Description :
Contexte socio-économique et scientifique :

Pour établir un compromis entre des objectifs techniques, économiques et environnementaux et assurer ainsi une chaine de transformation durable, l’optimisation multi-objectif des procédés s’avère être la démarche émergente la plus ambitieuse. Cette démarche nécessite d’avancer sur la modélisation des opérations unitaires, encore peu développée, entre autre pour les opérations de filtration fortes consommatrices d’eau et d’énergie.

L’objectif de cette thèse est donc d’apporter des éléments de compréhension des mécanismes mis en jeu au sein des opérations de filtration tangentielle de lait, et sur cette base de développer un modèle permettant de prédire les flux de perméation. Le choix des opérations de filtration (ultra et micro-filtration) appliquée au fractionnement et à la concentration du lait écrémé est pertinent puisque ces opérations sont aujourd’hui au cœur des procédés de transformation fromagère et des innovations laitières (production d’ingrédients), et conduisent à des volumes d’effluents considérables (1,25– 5 m3 d’eau/100 m²/opération).

Le développement d’un modèle de filtration de lait écrémé permettant de prédire les flux de perméation, les profils de concentration des micelles de caséine (protéines majoritaires du lait) qui s’accumulent à la membrane et les conditions d’apparition du gel de micelles est un enjeu considérable pour définir les conditions « optimales » de fonctionnement. Dans le domaine laitier peu d’approches ont été développées ces dernières années. Dans le domaine de la filtration de colloïdes, les modèles développés se sont principalement focalisés sur des approches mettant en œuvre des colloïdes de types sphères dures, non adaptés aux objets poreux et déformables que sont les micelles de caséine. Les derniers travaux dans ce domaine ont été réalisés par notre équipe, et nous avons montré que :


 Les flux de perméation en filtration frontale de lait peuvent être prédits à partir des données de pression osmotique et de perméabilités des micelles en milieu concentré en adaptant les approches développées pour des sphères dures (Bouchoux et al., 2014). La pression osmotique (Π) permet de quantifier les interactions entre micelles. Le modèle proposé reste limité à la filtration frontale, non représentative des pratiques industrielles (filtration tangentielle).


 Pour prédire les conditions d’apparition des gels à la membrane en cours de filtration, il est nécessaire de prendre en compte les cinétiques de formation des gels et l’impact des conditions hydrodynamiques (comportement rhéologique) sur leurs propriétés.

Pour développer un modèle permettant de prédire le flux de perméation lors de la filtration tangentielle d’objets déformables et poreux, (micelles de caséines), l’approche se basera sur une quantification des propriétés macroscopiques des gels de micelles (pression osmotique ; comportement rhéologique cohésion/réversibilité ; perméabilité) prenant en compte les effets cinétiques de formation des gels et l’impact de l’hydrodynamique.

L’originalité du projet reposera sur des approches alliant
i) connaissance des procédés et maîtrise des concepts théoriques adaptés à la description des micelles, objets naturels déformables et poreux ;

ii) quantification ex-situ (hors filtration) et in-situ (en cours de filtration) ;

iii) approche nano-microscopique (caractérisation des profils en cours de filtration par rayons X) et macroscopique mesures rhéométriques(performances de filtration).


Les grandes étapes de la thèse et démarche
1- Bibliographie - Analyse critique des approches de modélisation de la filtration tangentielle
2- Caractérisation « ex-situ » des propriétés des gels de micelles de caséines : les propriétés (réversibilité, perméabilité) de gels de micelles de caséines préparés à différents niveaux de concentration en caséine par compression osmotique seront étudiées en fonction du temps et de la phase aqueuse mise en œuvre ; Des expérimentations de filtration tangentielle seront réalisés à conditions opératoires contrôlées pour déterminer la perméabilité des gels.
3- Caractérisation « in-situ » des profils de concentration et des propriétés de réversibilité des gels en cours de filtration par diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS) et mesures rhéométriques (en collaboration avec F. Pignon, Laboratoire de Rhéologie et Procédés, Grenoble)
4-Elaboration d’un modèle de filtration tangentielle basé sur la quantification des propriétés macroscopiques des couches concentrées et gels formés.
5- Rédaction de la thèse et des articles


Compétences scientifiques et techniques requises par le candidat
Le profil recherché est un(e) Etudiant(e) Ingénieur en 3ème année ou en Master 2, ou déjà diplômé(e), de profil Génie des Procédés. Une expérience dans le domaine agro-alimentaire et des connaissances en biophysique des colloïdes et physico-chimie des protéines seront appréciées
+ curiosité, autonomie, gout pour le travail en équipe.

Dépôt de candidature : avant le 22 Juin 2016 sur le site de l’Université Européenne de Bretagne (UEB), école Doctorale VAS (lien :https://thesesenbretagne.ueb.eu/vas...)
Les candidats devront passer une audition face au jury de l’école doctorale, fin Juin.

Publications de l’équipe sur le sujet
P. Qu, A. Bouchoux, G. Gésan-Guiziou (2015) On the cohesive properties of casein micelles in dense systems Food Hydrocolloid, 43, 753-762
A. Bouchoux, P. Qu, P. Bacchin, G. Gésan-Guiziou (2014) Modeling the filtration of soft and permeable colloids : the milk case study Langmuir 30, 22-34.
Y. Jin, N. Hengl, S. Baup, F. Pignon, N. Gondrexon, M. Sztucki, G. Gésan-Guiziou, A. Magnin, M. Abyan, M. Karrouch, D. Blésès (2014) Effects of ultrasound on cross-flow ultrafiltration of skim milk : Characterization from macro-scale to nano-scale. J. Membrane Sci 470, 205-218
P. Qu, G. Gésan-Guiziou, A. Bouchoux (2012) Dead-end filtration of sponge-like colloids : the case of casein micelle J. Membrane Sci. 417-418, 10-19

Reference : These INRA Rennes

Date de démarrage : 01 septembre 2016

Durée : 3 ans

Contacter :
INRA : UMR 1253 STLO/ Equipe Transfert et Interactions dans les Procédés de l’Industrie Laitière
Geneviève Gésan-Guiziou, Frédéric Pignon
UMR 1253 INRA - Agrocampus Ouest STLO Science et technologie du lait et de l’oeuf 65 rue de Saint-Brieuc - 35042 Rennes Cedex - France tél. :+33 (0)2 23 48 53 25 ; fax : +33 (0)2 23 48 53 50
email : geneviève.gesan-guiziou@rennes.inra.fr
Téléphone : 02 23 48 53 25
Fax : 02 23 48 53 50
Page web : www.rennes.inra.fr/stlo