janvier 2017 – décembre 2020

Parmi les secteurs agro-alimentaires, celui du lait est un de ceux dont la croissance annoncée est la plus forte, avec une évolution attendue de 31 et 20 % des poudres laitières et des fromages à l’échelle européenne sur les 10 ans à venir (OCDE, FAO prospectives 2011-2020). Le potentiel du secteur laitier est fort dans les pays émergents et en voie de développement, du fait de l’augmentation de la population (Afrique, Amérique du sud) et également dans les pays qui n’ont pas d’industrie laitière développée mais sont consommateurs, comme les pays asiatiques. Mais une croissance de ce secteur est également annoncée dans les pays occidentaux, en dépit des diminutions recommandées des prises de protéines animales dans les régimes occidentaux (Combris, 2006), parce que ces pays sont demandeurs de produits fonctionnels variés à destination de populations spécifiques comme les personnes âgées, les nourrissons et les sportifs.

Pour obtenir des produits fonctionnels diversifiés, la microfiltration tangentielle, MF présente un enjeu fort pour les industriels laitiers. Ces industriels ont déjà mis en place, depuis près de 40 ans, des techniques de fractionnement, principalement par membrane (opérations de filtration). Ces opérations permettent de fractionner les constituants du lait selon des critères essentiellement de taille, sans induire de dénaturation des molécules à séparer. Au milieu des années 90, la microfiltration tangentielle, mise en œuvre avec une membrane de diamètre de pores de 0.1µm (MF 0.1 µm), est apparue à l’échelle industrielle pour séparer les deux grandes familles des protéines du lait : les micelles de caséines (protéines majeures du lait) et les protéines de lactosérum. Avant l’implantation de la microfiltration, ces protéines étaient séparées par « déstabilisation » des caséines induite par modifications physico-chimiques du lait (pH, température, …), ce qui pénalisait les propriétés fonctionnelles des constituants. Grâce au maintien de l’état natif des protéines laitières, la microfiltration tangentielle offre alors aujourd’hui, un vaste champ de valorisations des deux co-produits: le rétentat peut être avantageusement utilisé en fabrication fromagère et les protéines de lactosérum utilisées pour la fabrication de concentrés de protéines, valorisés par exemple dans les formulations infantiles ou pour différentes propriétés fonctionnelles, nutritionnelles et biologiques. Ces fractions sont également des matières premières remarquables pour envisager le fractionnement et la récupération spécifique ultérieure de protéines individuelles du lait.

Même si la MF 0.1µm de lait est implantée industriellement depuis la fin des années 90, la conception et le mode de conduite de cette opération (ainsi que du procédé dans lequel elle est mise en œuvre) ne sont pas réalisés aujourd’hui de manière optimisée. Le choix des membranes a évolué avec les années, les modes de conduite sont variés, et dans ce contexte les industriels, aussi bien utilisateurs qu’équipementiers, manquent cruellement de critères pertinents de décision pour la conception et la conduite du procédé. Le fait que cette opération fasse également partie des opérations les plus consommatrices d’eau et d’énergie (Projet ANR EcoProm, 2007-2010) incite d’autant plus les industriels à optimiser cette opération et à développer des procédés durables.

Conseil régional de Bretagne

L’objectif de ce projet est donc de créer un outil logiciel permettant d’aider à la conception et à la conduite, d’une part, de la MF 0.1µm seule, et d’autre part du procédé dans lequel la MF est mise en œuvre. Le procédé d’étude comprend la MF 0.1µm (avec ou sans diafiltration) et la cascade d’opérations nécessaires à la valorisation du perméat (Ultrafiltration du perméat de MF + osmose inverse du perméat d’UF), le rétentat étant valorisé en transformation fromagère. A cet outil d’optimisation sera associé un livre électronique de connaissances permettant de collecter les connaissances actuelles du domaine. L’outil logiciel sera construit autour d’une approche d’optimisation multi-objectifs, déjà mise en œuvre dans les industries chimiques. Cette approche considère le procédé comme un problème de compromis prenant en compte simultanément des objectifs de minimisation des intrants (eau, énergie) et des coûts, avec des objectifs de maximisation de la productivité et des propriétés des produits. Elle permet ainsi d’établir les solutions optimales pour la conception et la conduite répondant à des cahiers des charges variés définis par les utilisateurs.

Ce projet fait ainsi appel à deux grands domaines de compétences :

• des compétences en technologies et procédés laitiers, en particulier en procédés de filtration et la MF 0.1µm de lait, associées à des connaissances en physico-chimie et microbiologie du lait ;
• des compétences en optimisation et aide à la décision, ainsi qu’en intégration des connaissances nécessaire, en amont de l’optimisation, pour établir des liens causaux entre les variables (opératoires du procédé et d’état du produit) et les objectifs à optimiser. Des connaissances en intelligence artificielle et informatique sont indispensables pour la représentation des connaissances (livre électronique de connaissances) et le développement d’outil logiciel, objet du délivrable majeur de ce projet.

Partenaires institutionnels :

• UMR1253 Science et Technologie du Lait et de l’Oeuf, STLO INRA-Agrocampus Ouest Rennes.
• I2M UMR 5295 (Université de Bordeaux)

Partenaires industriels :

• Boccard
• SODIAAL

Concernant les aspects socio-économiques, le projet participera à la croissance de la compétitivité de la filière laitière, dans un contexte de marché mondial en pleine croissance et avec des compétiteurs de plus en plus « féroces ». Les industriels partenaires y trouveront i) des propositions d’itinéraires technologiques éco-conçus et innovants pour l’obtention d’ingrédients et de produits laitiers aux propriétés définies (texture, goût, intérêt nutritionnel, …) répondant à des populations variées; ii) des idées d’innovations en terme de produits (fromages, fractions protéiques), issus de l’analyse "large" des performances du procédé de fractionnement; iii) la mise à disposition d’outils de pérennisation et de transfert des connaissances et de démarche d’aide à la conception qui seront transférables à d’autres procédés que celui pris comme exemple dans le projet. Ce projet débouchera sur un champ d’applications plus large. Le secteur laitier a historiquement été un secteur innovant, servant de "démonstrateur". Le procédé d’étude, qui met en œuvre des opérations unitaires classiquement rencontrées dans les IAA, permet une généricité de l’approche avec des applications que l’on peut sereinement envisager dans des secteurs alimentaires proches, en particulier pour la valorisation des protéines végétales.

En termes de valorisation, le projet bénéficiera de la collaboration équipementier - utilisateur pour en particulier implémenter des choix technologiques pertinents au sein des usines. Si les résultats le permettent, un brevet pourra être déposé. Les résultats seront diffusés au sein des entreprises partenaires et pourront également être diffusés à l’extérieur du consortium grâce i) aux pôles de compétitivité, en particulier Valorial ii) à des publications dans des revues techniques, et iii) au livre de connaissances électronique et à l’outil d’aide à la conception. La propriété des résultats fera l’objet d’un accord de consortium.

D’un point de vue scientifique, le projet conduira à la mise en place d’approches méthodologiques innovantes, basées sur l’intégration des connaissances, pour concilier différents objectifs économiques et d'utilisation des produits. Il participera à l’amélioration des métaheuristiques d'optimisation multi-objectif qu’il pourrait être nécessaire de faire évoluer pour répondre à un nombre d'objectifs spécifiques élevé. Il apportera des connaissances fortes sur les mécanismes de formation des dépôts à la surface des membranes qui déterminent les performances de la filtration : la grande variété de conditions opératoires et systèmes étudiés permettra de mieux comprendre et prédire la structuration et le comportement de ces dépôts, qui est générique à l’ensemble des opérations de filtration de colloïdes poreux et déformables (microgels, agrégats protéiques…). Enfin ce projet permettra de capitaliser les connaissances issues de ces procédés et de proposer des scénarii permettant plus de durabilité.

La diffusion des résultats scientifiques se fera au travers des publications à comité de lecture, des participations aux congrès nationaux et internationaux et d’un livre électronique de connaissances vers l'industrie. Les résultats de la recherche feront l’objet d’articles dans des revues "techniques".