Recyclage d’eau au sein des industries agroalimentaires : Etude du traitement par procédés membranaires dans le cas de l’industrie des fruits et légumes surgelés

Wastewater recycling in agro-food industries : Study of the membrane process treatment in the case of the frozen fruit and vegetable industry

• Auteur / Autrice : Céline Garnier
• Direction : Claire Fargues, Marie-Laure Lameloise
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Murielle Rabiller-Baudry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Murielle Rabiller-Baudry, Christelle Wisniewski, Dominique Trebouet, Thierry Bénézech, Mohamed Hédi Romdhana, Wafa Guiga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Wisniewski, Dominique Trebouet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofiltration

Osmose inverse

Recyclage

Eau

Légumes surgelés

Économie circulaire

Mots clés libres

Economie circulaire

Eau

Recyclage

Osmose inverse nanofiltration

Industries des fruits et légumes

Modèle de solubilisation-Diffusion

Circular economy

Water

Recycling

Reverse osmosis nanofiltration

Fruit and vegetable industries

Solution-Diffusion model

Résumé

L’activité humaine et notamment les activités industrielles contribuent au changement climatique et à l’appauvrissement de la ressource en eau. Une économie circulaire de l’eau se met progressivement en place dans le monde et en Europe. Le projet MINIMEAU financé par l’ANR (ANR-17-CE10-0015) et dans le cadre duquel cette thèse a eu lieu, a comme objectif d’élaborer et de fournir des outils d’éco-conception et des solutions de traitement de l’eau pour aider les industries agroalimentaires à réduire leur consommation d’eau par la mise en place de boucles de recyclage.Dans le cadre de cette thèse, une méthodologie pouvant être suivie par un industriel ayant un projet de recyclage est présentée sous forme d’un logigramme, et des outils ont été développés. Une revue bibliographique compilant les consommations d’eau généralement constatées par secteur alimentaire ainsi que les principaux composés présents dans les effluents à recycler, permet de choisir les « paramètres clés » à analyser et à suivre/éliminer dans les effluents. Un autre outil présente l’inventaire des solutions physico-chimiques envisageables pour le traitement et le recyclage des eaux dans l’industrie agroalimentaire et sert de guide au choix des opérations de traitement. La proposition d’un schéma de procédé adapté au recyclage peut alors être réalisée. Enfin, un nouveau module d’un logiciel commercial (ProSimPlus) permettant de réaliser les bilans matières d’un traitement de nanofiltration ou d’osmose inverse à partir du modèle de solubilisation-diffusion et tenant compte du phénomène de polarisation de concentration a été développé.L’application de ces différents outils a été réalisée sur des effluents issus de la production de carottes et de choux-fleurs surgelés. Un schéma de procédés comprenant un prétraitement par microfiltration ou ultrafiltration, suivi d’un traitement par nanofiltration ou osmose inverse a alors émergé. Des essais sur pilotes de traitement membranaire ont été réalisés. Une étape d’ultrafiltration avec un seuil de coupure de 100 000 g.mol-1 s’est révélée nécessaire pour abaisser la turbidité à 1 NTU en amont des procédés de nanofiltration et d’osmose inverse. Trois membranes de nanofiltration (DK, NF270 et SR3D) et une membrane d’osmose inverse (ESPA4) ont ensuite été testées sur un système à plaques (membranes planes). Seule l’osmose inverse ayant permis d’atteindre la qualité d’eau requise, des essais sur un pilote semi-industriel à module spiralé ont été réalisés avec la membrane ESPA4-2540 qui ont permis de valider, à cette échelle le modèle utilisé pour représenter le transfert du glucose, du fructose et du saccharose à travers la membrane ESPA4. Les perméabilités de cette membrane à l’eau et à ces solutés ont été calculées, permettant d’alimenter l’outil « base de données » nécessaire pour la simulation des procédés. Le dimensionnement de cette opération a ainsi pu être proposé.

Human activities and particularly industrial activities contribute to climate change and severe water scarcity. The circular economy in water management is being developed around the world and in Europe. The ANR MINIMEAU project (ANR-17-CE10-0015) under which this PhD thesis took place, aims to elaborate and provide integrated eco-design tools and technological water treatment solutions that will help factories to reduce water consumption by providing adequate recycling loops.To overcome these issues, a method has been summarized as flowchart and several tools have been identified and are presented in this thesis. A literature review gathering – by food sector - the water consumption generally observed as well as the main compounds present in the effluents to be recycled, makes it possible to target the “key parameters” to analyse and to monitor / eliminate in the effluents. Another tool concerns an inventory of physico-chemical treatment possibilities for water reuse in food processing industry; it can be used as guide for the choice of treatment operations. A process flow-sheet proposal, suitable for recycling, can then arise. Finally, a new simulation module in a commercial software tool (ProSimPlus) was developed to describe nanofiltration or reverse osmosis processes, based on the Solution-Diffusion model and taking concentration polarization into account.These tools were used for the study of effluents management arising from the production of frozen carrots and cauliflowers. A process scheme including a pretreatment by microfiltration or ultrafiltration followed by nanofiltration or reverse osmosis treatment then emerged. Pilot tests were run which showed that ultrafiltration at 100 000 g.mol-1 molecular weight cut-off was necessary to decrease turbidity below 1 NTU, as required before nanofiltration or reverse osmosis. Then, to treat the UF permeate, three nanofiltration (DK, NF270 and SRD3) and one reverse osmosis (ESPA4) membranes were tested on a flat sheets membranes system, leading to select the RO to achieve the required water quality. Study at a semi-industrial pilot-scale (on a 2540 spiral-wound module) was run and allowed to validate the model for the transfer of glucose, fructose and sucrose through the ESPA4 membrane. Membrane water and solutes permeabilities were calculated and used as “database” tool, necessary for the simulation. Scaling of the membrane process could then be proposed.