L’électrodialyse : déminéraliser sous champ électrique, sans résine ni pression

Page publiée le 7 septembre 2026

L’électrodialyse retire les sels d’un liquide en les faisant migrer sous un champ électrique à travers des membranes qui trient les ions par leur signe. Rien ne traverse sous l’effet d’une pression, rien ne se fixe sur un solide qu’il faudra ensuite régénérer à l’acide et à la soude : c’est le courant qui fait le travail, et l’ion quitte le liquide par la paroi sans jamais avoir été retenu.

Le point qui décide de sa place en agroalimentaire est ailleurs, et il est simple : une molécule sans charge ne migre pas. Un champ électrique n’exerce aucune force sur le saccharose, le xylose, le lactose ou le xylitol. Il n’agit que sur ce qui porte une charge — sodium, potassium, calcium, magnésium, chlorure, sulfate, phosphate, acides organiques dissociés. Or un sirop est exactement cela : des molécules neutres qu’on veut garder, et des sels qu’on veut sortir.

Cette sélectivité se paie en électricité, en surface de membrane, et en une contrainte qui gouverne toute la conduite : au-delà d’une certaine densité de courant, la couche de liquide qui touche la membrane s’appauvrit plus vite qu’elle ne se réalimente, l’eau se dissocie pour porter le courant à la place des sels, le pH dérive et le tartre se dépose. Le métier consiste à travailler assez près de cette limite pour ne pas payer des membranes inutiles, et assez loin pour ne pas la franchir.

À quoi sert l’opération

Déminéraliser. C’est l’emploi le plus répandu : retirer les sels d’un liquide qu’on veut garder. Le cas de référence est le lactosérum, dont la matière sèche contient 7 à 9 % de cendres — trop pour une poudre destinée à l’alimentation infantile, dont les cahiers des charges appellent des taux de déminéralisation de 50, 70 ou 90 %. L’électrodialyse y est employée depuis les années 1960 et reste la référence historique du procédé en industrie alimentaire. Le même service se rend sur des jus sucrés, des hydrolysats d’amidon ou de bois, des extraits protéiques, de la gélatine, des solutions d’acides aminés issues de fermentation.

Concentrer. Le compartiment qui reçoit les ions voit sa salinité monter : ce qui est un déchet dans un atelier de déminéralisation devient le produit ailleurs. La production japonaise de sel de table repose sur ce principe — l’eau de mer, à 35 g/L, est portée à 180-200 g/L avant d’être évaporée, ce qui économise l’essentiel de la chaleur qu’une évaporation directe aurait demandée.

Désacidifier. Un acide organique dissocié est un anion : il migre comme un chlorure. On peut donc retirer de l’acidité d’un jus de fruits, du tartrate d’un moût, de l’acide acétique d’un hydrolysat, sans toucher aux sucres ni aux arômes neutres. Dans la filière vitivinicole, l’électrodialyse figure parmi les traitements admis pour la stabilisation tartrique, en alternative au passage au froid.

Un point commun explique cette liste : l’électrodialyse est intéressante quand la charge saline à retirer est modérée, typiquement de 1 à 30 g/L. En dessous, la conductivité est trop faible, la résistance de l’empilement grimpe et l’électricité coûte cher par gramme retiré ; au-dessus, la surface de membrane devient déraisonnable et l’évaporation ou la cristallisation reprennent la main. Cette plage centrale est celle des jus, des sirops et des sérums.

Le phénomène physique

Deux familles de membranes

Une membrane échangeuse d’ions est un film polymère de 100 à 500 µm dans lequel des groupes chargés sont fixés à demeure sur le squelette. La membrane échangeuse de cations (MEC) porte des groupes négatifs immobiles, le plus souvent des sulfonates −SO₃⁻ greffés sur un copolymère styrène-divinylbenzène : ses charges fixes attirent les cations et repoussent les anions. La membrane échangeuse d’anions (MEA) porte des ammoniums quaternaires −N(CH₃)₃⁺ et ne laisse passer que les anions. La concentration de ces charges fixes, de 1 à 3 mol par litre de matériau humide, dépasse de loin la concentration en sel du liquide traité : c’est ce rapport qui fait la sélectivité.

L’empilement et la paire de cellules

On empile alternativement une MEC, une MEA, une MEC, une MEA, en intercalant entre chacune un espaceur — une grille polymère de 0,3 à 2 mm qui ménage un compartiment de circulation et brasse le liquide. Aux deux extrémités, une anode et une cathode, dans des compartiments parcourus par une solution de rinçage indépendante.

Sous tension, les cations partent vers la cathode, les anions vers l’anode. Dans un compartiment bordé d’une MEC côté cathode et d’une MEA côté anode, les cations sortent par la première et les anions par la seconde : il perd des ions par ses deux faces, c’est le compartiment dilué, celui où circule le produit. Dans le compartiment voisin l’orientation est inversée et les ions ne peuvent plus ressortir : c’est le concentrat. L’ensemble MEC + dilué + MEA + concentré forme une paire de cellules, motif répété de cent à plusieurs centaines de fois entre deux électrodes uniques — et c’est cette répétition qui fait l’économie du procédé, la même charge déminéralisant N compartiments à la fois.

Ce qui ne migre pas, et pourquoi cela change tout

La force exercée par un champ électrique sur une espèce dissoute est proportionnelle à sa charge. Pour une molécule neutre, z = 0, et la force est nulle quelle que soit l’intensité du champ : le saccharose, le glucose, le xylose, le lactose, le xylitol, l’érythritol, le sorbitol — tous les polyols de bouche comme tous les sucres — ne portent pas de charge nette au pH des sirops industriels, et ne migrent pas. Ils ne restent pas pour autant intégralement dans le dilué : la diffusion à travers la membrane sous l’effet du gradient de concentration, l’électro-osmose — chaque ion traînant 4 à 12 molécules d’eau d’hydratation — et l’osmose, en sens inverse, en font perdre un peu. Bien conduites, les pertes en matière sèche valorisable se comptent en quelques pour cent, de l’ordre de 1 à 3 % sur un lactosérum.

La polarisation de concentration : la vraie limite

Dans la solution, le courant est porté par tous les ions présents, chacun selon son nombre de transport ; dans la membrane, il l’est par les seuls contre-ions, dont le nombre de transport approche 1. La membrane évacue donc les contre-ions plus vite que la solution ne les amène : le liquide qui la touche s’appauvrit, et il se forme une couche de diffusion de 10 à 100 µm, d’autant plus creusée que le courant est fort. À une certaine densité de courant, la concentration interfaciale tombe pratiquement à zéro : c’est la densité de courant limite i_lim.

Au-delà, le courant ne peut plus être porté par les sels : l’eau se dissocie en H⁺ et OH⁻, réaction que les ammoniums quaternaires des membranes anioniques catalysent. Deux conséquences suivent. Le pH dérive — le dilué s’acidifie d’un côté de la membrane, le concentrat s’alcalinise de l’autre —, ce qui dégrade les composés sensibles et colore un jus sucré chaud. Et cette alcalinisation locale entartre : carbonate de calcium et hydroxyde de magnésium précipitent sur la face concentrat, en un dépôt qui isole électriquement, fait monter la tension à courant constant et s’épaissit d’autant plus vite.

La conduite consiste donc à travailler au plus près de i_lim sans la franchir : la surface installée est proportionnelle au courant qu’on s’autorise, et le franchissement se paie en nettoyages et en durée de vie.

Les grandeurs et les équations

La loi de Faraday et le rendement faradique

Tout repose sur une équivalence : une quantité de charge transportée correspond à une quantité de matière déplacée.

n est la quantité de matière transférée en moles, I l’intensité en ampères, t la durée en secondes, z la valence de l’ion, F la constante de Faraday, 96 485 C·mol⁻¹. Le facteur ξ est le rendement faradique : la fraction du courant qui sert réellement à déplacer l’ion utile.

Il n’est jamais égal à 1 : les co-ions passent, l’exclusion de Donnan les limitant sans les annuler ; des fuites de courant par les canaux de distribution court-circuitent une partie de l’empilement ; H⁺ et OH⁻ portent une part du courant quand on approche de la limite. Sur une installation saine, ξ vaut 0,80 à 0,95 ; une valeur qui glisse sous 0,75 sans que rien d’autre n’ait changé signale une fuite interne ou une membrane percée.

Concrètement, déplacer une mole d’ion monovalent demande 96 485 coulombs, soit 26,8 A·h : retirer un kilogramme de chlorure de sodium, 17,1 moles, en demande 490 à 570 une fois le rendement pris en compte. Cette conversion est le socle de tout dimensionnement.

Le bilan de matière d’un empilement à N paires de cellules

La même intensité traverse toutes les paires de cellules, en série électrique, tandis que le liquide est distribué en parallèle entre tous les compartiments dilués. Le bilan en régime permanent, et le taux de déminéralisation qui en découle :

Q_d est le débit total de dilué, C_e et C_s les concentrations ioniques d’entrée et de sortie, N le nombre de paires de cellules. À courant donné, doubler le nombre de paires double la quantité de sel retirée par unité de temps sans rien changer à l’alimentation électrique : c’est la raison d’être de l’empilement. En atelier on ne mesure pas des concentrations mais des conductivités, et τ se calcule sur elles — la correspondance n’est pas rigoureuse, la conductivité molaire dépendant de l’ion et de la dilution, mais elle est stable pour un produit donné.

La densité de courant limite

C’est l’équation la plus utile de la page. En écrivant que le flux d’ions amenés par diffusion égale le flux évacué par la membrane, et en faisant tendre la concentration interfaciale vers zéro :

D est le coefficient de diffusion du sel, de 1 à 2 · 10⁻⁹ m²·s⁻¹ ; C_b la concentration au cœur de l’écoulement ; δ l’épaisseur de la couche de diffusion ; T_m le nombre de transport du contre-ion dans la membrane, proche de 0,95-1 ; t_s le même en solution, 0,39 pour Na⁺ et 0,61 pour Cl⁻. Trois enseignements en sortent.

• Elle est proportionnelle à la concentration. À mesure que le dilué s’appauvrit, la limite s’abaisse : une installation qui démarre à 400 A/m² devra descendre à quelques dizaines d’A/m² en fin de déminéralisation. D’où des empilements sectionnés électriquement, ou un traitement conduit par étages en cascade.
• Elle dépend de l’hydrodynamique par δ. Augmenter la vitesse amincit la couche limite et remonte la limite ; on corrèle usuellement i_lim = a · C_b · v^b, l’exposant b valant 0,3 à 0,6 selon la géométrie de l’espaceur.
• Elle ne se calcule pas, elle se mesure. Sur un produit réel, la formule donne un ordre de grandeur et rien de plus. La détermination pratique est le tracé de Cowan : on relève la tension pour une série d’intensités croissantes et l’on porte U/I en fonction de 1/I ; la courbe passe par un minimum, et ce point est i_lim.

La résistance de l’empilement

Un empilement est un assemblage de résistances en série : les membranes, les lames de liquide qui les séparent, les électrodes.

Les r sont les résistances surfaciques des membranes, de 1 à 10 Ω·cm² ; h les épaisseurs de compartiment ; κ les conductivités des liquides ; U_él la contribution des électrodes, surtensions comprises, de 1 à 3 V pour l’empilement entier. U_él étant fixe, il se dilue dans le nombre de paires : avec 300 paires à 1,5 V il pèse moins de 1 % de la tension totale, quand il serait prohibitif sur une cellule unique. Le terme h_d/κ_d, lui, explose lorsque le dilué s’appauvrit : c’est là, et pour cette raison technique, que l’électrodialyse cède la main à un échange d’ions ou à une électrodéionisation. Réduire l’épaisseur des compartiments réduit la résistance, ce qui pousse vers des espaceurs minces — au prix d’une perte de charge plus forte et d’un colmatage plus rapide.

La consommation électrique spécifique

Deux expressions coexistent : rapportée au sel retiré, elle mesure l’efficacité du transfert ; rapportée au volume, elle donne la facture par mètre cube.

La première ne dépend pratiquement que de la tension par paire de cellules et du rendement faradique : combinée à la loi de Faraday, elle donne E_sel = F · U_pc / (ξ · M) pour un sel monovalent. Avec U_pc = 1,2 V et ξ = 0,9 sur NaCl, cela fait environ 0,6 kWh par kilogramme de sel retiré hors pompage — un plancher de bonne conduite, les valeurs d’atelier allant de 0,7 à 2,5 kWh/kg parce que la tension par paire monte à mesure que le dilué s’appauvrit. La seconde inclut le pompage, 0,3 à 1,5 kWh par mètre cube.

Tableau des symboles

Les matériels

L’empilement plan à cadres et espaceurs

C’est la forme unique, ou presque, du matériel industriel : les géométries tubulaires ou spiralées de la filtration n’ont pas d’équivalent viable ici, parce qu’il faut alterner deux natures de membrane et isoler hydrauliquement deux circuits qui se croisent.

Un empilement se présente comme un filtre-presse : deux plateaux d’extrémité massifs portant les électrodes, une série de membranes et d’espaceurs découpés au même format, des tirants qui serrent l’ensemble. Les espaceurs sont des feuilles de polyéthylène ou de polypropylène découpées en cadre creux, le centre portant une grille turbulatrice, les bords les joints et les orifices de distribution ; en alternant deux découpes de joints, on obtient deux circuits indépendants dans le même empilement.

Ordres de grandeur : 100 à 600 paires de cellules, chacune de 0,2 à 2 m² de surface active, soit de quelques dizaines à plus de mille mètres carrés de membrane installés ; une tension totale en centaines de volts, une intensité en centaines d’ampères, un redresseur à courant continu régulé. Les compartiments d’électrode sont balayés par une solution de rinçage indépendante, généralement un sulfate de sodium acidifié, qui évite de produire du chlore à l’anode.

L’électrodialyse inverse (EDR)

On inverse périodiquement la polarité des électrodes et l’on commute simultanément les vannes de sortie, pour que le compartiment qui était dilué devienne concentré et réciproquement — la géométrie de l’empilement étant symétrique, l’opération se fait sans rien démonter. L’intérêt est mécanique et chimique à la fois : un dépôt de tartre naissant sur la face concentrat se retrouve, après inversion, baigné par un liquide sous-saturé, et se redissout ; les colloïdes attirés par le champ sont repoussés. Les cycles durent typiquement 15 à 60 minutes et coûtent, à chaque commutation, quelques secondes à quelques dizaines de secondes de production non conforme, dérivée vers un bac de reprise. C’est le procédé de référence sur les eaux entartrantes et les liquides chargés : il déplace le problème du colmatage du nettoyage chimique vers l’automatisme, au prix d’un jeu de vannes et d’une régulation plus complexe.

L’électrodialyse à membranes bipolaires

Une membrane bipolaire est un composite : une couche échangeuse de cations collée à une couche échangeuse d’anions. Sous champ inverse, la jonction ne dispose d’aucun ion mobile pour porter le courant ; l’eau s’y dissocie, et la membrane produit un flux de H⁺ d’un côté et de OH⁻ de l’autre. Ce qui est un défaut dans une électrodialyse classique devient ici la fonction recherchée.

En intercalant ces membranes, on convertit un sel en son acide et sa base : un flux de sulfate de sodium donne acide sulfurique et soude, un flux d’acétate de sodium donne acide acétique et soude. Emplois : récupérer un acide organique d’un moût de fermentation sous sa forme acide et non sous celle de son sel ; désacidifier un jus en retirant l’anion et en renvoyant le proton ; produire sur place l’acide et la base d’un nettoyage. Le coût énergétique est plus élevé — la dissociation de l’eau demande au minimum 0,83 V par membrane bipolaire, et l’on compte 1,5 à 3 V par motif élémentaire au lieu de 0,5 à 2 V — et ces membranes sont plus chères et plus sensibles aux ions multivalents, qui précipitent à la jonction.

L’électrodéionisation

On remplit les compartiments dilués de résine échangeuse d’ions. La résine offre un chemin de conduction dans un liquide devenu très peu conducteur, ce qui lève exactement la limite décrite plus haut : le terme h_d/κ_d cesse d’exploser puisque le courant passe par le lit, et la résine se régénère en continu grâce aux protons et hydroxydes produits par la dissociation de l’eau. Le résultat est un échange d’ions qui n’a plus besoin d’acide ni de soude, et une électrodialyse qui sait descendre très bas : c’est le procédé standard de l’eau ultrapure, où l’on atteint 10 à 18 MΩ·cm. Sur les liquides alimentaires chargés il reste peu répandu, le lit étant un piège à colloïdes.

Les paramètres de conduite

La densité de courant ne se règle jamais dans l’absolu. Une consigne de 250 A/m² ne veut rien dire sans la valeur de i_lim du moment. Les installations modernes travaillent d’ailleurs en tension imposée par étage plutôt qu’en courant imposé : la tension s’auto-limite quand la couche limite s’appauvrit, là où un courant imposé force le passage et déclenche la dissociation de l’eau. La vitesse dans les compartiments, elle, fixe l’épaisseur de la couche de diffusion, donc la limite elle-même : la monter la remonte, mais la perte de charge croît en v² et le pompage finit par coûter plus que le gain de transfert ne rapporte.

La température augmente la conductivité d’environ 2 % par degré, donc allège la facture électrique. Trois choses l’interdisent : la tenue des membranes et des joints, limitée à 40-50 °C pour la plupart des qualités alimentaires ; la stabilité du produit ; l’hygiène, entre 20 et 45 °C tout liquide sucré étant un milieu de culture. Beaucoup d’ateliers laitiers conduisent donc à 10-15 °C en acceptant la surconsommation, ou à 35-40 °C avec un plan de nettoyage serré. Le pH, lui, se surveille plus qu’il ne se règle : sa dérive en sortie de dilué est le signal le plus fiable d’un fonctionnement au-delà de la densité limite, et elle apparaît avant que la conductivité ne décroche.

La conductivité de sortie du dilué est le signal de conduite. C’est sur elle que l’automate ferme la boucle : en continu elle règle la tension ou le nombre d’étages actifs, en discontinu elle déclenche la fin de lot. À courant constant, une conductivité de sortie qui remonte lentement d’un jour sur l’autre signe une perte de surface active, donc un colmatage ; devenue irrégulière, elle signe une distribution hydraulique perturbée.

Restent deux réglages de circuit. Le concentrat tourne en boucle avec une purge, sa concentration s’établissant entre 3 et 10 fois celle du dilué d’entrée : plus haut, la sélectivité se dégrade, l’osmose ramène de l’eau et la précipitation devient un risque réel — et c’est cette purge qui fixe le volume d’effluent salin de l’atelier. Le nettoyage en place enchaîne rinçage, passe alcaline à pH 10-11, rinçage, passe acide à pH 2-3, rinçage final, à 30-40 °C et en concentrations modérées : les membranes ne supportent ni la soude concentrée ni le chlore actif. Sur les ateliers laitiers il est quotidien, et les cycles d’inversion d’un EDR ne le remplacent pas, ils l’espacent.

Ce qui se dérègle

Le colmatage organique des membranes anioniques

C’est le défaut numéro un sur les liquides alimentaires, et il vise presque toujours la membrane anionique. La raison est électrique : la matière organique d’un jus végétal — polyphénols, protéines au-dessus de leur point isoélectrique, colloïdes divers — porte majoritairement une charge négative. Le champ la pousse vers la membrane anionique, contre laquelle elle s’accumule ; trop grosse pour la traverser, elle forme un film. La membrane perd sa perméabilité aux anions, sa résistance monte, sa sélectivité se dégrade et le rendement faradique baisse.

Les parades, par ordre d’efficacité : une clarification amont sérieuse, complétée d’une filtration et d’une adsorption sur charbon ; des membranes anioniques dites « anti-fouling », dont la surface porte une couche mince de charge opposée ; l’inversion périodique de polarité ; le nettoyage alcalin. Aucune ne dispense des autres.

L’entartrage au sulfate de calcium côté concentrat

Le concentrat accumule tout ce que le dilué perd, calcium et sulfate compris. Le sulfate de calcium a une solubilité faible, de l’ordre de 2 g/L à température ambiante, et — particularité qui le rend traître — une solubilité qui diminue au-delà de 40 °C. Sur un lactosérum ou un jus riche en calcium et en sulfates, le produit de solubilité est atteint dans le concentrat bien avant la fin de la déminéralisation. On y répond par la dilution du concentrat, l’acidification de sa boucle, un adoucissement en amont quand le calcium domine, et surtout par l’électrodialyse inverse, largement inventée pour cela.

Le dépassement de la densité limite, et les fuites internes

Le dépassement est rarement décidé : il est subi, parce qu’une des grandeurs qui fixent i_lim a bougé sans qu’on l’ait vu — charge saline d’entrée plus faible, pompe qui débite moins, température qui a chuté, étage partiellement colmaté dont la surface active a diminué. La limite descend pendant que la consigne de courant reste où elle était, et les signes apparaissent dans cet ordre : dérive du pH, montée de la tension à courant constant, baisse du rendement faradique, entartrage.

Les fuites internes relèvent d’une autre logique. Un empilement est un assemblage serré de plusieurs centaines de pièces souples : un joint fatigué, un serrage inégal des tirants, une membrane percée par un cristal, et une communication s’établit entre dilué et concentrat. Le produit se resale sans que la consommation électrique en dise rien ; le diagnostic passe par un essai d’étanchéité en pression différentielle entre les deux circuits, empilement à l’arrêt.

La perte de sélectivité en fin de vie

La membrane anionique perd ses ammoniums quaternaires par dégradation chimique, la soude des nettoyages et les oxydants en étant les principaux responsables. Sa sélectivité se dégrade avant sa résistance mécanique : on constate d’abord un rendement faradique qui s’affaisse, puis une consommation par kilogramme de sel qui monte lentement, sans qu’aucun incident ne se produise. La durée de vie courante est de 3 à 7 ans pour une membrane cationique et de 2 à 5 ans pour une anionique sur des liquides alimentaires chargés ; elle est notablement plus longue sur des eaux claires.

Énergie, coût et environnement

L’électricité. Le transfert ionique consomme 0,7 à 2,5 kWh par kilogramme de sel retiré, le pompage 0,3 à 1,5 kWh par mètre cube traité. Sur une déminéralisation de lactosérum à 70 %, où l’on retire 3 à 5 kg de sels par mètre cube, cela conduit à 3 à 10 kWh/m³ tout compris — une plage d’ordres de grandeur et non une garantie, le résultat dépendant de la charge saline d’entrée, du taux visé et de la température. Cette consommation a une propriété remarquable : elle est presque proportionnelle à la quantité de sel retirée, non au volume traité. Un procédé thermique fait l’inverse, puisqu’il chauffe tout le liquide quelle que soit la quantité de sel qu’il contient — d’où le choix de l’électrodialyse partout où l’on veut retirer peu de sel d’un grand volume.

Le remplacement des membranes. Membranes, espaceurs et joints représentent couramment 30 à 50 % de l’investissement d’un empilement, et leur remplacement tous les deux à sept ans constitue le second poste d’exploitation. Un atelier qui néglige sa clarification amont ne paie pas cette négligence en électricité : il la paie en durée de vie de membranes, et l’écart se compte en années. L’opération n’a par ailleurs aucune demande thermique propre, contrairement à une évaporation, qui laisse derrière elle un liquide concentré et une chaleur latente à récupérer.

L’argument qui la fait choisir en face des résines

Il tient en une phrase, et c’est un fait de procédé : l’électrodialyse n’a pas de régénération. Une colonne de résine arrivée à saturation doit être ramenée à son état initial par un excès d’acide fort et de soude, nécessairement supérieur à la stœchiométrie — typiquement 1,3 à 3 fois selon la résine et le degré de régénération recherché. Ces réactifs finissent, mêlés aux ions déplacés et aux eaux de rinçage, dans un effluent salin dont le volume et la charge sont proportionnels au tonnage traité. Un atelier d’échange d’ions comprend donc obligatoirement un stockage d’acide, un stockage de soude, une neutralisation et un exutoire.

Une électrodialyse n’en a pas besoin : les ions retirés se retrouvent dans le concentrat, sous leur forme d’origine, sans réactif ajouté. Elle produit elle aussi un effluent salin — la purge du concentrat — mais de volume bien plus faible, chargé des seuls ions retirés, sans acide fort ni soude en excès. Elle consomme en revanche de l’électricité là où l’échange d’ions consommait des réactifs et de l’eau de rinçage. L’arbitrage porte donc sur des postes de nature différente et se tranche site par site : coût local de l’électricité, coût du traitement des effluents, charge saline à retirer, conductivité visée en sortie. C’est aussi pour cela que les deux opérations cohabitent si souvent dans la même usine.

Une réserve de méthode s’impose ici. Constater qu’un procédé supprime une régénération chimique est vérifiable sur la liste des consommables d’un atelier ; en tirer un chiffre d’impact environnemental global demanderait une analyse de cycle de vie complète — mix électrique local, fabrication et fin de vie des membranes, traitement réel des effluents comparés. Cette page ne publie pas de chiffre qu’elle n’a pas mesuré ; le site conduit ce type d’exercice ailleurs, sur des périmètres définis, avec le Green-Score du xylitol.

L’opération dans la fabrication des sucrants

Le jus de betterave et les sirops

Le jus de diffusion de betterave sort de l’épuration calco-carbonique chargé en sels : potassium, sodium, chlorures, sulfates, acides organiques dissociés. Ces ions sont les mélassigènes — ils retiennent le saccharose en solution et l’empêchent de cristalliser, augmentant la part de sucre qui finit en mélasse. Retirer des sels d’un jus de sucrerie, c’est donc gagner du rendement de cristallisation.

Cette déminéralisation se fait industriellement par échange d’ions : c’est la technique installée et amortie, et elle fait en même temps le travail de décoloration et d’adoucissement. L’électrodialyse y a été étudiée et appliquée, en alternative ou en complément, avec un argument précis en sa faveur — elle retire les ions sans toucher au saccharose et sans exiger de régénération. Ce qui freine son emploi généralisé doit être dit aussi : les jus sucrés sont visqueux et chargés en colloïdes, ce qui sollicite durement les membranes anioniques, et la conductivité d’un jus déminéralisé chute assez vite pour que le coût électrique grimpe en fin de traitement. Outil disponible et éprouvé pour la déminéralisation des sirops, donc, employé dans certaines configurations, sans avoir remplacé les résines dans la filière sucrière.

La déminéralisation du lactosérum, et ce qu’elle ouvre

C’est la référence industrielle historique du procédé en agroalimentaire, et de loin son plus gros tonnage alimentaire. Le lactosérum doux contient de l’ordre de 6 à 7 g/L de matières minérales pour 45 à 50 g/L de lactose : trop de sels, notamment de potassium et de chlorures, pour les poudres destinées à l’alimentation infantile. La filière parle en taux de déminéralisation — 40, 50, 70, 90 % —, chaque palier correspondant à une classe de produit. L’enchaînement courant combine trois opérations plutôt que d’en choisir une : une nanofiltration qui retire 25 à 35 % des sels en même temps qu’elle concentre, une électrodialyse qui fait le gros du retrait suivant, un échange d’ions pour les derniers paliers.

Le lien avec les sucrants est direct et porte un nom : le lactitol. Ce polyol s’obtient par hydrogénation catalytique du lactose, comme le sorbitol s’obtient du glucose et le xylitol du xylose. Or le lactose de qualité industrielle vient du lactosérum, et il faut l’avoir déminéralisé et purifié avant de pouvoir l’hydrogéner : un catalyseur au nickel ou au ruthénium supporte mal les chlorures et les composés soufrés.

La désacidification des hydrolysats hémicellulosiques, avant fermentation

Le xylitol de la voie biotechnologique se produit par fermentation du xylose, et ce xylose vient de l’hydrolyse des hémicelluloses du bois — bouleau, hêtre — ou de résidus agricoles comme la rafle de maïs et la bagasse. Le chemin complet est décrit dans la page sur la fabrication du xylitol, la question de la matière première dans celle sur ce dont le xylitol est issu.

L’hydrolyse ne libère pas que du xylose. Elle libère aussi de l’acide acétique, provenant des groupements acétyle qui décorent naturellement la chaîne de xylane, en quantité de l’ordre de quelques grammes par litre dans un hydrolysat concentré ; du furfural et de l’hydroxyméthylfurfural, issus de la dégradation des sucres eux-mêmes ; des composés phénoliques venus de la lignine. Et si l’hydrolyse a été conduite à l’acide sulfurique, la neutralisation qui suit laisse du sulfate en quantité stœchiométrique, soit plusieurs grammes par litre.

Tous ces composés inhibent la levure qui doit convertir le xylose en xylitol. L’acide acétique est le plus documenté : sous sa forme non dissociée il traverse la membrane cellulaire, se dissocie dans le cytoplasme dont le pH est plus élevé, et acidifie l’intérieur de la cellule ; la levure dépense alors son énergie à ressortir les protons au lieu de produire du xylitol. Les sels en forte concentration ajoutent un stress osmotique. Le résultat pratique est une fermentation lente, un rendement bas, ou une culture qui ne démarre pas.

D’où l’étape de détoxification, ou conditionnement de l’hydrolysat, qui précède la fermentation : neutralisation et surchaulage, adsorption sur charbon actif pour les phénols et les furanes, extraction, échange d’ions. L’électrodialyse y a une place précise : à un pH supérieur au pKa de l’acide acétique, soit 4,76, l’acide est majoritairement sous forme d’acétate, donc chargé, donc mobile sous le champ. Il quitte l’hydrolysat par la membrane anionique en même temps que les sulfates issus de la neutralisation, et le xylose, molécule neutre, reste intégralement dans le compartiment dilué. Deux précisions accompagnent ce constat : l’électrodialyse ne retire pas les inhibiteurs neutres — furfural et composés phénoliques ne portent pas de charge nette à ce pH, une adsorption reste donc nécessaire —, et ces mêmes phénoliques sont précisément le type de matière qui colmate les membranes anioniques, ce qui explique qu’on place volontiers le charbon actif avant l’empilement plutôt qu’après.

Précision de cadrage : la voie industrielle dominante du xylitol reste l’hydrogénation catalytique du xylose, et non la fermentation. L’étape décrite ici appartient à la voie biotechnologique, où le conditionnement de l’hydrolysat décide d’une part de la viabilité économique du procédé, à égalité avec le rendement de la fermentation.

Les autres sucrants : ce qui est établi, et ce qui ne l’est pas

L’érythritol se produit par fermentation d’un substrat glucosé par des levures osmophiles ; le moût doit être clarifié, déminéralisé et décoloré avant cristallisation, et cette déminéralisation se fait industriellement par échange d’ions. L’électrodialyse est techniquement adaptée au problème — l’érythritol est neutre, les sels du milieu ne le sont pas — mais il serait excessif de la présenter comme une étape établie de cette filière. Pour les extraits de stévia, la purification repose sur l’adsorption sur résines et la chromatographie préparative : un problème de sélectivité entre molécules voisines que l’électrodialyse ne sait pas traiter, les glycosides de stéviol ne portant pas de charge exploitable. Pour le sirop d’agave, le sirop de yacon et le sucre de fleur de coco, dont la fabrication est essentiellement une hydrolyse suivie d’une concentration thermique, aucune étape d’électrodialyse n’est décrite : le dire est plus utile que de forcer un rapprochement.

La désacidification des jus de fruits

Dernier emploi, qui éclaire le mécanisme. Un jus de raisin, de pomme ou d’agrume trop acide se corrige traditionnellement par addition d’un sel — carbonate de calcium, bicarbonate de potassium — qui neutralise l’acide et laisse dans le jus le cation apporté. L’électrodialyse fait autrement : elle retire l’anion de l’acide organique, tartrate, malate ou citrate, sans rien ajouter. L’acidité baisse, et la composition minérale n’est pas alourdie. Sur les moûts et les vins, la stabilisation tartrique par électrodialyse est admise par la réglementation œnologique de l’Union comme traitement autorisé, en alternative au traitement par le froid. Le principe est le même que sur l’hydrolysat de bois — retirer un acide organique dissocié en laissant les sucres —, et il ramène à la question que ce procédé pose toujours : ce qu’on veut retirer porte-t-il une charge, et ce qu’on veut garder en porte-t-il une ?

Pour aller plus loin

• Échange d’ions — l’autre façon de déminéraliser, par affinité chimique, et la façon dont se conduit une régénération.
• Filtration membranaire — la nanofiltration et l’osmose inverse, qui déplacent le solvant au lieu des ions et travaillent souvent en amont d’un empilement.
• Hydrolyse — l’étape qui libère le xylose et, avec lui, l’acide acétique que l’électrodialyse retire ensuite.
• Fermentation — l’opération que le conditionnement de l’hydrolysat rend possible, et les inhibiteurs qui la bloquent.
• Adsorption et décoloration — le complément indispensable, pour tous les inhibiteurs qui ne portent pas de charge.
• Clarification — ce qui protège les membranes anioniques avant qu’elles ne se colmatent.
• Cristallisation — ce que la déminéralisation rend possible, en retirant les ions qui retiennent le sucre en solution.
• Les opérations unitaires du génie alimentaire — le sommaire de la rubrique.

Sources

• Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4^e éd., Woodhead Publishing, 2017.
• Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2^e éd., 2007.
• Singh, R. P., Heldman, D. R., Introduction to Food Engineering, 5^e éd., Academic Press, 2014.
• Perry, R. H., Green, D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9^e éd., McGraw-Hill, 2018.
• McCabe, W. L., Smith, J. C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, 7^e éd., McGraw-Hill, 2005.
• Saravacos, G., Kostaropoulos, A. E., Handbook of Food Processing Equipment, 2^e éd., Springer, 2016.
• Hernández-Pérez et al., « Xylitol: Bioproduction and Applications — A Review », Frontiers in Sustainability, 2022.
• Règlement (CE) n° 1935/2004 concernant les matériaux et objets destinés à entrer en contact avec des denrées alimentaires.
• Règlement (CE) n° 852/2004 relatif à l’hygiène des denrées alimentaires.
• Règlement délégué (UE) 2019/934 relatif aux pratiques œnologiques autorisées.