Accroître l’écoefficience par la concentration des fluides laitiers

Projet intitulé:

Amélioration de l’écoefficience en transformation par une approche intégrée de concentration des fluides laitiers

Faits saillants

• Le lait contient plus de 88% d’eau. S’il est destiné à la fabrication de lait de consommation, sa composition change peu (mis à part la standardisation de sa teneur en matière grasse), contrairement au lait destiné à la fromagerie où 90% de son volume se retrouve dans le lactosérum.
• Filtrer le lait pour en extraire l’eau et en concentrer les protéines est une méthode répandue en technologie laitière. Elle permet de fabriquer une foule de produits, en plus de rendre la transformation plus écoefficiente. Pour ce faire, on a recours aux procédés dits « baromembranaires », dont l’osmose inverse et l’ultrafiltration, qui suscitent un intérêt grandissant. On obtient ainsi un riche concentré de protéines, ainsi qu’un sous-produit liquide, le perméat.
• Le résidu ou filtrat issu de l’osmose inverse présente une composition très proche de celle de l’eau et pourrait servir en usine pour réduire la consommation d’eau potable alors que le perméat de l’ultrafiltration contient du lactose et des sels minéraux qui compliquent son utilisation.
• L’idée d’une pré-concentration des fluides laitiers (OI) afin d’en réduire le coût de transport, mais aussi pour en diminuer l’impact environnemental (GES) s’impose dans un contexte d’écoefficience (EE).
• Ce projet mesurera les gains obtenus en matière d’EE par l’application de ces nouvelles pratiques de transformation fromagère et de valorisation du lactosérum en contexte industriel. Elle s’appuiera sur les connaissances et le logiciel de simulation récemment développé par la Chaire de recherche industrielle CRSNG-Novalait en efficience des procédés de transformation du lait.
• Les résultats permettront une première évaluation du potentiel d’utilisation du perméat obtenu par ultrafiltration à l’échelle des fermes laitières.

Objectifs

L’objectif principal de ce projet est de développer des connaissances permettant aux transformateurs laitiers d’intégrer l’utilisation de concentrés laitiers, obtenus par OI ou par UF.

Plus précisément les objectifs spécifiques sont :

1) Optimiser les conditions de fabrication fromagère à partir de concentrés laitiers d’OI et d’UF;

2) Quantifier les gains en termes d’EE procurés par la génération d’eau de procédé (cow water) par OI en fromagerie;

3) Optimiser l’utilisation de concentrés pour l’amélioration des flux de matières dans la filière de transformation du lait.

Résultats et bénéfices potentiels

Objectif 1 : De nouvelles approches permettant de corriger les défauts de fabrications apportés par l’utilisation de concentrés d’osmose inverse en fromagerie sont en cours de développement.

• L’ajout de caséinate de sodium à un concentré d’osmose inverse déplace les équilibres minéraux vers la phase soluble du lait et déminéralise la micelle de caséine.
• Les travaux en cours visent à caractériser comment cette approche permet d’améliorer les performances fromagères des concentrés d’osmose inverse.

Objectif 2 : Une première simulation (Chamberland et al, 2020)a de récupération d’eau à l’échelle industrielle pour une usine transformant 1000 m3 de lait/j en concentré de protéines de lait (MPC-56) ont montré que :

• la pré-concentration du lait écrémé par OI avant les étapes d’UF permettait de réduire la consommation d’eau et d’électricité de 35% et 10% respectivement, comparativement au procédé traditionnel.
• les réductions de consommation d’eau et d’électricité se traduisent directement en diminution de l’empreinte environnementale du procédé de fabrication de MPC-56 ce qui améliore son écoefficience.

Une simulation de l’impact de la concentration par procédés à membranes sur l’écoefficience d’une fromagerie industrielle a été réalisée (Benoit et al, 2020)b .

Objectif 3 : Les résultats de la recherche permettront aussi de générer des données préliminaires sur l’impact de la préconcentration par OI du lactosérum ou du perméat avant transport. Les simulation permettront de déterminer à partir de quelle échelle (volume de lactosérum), quel facteur de concentration volumique (FCV) et sur quelle distance de transport (km) la concentration avant transport devient économi- quement viable.

L’ensemble du projet se traduira par des retombées significatives à la fois en termes d’utilisation de tous les constituants du lait (incluant l’eau), tout en diminuant l’empreinte environnementale du transport et des procédés de transformation du lait.

Aspects novateurs

• Nouvelles approches permettant de corriger les défauts de fabrications apportés par l’utilisation de concentrés d’osmose inverse en fromagerie.
• Premières simulations :
  • de récupération d’eau à l’échelle industrielle pour une usine transformant du lait en concentré de protéines de lait.
  • de l’impact d’intégrer des procédés de concentration par membranes sur l’écoefficience d’une fromagerie
  • des gains économiques et environnementaux associés à la pré-concentration du lactosérum et du perméat avant transport.

Professionnels formés

• Marie-Pier B. Vigneux : candidate au Ph.D. STA, Université Laval.
• Scott Benoit : post-doctorat, Université Laval.

Pour en savoir plus

Les résultats de recherche seront rapidement transférables aux industriels laitiers au-travers de divers véhicules tel que le Colloque STELA, le Forum Techno Novalait, et certains congrès scientifiques. D’autres activités de communication (articles et conférences) sont prévues pour les utilisateurs en collaboration.

Partenaires financiers

Appel de projets spécial en production et transformation laitières (2016-2021) :

• Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG)
• Consortium de recherche et innovations en bioprocédés industriels au Québec (CRIBIQ)
• Novalait

Budget total : 177 996 $

a. Chamberland, J. Bouyer, A., Provault, C., Bérubé, A., Doyen, A., Pouliot, Y. (2020) Efficiency assessment of water reclama- tion processes by reverse osmosis in milk protein concentrate manufacturing plants: a predictive analysis. J. Food Eng. 272:109811.
b. Benoit, S., Chamberland, J., Doyen, A., Margni, M., Bouchard, C., Pouliot, Y. (2020) Integrating Pressure-Driven Membrane Separation Processes to Improve Eco-Effciency in Cheese Manufacture: A Preliminary Case Study. Membranes, 10, 287; doi:10.3390/membranes10100287