Depuis la seconde guerre mondiale, l’industrie produit des membranes filtrantes permettant d’arrêter par filtration les particules mais aussi les micro-organismes libres dans un liquide.
Membrane « stérilisante » : définition
Ces membranes filtrantes dites « stérilisantes » (membrane à 0,2 μm ou 0,22 μm de seuil de filtration) peuvent donc servir de barrière aux micro-organismes en les empêchant, sans les détruire, d’aller plus loin dans l’installation. Les micro-organismes s’accumulent donc sur la membrane filtrante. Ce type de technologie, très répandue, est très efficace mais limitée dans le temps vu que les micro-organismes restent vivants sur le support.
En quelques heures ou au plus quelques jours apparaissent dès lors les phénomènes « go-through » (passage à travers), « grow-through » (développement à travers) et « blow-through » (s’infiltrer à travers). Plus la membrane filtrante sera épaisse, plus elle génèrera des phénomènes de stress au niveau des bactéries à porosité équivalente, amplifiant les phénomènes de « go-through » et « blow-through ».
La FDA (Food and Drugs Administration) définit ces filtres comme “un filtre qui, lorsqu’il est testé avec une suspension de Pseudomonas (Brevundimonas) diminuta contenant un minimum de 107 germes par cm² de surface de filtre, produit un effluent stérile.”
Ces membranes filtrantes sont généralement validées suivant le challenge HIMA. La procédure exacte de ce test officiel a été définie par la « Health Industry Manufacturers Association » (HIMA) et est décrite dans « Microbiological Evaluation of Filters for Sterilizing Liquids » (HIMA document #3, Vol. 4, 1982). Depuis les années 1960, des problèmes occasionnels de contamination autres que ceux causés par des mycoplasmes ont été rapportés malgré l’utilisation de filtres membrane « stérilisants » de 0,2 et 0,22 µm.
Dès lors, la FDA a reconnu que les filtres membranes 0,2 μm et 0,22 μm ne peuvent effectivement prévenir contre une contamination du filtrat. En 1996, elle a reconnu que l’usage de filtres 0,1μm comme filtres finaux est « préférable pour garantir une stérilité du produit… ».
Cependant, le risque est alors de limiter le débit car on considère en moyenne une perte de 40% de débit en échangeant des filtres stérilisant 0,2 μm par des 0,1μm de taille et surface filtrante équivalente.
De plus, certains fabricants de membranes planes utilisent le « subterfuge » de la charge électropositive à la surface de la membrane afin d’obtenir une rétention bactérienne permettant de recouvrir le challenge HIMA, sans se pénaliser en termes de débit et donc en utilisant des porosités supérieures. Lors de tests avec des microsphères de latex (test particulaire), on constate au microscope électronique que l’on retrouve dès lors des microsphères adhérisées de chaque côté de la membrane.
La technologie des membranes planes
Ces membranes filtrantes existent depuis plus de 70 ans, il s’agit donc d’une technologie bien connue et éprouvée. Pour avoir un débit acceptable, il faut augmenter, autant que faire se peut, la surface filtrante.
La membrane est donc plissée avant d’être insérée dans la cartouche, permettant d’obtenir des surfaces comprises entre 0,5 m² et 0,7 m². Cette surface reste bien entendu le facteur limitant du débit. Les médias les plus couramment utilisés sont le Polyethersulfone, le Nylon 6.6 ou le PVDF. L’épaisseur de ces membranes se situe entre 150 et 300 μm.
Pour améliorer la résistance mécanique de ces membranes filtrantes, elles sont généralement prises en sandwich entre 2 toiles de support et de drainage, généralement en Polypropylène. Le centre de la cartouche est composé d’une âme rigide perforée, alors qu’on viendra mettre une cage externe, le tout donnant à la cartouche une bonne résistance mécanique et une bonne tenue à la pression.
La technologie des fibres creuses
Plutôt que d’utiliser des membranes plissées forcément limitées en surface filtrante, ces filtres proposent une membrane en fibres creuses FIBERFLO.
Ces membranes sont beaucoup utilisées pour les filtres à dialyse mais également de plus en plus dans le domaine des techniques séparatives (Microfiltration ou Ultrafiltration tangentielle).
Selon les fabricants, ces fibres présentent des diamètres différents, mais également des qualités de média différentes (Polysulfone, Nylon, PVDF, Polypropylène).
Cette technologie présente l’énorme avantage de multiplier la surface de filtration par 2 voire 3 pour une même taille d’élément filtrant en comparaison d’une cartouche à membrane plissée. Un élément filtrant de 10 pouces par exemple représente une surface de filtration de 1,5 m².
Cette surface de filtration plus importante permet alors de réduire le seuil de filtration sans perte de débit et donc d’augmenter l’efficacité de la filtration (par exemple : utiliser du 0,1μm au lieu du 0,2 μm) ou d’augmenter le débit sans influer sur la perte de charge.
Tout en étant conforme aux mêmes normes, un filtre 0,1 μm offrira donc un même débit que la plupart des filtres 0,2 μm de même taille.
En quoi le débit est-il important ?
Un procédé quel qu’il soit, a besoin d’un débit d’alimentation fiable et déterminé. A ce titre, un dimensionnement de filtre peut être crucial. Si celui-ci est trop juste, l’étape de filtration générera des pertes de charges importantes, qui augmenteront de façon exponentielle au fur et à mesure que la cartouche de filtration s’encrassera.
Une filtration stérilisante plus serrée offre alors une garantie supérieure quant à la protection d’un système de production et distribution d’eau purifiée.
Une des particularités des filtres FIBERFLO est d’être validés initialement sur un challenge particulaire puis d’avoir été validés suivant le challenge HIMA.
Le challenge particulaire n’est absolument pas permissif puisque l’intégralité des microsphères calibrées doit être retenu par le filtre.
Par conséquent, le seuil de rétention annoncé est bien absolu. Le challenge HIMA, pour sa part, n’impose « que » 7 Log/cm² de réduction sur le micro-organisme de référence.
Les filtres FIBERFLO fibres creuses, en pratique, permettent :
- D’augmenter le débit pour un même seuil de filtration sans se pénaliser au niveau de la rétention et sans devoir ajouter ou changer de corps de filtre
- D’améliorer la rétention bactérienne et particulaire sans se pénaliser au niveau du débit.
Un cas particulier d’utilisation des filtres à fibres creuses FIBERFLO est celui de la rétention des endotoxines dans le domaine pharmaceutique.
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