Membranes de rechange L'entretien est la clé de la séparation membranaire

Optimisez vos profits avec un entretien régulier pour garder vos membranes en parfait état de fonctionnement

La filtration sur membrane est la clé de l'efficacité de nombreuses usines de transformation. Il est par conséquent essentiel de veiller à assurer leur maintenance correcte pour optimiser les profits et maintenir les membranes dans un état de fonctionnement optimal. Une grande usine de production de fromage américaine en est le parfait exemple. Il y a quelques années de cela, cette fromagerie s'est dotée d'une installation d'ultrafiltration mettant en œuvre des membranes spiralées pour la récupération des protéines de lactosérum. Selon les spécifications, l'installation devait traiter deux millions de livres de lactosérum par jour pour produire un concentré protéique de lactosérum (CPL) à 80 %. Mais dès le départ, le CPL avait une concentration de 75-77 % seulement en raison de l'inefficacité de l'installation de filtration. Ce concentré de qualité inférieure devait être vendu sur un marché différent à un prix fortement réduit, ce qui représentait pour l'exploitation laitière un manque à gagner de 15 000 $ environ par mois.

Introduction à la séparation membranaire dans les exploitations laitières

L'entretien est la clé de la séparation membranaire
L'entretien est la clé de la séparation membranaire

Les exploitations laitières sont toutes différentes. Chaque installation est unique et fabrique des produits spécifiques à partir de flux organiques complexes. Bien que toutes les exploitations laitières transforment le lait, les flux laitiers varient en fonction de facteurs spécifiques, tels que la race des vaches, les régimes alimentaires et les conditions environnementales. Le bassin laitier fabrique une large gamme de produits, dont un grand nombre inclut la filtration membranaire comme procédé clé, notamment :

  • Le lait, le lait écrémé et la crème de base
  • Les fromages de types et saveurs variés
  • Les protéines à valeur élevée issues du lactosérum doux
  • Les produits laitiers à valeur ajoutée, dont le lait à durée de conservation prolongée (ESL - « extended shelf life »)
  • Les aliments fonctionnels et les produits nutritionnels, tels que le lait infantile et les barres nutritionnelles
  • Les nutraceutiques, tels que les produits de performance sportive
  • Les produits médicaux destinés aux vaccins et à la guérison des plaies
  • Les produits de soin, tels que les shampoings et les dentifrices
  • Les aliments pour animaux

La filtration tangentielle sur membrane s'est imposée comme la technologie de choix pour l'isolation et la concentration de nombreux composants laitiers sensibles. Elle constitue un moyen économique pour obtenir des séparations très spécifiques à basses températures ou à températures ambiantes sans changement de phase. Plusieurs technologies fondamentales sont largement utilisées :

  • L'osmose inverse est une technique éco-énergétique de déshydration souvent utilisée pour préconcentrer les flux laitiers ou alimentaires avant la phase d'évaporation.
  • La nanofiltration peut permettre l'obtention de séparations très spécifiques de composants de faible poids moléculaire, et est utilisée pour la récupération de protéines hydrolysées, la concentration des sucres et le décendrage des produits laitiers.
  • L'ultrafiltration est utilisée pour concentrer et purifier des composants de poids moléculaire moyen à élevé, tels que les enzymes, les glucides et les protéines laitières.
  • La diafiltration est souvent associée à l'ultrafiltration pour une récupération supplémentaire de produit, via une injection d'eau destinée à éliminer les composants solubles et les éléments à faible poids moléculaire.
  • La microfiltration élimine les bactéries et les spores du lait, sépare les particules en suspension et fractionne les protéines du lait. Elle récupère également les produits chimiques de nettoyage.

Les membranes de séparation sont fabriquées dans différents matériaux. Les membranes polymères sont les plus courantes et les plus économiques pour les applications laitières typiques. Les membranes polymères sont disponibles sous forme spiralée pour applications à grands volumes avec une quantité minimale ou nulle de solides en suspension. Les configurations tubulaires résistent au colmatage et sont donc généralement utilisées pour les applications avec des solides en suspension ou des composés fibreux. Les membranes polymères en fibres creuses ont une très haute densité et une conception à canal ouvert, lesquelles sont idéalement adaptées aux flux de liquides à faible teneur en solides nécessitant un lavage à contre-courant depuis le côté perméats. Pour une solidité optimale et une bonne résistance à des conditions extrêmes en termes de pH, de température ou de solvants, il est recommandé d'utiliser des membranes inorganiques en céramique ou en acier inoxydable. Les membranes en céramique sont souvent utilisées dans la microfiltration, pour l'élimination des bactéries et des spores.

Les applications types de la séparation membranaire dans l'industrie laitière incluent :

  • La production de concentré protéique de lactosérum (CPL) et d'isolat de protéine de lactosérum (IPL)
  • La normalisation protéique du lait avant la production du fromage, pour une augmentation du rendement
  • La concentration et la déminéralisation du lactosérum, pour une réduction des coûts énergétiques
  • La réduction des charges DBO/DCO des flux de perméats et de condensats de l'évaporateur, pour une réduction des coûts de traitement des eaux usées
  • Le nettoyage de la saumure
  • L'élimination des bactéries et/ou des spores du lait ou du lactosérum
  • La clarification et la réutilisation de la soude caustique et/ou de l'acide du nettoyage en place (NEP)

Le dilemme du nettoyage

La détérioration rapide du lait est à l'origine d'une production de toxines et de bactéries, ce qui explique l'importance capitale du nettoyage dans le procédé de transformation du lait. En raison de la nature du flux laitier, les usines de transformation sont souillées et doivent être nettoyées tous les jours. Le nettoyage peut être rendu difficile par des accumulations complexes de produits en provenance des flux laitiers. Les exploitations laitières prétraitent souvent les flux d'alimentation pour minimiser l'encrassement.

Les systèmes NEP types nécessitent trois facteurs pour assurer un nettoyage correct : un flux turbulent, une concentration chimique et des températures élevées. La plupart des éléments des membranes polymères spiralées ont une limitation thermique de 50 °C (122 °F). Il y a également des limitations de pH, car le matériau de la membrane est très souvent déposé sur un support en polyester. Ce support est très facilement hydrolysé à pH élevé et faible, si bien que la présence d'un nettoyant chimique concentré n'est pas souhaitée. Les membranes sont également quelque peu limitées par leur intégrité structurelle et leur capacité à résister à la vitesse élevée et aux hautes turbulences des procédés de nettoyage. Les trois facteurs requis pour un nettoyage correct sont par conséquent limités.

Les progrès considérables réalisés au cours des dix dernières années dans le domaine du nettoyage permettent un nettoyage facilité et plus doux, mais toujours aussi efficace. Ces progrès ont permis une utilisation plus généralisée de la technologie de séparation membranaire et ont éliminé une partie des problèmes de nettoyage. Ces nouveaux systèmes utilisent un nettoyant caustique doux avec des enzymes pour faciliter la décomposition des molécules salissantes et les chélateurs, et pour conserver les produits décomposés dans la solution.

Les systèmes de séparation membranaire nécessitent généralement un investissement initial inférieur, mais les besoins de nettoyage augmentent les coûts d'exploitation. Les procédures de nettoyage doivent être rigoureusement observées. Aucune déviation n'est permise, si bien qu'il est crucial de veiller à ce que les opérateurs des exploitation laitières fassent correctement fonctionner les installations et procèdent à leur nettoyage correct, conformément aux instructions.

Certains types de membranes peuvent être nettoyés à l'aide de chlore, mais de nombreux autres types, notamment les membranes polymères, ne tolèrent pas le traitement au chlore. Aujourd'hui, les exploitations laitières sont dotées de systèmes distincts qui évitent toute possibilité de contact du chlore et des membranes polymères, et par conséquent les dommages qui résulteraient d'un tel contact.

Les incontournables d'un bon service

Une offre de service complète d'un fournisseur de membranes de filtration membrane inclut des éléments clés, à savoir : la formation, le contrôle et l'optimisation ; les membranes de rechange ; et la conception, le développement et la mise à l'essai des procédés.

Formation

Lorsqu'un procédé de filtration sur membrane est introduit dans une installation, il est essentiel pour le fabricant de fournir aux opérateurs une formation complète couvrant les paramètres et le fonctionnement du procédé. Des procédures opérationnelles cohérentes sont essentielles pour assurer les performances fiables des systèmes de séparation membranaire, si bien qu'une formation est généralement proposée au moment de l'installation. Une fois le système en service, des techniciens GEA assurent des visites régulières pendant toute la durée de vie utile de l'installation, pour vérifier si les meilleures pratiques sont toujours observées et, à défaut, mettre en place une action corrective. Il est ainsi possible de maintenir des performances de séparation optimales.

Contrôle et optimisation

Le fonctionnement correct d'un procédé de séparation de produits laitiers permettra d'augmenter la durée de vie des membranes et d'améliorer la qualité du produit. Les membranes s'usent progressivement avec une utilisation constante, et la qualité du produit final diminue avec le temps. Par exemple, lors de la concentration de protéines de lait, le taux de protéines retenues peut atteindre 99,5 % au début des opérations, mais peut chuter de 1 % en une ou deux semaines. Le point au niveau duquel la membrane doit être remplacée dépend du taux de protéines retenues requis, de la valeur du produit perdu, des exigences en matière d'effluents et des autres procédés en aval.

GEA travaille en étroite collaboration avec ses clients pour décider du moment optimal pour le remplacement via la réalisation d'une analyse économique et l'équilibrage de la perte de profit et du coût des membranes, permettant ainsi une optimisation des profits pour l'exploitation laitière.

 

Membranes de rechange

Les membranes organiques ont une durée de vie limitée et doivent être remplacées périodiquement, généralement une ou deux fois par an, en fonction des taux et des conditions de traitement. GEA stocke des membranes de rechange et collabore avec les techniciens d'entretien de chaque exploitation laitière pour établir un historique des remplacements et prédire le moment où de nouvelles membranes seront nécessaires.

En cas de défaillance catastrophique d'une membrane (par exemple si une membrane polymère est incorrectement nettoyée ou est soumise à des conditions extrêmes), il est essentiel de procéder à son remplacement rapide pour minimiser l'arrêt des installations. Ceci arrive parfois soudainement. GEA a des membranes en stock dans des dépôts centraux, dispose de stocks de consignation avec des fabricants, et conserve des membranes de rechange sur des sites de clients stratégiques, de façon à pouvoir assurer un temps de réponse très rapide.

Conception, développement et mise à l'essai des procédés

GEA collabore avec ses clients dès la phase de développement de procédé afin de permettre la conception de produits leaders sur le marché et leur fabrication de façon aussi efficace et aussi durable que possible. En mettant à profit son expérience et son savoir-faire pour guider ses clients, GEA peut aider à concevoir de nouveaux produits et à les mettre rapidement et efficacement sur le marché. Un essai pilote, par exemple, peut permettre d'établir la meilleure façon d'isoler un composé particulier d'un flux de procédé. Des installations pilotes GEA sont disponibles au siège social de l'entreprise, à Hudson (Wisconsin, USA), ou peuvent être louées pour des essais sur site.

Si un client souhaite mettre en place un procédé sans réaliser d'essais, les ingénieurs GEA peuvent concevoir une installation et générer une offre sur la base de la capacité et de la qualité produit souhaitées.

Modèles de service pour un fonctionnement optimal

GEA met à profit son expertise dans le domaine des procédés pour développer des programmes d'entretien prédictif pour ses clients. En préservant son indépendance, GEA est en mesure de se procurer des membranes auprès des fournisseurs les plus appropriés pour chaque application et de satisfaire les besoins de chaque client. La combinaison de cette indépendance et de la technologie de pointe de GEA fait de l'entreprise un puissant partenaire de services pour les transformateurs de produits laitiers dans le monde entier.

GEA propose un programme d'entretien de membrane avec trois niveaux de service, conçu pour satisfaire les besoins de toute exploitation laitière ou transformateur en matière de filtration membranaire. Les trois niveaux de service sont les suivants : le Plan de remplacement de membrane, le Contrat d'entretien de membrane et le Programme de maintenance de membrane.

Plan de remplacement de membrane

GEA fournit des membranes améliorant les performances du procédé à un prix compétitif. Si nécessaire, les membranes peuvent être livrées sur stock à court terme. GEA entretient des relations avec tous les principaux fabricants de membranes et peut tirer parti de son pouvoir d'achat pour obtenir les meilleurs prix possibles et des garanties fabricant optimales. Le programme inclut des visites de techniciens d'entretien GEA hautement expérimentés, dont les conseils et les recommandations peuvent souvent aider les clients à améliorer les niveaux de profit. Ce plan est disponible pour toute exploitation laitière, même celles ayant initialement acquis des membranes auprès d'un autre fournisseur.

Contrat d'entretien de membrane

En plus des avantages du Plan de remplacement de membrane, ce service GEA de niveau intermédiaire assure au client l'aide d'ingénieurs et de techniciens d'entretien pour la réalisation d'audits de procédé et de recommandations afin d'optimiser les performances de tous les systèmes de filtration de l'installation. Le client peut également bénéficier des conseils et des directives du groupe de conception et d'ingénierie de procédé de GEA.

Programme de maintenance de membrane

Ce service de niveau supérieur inclut l'intégralité du Plan de remplacement de membrane auquel s'ajoute un contrat d'entretien pour une durée de trois ans en général. Dans le cadre de ce contrat, GEA assure la mise à disposition du client d'un technicien d'entretien dédié contre paiement mensuel. Le technicien vérifie que toutes les membranes et tous les systèmes de procédés sont en parfait état et fonctionnent correctement. Via une surveillance constante, le technicien d'entretien peut recueillir toutes les informations nécessaires pour optimiser le moment du remplacement et planifier le travail en conséquence. 

Ce programme prévoit également un technicien de garde pour assurer une assistance immédiate en cas de besoin. 

En assumant la responsabilité de la gestion des problèmes dans le cadre du programme, il est dans l'intérêt de GEA de veiller à ce que le technicien surveille étroitement le fonctionnement des installations et maintienne une étroite relation de travail avec les opérateurs pour assurer le respect permanent des meilleures pratiques. Ce programme inclut également une formation annuelle pour les opérateurs.

Avec le Programme de maintenance de membrane, le client bénéficie d'un certain nombre d'avantages importants :

  1. La société d'entretien assume la responsabilité relative aux performances des membranes, et le fonctionnement de toutes les membranes est maintenu à un niveau optimal, pour une rentabilité maximale
  2. Le risque de défaillance de membrane est transféré à la société d'entretien
  3. Le client a un budget fixe, avec conversion du coût d'investissement pour le remplacement des membranes en charge d'exploitation mensuelle, ce qui s'avère plus simple pour la comptabilité et l'établissement des budgets
  4. À mesure des avancées technologiques, GEA Filtration peut recommander des modifications pour améliorer les opérations
  5. Le programme d'entretien est personnalisé pour chaque client individuel

Les techniciens d'entretien dédiés de GEA fournissent les ressources qui permettent à l'entreprise de proposer autant de niveaux de service personnalisé. Leur tâche principale est de se déplacer d'un site à l'autre et d'assurer la maintenance des installations couvertes par des contrats de maintenance et d'autres contrats de service. Ce personnel permanent est constitué d'experts dûment formés disposant chacun de 10 à 15 années d'expérience professionnelle à plein temps en matière d'entretien des systèmes de séparation membranaire. Ces experts travaillent tous les jours dans le domaine de la séparation membranaire : ils chargent les membranes, forment les opérateurs, passent en revue les journaux de procédés et assurent le maintien des contacts avec les clients. Leur grande expérience leur permet de diagnostiquer les problèmes les plus courants via un simple coup d'œil sur une membrane. Les techniciens d'entretien sont également familiarisés avec les exigences des organismes de réglementation et l'établissement des rapports, et connaissent bien les systèmes de commande de procédés. 

Tous les techniciens d'entretien de GEA Filtration ont un acquis technique pratique et disposent des compétences, du bon sens, des aptitudes pratiques et de l'esprit mécanique nécessaires pour leur permettre de diagnostiquer les problèmes lors du contrôle des installations. Chaque technicien d'entretien est associé à une zone géographique dédiée et développe d'étroites relations de travail avec les clients appartenant à cette zone géographique.

Les techniciens d'entretien bénéficient du soutien d'un important service ingénierie des procédés au siège social de GEA à Hudson, dans le Wisconsin (USA). En cas de problème inhabituel, la section ingénierie des procédés leur fournit des conseils et une assistance. Les ingénieurs posent des questions détaillées pour identifier un problème, et se rendent sur site en cas de problème. Ce service assure également le développement, la conception des procédés et le dimensionnement des nouveaux systèmes sur la base des données de l'installation pilote. Si nécessaire, les ingénieurs recommandent des installations pilotes portables pour la réalisation d'essais sur les sites clients.

L'ingénierie, la conception, la fabrication et l'installation des systèmes de filtration membranaire jouent tous un rôle très important. Ce sont toutefois le fonctionnement quotidien, la maintenance et l'entretien d'un système qui constituent la clé du maintien des niveaux de bénéfices pour les propriétaires d'exploitations laitières.

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