Étude environnementale comparative des procédés de valorisation du lactosérum - Mémoire Angela Trivino Arevalo Maîtrise en génie agroalimentaire

Étude environnementale comparative des procédés
 de valorisation du lactosérum

 Mémoire

 Angela Trivino Arevalo

 Maîtrise en génie agroalimentaire
 Maître ès sciences (M.Sc.)

 Québec, Canada

 © Angela Trivino Arevalo, 2017

Étude environnementale comparative des procédés
 de valorisation du lactosérum

 Mémoire

 Angela Trivino Arevalo

 Sous la direction de :

 Damien de Halleux, directeur de recherche
 Stéphane Godbout, codirecteur de recherche

Résumé

 Le résidu issu de la production de fromage est le lactosérum, lequel a une demande
biologique en oxygène (DBO) comprise entre 40 000 et 60 000 mg/L. Cependant, selon les normes
prescrites par le ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les
changements climatiques, la DBO des effluents pouvant être rejeté dans les cours d’eau ne peut
dépasser 10 mg/L. Le haut contenu de lactose représente une charge environnementale importante
qui rend obligatoire leur gestion. Le séchage du lactosérum, la valorisation de ses protéines ou du
lactose, la production de méthane constituent quelques alternatives de valorisation. Peu de travaux
de recherche ont été réalisés jusqu’à maintenant pour évaluer l’impact environnemental de la
valorisation de lactosérum. L’objectif de ce projet était d’évaluer et de comparer l’impact
environnemental de quatre scénarios de gestion du lactosérum. Les quatre scénarios considérés ont
été : la production de lactosérum écrémé, la production de lactosérum en poudre, la production de
méthane et la production de diols. Les données en provenance de fromageries québécoises
concernant la consommation énergétique ainsi que la quantité et la nature des matières premières
utilisées ont permis de déterminer l’impact environnemental de chaque procédé de valorisation.
Selon la méthodologie d’analyse de cycle de vie (ACV) l’impact environnemental a été quantifié
sur les changements climatiques (CC), la qualité des écosystèmes (QE), la santé humaine (SH) et
les ressources (R). Les résultats ont montré que le procédé qui génère plus d’impact
environnemental est la production de diols, suivi de la production de lactosérum en poudre. La
production de lactosérum écrémé et de méthane résulte en une réduction de l’impact sur les CC et
R. Les données obtenues dans le cadre de ce projet pourraient permettre d’orienter les industriels
dans leur choix de processus de gestion du lactosérum et du perméat dans un contexte d’éco-
efficience.

 III

Abstract

The residue from cheese production is whey, which has a biological oxygen demand (BOD) of
between 40,000 and 60,000 mg/L. However, according to the standards prescribed by the Ministry
of Sustainable Development, Environment and the Fight against Climate Change the effluent BOD
cannot exceed 10 mg/L. The high content of lactose represents an important environmental burden
which obliges them to be managed. The drying of whey, the valorization of its proteins or lactose,
the production of methane constitute some alternatives of valorization’s pathways. To date, few
studies have been done to evaluate the environmental impact of whey valorization. The objective of
this project was to assess and compare the environmental impact of four whey management
scenarios. The scenarios considered were: the production of skimmed whey; the production of whey
powder; the production of methane and the production of diols. Data from cheese dairies in Québec
concerning energy consumption and the quantity and nature of the raw materials used made it
possible to determine the environmental impact of each evaluation procedure. According to the Life
Cycle Assessment (LCA) methodology, the environmental impact was quantified on climate change
(CC), ecosystem quality (QE), human health (SH) and resources (R). The results showed that the
production of diols generates more environmental impact followed by the production of whey
powder. The production of skimmed whey and methane results in a reduction of the impact on CC
and R. The data obtained in this project could help to guide industrialists in their choice of
processes for managing whey and permeate in a context of eco-efficiency.

 IV

Table des matières

Résumé .............................................................................................................................................. III

Abstract ............................................................................................................................................. IV

Table des matières .............................................................................................................................. V

Liste des tableaux ........................................................................................................................... VIII

Liste de figures .................................................................................................................................. IX

Liste des abréviations ......................................................................................................................... X

Remerciements ................................................................................................................................. XII

Chapitre 1. Introduction et mise en contexte....................................................................................... 1

 1.1 Importance de l’industrie laitière au Canada ............................................................................. 1

 1.2 Lactosérum ................................................................................................................................ 1

 1.3 Concept de développement durable et l’intérêt des études d’évaluation environnementale ..... 5

 1.4 Problématique environnementale de l’industrie fromagère ...................................................... 7

Chapitre 2. Revue de littérature........................................................................................................... 1

 2.1 Valorisation du lactosérum........................................................................................................ 1

 2.2 Procédés physiques de valorisation du lactosérum ................................................................... 1

 2.2.1 Récupération des fines et séparation de gras ...................................................................... 1

 2.2.2 Concentration de solides totaux ......................................................................................... 3

 2.2.3 Fractionnement de solides totaux- protéines ...................................................................... 8

 2.2.4 Fractionnement de solides totaux - lactose......................................................................... 9

 2.2.5 Fractionnement de solides totaux - minéraux................................................................... 10

 2.3 Procédés biotechnologiques de valorisation du lactosérum .................................................... 11

 2.3.1 Production de biogaz et bio hydrogène ............................................................................ 11

 2.3.2 Production d’acide lactique .............................................................................................. 13

 2.3.3 Production d’alcools......................................................................................................... 13

 V

2.4 Analyse de cycle de vie ........................................................................................................... 16

 2.4.1 L’analyse cycle de vie et son cadre normatif ................................................................... 17

 2.4.2 Définition des objectifs et du système étudié ................................................................... 18

 2.4.3 Inventaire des émissions et des extractions ...................................................................... 18

 2.4.4 Évaluation des impacts sur l'environnement .................................................................... 19

 2.4.5 Interprétation des résultats ............................................................................................... 23

 2.5 Études d’analyse de cycle de vie dans l’industrie laitière ....................................................... 24

Chapitre 3. Objectifs et hypothèses ................................................................................................... 26

 3.1.1 Objectifs du projet de recherche ....................................................................................... 26

 3.1.2 Hypothèses ....................................................................................................................... 26

Chapitre 4. Méthodologie .................................................................................................................. 27

 4.1 Définition du champ d’étude ................................................................................................... 27

 4.2 Inventaire du cycle de vie........................................................................................................ 30

 4.3 Scénarios de valorisation ......................................................................................................... 32

 4.3.1 Le choix des scénarios de valorisation ............................................................................. 32

 4.3.2 Scénario 1 : lactosérum écrémé ........................................................................................ 32

 4.3.3 Scénario 2 : lactosérum en poudre ................................................................................... 34

 4.3.4 Scénario 3 : production de méthane ................................................................................. 35

 4.3.5 Scénario 4 : production de diols (acétoïne - 2-3BD) ........................................................ 36

 4.4 Analyse de l’impact environnemental. .................................................................................... 41

Chapitre 5. Résultats ......................................................................................................................... 43

 5.1 Analyse de contribution .......................................................................................................... 43

 5.1.1 Analyse de contribution par étape du cycle de vie procédés physiques ........................... 44

 5.1.2 Analyse de contribution par flux du cycle de vie procédés physiques ............................. 47

 5.1.3 Analyse de contribution par étape du cycle de vie procédés biotechnologiques .............. 48

 5.1.4 Analyse de contribution par flux du cycle de vie procédés biotechnologiques ................ 51

 5.2 Analyse de sensibilité .............................................................................................................. 53

 5.2.1 Effet de la réduction des agents de nettoyage .................................................................. 53
 VI

5.2.2 Effet de la réduction de l’énergie thermique .................................................................... 55

 5.3 Analyses supplémentaires ....................................................................................................... 57

 5.3.1 Agents de nettoyage alternatifs ........................................................................................ 57

 5.3.2 Valorisation des eaux usées .............................................................................................. 59

 5.3.3 Comparaison des systèmes de production de 2-3BD ....................................................... 60

 5.3.4 Étude économique ............................................................................................................ 61

Chapitre 6. Conclusions .................................................................................................................... 63

Liste de références............................................................................................................................. 66

Annexes ............................................................................................................................................. 72

Annexe 1 Questionnaires industries fromagères .............................................................................. 73

Annexe 2 Calculs de flux de référence par unité fonctionnelle (1 tonne de lactosérum) et hypothèses
associées pour le scénario de production de lactosérum écrémé ....................................................... 75

Annexe 3 Calculs de flux de référence par unité fonctionnelle (1 tonne de lactosérum) et hypothèses
associées pour le scénario de production de lactosérum en poudre .................................................. 76

Annexe 4 Calculs de flux de référence par unité fonctionnelle (1 tonne de lactosérum) et hypothèses
associées pour le scénario de production de méthane ....................................................................... 77

Annexe 5 Calculs de flux de référence par unité fonctionnelle (1 tonne de lactosérum) et hypothèses
associées pour le scénario de production de diols ............................................................................. 78

 VII

Liste des tableaux
Tableau 1.1 Caractéristiques de la composition du lactosérum doux et acide. (Adapté de Chatzipaschali et
 Stamatis, 2012). .............................................................................................................................. 2
Tableau 1.2 Bio-utilisation de lactosérum .......................................................................................................... 4
Tableau 1.3 Caractéristiques principales des outils d’analyse environnementale (Jolliet, 2010) ....................... 6
Tableau 2.1 Clarificateurs de lactosérum (Rodem, 2010) .................................................................................. 2
Tableau 2.2 Écrémeuse de lactosérum (Rodem, 2010) ...................................................................................... 3
Tableau 2.3 Technologies de concentration de lactosérum, calculée pour 1000 L d’eau enlevée ...................... 4
Tableau 2.4 Comparaison de différents évaporateurs (Adapté de Westergaard, 2010) ...................................... 5
Tableau 2.5 Comparaison séchage par atomisation à un effet et deux effets (Tetra pack, 2003) ....................... 7
Tableau 2.6 Composition moyenne (%) de produits de protéines de lactosérum (Vuillemard, 2015) ............... 9
Tableau 2.7 Facteurs de caractérisation et unités de dommages utilisés dans Impact 2002+ ........................... 21
Tableau 3.1 Calculs des flux de référence par unité fonctionnelle pour les procédés physiques de valorisation
 de lactosérum ................................................................................................................................ 38
Tableau 3.2 Composition et bilan de matière pour la production de lactosérum en poudre ............................. 39
Tableau 3.3 Calculs des flux de référence par unité fonctionnelle pour les procédés biotechnologiques de
 valorisation de lactosérum ............................................................................................................ 40
Tableau 3.4 Données Ecoinvent utilisées pour la modélisation ....................................................................... 41
Tableau 3.5 Catégories d’impact selon la méthode d’analyse IMPACT 2002+ (Adapté de Jolliet, 2010) ...... 42
Tableau 4.1 Contribution aux dommages par étape des procédés physiques de valorisation de lactosérum.
 Calculé par unité fonctionnelle d’une tonne de lactosérum .......................................................... 46
Tableau 4.2 Contribution aux dommages par étape des procédés biotechnologiques de valorisation de
 lactosérum. Calculé par unité fonctionnelle d’une tonne de lactosérum ....................................... 50
Tableau 4.3 Analyse de sensibilité de la réduction de la consommation des agents chimiques pendant le NEP.
 Calculé par unité fonctionnelle une tonne de lactosérum ............................................................. 54
Tableau 4.4 Analyse de sensibilité de la réduction de la consommation d’énergie thermique. Calculé par unité
 fonctionnelle une tonne de lactosérum ......................................................................................... 56
Tableau 4.5 Prix du marché des produits finaux des quatre scénarios de valorisation de lactosérum considérés.
 ...................................................................................................................................................... 62

 VIII

Liste de figures
Figure 1.1 Schéma de valorisation de lactosérum (Adapté Yadav et al., 2015) ................................................. 3
Figure 2.1 Voie métabolique pour produire 2-3BD (Fernández-Gutiérrez et al., 2017)................................... 15
Figure 2.2 Phases de l'analyse du cycle de vie (Jolliet, et al., 2010) ................................................................ 17
Figure 2.3 Schéma de l’analyse d’impact du cycle de vie (Jolliet et al., 2003) ................................................ 20
Figure 3.1 Frontières du système de valorisation de lactosérum ...................................................................... 29
Figure 3.2 Frontières du système production de lactosérum écrémé ................................................................ 33
Figure 3.3 Frontières du système production de lactosérum en poudre............................................................ 34
Figure 3.4 Frontières du système production de méthane ................................................................................ 35
Figure 3.5 Frontières du système de production de diols (acétoïne et 2-3BD) ................................................. 36
Figure 4.1 Analyse de la contribution par catégorie des dommages - comparaison des quatre scénarios de
 valorisation ...................................................................................................................................... 43
Figure 4.2 Contribution aux dommages par étape des procédés physiques de valorisation de lactosérum.
 Calculé par unité fonctionnelle d’une tonne de lactosérum ............................................................. 44
Figure 4.3 Contribution aux dommages par flux élémentaire de la production de lactosérum écrémé a)
 Changement Climatique et b) Ressources ....................................................................................... 47
Figure 4.4 Contribution par flux élémentaire - scénario production de lactosérum en poudre a) Changement
 Climatique et b) Ressources ............................................................................................................ 48
Figure 4.5 Contribution aux dommages par étape des procédés biotechnologiques de valorisation de
 lactosérum. Calculé par unité fonctionnelle une tonne de lactosérum ............................................. 49
Figure 4.6 Contribution aux dommages par flux élémentaire - scénario production de méthane a) Changement
 Climatique et b) Ressources ............................................................................................................ 51
Figure 4.7 Contribution par flux élémentaire - scénario production de diols a) Changement Climatique et b)
 Ressources ....................................................................................................................................... 52
Figure 4.8 Comparaison de la contribution d’impact environnemental de l’utilisation de 5 agents de nettoyage,
 pour les quatre catégories de dommages ......................................................................................... 58
Figure 4.9 Contribution de l’impact environnemental dû à la valorisation des eaux usées issues de la
 fabrication de fromage ..................................................................................................................... 59
Figure 4.10 Comparaison de la contribution des impacts environnementaux des procédés de production de 2-
 3BD. Calculé par unité fonctionnelle 1kg de 2-3BD ....................................................................... 61

 IX

Liste des abréviations

2-3BD 2-3Butanediol
ACV analyse de cycle de vie
ACV-A analyse de cycle de vie attributionnelle
AFS analyse de flux d’une substance
ALDC α-acetolactate decarboxylase
ALS α-acetolactate synthase
AR analyse de risque
BDH 2,3-BD-deshydrogénase
CC changement climatique
CPL concentré de protéines de lactosérum
DBO demande biologique en oxygène
DALY disability adjusted life years
DCO demande chimique en oxygène
EIE étude d’impact environnemental
H2 hydrogène
MEK méthyl-éthyl-ketone
MVR recompression mécanique de vapeur
NEP nettoyage en place
NF nanofiltration
OI osmose inverse
PDF potentially disappeared fraction
QE qualité des écosystèmes
TVR recompression thermique de vapeur
SH santé humaine
R ressources
UASB upflow anaerobic sludge blanket

 X

« La source de la plupart de nos problèmes réside dans
 l’écart entre le mode de pensée de l’homme et
 le mode de fonctionnement de la nature. »
 Grégory Bateson.

 XI

Remerciements

J’aimerais d’abord remercier mon directeur Damien de Halleux, ainsi que mon co-directeur
Stéphane Godbout, pour leur appui et leur dévouement. Sans eux, cette belle aventure n’aurait pu
avoir lieu. Je tiens également à souligner le travail exceptionnel de toutes les personnes qui ont
participé de près ou de loin au projet, soit Michèle Heitz, Sébastien Rodrigue, David Fernandez,
Jean-François Rousseau de l’Université de Sherbrooke ainsi que Frédéric Pelletier, Joahnn Palacios,
Dan Zegan, Luc Belzile de l’IRDA.

Un énorme merci aux organismes qui ont permis la tenue de ce projet de recherche par leur appui
financier : le Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies (FRQNT) en partenariat avec
MAPAQ et NOVALAIT. Également, je remercie la collaboration des fromageries du Québec,
spécialement à la fromagerie Bergeron, la fromagerie des Basques et la fromagerie l’Ancêtre.

Je tiens à remercier les membres de ma famille pour votre soutien moral et vos encouragements tout
au long de ce parcours. Finalement, j’aimerais remettre toute la gratitude à mes amis de Colombie et
de Québec, spécialement : Wendy, Lenny, Angélica, Clara, Bea, Ivan, Rafa, Yusra, Adriana,
Angélique, Alice d’avoir atténué les moments stressants, de vos conseils et de votre encouragement.
Mes plus sincères remerciements à Fabien, Rennel, Peterson et Eli, pour votre accompagnement
durant ces deux années, de votre patience et de votre collaboration avec mon français.

Merci infiniment, je vous en serai toujours reconnaissante.

Merci à tous, merci pour tout.

 XII

Chapitre 1. Introduction et mise en contexte

 1.1 Importance de l’industrie laitière au Canada

 L’industrie laitière est très importante pour l’économie canadienne, elle représente une des
plus importantes industries alimentaires au pays. Elle a généré plus de 45 000 emplois au Canada et
des recettes nettes de 6,02 milliards de dollars en 2015. La transformation de produits laitiers au
Canada est réalisée dans 474 usines de transformation pour un chiffre d’affaires de 17 milliards de
dollars (CCIL, 2016). Une proportion de 65% du volume total du lait produit est destinée à la
transformation laitière.

 Les usines de transformation laitière sont généralement divisées en trois groupes distincts :
  petite entreprise : transforme moins d’un million de litres de lait par année;
  moyenne entreprise : transforme entre un et 150 millions de litres de lait par année;
  grande entreprise : transforme plus de 150 millions de litres de lait par année (MAPAQ,
 2014).

 La production de fromage, de yogourt, de crème glacée, de beurre, de poudre de lait et de
lait concentré sont les principaux produits obtenus de la transformation laitière (CCIL, 2016). Plus
de 400 fromages fins et traditionnels, y compris les fromages au lait cru, de lait de chèvre et de lait
de brebis, sont produits dans diverses régions du pays et figurent parmi les meilleurs fromages au
monde. Le fromage est fabriqué selon un procédé qui n’a que très peu changé depuis sa création.
Malgré tout, les produits se sont diversifiés pour offrir au consommateur des fromages frais, à pâte
molle, ferme, demi-ferme et dure (Emond, 2014).

 Le Canada produit surtout des fromages à pâte ferme (33% cheddar), puis les fromages à
pâte semi-ferme (29% mozzarella), tandis que la production de fromage à pâte molle, de fromage à
la crème et de fromage cottage représente 14% de la production totale (AAC et al., 2016).

 1.2 Lactosérum
 Le lactosérum est un sous-produit issu de la fabrication du fromage. En général, il est défini
comme la partie du liquide ou du sérum de lait résiduel qui reste après la coagulation du lait et la
séparation du caillé. En effet, le lactosérum représente environ entre 85 et 95% du volume du lait et

 1

conserve environ 55% des éléments nutritifs du lait (Guimarães et al., 2010; Lapointe-Vignola C.,
2002).

 Le type et la composition du lactosérum dépendent principalement de la coagulation des
caséines du lait. Les deux types de lactosérum sont le lactosérum doux et le lactosérum acide. Le
type le plus souvent connu de lactosérum provient de la fabrication de fromages où la
transformation est basée sur la coagulation de la caséine par la présure. La présure induite par la
coagulation de la caséine se produit à un pH d’environ 6,5, donc, le lait produit pendant le
traitement enzymatique est désigné comme lactosérum doux (Chatzipaschali et Stamatis, 2012;
Panesar et al., 2007).

 Le second type de lactosérum est du lactosérum acide (pH inférieur à 5), qui est généré
grâce à des acides organiques ou de chymosine afin de coaguler la caséine (Chatzipaschali et
Stamatis, 2012). La principale différence entre les deux types de lactosérum réside dans leur
contenu minéral (calcium et phosphates) et leur acidité (pH). Le lactose est le principal composant
des deux lactosérums, il constitue approximativement 63 à 73% des solides totaux (Tableau 1.1).

 Tableau 1.1 Caractéristiques de la composition du lactosérum doux et acide. (Adapté de Chatzipaschali
 et Stamatis, 2012).
 Composition (g/L) Lactosérum doux Lactosérum acide
 Solides Totaux 63,00 - 70,00 63,00 - 70,00
 Lactose 46,00 - 52,00 44,00 - 46,00
 Protéine 6,00 - 10,00 6,00 - 8,00
 Acide lactique 2,00 6,40
 Matière grasse 1,00 0,50
 Calcium 0,40 - 0,60 1,20 - 1,60
 Phosphates 1,00 - 3,00 2,00 - 4,50
 Chlorures 1,10 1,10
 pH 6,5 4,5

 Valorisation du lactosérum

 Environ 50% du total de lactosérum produit dans le monde est traité et transformé en
différents produits alimentaires, dont environ 45% sont utilisés directement sous forme liquide, 30%
sous forme de lactosérum en poudre, 15% comme lactose et divers sous-produits, et le reste sous
forme de concentrés de protéines de lactosérum (Kosseva et al., 2009; Yadav et al., 2015).

 2

L’alimentation animale et la fertilisation des sols sont les façons les plus simples de
disposer du lactosérum sous sa forme liquide (De Souza et al., 2010; Macwan et al., 2016).
Néanmoins, ce produit possède un contenu nutritionnel élevé et un intérêt zootechnique important
pour les éleveurs de porcs et de bovins (Alonso-Fauste et al., 2012). Outre l’alimentation du bétail,
le lactosérum est également utilisé en industrie pharmaceutique et agroalimentaire pour la
fabrication d’aliments destinés aux nourrissons en raison des propriétés fonctionnelles de ses
protéines (Chatzipaschali et Stamatis, 2012; Nicorescu et al., 2009).

 Il existe différents processus pour valoriser le lactosérum. Le lactosérum est transformé en
poudre de lactosérum ou en ses variantes déminéralisées, déprotéinées ou délactosées. Également, il
peut être valorisé sous forme de concentrés protéiques, d’isolat de protéines sériques, du lactose ou
d’autres fractions (Macwan et al., 2016; Kosseva et al., 2009) (Figure 1.1).

 Decharge directe (interdit due à
 Lactosérum la charge COD)

 Traitement Traitement
 Physique Biotecnologique

Separation Concentration de Fraction de solides totaux Digestion
 Fermentation
 de fines solides totaux anaérobie

 Concentré Lactose Ethanol, acide
 Poudre de Poudre de Biomasse
Fromage Poudre de de
 lactosérum lactosérum propionique, Biogaz
 Enzymes
 lactosérum proteines acide citrique, (CH4)
 déminéralisé déprotéiné acetoine
 (WPC) acide acétique
 2-3
 butanediol
 Figure 1.1 Schéma de valorisation de lactosérum (Adapté Yadav et al., 2015)

 La valorisation du lactosérum réalisée à partir de technologies diverses permet d’obtenir de
nombreux produits. Parmi les technologies les plus utilisées se trouvent le séchage, l’évaporation,
l’osmose inverse, la nanofiltration, l’ultrafiltration (De Souza et al., 2010; Yorgun et al., 2008).
Cette dernière est un procédé de séparation sur membranes qui permet de concentrer les protéines et
génère un sous-produit appelé perméat de lactosérum.

 Étant donné que le lactose est le principal composant des matières solides du lactosérum,
divers procédés biotechnologiques ont été mis au point pour utiliser le lactosérum comme substrat
pour produire des produits industriels importants tels que des enzymes, de la biomasse riche en

 3

protéines, de l’éthanol, ou du biogaz (Moulin et Galzy, 2013; Panesar et al., 2013; Vamvakaki et al.,
2010). Divers microorganismes sont utilisés dans le procédé de fermentation à partir du lactosérum
(Tableau 1.2).

 Tableau 1.2 Bio-utilisation de lactosérum
 Microorganismes Produit Références
 Kluyveromyces marxianus Éthanol (Guimarães et al., 2010;
 Hadiyanto et al., 2014)
 Escherechia coli Éthanol (Akbas et al., 2014)
 Saccharomyces cerevisiae Fructose-diphosphate (Siso, 1996)
 Methanobacterium Biogaz (Fernández-Gutiérrez et al., 2017)
 Clostridia Hydrogène (Fernández-Gutiérrez et al., 2017)
 Lactobacillus casei Acide lactique (Panesar et al., 2007)
 Lactobacillus casei Probiotiques (Panesar et al., 2013)
 Clostridium saccharobutylicum Butanol (Qureshi et al., 2014)
 Klebsiella, Serratia, Escherechia 2-3 Butanediol (Ji et al., 2011; Rousseau et al.,
 2017)
 Phaffia rhodozyma β-carotene (Spalatelu, 2012)
 Lactobacillus helveticus Acide lactique (Schepers et al., 2002)

 Cependant, dans certains cas, l’hydrolyse du lactose est une première étape avant la
fermentation par les microorganismes, car certains microorganismes sont incapables d’hydrolyser le
lactose (Lapointe-Vignola, 2002). Panesar et al. (2007), assurent que l’hydrolyse permet
d’améliorer le rendement. En effet, Moulin (2013) a utilisé le perméat de lactosérum comme
substrat de fermentation pour la production de polysaccharides, les résultats ont montré que le
lactose doit être tout d’abord hydrolysé.

 Certains chercheurs ont évalué l’efficacité de la modification génétique des
microorganismes afin d’obtenir un meilleur rendement est une autre thématique récente des études
effectuées les dernières années. Ces développements biotechnologiques permettent de modifier des
séquences génomiques de certaines bactéries afin d’améliorer la production de certains composants
comme la production d’éthanol (Diniz, 2014) ou la production de molécules comme l’acetoine et le
2-3butanediol (2-3BD) (Rousseau et al., 2017).

 4

1.3 Concept de développement durable et l’intérêt des études
 d’évaluation environnementale

 « La déclaration de Rio stipule que le développement durable est centré sur le droit des êtres
humains à une vie saine et productive en harmonie avec la nature, et que le développement doit être
réalisé de façon à satisfaire équitablement les besoins relatifs à la croissance et à l'environnement
des générations présentes et futures » (Vaillancourt, 1998).

 L’environnement n’est pas l’unique domaine du développement durable, il comporte trois
dimensions : économique, sociale et environnementale, c’est pour cela que les acteurs du monde
actuel prennent graduellement conscience que les modes actuels de production, de consommation et
d’occupation du territoire devront être modifiés. Les apports de la science et de l’innovation seront
indispensables pour tout changement et amélioration (Tremblay, 2001).

 De nombreux outils ont été développés afin d’encourager et d’accompagner les industries à
implanter une démarche en développement durable. La notion d’éco-efficience est définie comme
« une stratégie de gestion qui combine le performance environnemental et économique. Elle permet
la création de meilleures produits et services tout en réduisant l’utilisation des ressources, les
déchets et la pollution tout au long de la chaine de valeur. Elle crée plus de valeur avec moins
d’impact environnementale. Non seulement, elle permet d’économiser les coûts de production, mais
aussi ouvrir des nouvelles sources de revenus pour les entreprises » (Madden et al., 2006).

 Les entreprises ont changé de manière significative leur attitude à l’égard de
l’environnement, passant de la défensive à une attitude positive et éco-efficiente. Cette évolution
s’explique par des raisons principalement économiques : la réduction où l’élimination des déchets,
la réutilisation d’une partie ou de la totalité des sous-produits, l’augmentation de la productivité des
ressources, la réduction de la consommation d’énergie entraînent une hausse de l’efficience et une
diminution des coûts (Madden et al, 2006).

 Jolliet (2010), propose deux conditions pour que les actions posées soient efficaces : la
première est de disposer des solutions technologiques satisfaisantes pour l’utilisateur. La deuxième
condition est de déterminer quelles sont les priorités d’action parmi l’ensemble des mesures
possibles.

 5

Dans le but de répondre à ces besoins, différents outils d’analyse environnementale ont été
développés. L’analyse de cycle de vie (ACV), l’analyse des flux d’une substance (AFS), l’étude
d’impact environnemental (EIE) et l’analyse risque (AR) de sont des outils utiles qui permettent aux
gouvernements, aux entreprises ou aux consommateurs de prendre des décisions au niveau
environnemental.

 L’ACV permet de calculer des impacts sur l’environnement selon plusieurs indicateurs dans
une perspective globale. L’AFS permet le suivi d’une substance unique pendant une période
déterminée et un secteur particulier. L’EIE calcule les effets possibles d’une nouvelle activité dans
un endroit défini. L’AR, quant à elle, n’étudie que la toxicité des substances faisant l’objet de
l’étude. (Tableau 1,3).

 Tableau 1.3 Caractéristiques principales des outils d’analyse environnementale (Jolliet, 2010)
 Échelle et Effets et
 Outil Objet cycle de substances Effets rapportés Éléments utilisés
 vie considérés
 ACV Produit, Globale, Effets Fonction du Bilan de masse, impact
 service, régionale. multiples, produit, du environnemental,
 système grand nombre service ou du modèles multimédias.
 de substances. système.
 AFS Substance Globale, Pas d’effet. Temps et région Bilan de masse,
 polluante régionale. Substance donnée. modèles multimédias.
 unique.
 EIE Activité Local, Variable selon Capacité Variable selon
 localisée effets l’auteur. d’absorption l’auteur.
 locaux. locale.
 AR Installation Local ou Toxicité. Période donnée. Modèles multimédias
 ou produit régionale. Évaluation de l’effet.
 chimique

 L’ACV est un outil qui évalue l’impact d’un grand nombre de polluants ainsi que leurs
effets sur l’air, l’eau et les sols. De plus, c’est un outil complémentaire aux développements
technologiques puisqu’il met en évidence les processus à améliorer en priorité. Cet outil permet de
vérifier que les améliorations environnementales ne résultent pas en un déplacement de charges
polluantes (Jolliet et al., 2010). Par rapport à d’autres méthodes, l’effet de considérer l’interaction
entre la performance environnementale et la fonctionnalité permet d’exprimer les émissions
polluantes et la matière première en fonction du produit ou du système étudié. C’est pour cette
raison que l’ACV est un outil très utile.

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L’ACV trouve donc sa pertinence dans l’évaluation d’un procédé de gestion des résidus, car
celui-ci a un impact important dans son environnement immédiat et pour l’ensemble de la planète
en raison des quantités de ressources utilisées, de la consommation énergétique et des déchets
associés aux procédés.

 1.4 Problématique environnementale de l’industrie fromagère

 « Les questions environnementales prennent une place croissante lors des prises de
décisions politiques, économiques et industrielles » (Jolliet et al., 2010). Augustin (2013), affirme
que l’industrie laitière doit faire sa part pour contribuer à la sécurité alimentaire mondiale de
manière durable. Le lactosérum a une très grande importance dans l’industrie due au volume de
production et sa composition nutritionnelle. De par les importantes quantités produites, le
lactosérum est la substance la plus polluante issue de la fabrication de fromage dû à son haut
contenu de matière organique (Prazeres, 2012). En effet, la demande chimique en oxygène (DCO)
du lactosérum est 100 000 mg O2/L (Yorgun et al., 2008) et la demande biologique en oxygène
(DBO) varie entre 40 000 et 60 000 mg de O2/L. Selon Baldasso et al. (2011), seulement la moitié
du lactosérum est valorisé dans le monde.

 Lorsque le lactosérum est déversé dans les cours d’eau (rivières, fleuves, etc.), cela génère
une diminution du contenu en oxygène dissous, des problèmes d’eutrophisation et de toxicité
modifiant les propriétés physico-chimiques des écosystèmes aquatiques (Córdoba, 2013; Valencia
et al., 2009). Pour ces raisons, la gestion du lactosérum a entraîné un durcissement de la législation
ayant trait à la qualité des effluents (Farizoglu, 2004). Au Québec, selon les normes prescrites par le
Ministère du Développement durable de l’Environnement et des Parcs (2011), la charge organique
des effluents d’industries agroalimentaires ne peut pas dépasser 10 mg DBO5/l.

 Différentes technologies et procédés ont été développés afin de diminuer l’impact
environnemental de la gestion du lactosérum en produisant des sous-produits à valeur ajoutée
(Alves et al., 2014; Venetsaneas, 2009). Cependant, peu de travaux de recherche ont été réalisés
jusqu’à maintenant pour évaluer l’impact environnemental et le déplacement des charges polluantes
pendant la valorisation du lactosérum. Ceci offre une opportunité pour la mise en œuvre d’une
nouvelle étude.

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Chapitre 2. Revue de littérature

 2.1 Valorisation du lactosérum
 La valorisation du lactosérum est faite en le transformant en produits ayant une plus grande
valeur économique. Cette valorisation est importante pour éviter de payer des frais de traitement ou
de disposition du lactosérum. Le lactosérum non modifié est communément utilisé pour
l’alimentation du bétail et la production de boissons (Spreer, 1998). Étant donné que la fraction
principale des solides est le lactose avec des protéines solubles, des vitamines et des minéraux,
divers procédés biotechnologiques et procédés physico-chimiques ont été appliqués pour être
utilisés comme substrat pour produire des produits de valeur industrielle (Prazeres et al., 2012).

 2.2 Procédés physiques de valorisation du lactosérum

 Le lactosérum doit être traité dès que possible, car sa composition favorise la croissance des
bactéries. Ces dernières sont les responsables de la dégradation des protéines et de la formation
d'acide lactique (Tetra pack, 2003). La récupération de fines, la séparation de gras, la concentration
de solides totaux, le fractionnement de solides totaux sont quelques procédés physiques de
valorisation du lactosérum (Spreer, 1998). Les technologies liées à chaque procédé sont présentées
dans la suite du texte.

2.2.1 Récupération des fines et séparation de gras

 Emond (2014) affirme que les matières grasses, les particules de fromage (fines) et les
bactéries sont des constituants indésirables du lactosérum. C’est pour cette raison que les étapes de
prétraitement de lactosérum incluent les opérations unitaires de clarification, de séparation de gras
et refroidissement.

 Clarification ou filtration de fines : il consiste en l’étape de récupération de petites
agglomérations des caséines connues aussi sur le nom de fines (Spreer, 1998). Ces dernières doivent
être les premières à être enlevées afin de diminuer leur influence dans la séparation des graisses et
de prévenir des problèmes de colmatage (Lapointe-Vignola, 2002). La teneur en fines séparables
dans le lactosérum varie entre 0,05% et 0,20% pour les fromages à pâte ferme et semi-ferme tandis

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qu’elle est de 1% pour des fromages à pâte molle (IDF, 1997). Différents dispositifs de séparation
peuvent être utilisés, tels que des cyclones, des séparateurs centrifuges ou des tamis vibrants ou
rotatifs (Tetra pack, 2003).

 Les cyclones et les séparateurs centrifuges utilisent la force centrifuge afin de séparer les
particules plus lourdes (solides) d’un liquide. Le lactosérum entre tangentiellement dans
l’équipement. En raison de la force centrifuge, les fines se déplacent vers la paroi extérieure de
l’équipement où elles sont recueillies (Spreer, 1998). Le débit de l’équipement est le paramètre le
plus important afin de sélectionner un équipement. Il y a une relation proportionnelle entre le débit
et la quantité d’énergie nécessaire. Plus le débit est élevé, plus l’équipement a besoin d’énergie
(Tableau 2.1).
 Tableau 2.1 Clarificateurs de lactosérum (Rodem, 2010)
 Modèle Débit Moteur
 kg/h (lbs/h) kW (hp)
 D407 11 339, 81 (25 000) 11,19 (15)
 D20 20 411, 66 (45 000) 18,64 (25)
 D25 24 947, 58 (55 000) 18,64 (25)
 D714 36 287,39 (80 000) 21,63 (29)
 D618 45 359,24 (100 000) 37,28 (50)
 D718 58 967, 01 (130 000) 37,28 (50)
 D918 68 038,86 (150 000) 41,76 (56)

 La technologie des tamis vibrants est également utilisée pour la séparation des fines. Le
lactosérum est entreposé dans un bassin, après il passe à travers les tamis, où la vibration permet la
rétention des fines pendant que le lactosérum clarifié passe à travers les tamis (Spreer, 1998).

 Écrémage : est le processus de séparation de la matière grasse contenue dans le lactosérum.
Cette étape utilise le principe de la centrifugation : la matière grasse de basse densité est dirigée à
l’intérieur des canaux de l’équipement pendant que le lactosérum écrémé se déplace vers l’extérieur
des canaux (Lapointe-Vignola, 2002). Selon IDF (1997), la teneur en matière grasse du lactosérum
écrémé est de moins de 0,05%. La crème de lactosérum, souvent d'une teneur en matières grasses de
25 à 40%, peut être partiellement réutilisée dans la fabrication du fromage. Dans certains cas, la
crème de lactosérum est convertie en beurre de lactosérum (Tetra pack, 2003).

 2

Afin de séparer et récupérer la matière grasse du lactosérum, Tetra pack (2010) a développé
différents modèles d’équipements. Chaque modèle a deux débits différents selon les caractéristiques
du lactosérum : si le lactosérum a été clarifié avant ou non (Tableau 2.2).

 Tableau 2.2 Écrémeuse de lactosérum (Rodem, 2010)
 Model Débit Débit pre-clarifié Moteur
 kg/h (lbs/h) kg/h (lbs/h) kW (hp)
 H407 4 535,92 (10 000) 4 535,92 (10 000) 11,18 (15)
 W10 7 257,48 (16 000) 7 257,48 (16 000) 14,91 (20)
 W15 9 979,03 (22 000) 11 793,40 (26 000) 14,91 (20)
 W614 13 834,57 (30 500) 16 102,53 (35 500) 18,64 (25)
 W714 20 411,66 (45 000) 22 679,62 (50 000) 21,63 (29)
 W518 25 174,38 (55 500) 27 442,34 (60 500) 21,63 (29)
 W618 27 215,54 (60 000) 31 751,47 (70 000) 25,35 (34)

 Refroidissement et entreposage : le lactosérum doit être réfrigéré ou pasteurisé et refroidi
dès que la graisse et les fines ont été enlevées. Pour un stockage de courte durée (10 - 24 heures), le
refroidissement à 5°C est généralement suffisant pour réduire l'activité bactérienne (Spreer, 1998;
Tetra pack, 2003). Des périodes plus longues de stockage nécessitent une pasteurisation du
lactosérum directement après l'élimination des graisses et des fines (Tetra pack, 2003).

2.2.2 Concentration de solides totaux

 La concentration a comme but d’éliminer la quantité d’eau présente dans le lactosérum. Ce
procédé permet de réduire le volume du lactosérum afin de faciliter le transport et de produire un
produit de valeur ajoutée comme le lactosérum en poudre (Spreer, 1998).

 Osmose inverse : les technologies membranaires comme l’osmose inverse (OI) et la
nanofiltration (NF) sont des technologies utilisées pour la concentration du lactosérum. Elles se
distinguent par le diamètre de pores et la pression d’opération utilisée. L'OI est utilisée sous des
conditions de pression comprises entre 3,0 MPa et 5,0 MPa (30 et 50 bar) alors que les pressions
utilisées par la NF sont comprises entre 1,5 MPa et 3,0 MPa (15 à 30 bar) (Lapointe-Vignola,
2002). La taille des pores est très liée aux éléments retenus par les membranes. Un diamètre de
pores entre 0,1 et 1 nm (NF) est idéal pour la rétention du lactose et des minéraux complexes. Par

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contre, un diamètre inférieur à 0,1 nm (OI) est idéal pour la rétention des sels monovalents (Na, K,
Cl) (Lapointe-Vignola, 2002).

 L’osmose inverse est un procédé baromembranaire qui permet de concentrer les solides
totaux du lactosérum de 6 à 18% (Rodem, 2010). L’équipement est constitué d’un réservoir
d’alimentation, d’une membrane, de deux manomètres et d’au moins une pompe. Le lactosérum
entre dans le système tangentiellement à la membrane qui, sous pression, permet de séparer le
retentât (retenue) et le perméat (résidu)(Lapointe-Vignola, 2002). Fellows (2009), affirme que le
mode opération de la concentration de lactosérum (continu ou batch) a une influence sur les besoins
énergétiques du système. Si l’équipement d’OI travaille en continu, 10 KWh par 1 000 L d’eau
enlevés sont nécessaires. Néanmoins, si le système travaille en batch le système a besoin de 20
KWh par 1 000 L d’eau enlevés (Tableau 2.3).

 Tableau 2.3 Technologies de concentration de lactosérum, calculée pour 1000 L d’eau enlevée
 (Adapté de Fellows, 2009)
 Technologie Osmose inverse Évaporation
 Paramètre En continu Batch
 Vapeur - - 250 -550 kg
 Consommation 10 KWh 20 KWh Simple-effet 387 KWh
 d’électricité Double-effets 90 KWh
 7 effets 60 KWh
 Énergie de 0 – 29 300 kJ 0 – 58 600 kJ 1,2 x 106 – 5,2 x 106 kJ
 refroidissement
 Concentration Maximum 30% des Maximum 30% des Maximum 60% des
 produit final solides totaux solides totaux solides totaux

 Afin de diminuer la consommation énergétique élevée des procédés d’évaporation (tableau
2.3), l’OI est considérée comme une étape de pré-concentration avant l’évaporation.

 Évaporation : est un procédé qui permet de retirer par ébullition l’eau présente dans le
lactosérum. Normalement, le produit est chauffé avec de la vapeur dans un échangeur de chaleur
qui a besoin d’une grande quantité d’énergie pour faire bouillir l’eau (Lapointe-Vignola, 2002). La
chaudière pour faire bouillir l’eau est habituellement alimentée au mazout, au charbon ou au gaz

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