Formulation et étude de nouveaux détergents enzymatiques pour le nettoyage des membranes d'ultrafiltration de l'industrie laitière : développement et validation de méthodologies associées

Formulation and study of new enzymatic detergents for the cleaning of ultrafiltration membranes in dairyindustry : development and validation of associated methodologies

• Auteur / Autrice : Sophie Kavugho Mission
• Direction : Murielle Rabiller-Baudry, Régis Périon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie : Procédés et Environnement
• Date : Soutenance le 14/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Gesan-Guiziou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Périon, Clémence Coetsier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Kapel, Maxime Pontié

Mots clés

Mots clés contrôlés

Enzymes -- Applications industrielles

Membranes (technologie)

Ultrafiltration

Mots clés libres

Membrane d’ultrafiltration en PES/PVP

Lait écrémé

Colmatage protéique

Nettoyage en place

Nettoyage enzymatique

Formulation

PES/PVP Ultrafiltration membrane

Skim milk

Protein fouling

Cleaning in Place

Enzymatic cleaning

Formulation

Résumé

L’ultrafiltration (UF) du lait écrémé pour la standardisation de la teneur en protéines pour la fabrication des fromages est un procédé membranaire très répandu à l’échelle industrielle. Cependant, le colmatage des membranes par des protéines du lait écrémé provoque une baisse de la productivité et constitue un verrou de ce procédé.Ainsi, l’étape de nettoyage/désinfection bi-quotidienne est indispensable afin de restaurer les performances de la membrane et d’assurer la sécurité sanitaire ainsi que la qualité des produits. Elle est en général réalisée avec des détergents formulés alcalins et acides mais il est également possible d’utiliser des détergents enzymatiques formulés ayant la réputation d’être plus efficaces. Cependant, peu d’études fondamentales existent à ce sujet, ce que cette thèse se propose de contribuer à combler. L’objectif de cette thèse a été de développer de nouveaux détergents enzymatiques efficaces et compatibles avec la membrane en PES/PVP largement utilisée pour l’UF de lait écrémé. La cible du nettoyage est un dépôt de protéines. La démarche s’est appuyée sur une méthodologie d’aide à la formulation de détergents fondée sur la mesure des dépôts résiduels sur la membrane par ATR-FTIR: que ce soit les protéines, les enzymes ou les autres constituants des détergents étudiés. De multiples prototypes ont été formulés en collaboration avec la société Kersia. Leur évaluation a suivi 3 étapes: i) des tests rapides en réacteur fermé (14 cm²) pour sélectionner les détergents prometteurs selon leur efficacité d’élimination du colmatage protéique, leur rinçabilité et le respect de l’intégrité de la membrane à court termes, ii) la transposition des résultats prometteurs en condition de filtration (127 cm²) validant également la filtrabilité des détergents, iii) enfin, la validation de la compatibilité détergent/membrane sur le long terme grâce au vieillissement accéléré sous micro-onde (3 cm²), et au nettoyage d’une membrane spirale (6.8 m²) pendant 52 heures.

Ultrafiltration (UF) of skim milk for standardization of the protein content for cheese making is a very common membrane process at industrial scale. However, fouling of the membranes with skim milk proteins causes a drop in productivity and constitutes a barrier to this process. Thus, the twice-daily cleaning/disinfection step is essential to restore the performance of the membrane and ensure health safety and product quality. It is generally carried out with alkaline and acidic formulated detergents, but it is also possible to use formulated enzymatic detergents which enjoy the reputation of being more effective. However, few fundamental studies exist on this subject, which this thesis aims to contribute to fill. The objective of this thesis was to develop new enzymatic detergents that are are effecient and compatible with the PES/PVP membrane widely used for skim milk UF. The target of the cleaning is a protein deposit. The approach was based on a methodology to aid the formulation of detergents based on the measurement of residual deposits on the membrane by ATR-FTIR: whether proteins, enzymes or other constituents of the detergents studied. Mutliple prototypes were formulated in collaboration with Kersia Company. Their evaluation followed 3 steps: i) rapid tests in a batch reactor (14 cm²) to select promising detergents according to their effectiveness in eliminating protein fouling, their cleanability and the integrity of the membrane in the short term, ii) transposition of promissing results under filtration conditions (127 cm²) also validating the filterability detergents, iii) finally, validation of detergent/membrane compatibility over the long term thanks to accelerated aging under microwave (3 cm²) and cleaning of the spiral wound membrane (6.8 cm²) for 52 hours.