Agroalimentaire : diminuer l’empreinte eau des produits et des procédés

Dans les industries agro-alimentaires, les sources et usages de l’eau sont multiples. Certaines eaux n’entrent pas en contact avec le process alimentaire, ce sont les eaux dites d’utilités industrielles dont l’origine est variable : eaux de ville, de forage, issue d’un système de recyclage, etc. Elles vont servir pour le lavage, le refroidissement dans les circuits aéroréfrigérants, le convoyage, etc.

Mais bien sûr de l’eau y est aussi utilisée pour le process agroalimentaire, ce n’est pas qu’un banal fluide. Elle peut ainsi entrer en contact direct avec les den­rées alimentaires produites, voire même en constituer un des ingrédients à part entière sous forme liquide, de glace ou de vapeur. Exemple emblématique.: l’eau utilisée comme véritable matière première par les fabricants de bois­sons et autres sodas : les “embou­teilleurs”.

Malgré les efforts engagés par les industriels pour réduire les consommations et réutiliser ou recycler tout ou partie des eaux utilisées, le secteur agroa­limentaire reste donc, de par la nature même de ses activités, un gros consommateur d’eau dont il faut abso­lument assurer et garantir la qualité… tout en l’économisant.

Chez les embouteilleurs, ce dernier cri­tère est d’ailleurs de plus en plus prégnant : « les standards de production adoptés par les grands groupes imposent des objec­tifs de ratio d’embouteillage, confirme Philippe Onillon, Responsable Commer­cial de zone et Marketing chez I.C.E. Dans le segment d’activité des Carbonated Soft Drinks (CSD), des ratios couramment situés autour de deux litres d’eau brute par litre produit doivent être réduits à 1,4 hors nettoyage ». Une évolution dictée par plusieurs facteurs qui varient selon les différentes régions du monde.: raréfaction des ressources en eau, réglementations restrictives sur les ressources ou sur les usages, marketing « vert… sans oublier la nécessité produire constamment plus avec des ressources identiques ou contraintes ».

Économiser l’eau : une préoccupation constante

Cette course à l’économie d’eau touche l’ensemble des secteurs agroalimentaires.

Les industriels se tournent donc de plus en plus souvent vers des systèmes leur permet­tant de connaître en temps réel et le plus finement possible leurs consommations d’eau dans leurs usines. Pour satisfaire ce besoin, BWT a par exemple lancé une solution nommée “Vision™”. Elle repose sur une box qui récupère une foule d’in­dicateurs sur les consommations d’eaux de l’industriel via des capteurs dissémi­nés sur l’ensemble des points de consom­mation. 

Une fois traitées et interprétées, les données sont accessibles via tablette, ordinateur ou Smartphone. Un acheteur, un responsable d’ingénierie, un ingénieur process, peut ainsi savoir, à tout moment, ce que consomme en eau chaque kilo de produit sur les différentes chaînes de ses usines. Des alertes se déclenchent en cas de franchissement de seuils critiques.

De son côté, GE a développé depuis 2010 la solution Insight™ qui, en plus de récu­pérer les signaux de capteurs, permet éga­lement la gestion analytique, documen­taire et le diagnos­tic à distance des systèmes de traite­ment d’eau. Insight repose sur les compétences du groupe GE et de sa filiale GE Digital.

De même, la tech­nologie 3D Tra­sar de Nalco per­met de réduire les consommations d’eau en optimisant les installations existantes, de réutiliser les eaux quand c’est possible, voire de les recycler en mettant en place des pré­traitements avant recyclage. L’objectif final étant toujours de minimiser les consomma­tions d’eau tout en maximisant les résultats et en optimisant les coûts opératoires.

Ses applications centralisées dopent les besoins en instrumentation et systèmes d’analyse. Endress+Hauser a ainsi déve­loppé et adapté son instrumentation aux exigences particulières des industries agroalimentaires. Mesure de niveau sans contact pour poudres ou liquides pour piloter de façon optimale la production et les approvisionnements, mesure de pression hydrostatique, mesure et surveillance de température débitmé­trie massique et électromagnétique, visco­simètre… 

Les applications sont très nom­breuses et reposent également sur un suivi analytique sans faille. Beaucoup de sites de production disposent par exemple d’un process de nettoyage en place utilisant des produits acides (acide nitrique) ou alcalins (soude). 

La conductivité est alors le prin­cipal paramètre permettant de surveiller et de réguler la concentration des agents de nettoyage. Elle permet de gérer la sépa­ration entre l’eau de pousse et le produit noble (ex..: lait…) mais aussi la séparation entre l’eau et les produits de nettoyage lors de leur retour vers l’installation. Pour ce type d’application, Endress+Hauser a développé un conductivimètre inductif compact, le Smartec CLD18 dont la com­pacité facilite l’intégration, notamment sur les skids. Le Smartec CLD18 optimise le process grâce à des mesures rapides et fia-bles pour la séparation de phases et la sur­veillance de la concentration des produits de nettoyage. Sa construction hygiénique protège les produits de la contamination.

La réduction des pertes matières est égale­ment un enjeu majeur en agroalimentaire, notamment dans les industries de transfor­mation du lait. Les objectifs sont partout les mêmes.: limiter la perte de pro­duits durant le processus de fabrica­tion, réduire la charge polluante et valoriser les sous-produits. OUSAF11, un cap­teur optique capable de détecter les pertes de lait ou de crème dans le canal de rejet de l’usine, répond à ce type de besoins. Il peut bien sûr s’inté­grer dans une installation complète asso­ciant, par exemple, une mesure de débit, une télétransmission, une caméra visuali­sant l’effluent, un préleveur d’échantillon et d’autres paramètres comme le pH ou la conductivité.

Les économies passent aussi par un suivi analytique en continu des différentes quali­tés d’eau utilisées. 

Chez Krohne, l’Optiquad permet une mesure précise, directe, et en ligne de la DCO, très utilisée en laiteries et fromageries pour la mesure de la teneur en acide gras libres, en matière grasse, en protéines… (voir enca­dré). 

Par ailleurs, le rapport DCO/COT apporte par exemple des informations importantes sur certaines liaisons orga­niques (alcools, protéines, etc.). 

Les ana­lyseurs de COT développés par Shimadzu, Hach-Lange, Metrohm, Datalink ou encore Endress+Hauser s’attachent à améliorer le rendement des process en réduisant les coûts au quotidien.

« On rencontre des composés organiques dans presque tous les types d’eau, depuis l’eau potable en passant par l’eau de pro­cess et de refroidissement, jusqu’à l’eau destinée à l’usage pharmaceutique et à la production de produits alimentaires, explique Pierre Guillou chez Metrohm. La détection précoce des contaminants orga­niques est d’une grande importance dans la protection des installations indus­trielles et de l’environnement. Le COT est un paramètre global, qui est parfaitement adapté pour le suivi 24-24 et 7 jours sur 7 (charge totale de polluants) ». 

Ainsi, COT-mètre “Sievers®” de GE est capable de mesurer la matière organique en sortie de rinçage… toutes les quatre secondes. « La performance du Sievers permet ainsi de stopper plus vite le rin­çage dès que la charge en matière orga­nique est redevenue acceptable, et ainsi d’économiser davantage d’eau », indique Fabienne Tissandier, responsable Instru­mentation chez GE.

Certains produits chimiques, les fameux produits formulés, utilisés en agroali­mentaire permettent aussi d’optimiser la consommation d’eau, d’énergie et de matières premières.: antitartres, inhibi­teurs de corrosion, produits anti-dépôts pour éviter l’encrassement des évapora­teurs, etc. De gros acteurs s’investissent dans ce type d’offre comme par exemple Nalco ou BWT qui vient de lancer Aqas­ter™, une offre packagée destinée au marché de la conserverie et de l’em­bouteillage. Formulé spécifique­ment pour les applications de stérilisation et pasteurisation, Aquaster™ permet de minimi­ser substantiellement les taux de rebuts. De même avec “Food Pro”, GE Water & Process Tech­nologies développe une gamme spécifiquement dédiée au sec­teur agroalimentaire.

Filtrations en cascade

Au-delà des économies d’eau, l’un des gros enjeux pour les industriels de l’agroali­mentaire reste l’obtention d’une eau de qualité constante pour leurs process. De nombreux équipements permettent d’y parvenir, à commencer par les systèmes de dégrillage fin tels que les filtres auto­nettoyants à disque mécanique “Hydro­tech Discfilters” ou à tambour mécanique (Hydrotech Drumfilters) de OTV DBI (Veo­lia Water STI) ou les dégrilleurs in line de Tecnofil. 

Ces deux acteurs développent également des process de clarification pour supprimer les particules en suspen­sion : clarificateur particulaire fonction­nant sur le principe de la floculation les­tée associée à la décantation lamellaire à contre-courant chez OTV DBI, clarificateur particulaire fonctionnant sur le principe de la décantation lamellaire à contre-courant chez Tecnofil (Decantec-Néo), etc. « Les particules en suspension, notamment sous forme colloïdale peuvent s’avérer très problématiques pour la rentabilité, lance Olivier Tognetti, Responsable de la zone Asie-Pacifique chez I.C.E. Dans le cas d’une unité d’embouteillage par exemple, elles peuvent encrasser tous les systèmes de filtration. À la clef : une hausse des coûts de fonctionnement et des dérives sur les systèmes d’éliminations sélec­tifs ».

Pour maîtriser la contamination micro­bienne et particulaire, les industriels de l’agroalimentaire recourent de plus en plus souvent à la filtration sur cartouches qui permette de produire une eau de process exempte de matières en suspension, col­loïdes, virus, bactéries, endotoxines…

Le panel s’étend de la filtration sur media fil­trant granulaire à l’ultrafiltration par mem­brane céramique, cette dernière technique éliminant la totalité des pollutions particu­laires. « Nous notons un recours croissant à ce type de procédé, que ce soit sur mem­branes organiques ou minérales, car il satisfait aux exigences croissantes d’éco­nomies d’eau, d’énergie et de consom­mables tout en ayant une grande flexibi­lité quant aux variations de la qualité de l’eau brute », confirme Patrick Ballato, Directeur Innovation et Développement chez I.C.E. Pas de consommable et peu de maintenance, les filtres aident les industriels à réduire leurs coûts d’exploitation. 

L’offre est très large, portée par Pall, Eaton, Scam-Filtres, Eurofiltres, Ocène, GE distribué en France par Elma Technologies, OTV DBI avec ses systèmes d’ul­trafiltration “Uflex”, BWT qui propose des filtres d’adou­cissement et ultrafiltration sur mesure, ou encore Tec­nofil avec des filtres à char­bon actif et filtres multimédia vertical à plancher. Chez GE, l’offre se compose de trois grands types de cartouches filtrantes : Z.Plex® (filtra­tion en profondeur, en fibre de propylène thermo-soudées pour filtration nominale ou absolue), Flotrex® (cartouches plissées avec média filtrant de microfibres pour filtration nominale ou absolue) et Memt­rex® (cartouches plissées avec média fil­trant membranaire pour filtration abso­lue de 1 à 0.03 micron). 

Dans l’industrie de la boisson, toute l’eau entrant en contact avec le produit ou son contenant, peut ainsi être préalablement stérilisée par fil­tration absolue à 0,2 micron avec des car­touches Memtrex®. Sur certains process, des filtres peuvent être eux-mêmes proté­gés par d’autres filtres selon le principe de la filtration en cascade.

L'essor de l'osmose inverse

Hytec, Firmus, Corelec, GE, Actibio, BWT, TIA, Suez, OTV DBI, I.C.E... de plus en plus d’acteurs du traitement de l’eau travaillent sur des systèmes d’osmose inverse. Ils reposent sur l’utilisation de membranes semi-sélectives permettant ou favorisant certains transferts de matières par rapport à deux milieux qu’elles séparent. 

Elles per­mettent de retenir à la fois les ions mono­valents et les ions bivalents. Ces systèmes peuvent être utilisés seuls ou en combi­naison avec d’autres process comme par exemple l’échange d’ions. Les membranes présentent l’avantage d’éliminer 99 % des composés inorganiques et organiques tels que les colloïdes et des particules. 

En Algé­rie, Hytec a récemment installé trois lignes d’osmose inverse de 84 m3/h unitaire et trois lignes d’ultrafiltration de 125 m3/h unitaire pour la production d’eau démi­néralisée à partir d’eau de forage pour la fabrication de jus de fruits. « Le stockage des concentrats d’osmose sert de réserve incendie et l’eau est réutilisée pour le lavage des routes et de l’usine et à des fins d’irrigation », précise Laurent Larcher, Directeur commercial chez Hytec.

Chez I.C.E., qui développe des unités d’os­mose inverse à très haut taux de conver­sion depuis plusieurs années, on souligne également cette tendance. « Nos clients veulent maîtriser leurs coûts de produc­tion en intégrant l’économie d’énergie, en intégrant des systèmes retro-lavables afin de limiter le coût de remplacement de cartouche de filtration single use (pro­cédé type micro et Ultrafiltration mem­branaire) », indique Olivier Tognetti. C’est ainsi qu’au Pakistan, I.C.E. a réalisé une unité d’osmose inverse à 83.% de conver­sion sur la base d’une eau dont la teneur en sels dissous est à 12.g/l, soit la moitié de l’eau de mer et sur laquelle la société a inté­gré un récupérateur d’énergie pour réduire la consommation électrique.

Lorsque l’on vise une réduction de la miné­ralisation au sens large, ou encore lorsque les médias spécifiques ne sont pas exploi­tables, l’osmose inverse permet de réduire d’un facteur 10 à 50 la plupart des com­posés dissous. I.C.E. adapte à chaque cas d’application un étagement sur mesure d’osmose, en privilégiant la nettoyabilité des systèmes, le rendement hydraulique (jusque 95.%) et la sélection de membranes travaillant à moindre pression, donc moins énergivores.

BWT met également souvent en œuvre des systèmes d’osmose inverse sur mesure. « Avec, on produit par exemple de l’eau osmosée pour alimenter des générateurs de vapeur afin d’obtenir une eau de basse conductivité à faible teneur en sels miné­raux, indique Raphaël Gallais, Directeur de Marché Industrie et Directeur des Ventes Internationales chez BWT France. À la clef : moins besoin de purger, moins d’ap­points en eau et de produits formulés… et au final, une consommation d’eau opti­misée et un rendement énergétique maxi­misé. «.Aujourd’hui le taux de conversion des osmoseurs peut atteindre 85 à 90.%.», ajoute-t-il.

Les techniques membranaires trouvent également un nombre croissant d’applica­tions en eaux usées (traitement d’affinage) pour rejet ou réutilisation.

Eaux usées : la valorisation plébiscitée

Un abattoir a ainsi sollicité GE pour équi­per sa nouvelle installation de traitement d’effluents par la technologie BRM (Bio Réacteur Membranaire) avec les mem­branes UF Zeeweed®. Le débit à traiter était de 9.500 m3/semaine avec une charge de 18.000.kg/semaine de DCO. Après trai­tement dans le bioréacteur équipé de ces membranes, la DCO en sortie de station était inférieure à 30.mg/l et la MES infé­rieure à 2 mg/l. Aujourd’hui, l’eau traitée est presque intégralement recyclée, notam­ment grâce à un traitement par osmose inverse, et permet de diminuer significati­vement ses coûts d’exploitation.

Autre exemple dans une grande coopé­rative laitière recevant plus de 2000 t de lait chaque jour chargé à 87.% d’eau qui a opté pour les membranes GE Duratherm™ pour purifier les condensats d’évaporation par osmose inverse. Objectif.: réutiliser les 1.800.t/j de perméat ainsi généré (alimenta­tion en chaudière, nettoyage à chaud…). Les économies réalisées vont bien au-delà des économies en eau, les volumes réuti­lisés n’étant pas dirigés vers la station de traitement des effluents ; une économie substantielle est aussi réalisée sur les pro­duits chimiques et l’énergie nécessaires aux traitements des eaux usées. Enfin, la chaleur conservée et valorisée représente un montant d’économie comparable, grâce à une alimentation partielle de la chaudière à 65.°C. Le retour sur investissement de cette installation a été évalué à neuf mois par une agence indépendante.

Pour réduire les arrêts nécessaires aux lavages des membranes et par conséquent la consommation de réactifs chimiques, OTV DBI a développé de son côté le BiopRO­tector® qui élimine biologiquement la partie organique des effluents, des condensats, des eaux de vache avant UF/RO.

À l’aval des process alimentaires, il se dégage deux catégories d’in­dustriels. Ceux qui rejettent leurs effluents au réseau après prétrai­tements, n’ont pas toujours intérêt à rechercher des économies d’eau car ils dépassent déjà souvent les limites réglementaires en DCO et leur consommation journalière est souvent inférieure à 100.m3/jour. « Mais cette situa­tion est généralement acceptée par le ges­tionnaire du réseau car leurs effluents sont facilement biodégradables et d’au­tant plus que nombre de stations urbaines sont en sous charge », comme le remarque Laurent Larcher chez Hytec.

Ceux qui rejettent au milieu naturel, notamment en raison d’un volume d’ef­fluents trop important, doivent mettre en place des traitements performants. « Pour réduire les investissements et les coûts d’exploitation, ils ont intérêt à économi­ser l’eau, comme par exemple Materne qui est passé de 7 litres à 3,5 litres pour trai­ter un kilogramme de pommes ». Materne a en effet fait appel à Hytec pour traiter les effluents d’une de ses usines spécialisées dans la production de compotes et confi­tures à Boué. 

L’installation mise en place repose sur un méthaniseur granulaire vertical à recirculation de 20.m3/h, six réacteurs bio­logiques aérobies à biomasse fixée immer­gée, un traitement physico-chimique avec aéroflottateur pour la séparation de la bio­masse en excès et une unité de déshydra­tation des boues par centrifugation. « Les effluents sont rejetés au milieu natu­rel avec une valeur en DCO inférieure à 90.mg d’O2/l pour une DCO initiale supé­rieure à 6.000.mg, précise Laurent Lar­cher. La production de boues et la consom­mation d’électricité y sont très faibles, le biogaz est valorisé pour réchauffer les effluents et les échangeurs de chaleur sont peu sensibles à l’encrassement ».

Valorisation énergétique des effluents, recyclage, méthanisation et réduction des boues figurent parmi les solutions plébis­citées par les industriels du secteur. Les traitements les plus couram­ment mis en œuvre découlent de ces préoccupations.

« Les effluents agro-ali­mentaires se caracté­risent généralement par des charges organiques importantes », précise-t-on chez Ovive. Mesurées par la DCO et la DBO5, elles sont traitables selon qu’elles soient solubles ou particulaires. La DCO particulaire peut être trai­tée par voie physico-chimique et sépa­ration physique par flottation ou décanta­tion. La DCO soluble ou dissoute est trai­table par voie biologique. Il convient de réaliser une phase d’étude (pilotes labora­toires ou sur site) avant de se lancer dans un dimensionnement de station de traite­ment. Vendus sous la marque Biomembrat, les réacteurs biologiques membranaires présentent les avantages d’une production de boues moindre par rapport aux procé­dés de boues activées classiques et de pou­voir réutiliser l’eau traitée sur l’usine.

La méthanisation, initialement développée pour traiter les effluents fortement char­gés en matières organiques (à partir de 10.kg/DCO/m3 jusqu’à 50.kg/DCO/m3), des industries agroalimentaires continue à pro­gresser en volume. 

Seule ou associée à un traitement aérobie, elle est portée par des acteurs tels que Suez, OTV DBI, Enprotech, CMI Proserpol, Biome, Atlantique Indus­trie, Ovive ou encore Aeroe et permet de réduire le volume des boues tout en pro­duisant une partie de l’énergie nécessaire au fonctionnement des process. 

Très ren­table du point de vue efficacité, la techno­logie UASB et ses variantes ont fait leurs preuves sur les grandes installations. 

Des équipements de plus faibles capacités, se sont développés en parallèle grâce à par des acteurs comme Naskeo Environ­nement, ou Aqua Corp. et son partenaire belge Enprotech, et trouvent désormais de larges débouchés sur le marché. 

Aqua­corp avec le réacteur anaérobie “BioActor” traite par exemple les eaux usées chez le producteur de légumes Greenyard Foods. L’Européenne d’Embouteillage, filiale du groupe Groupe Orangina Schweppes France installée à Meyzieu (69), a décidé de son côté de mettre en service une ins­tallation de méthanisation de ses effluents industriels reposant sur la technique du lit de boues granulaires et un séparateur tri­phasique (EGSB).

C’est OTV DBI qui a été chargé d’instal­ler cette filière : système de neutralisation, traitement anaérobie Biobed et valorisa­tion du biogaz (chaudière biogaz). Résul­tat : l’embouteilleur a réduit les boues et gagné en autonomie thermique. 

L’installa­tion lui permet par ailleurs une meilleure acceptabilité environnementale avec le traitement des odeurs et une très faible nui­sance auditive.

OTV DBI propose également sa gamme standardisée Thanium de méthaniseurs de petites tailles.

La valorisation de cer­tains sous-produits se développe également fortement. Alcion Environnement pro­pose ainsi ses procé­dés de valorisation d’ammoniac “Valeaz” et de CO2.: Valecarb. « Ce dernier inté­resse les industriels de l’agroalimentaire qui réalisent des fermentations et/ou digestions pour produire du biogaz et de l’alcool, indique Jean-Philippe Ricard, le Directeur. Nous valo­risons du CO2 sous forme de bicarbonate de soude qui peut être utilisé dans le traite­ment de l’air, l’agroa­limentaire et les cos­métiques ».

De même, très Impli­qué dans le dévelop­pement des énergies renouvelables, OTV DBI propose la métha­nisation d’effluents très chargés (Lactosérum, vinasses…) avec son Memthane® - méthanisation ass­sociée à une séparation membranaire - ou de déchets solides avec son Biomet®, avec un objectif de production de biogaz, utilisé in situ, ou de biométhane réinjec­table. « Tous les projets que nous étu­dions en eau de process ou en effluents industriels, sont marqués par la volonté de recycler l’eau, économiser l’énergie, réutiliser les sous-produits, autant de facteurs qui signent durablement l’enga­gement et la responsabilité d’un professionnel emblématique de l’Environne­ment », souligne Thierry Legube, Direc­teur commercial.