Lait 66 (1986) 371-390
DOI: 10.1051/lait:1986424

Etude du transfert de matière lors de l'ultrafiltration de lactosérum doux sur membrane minérale

Christine TADDEI^a, P. AIMAR^b, G. DAUFIN^a and V. SANCHEZ<sup>b

a</sup>  I.N.R.A., Laboratoire de Recherches de Technologie laitière 65, rue de Saint-Brieuc, 35042 Rennes cedex, France
^b  Laboratoire de Chimie Physique et Electrochimie, U.A., C.N.R.S. 192 118, route de Narbonne, 31062 Toulouse cedex, France

Abstract - Mass transfer during sweet whey ultrafiltration on mineral membrane
Mass transfer has been studied during sweet whey ultrafiltration on mineral membrane (Carbosep M4 Type) with a monotube.
Operating parameters are : tangential flow velocity (1.8 to 4.0 m.s^-1) ; mean pressure between the inlet and the outlet of the tubular membrane (0.3 to 5.7 10⁵ Pa) ; temperature (25 or 50° C) ; time (2 min to 8 h).
In the case of solutions containing ionic and non proteinic solutes of sweet whey, Darcy's law may be applied and dynamic viscosity of such solutions explains the permeability decrease towards pure water. These components are not retained by the membrane and do not lead to a severe fouling, except the case of calcium phosphate. Nevertheless, presence of lactose lowers fluxes, probably in relation with an adsorption phenomenon.
During sweet whey ultrafiltration, small components unlike proteins are not retained by the membrane whatever the operating parameters. During a first step, fluxes and protein retention lower, probably as a result of adsorption and polarization phenomena. During a second step flux decrease becomes slower and protein retention increases, related to an accumulation of matter.
Operating parameters (tangential flow velocity, pressure and time) have a great effect on mass transfer characteristics: fluxes, protein retention and membrane fouling level. The latter is evaluated by the measure of membrane hydraulic resistance before and after each run. Increasing flow velocity at a constant pressure leads to improve fluxes but proteins retention decreases and fouling becomes less important. On the other hand, increasing pressure at a constant flow velocity generally enhances fluxes, retention but fouling as well. Of course, time plays an important part on membrane performances as described before. Therefore we propose some suggestions on driving an ultrafiltration operation.
Analyzing all these results allows a better understanding of mass transfer limitations.

Résumé - On étudie le transfert de matière lors de l'ultrafiltration de lactosérum doux sur membrane minérale (Carbosep, type M4), à l'aide d'un tube, motif élémentaire d'une installation industrielle.
Les paramètres opératoires sont la vitesse tangentielle (1,8 à 4,0 m.s^-1), la différence de pression transmembranaire moyenne (0,3 à 5,7 . 10⁵ Pa), la température (25 ou 50° C) et le temps (2 min à 8 h).
Dans le cas des solutés ioniques et non protéiques du lactosérum, la loi de Darcy s'applique et la viscosité dynamique de la solution explique la baisse de perméabilité par rapport à l'eau. Ces solutés ne sont pas retenus par la membrane et ne provoquent pas de colmatage grave de celle-ci, à l'exception du phosphate de calcium.
Lors de l'ultrafiltration du lactosérum, les vitesses de perméation et les taux de rétention en protéines solubles diminuent pendant la première heure, vraisemblablement en raison de phénomènes d'adsorption et de polarisation. Ensuite, le flux d'ultrafiltration diminue moins rapidement et les taux de rétention augmentent, en raison de la formation d'un dépôt superficiel.
Les paramètres opératoires (vitesse tangentielle, différence de pression transmembranaire et durée) ont une incidence variable sur les trois grandeurs caractéristiques du transfert de matière : densité de flux, rétention en protéines, niveau de colmatage de la membrane. L'analyse de leurs influences respectives permet de proposer des lignes directrices pour la conduite d'une opération d'ultrafiltration, en fonction des performances recherchées. Elle permet, en outre, de mieux cerner les mécanismes possibles des phénomènes limitant le transfert de matière.

Key words: Mass transfer / Ultrafiltration / Sweet whey / Mineral membrane

Mots clés : Transfert de matière / Lactosérum doux / Ultrafiltration / Membranes minérales