Agence Valencienne de l’Innovation (AVI) dans le cadre de son appel à projets de 2021. Ce projet se concentre sur la valorisation des saumures issues du traitement et de la conservation des olives de table, en appliquant le concept d’économie circulaire grâce à l’utilisation de technologies durables. Un projet sur lequel nous travaillons depuis AINIA en collaboration avec l’Institut de Technologie Céramique (ITC-AICE) et Aceitunas Cazorla, et qui vise à :

• Donner une seconde vie utile à ces saumures en obtenant des composés bioactifs à forte valeur ajoutée.
• Générer des ressources d’intérêt pour l’industrie.
• Minimiser la matière organique contenue dans ces saumures en la transformant en un vecteur énergétique, obtenant ainsi une eau épurée.

En d’autres termes, ce projet utilise un déchet à forte salinité et charge organique pour, grâce à ses propriétés particulières, apporter une dimension circulaire et récupérer tous les produits possibles d’un résidu qui, à l’origine, n’aurait eu d’autre utilité que celle pour laquelle il avait été préparé et utilisé. Cependant, pour tirer le meilleur parti de ce flux considéré comme une source de ressources, il est indispensable d’appliquer des technologies de membranes pour extraire ces composés bioactifs, en particulier les composés phénoliques de grande et de petite taille, et pour conditionner le flux de manière appropriée en vue de son traitement en fin de ligne par des procédés bioélectrochimiques, où les membranes jouent également un rôle essentiel pour garantir leur efficacité et, par conséquent, atteindre les objectifs fixés.