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Eau, aliments & procédés

Le traitement des effluents dans l'industrie agroalimentaire

La réglementation sur la mise en décharge et l’épandage des effluents industriels ainsi que l’augmentation de la taxe sur les rejets mises en application dès le début des années 2000 pèsent sur ces industries, gourmandes en eau et fortement productrices d’effluents. L’INRA travaille sur la problématique de réduction de ces effluents et cherche à concevoir des procédés pour réduire les volumes d’eau ou de produits chimiques consommés tout en maintenant la productivité et la sécurité alimentaire des produits.

Des chercheurs de l’INRA de Versailles-Grignon, de leur côté, ont adapté une technologie d’extraction innovante pour éliminer un composé malodorant et pour extraire des molécules à haute valeur ajoutée d’un effluent : les contacteurs membranaires. Grâce à cette technique, les chercheurs ont pu extraire des composés aromatiques des eaux de procédés industriels (eaux de blanchiment de chou-fleur, condensat issu de la concentration d’une purée de tomate…). Cette méthode a également pour avantage de désodoriser des effluents odorants.

Éviter le gaspillage des eaux de distilleries : recycler plutôt qu’éliminer

Il faut environ 5 litres d’eau pour produire 1 litre d’éthanol à partir de sirops de sucre. En sortie de distillerie, les eaux ayant servi à la production de cet alcool sont éliminées par épandage. Des chercheurs d’un laboratoire INRA-AgroParisTech ont mis au point un processus de valorisation intensif et moins coûteux que les pratiques actuelles. Ce processus combine deux procédés de purification. Il est actuellement testé en unité pilote.

Les matières premières des distilleries sont de deux types en fonction de la période de l’année. Pendant la campagne sucrière, les jus (de betterave) sont directement fermentés. En dehors de cette période, les sirops issus de la fabrication du sucre doivent être dilués pour atteindre une concentration idéale (de l’ordre de 0,18 kg de saccharose par litre). À l’issue de la fermentation, l’éthanol est distillé. Pour 1 litre d’éthanol, on obtient environ 5 litres d’un résidu aqueux riche en matières organiques, la vinasse. Ce liquide est concentré dans des évaporateurs. On obtient alors un concentré utilisé comme engrais et des condensats qui seront épandus. Cependant la gestion de ces derniers (lagunage préalable, transport, épandage) représente un coût économique de plus en plus conséquent, tandis que la distillerie consomme de l’eau de forage. Il serait donc préférable de recycler directement ces condensats dans le circuit de fermentation. Pour ce faire, ils doivent être traités pour éliminer les composés organiques formés au cours de la fermentation et des diverses opérations thermiques. En effet, ces composés (composés phénoliques, acides carboxyliques et dérivés du furane) inhibent la fermentation.

Combiner pour recycler – Des chercheurs d’un laboratoire INRA-AgroParisTech ont mis au point une technique combinée de purification des eaux usées de distillerie (condensats). Les eaux sont traitées par osmose inverse et échange d’ions. Ce procédé permet d’éliminer 99 % des agents inhibiteurs de fermentation et ne perturbe ni la croissance des levures responsables de la fermentation, ni leur production d’éthanol. Les chercheurs ont vérifié l’efficacité de la purification en étudiant l’activité fermentaire des levures lors de fermentations en continu utilisant l’eau recyclée. Le caractère fermentescible des eaux de recyclage a été corrélé à l’efficacité de rétention du procédé.

L’osmose inverse permet d’éliminer les ions par passage sur une membrane semi-perméable. Ces membranes sont commercialisées pour le dessalement de l’eau de mer. Les chercheurs ont sélectionné celles qui retenaient également les petites molécules organiques que l’on retrouve dans les condensats. Ils essaient de les caractériser afin de les adapter à ces fonctions particulières. Les résines échangeuses d’anions pour leur part retiennent les acides, composés inhibiteurs les moins bien retenus par osmose inverse. Leur utilisation présente un inconvénient : elles doivent être régénérées régulièrement, ce qui entraîne la production d’eaux usées qui ne peuvent être recyclées. En les positionnant après l’osmose inverse, on limite la fréquence des régénérations. À partir de cette combinaison, les chercheurs ont optimisé les conditions d’application pour améliorer l’efficacité de la rétention et proposer une mise en œuvre industrielle. Un petit pilote a été testé positivement pour la technique combinée. A l’échelle industrielle, seule la purification par osmose inverse a été testée sur pilote préindustriel (4 m3.h-1 de condensats) pendant 2 mois. La faisabilité du procédé combiné doit être étudiée à la lumière des progrès enregistrés sur la propreté des condensats. À terme, ils pourraient être de qualité suffisante pour éviter la phase de purification par échange d’ions.

Ces travaux ont été cofinancés par l’ADEME, Agence de l’environnement et de la maitrise de l’énergie, et trois partenaires industriels. Ils ont fait l’objet de trois thèses de doctorat financées également par l’ANRT et par le ministère de la recherche.

Les contacteurs membranaires : une technique innovante d’extraction à toutes épreuves

Extraire des molécules à haute valeur ajoutée pour l’industrie ou éliminer un composé odorant exige de séparer de façon sélective des molécules, si possible à moindre coût. Les chercheurs de l’INRA de Versailles-Grignon, en collaboration avec leurs collègues d’AgroParisTech, étudient depuis une dizaine d’années une technologie d’extraction innovante, les contacteurs membranaires. Ils ont récemment défini les conditions d’utilisation de ce procédé pour traiter des huiles essentielles de citron et récupérer des molécules à plus haute valeur ajoutée, les terpènes oxygénés. Ils étudient également son application pour le traitement d’eaux issues de procédés industriels.

Les huiles essentielles d’agrumes sont une source abondante et peu chère de terpènes oxygénés, molécules à haute valeur ajoutée pour l’industrie des arômes et des parfums notamment. Actuellement, ces composés sont généralement récupérés des huiles essentielles d’agrumes par extraction liquide-liquide en utilisant comme solvant des mélanges d’eau et d’éthanol. Ce procédé reste une opération difficile à mettre en œuvre car coûteuse en temps, en énergie, comme en solvant et en effluent à traiter.

Les chercheurs de l’INRA de Versailles-Grignon et leurs collègues d’AgroParisTech ont défini les conditions physico-chimiques optimales et les matériaux les mieux adaptés afin d’utiliser des membranes poreuses ou contacteurs membranaires pour extraire les composés oxygénés à partir d’huiles essentielles de citron grâce à une solution hydro-alcoolique. Grâce à des considérations théoriques doublées d’expérimentations, les scientifiques ont ainsi déterminé le type de matériau (hydrophobicité) et la structure des membranes (taille des pores) qui permettent d’augmenter la stabilité de l’interface afin de récupérer des molécules cibles à partir de systèmes complexes tels que les huiles essentielles et d’étendre la gamme de solvants qui peuvent être utilisés en considérant les propriétés de surface des membranes.

Déclinée dans le registre des huiles essentielles, cette technologie innovante appelle à développer des matériaux encore plus performants et mettre en œuvre un procédé d’extraction liquide-liquide à membrane continu au sein d’un système dont les performances seraient comparées à celles d’un procédé d’extraction conventionnel. Elle rend le processus industriel d’extraction ainsi défini plus économe en énergie et en solvant et améliore les rendements. Enfin, elle offre des perspectives intéressantes de développement industriel.

À ce jour, les chercheurs ont d’ores et déjà à leur actif la modélisation des transferts de matière d’une large gamme de composés d’arômes dans les contacteurs. Ainsi, l’utilisation d’un contacteur à fibres creuses (offrant une grande surface d’échange pour un faible encombrement) a permis de traiter des effluents "odorants" (eaux de blanchiment de chou-fleur, condensat issu de la concentration d’une purée de tomate…). La récupération de molécules d’arôme d’intérêt dans les eaux de procédés de l’industrie alimentaire permet tout à la fois de valoriser l’extrait et de désodoriser les eaux de procédés, autorisant ainsi leur recyclage. Les extraits aromatiques dans le cas de la tomate sont utilisés en parfumerie (note fraiche, verte). Pour le chou-fleur, il a été possible d’obtenir un extrait aromatique (composé d’arômes soufré) environ 5 000 fois plus concentré que la solution initiale à traiter, avec des rendements d’extraction supérieur à 90 %. Ils peuvent être utilisés en agroalimentaire pour des préparations à base de fromage en particulier. En effet, les composés odorants extraits des eaux de blanchiment de chou-fleur sont présents naturellement dans de nombreux aliments et participent à leur typicité : fromage et fruits exotiques en particulier. Aujourd’hui, les travaux des scientifiques s’orientent vers l’utilisation de solvants obtenus à partir de ressources renouvelables et à faible impact pour l’environnement et la recherche de matériaux membranaires encore plus performants. .

ResSources

Centre INRA de Jouy-en-Josas Unité mixte de recherche INRA-AgroParisTech-CNAM Département Caractérisation et élaboration des produits issus de l'agriculture GENIAL – Ingénierie Procédés, Aliments Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir Centre INRA de Versailles-Grignon Unité mixte de recherche INRA-AgroParisTech Génie et microbiologie des procédés alimentaires – GMPA Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir Fargues C., Lewandowski R., Lameloise M.-L., Evaluation of ion-exchange and adsorbent resins for the detoxification of beet distillery effluents, Ind. Eng. Chem. Res, 49 (2010) 9248-9257. Sagne C., Fargues C., Lewandowski R., Lameloise M.-L., Gavach M., Decloux M., A pilot scale study of reverse osmosis for the purification of condensate arising from distillery stillage concentration plant, Chem. Eng. Process., 49 (2010) 331-339. Dupuy A., Athes V., Schenk J., Jenelten U., Souchon I. (2011), Experimental and theoretical considerations on breakthrough pressure in membrane-based solvent extraction: Focus on citrus essential oil/hydro-alcoholic solvent systems with low interfacial tension, Journal of Membrane Science, 378, 203–213. INRA – L'eau, recherches pour une ressource vitale