Il existe deux grandes techniques de filtration mettant en jeu un gradient de pression : la filtration frontale et la filtration tangentielle. Dans le premier cas -le plus classique- la filtration s’effectue perpendiculairement à la surface de la membrane ; dans le second, le fluide circule parallèlement à la membrane filtrante. En fonction des contraintes, et notamment de la composition du fluide à traiter et des exigences en matière de filtration, on privilégiera l'une ou l'autre de ces techniques. Explications, exemples, inconvénients et avantages : notre article pour tout comprendre.

La filtration frontale

La filtration frontale, ou dead-end filtration, consiste à faire passer le fluide à épurer perpendiculairement à la surface du filtre. C'est le processus employé par exemple avec les filtres à café. Les particules à éliminer sont retenues par le filtre. La matière entrant dans le module de filtration est donc retenue par la membrane.

Il s'agit du procédé le plus simple à mettre en œuvre et le moins onéreux : l'investissement initial et les coûts énergétiques de fonctionnement sont plus faibles que dans le cas de la filtration tangentielle. 

Mais, cette technique est limitée par l'accumulation progressive des particules à la surface du filtre, qui le colmatent progressivement -limitant le débit du fluide -voire le bouchent. Ce type de procédé n’atteint en outre jamais un état stationnaire, puisqu'il nécessite une succession de filtrations et de nettoyages ou remplacements du filtre. 

Lorsque le fluide contient trop de particules à éliminer, des phénomènes d'encrassement et de pertes de charge importantes rendent inopérantes la filtration frontale. Ce type de filtration est donc surtout employé pour filtrer des suspensions peu chargées en particules.

Retrouvez un exemple de mise en oeuvre de filtration frontale

(source : Tel archives ouvertes)

La filtration tangentielle

Dans le cas de la filtration tangentielle, appelée aussi cross-flow filtration, le fluide circule parallèlement à la membrane filtrante qu'il traverse sous l'effet de la pression. Une partie du liquide, le perméat, traverse la membrane sous l’effet d’un gradient de pression. Les particules les plus grosses se concentrent dans le liquide qui n’a pas traversé la membrane, appelé rétentat.

Le cisaillement, créé par la circulation tangentielle du fluide, s’oppose au dépôt des particules sur la surface de la membrane. La résistance à l’écoulement et le colmatage des membranes sont donc minimes par rapport à ce qui se produit en filtration frontale. La filtration tangentielle permet donc de filtrer, avec un seuil de coupure très bas, des liquides relativement chargés en particules sans perte de charge. Elle permet de maintenir une qualité de filtration constante tout au long de l’opération.

La filtration tangentielle peut s'utiliser de deux manières, selon la fraction du fluide que l'on conserve, et celle que l'on élimine.

• Elle peut permettre de filtrer la solution en éliminant les particules les plus grosses : on s'intéresse alors au perméat.
• Elle peut au contraire être mise en oeuvre pour éliminer du fluide les particules ou les molécules les plus petites : on s'intéresse alors au rétentat, demeuré en amont de la membrane filtrante.

On peut même, dans certains cas, et contrairement à la filtration frontale, valoriser ces 2 fractions, si elles présentent toutes deux un intérêt industriel.

(source : Tel archives ouvertes)

La filtration tangentielle est souvent utilisée lors des opérations de recyclage et de dépollution, notamment le traitement des effluents et la potabilisation de l'eau. Elle est également utilisée dans l'industrie des biotechnologies et le secteur pharmaceutique, par exemple pour concentrer et purifier des protéines d'intérêt thérapeutique. Elle est également mise en oeuvre dans l'industrie agroalimentaire.

Filtration frontale au charbon actif dans l'industrie pharmaceutique

Pour éliminer les impuretés colorées produites dans les réacteurs au cours de la synthèse des principes actifs pharmaceutiques (API), on utilise du charbon actif, qui retient par adsorption les molécules indésirables. Plutôt que d'utiliser du charbon actif libre, il est recommandé de mettre en oeuvre des cartouches filtrantes ou des modules lenticulaires munis d’un média au charbon actif. La purification a alors lieu par passage frontal du fluide à travers ces éléments filtrants. Une attention particulière doit être portée à la vitesse de passage du fluide au travers de ces éléments, pour optimiser la qualité de la filtration sans ralentir excessivement le processus de production des API.

Pour en savoir plus sur la filtration au charbon actif

Les fibres creuses, une solution innovante pour la filtration frontale

Initialement développée pour la production de reins artificiels, la technologie de membrane à fibres creuses permet d’obtenir des performances jusqu’alors inégalées en filtration frontale, en exploitant l’affinité chimique des polysaccharides pour certains matériaux. C'est la solution retenue dans les dispositifs de filtration frontale FiberFlo® à fibres creuses en Polyphen. Cette méthode de filtration est intéressante économiquement : utilisées dans les dispositifs de filtration frontale, elle restitue la totalité du flux entrant et fonctionne avec des pompes de gavage de faible capacité. Mais, à taille d'élément filtrant donné, elle offre une surface de filtration jusqu'à 3 fois supérieure à celle des membranes filtrantes plissées. Elle permet par exemple une rétention sélective et inégalée des endotoxines, ces molécules présentes dans la membrane externe de certaines bactéries comme les Escherichia Coli ou les salmonelles. 

Pour en savoir plus sur les endotoxines découvrez cet article

Zoom sur l'ultrafiltration tangentielle en agroalimentaire

Selon la dimension des pores présents dans la membrane, on distingue différentes familles de filtration tangentielle. Lorsque les pores ont une taille comprise entre 1 et 100 nanomètres, trop petite pour laisser passer les bactéries, les levures et la plupart des virus, on parle d'ultrafiltration.

En pratique, l'ultrafiltration est utilisée pour séparer des matières dissoutes, là où la microfiltration (diamètre des pores compris entre 0,1 μm à 1 μm) est majoritairement utilisée pour éliminer des particules en suspension.

L'ultrafiltration est largement utilisée dans le secteur agroalimentaire. La filière lait utilise à elle seule 75% des installations d'ultrafiltration dans le monde, notamment pour la concentration des protéines du lactosérum. La filière boissons utilise quant à elle l'ultrafiltration (et la microfiltration) dans la fabrication des jus de fruits et la clarification du vin et de la bière.