Bio-hybrid membrane process for food-based wastewater valorisation: a pathway to an efficient integrated membrane process design

摘要

L'industrie alimentaire est de loin l'industrie la plus grande consommatrice d'eau potable et elle rejette environ 500 millions de m3 d'eaux usées par an contenant une charge organique très élevée. Un simple traitement de ce flux par des technologies conventionnelles échoue souvent en raison de facteurs de coûts. Aussi, récemment, l'accent a été largement mis sur la valorisation de ces effluents par récupération des éléments d'intérêt et la production d'eau de bonne qualité en utilisant des procédés à membrane intégrés. Les procédés membranaires couvrent pratiquement toutes les opérations unitaires utiles et nécessaires qui sont utilisés dans les usines de traitement des eaux usées. Ils apportent souvent des avantages comme la simplicité, la modularité, le caractère innovant, la compétitivité et le respect de l'environnement. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse est le développement d'un procédé à membrane intégré comprenant microfiltration (MF), osmose directe (FO), ultrafiltration (UF) et nanofiltration (NF) pour la valorisation des eaux usées d'origine agro-alimentaire dans une logique de " zéro effluent liquide ". Nous avons pris les eaux de végétation provenant de la production d'huile d'olive comme support d'étude. Les défis associés au traitement des eaux usées de végétation sont: la variabilité des charges hydrauliques ou organiques, la présence de composés bio phénoliques, le colmatage des membranes et le rejet périodique de grands volumes d'eaux usées. En particulier, la présence de composés bio phénoliques rend ces eaux usées nocives pour l'environnement. Toutefois, la récupération de ces composés phytotoxiques peut également apporter une valeur ajoutée, car ils ont des activités biologiques intéressantes qui peuvent être exploitées dans les industries cosmétique, alimentaire et pharmaceutique. La première partie du travail expérimental porte en particulier sur le développement de membranes biohybrides utilisées pour contrôler le colmatage des membranes de MF. Malgré l'élimination de 99% des matières solides en suspension par une pré-filtration grossière, une diminution du flux est observée pendant plus de 24 h lors de la MF d'eaux de végétation sur membranes de polyéthylène 0,4 µm. Cela est dû à un colmatage sévère des membranes, principalement causé par des macromolécules comme les pectines. Pour surmonter le problème du colmatage des membranes, des réacteurs à membrane biocatalytiques avec pectinase immobilisée de manière covalente ont été utilisés pour obtenir un effet auto-nettoyant. Cette membrane biocatalytique a un flux supérieur de 50% par rapport à son homologue non modifiée. Cette meilleure performance est attribuée à la dégradation simultanée in situ de dépôts et l'élimination des produits d'hydrolyse ce qui permet de réduire l'inhibition de l'enzyme. Bien que la membrane biocatalytique ait donné de meilleurs résultats, son usage devient impossible une fois que l'enzyme immobilisé est désactivé ou couvert par un dépôt. Pour surmonter ce problème, une nouvelle classe de réacteur à membrane superparamagnétiques a été développée, mise au point et optimisée. Ce développement est innovant par l'utilisation de nanoparticules superparamagnétiques à la fois comme support de l'enzyme et comme agent conférant à la membrane des propriétés magnétiques. Le procédé d'immobilisation réversible a été conçu pour faciliter le déplacement de l'enzyme au cours du nettoyage de la membrane au moyen d'un aimant externe. Une membrane hybride donc à base de PVDF organique/inorganique (O / I) a été préparée en utilisant des nanoparticules superparamagnétiques (NPSP) comme charge inorganique. En parallèle, les nanocomposites biocatalytiques superparamagnétiques ont été préparés par immobilisation covalente de la pectinase sur la surface de NPSP dispersées dans des milieux aqueux. La réponse de la membrane hybride et des particules biocatalytiques grâce à un champ magnétique extérieur a été plus tard utilisée pour immobiliser physiquement les particules biocatalytiques sur la membrane. Cette couche dynamique de particules biocatalytiques commandée magnétiquement empêche les interactions directes agent colmatant-membrane, permet la dégradation in situ de protéines, la récupération magnétique aisée de l'enzyme et la ré utilisation de la membrane et de l'enzyme sur de multiples cycles. Le système a donné des performances stables sur une large gamme de conditions expérimentales: 0,01-3 mg de pectine / mL, 1-9 g de bionanocomposites /m2 de membrane, pour des flux imposés de 5 à 45 L / m2.h et des températures de filtration différentes. Lorsque la réaction enzymatique est plus rapide que le dépôt de matière par convection sur la membrane, on obtient une réduction de 75% de la résistance à la filtration. Après l'optimisation des différents paramètres de fonctionnement, on n'observe aucune perte de l'activité enzymatique ou de la performance globale du système traitant une solution de pectine à 0,3 mg/ mL en continu pendant plus de deux semaines. En outre, la stabilité chimique de la membrane hybride a été étudiée sous conditions de vieillissement accéléré et en conditions de colmatage. Le vieillissement induit modifie les caractéristiques physico-chimiques et augmente la propension de la membrane à l'encrassement à la suite de la dégradation progressive de la couche de revêtement polymère utilisé sur les NPSP. Cependant une solution de NaOCl 400 ppm à pH 12 a été jugée compatible avec un objectif de maintien des propriétés de la membrane et est désormais utilisée pour nettoyer la membrane. Le deuxième obstacle majeur identifié lors du traitement des eaux de végétation est le rejet de grands volumes d'eaux usées sur de courtes périodes suivant la récolte des olives. Pour atténuer ce problème, la FO a été étudiée pour concentrer les eaux usées. Ce processus est censé être moins consommateur d'énergie, en supposant que la solution d'extraction n'a pas besoin d'être régénérée, et présenter une faible propension au colmatage. En fonctionnant à 3,7 molaire en MgCl2 pour extraire la solution et à une vitesse tangentielle de 6 cm/s en une seule étape la FO a produit un flux moyen de 5,2 kg/m2.h. et un facteur de concentration volumique de 71% avec une rétention presque totale de tous les polluants. En outre, le système a donné une performance stable pendant dix jours lorsqu'il est opéré en continu. Après la FO, tant la NF que l'UF ont été utilisées pour fractionner les biophénols récupérés dans le concentrat de FO. Une membrane en céramique de NF a donné une flux plus élevé qu'une membrane UF en polymère, à 27 L/m2.h pour un débit d'alimentation de 200 L/h et 7 bars de pression transmembranaire (TMP). Enfin, lorsque la FO a été utilisée comme une étape de polissage final pour récupérer les biophénols très concentrés à partir du perméat d'UF; nous avons obtenu un flux moyen de 5 L/m2.h et un facteur de concentration volumique de 64%. En conclusion, de très bons résultats ont été obtenus dans la lutte contre les deux défis les plus importants de la valorisation des eaux de végétation en utilisant le concept de biohybridation et la FO. Les nanoparticules superparamagnétiques (NPSP) bio-inspirées fournissent des preuves solides que le contrôle magnétique de l'immobilisation d'enzymes possède un immense potentiel dans la prévention du colmatage des membranes et ouvre une voie potentielle pour la filtration des eaux usées en continu. En fixant des NPSP bio-inspirée au cœur d'un réacteur à membrane biocatalytique, il est possible de mettre en œuvre avec succès un procédé à membrane intégré pour la valorisation en continu d'eaux usées issues de l'industrie alimentaire. En plus de la prévention du colmatage, il ouvre un nouvel horizon à des applications de la biocatalyse pour intensifier la performance de procédés industriels, la dépollution de l'environnement ou la production de bio-énergie.