Un dimensionnement correct des filtres est important pour garantir que les coûts de filtration (et de fonctionnement) sont minimisés. Les systèmes sous-dimensionnés entraîneront des pertes de pression initiales élevées, une courte durée de vie et, en fin de compte, un opérateur déçu.
L'approche du dimensionnement du filtre différera selon que l'application implique une utilisation à long terme ou que le filtre soit utilisé à court terme seulement - pour le traitement par lots (batch) par exemple. L'absence de prise en compte de ces différences se traduira par des systèmes mal spécifiés et des coûts (opérationnels) plus élevés que prévus.
L’impact du sous-dimensionnement des filtres dans la fabrication de boissons
Dans les applications où les filtres sont utilisés dans des processus continus à long terme, il est essentiel de s'assurer que les filtres ne soient pas sous-dimensionnés. Dans le cas contraire, et souvent pour réduire les coûts initiaux d’investissement, il en résultera un débit élevé (débit unitaire par surface de filtre) qui provoquera un colmatage prématuré du filtre et réduira les débits. Cela affectera l'efficacité et la productivité du processus par la suite car les filtres devront être changés plus fréquemment. En outre, les coûts globaux de filtration augmenteront, car un plus grand nombre de cartouches filtrantes seront utilisées. Le temps de maintenance, l'augmentation des temps d'arrêt du processus et les pertes de produit sont également des conséquences négatives d'un filtre de taille mal adaptée.
Les figures 1 et 2 montrent l'effet négatif sur la durée de vie du filtre que des débits élevés peuvent produire.
Figure 1 : Effet de l'augmentation du débit sur la capacité de débit
Figure 2 : Effet de l'augmentation du débit sur la capacité de rétention
Il est généralement reconnu que pour un débit donné, le fait de sous-dimensionner le filtre d'un facteur 2 (c'est-à-dire qu'un filtre est sélectionné à la moitié de ce qu'il devrait être) diminuera d'un facteur 3 la durée de vie du filtre. CE N’EST PAS LINEAIRE, contrairement à ce que beaucoup pensent.
A partir de l'exemple ci-dessous, nous pouvons voir que la réduction de la taille d'un système de filtre pour réduire les coûts d'installation se traduira finalement par des coûts de fonctionnement plus élevés que prévu.
Dans cet exemple, un dimensionnement non-adapté augmente ici de 50% les coûts de fonctionnement.
Préconisations générales de dimensionnement des filtres
Les systèmes de filtration peuvent être dimensionnés sur un certain nombre de facteurs, notamment la pression différentielle initiale, la concentration d’insolubles à retenir, les limitations d'espace, etc. Mais le débit est probablement le critère le plus prépondérant. Nous fournissons des directives générales sur le dimensionnement des filtres en fonction du débit, qui prend en compte les différentes configurations de conception et de fabrication du filtre (voir divers tableaux ci-dessous selon nature de la boisson à filtrer).
Il convient de noter que cette orientation de base ne peut pas prendre en compte des attributs de processus spécifiques (projet par projet) qui nécessitent un examen particulier, tels que:
- viscosité et / ou température du liquide filtré
- concentration particulaire en amont du filtre
- nature du contaminant, par ex. matériau solide ou déformable et / ou contamination organique / huile
Filtration de la bière et des produits brassés
La bière couvre une large gamme de produits, mais ces directives s’appliquent autant pour les bières en fût que les bières en bouteille. Certains fabricants pasteurisent leurs bières pour les « stériliser ». Il semblerait que, dans certains cas, la pasteurisation dégrade le goût de la bière.
C’est pourquoi on utilise de plus en plus la stabilisation microbiologique par voie froide, qui garantit que la bière conservera ses caractéristiques uniques (couleur, clarté, goût, amertume ou douceur). Ceci se fait en utilisant des membranes filtrantes permettant de retenir tout microorganisme biologiquement nocif. Ce résultat est dépendant des conditions de débits (et de pertes de charges associées) que l’on va appliquer sur ces membranes.
Les débits trop élevés affectent la bière et influencent également les performances des filtres, notamment en termes de durée de vie. Un débit faible entraîne toujours des performances optimales.
Un flux constant est également essentiel. Des pressions élevées, des pulsations ou des fluctuations peuvent affecter la filtration- libération potentielle de matières fragiles ou décollement de matériaux colloïdaux.
Les bières contiennent des protéines et des polysaccharides et peuvent donc apparaître «collantes» - ces deux matériaux peuvent rendre la filtration difficile. Les levures et les bactéries acides (lactiques et acétiques) auront également un effet.
Vérifier les différentes étapes de pré-filtration (pré-stabilisation des bières brillantes - déjà clarifiées par des terres de diatomées ou des plaques), lors de la filtration, amène généralement un produit "affiné" et "clarifié". Les filtres plissés sont un bon choix lorsque nous cherchons une réduction de la biocontamination ou un traitement dans la zone de conditionnement final.
La stabilisation à froid de la bière brillante avant l'emballage devrait permettre l'utilisation de membranes submicroniques asymétriques ou lorsque nous avons des bières plus « lourdes », une membrane submicronique avec une précouche intégrée.
Guide de dimensionnement des filtres pour les bières et produits brassés :
Filtration du vin ou de produits fermentés
Les vins blancs sont ceux que l’on considère souvent comme les plus faciles à filtrer. L'étape de filtration est relativement simple mais la préfiltration est la clé. La membrane est la dernière ligne de sécurité avant conditionnement. Si la préfiltration n’est pas correctement choisie et dimensionnée, la membrane va colmater prématurément. Les vins rouges tendent à avoir des niveaux plus élevés de tanins sucrés, les rendant plus résistants à la détérioration (les vins blancs tendent à être moins résistants).
Les qualités de préfiltres peuvent dans de nombreux cas agir comme des filtres finaux en fonction des attentes des clients en ce qui concerne la durée de conservation et la saveur. Ils peuvent être à la recherche d'une réduction simple de la biocontamination plutôt que d'une élimination complète.
Une sélection finale par membrane peut être déterminée. Le micro-organisme ou le matériel d'altération déterminera la taille des pores, mais généralement 0,45 μm et parfois 0,65 μm. Les débits n'ont pas besoin d'être aussi conservateurs si la préfiltration a été bien pensée.
Guide de dimensionnement des filtres pour les vins et produits fermentés :
Filtration des eaux minérales
L’eau est un fluide plus facile à filtrer que la bière et le vin mentionnés ci-dessus, mais une bonne compréhension de la source d'eau et de tout traitement préalable aidera à optimiser le processus de filtration. En général, plusieurs configurations de produits conviennent, mais leur combinaison sera toujours importante pour une durée de vie optimale.
Les eaux minérales doivent généralement être filtrées (lorsque autorisées) à 0,2 μm afin que le produit soit stable pour la protection du consommateur et la durée de conservation. Idéalement, toute membrane fonctionnera - alors quelles sont leurs exigences ?
Les membranes fortement asymétriques sont le produit idéal. Ce sont des membranes solides et robustes, capables de résister à plusieurs types et cycles de sanitisation. Pour bien protéger ces membranes, les filtres mixant plissage et profondeur sont la meilleure solution de préfiltration pour les eaux minérales.
Guide de dimensionnement des filtres pour les eaux minérales :
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