Brevet FR2844280A1 — publié le 20040312

La présente invention a pour objet un procédé de production de lactose à partir de lactosérum ou d'un perméat résultant de l'ultrafiltration de lactosérum, ce lactosérum et perméat comprenant des cations monovalents Na+ et K+, des anions monovalents Cl-, des 5 cations polyvalents Ca2+ et Mg2+ et des anions polyvalents minéraux tels que des anions phosphate et/ou des anions d'acides organiques aptes à former des complexes avec lesdits cations polyvalents, tels que lactate et citrate. Dans le cadre d'un tel procédé de production de lactose, il est 10 habituellement envisagé une opération de concentration avant une opération de cristallisation. Cependant, la présence dans le lactosérum ou le perméat d'ultrafiltration de lactosérum de phosphate de calcium et/ou de magnésium est à l'origine de précipitations dans les évaporateurs utilisés pour ladite 15 concentration; ceci oblige un nettoyage fréquent de ces évaporateurs. En outre, la précipitation de phosphate de calcium et/ou de magnésium durant la cristallisation a un effet néfaste sur cette dernière. Pour remédier à ces difficultés, il a été proposé dans la 20 technique antérieure de limiter les difficultés rappelées ci-dessus, en ajustant le pH du lactosérum ou du perméat d'ultrafiltration de manière à précipiter du phosphate de calcium et/ou de magnésium puis de séparer le sel précipité par centrifugation. Cette technique est cependant coteuse et le rendement de 25 décalcification est limité. L'idée à la base de la présente invention est de mettre en oeuvre une opération de cristallisation sur un lactosérum ou perméat d'ultrafiltration de lactosérum, traité par des résines échangeuses d'ions pour l'appauvrir en cations polyvalents et éventuellement en 30 anions polyvalents minéraux et/ou anions d'acides organiques voire le débarrasser sensiblement totalement de ces cations et/ou anions, tout en produisant des effluents dont la nature permet la régénération desdites résines sans apport extérieur de produits chimiques. Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé conforme au premier paragraphe de cette description et qui se caractérise en ce qu'il comprend les opérations: (a) de substitution d'une partie au moins des cations polyvalents du lactosérum ou perméat par des cations monovalents, pour obtenir un lactosérum ou perméat appauvri en cations polyvalents, et (b) de cristallisation de ce dernier lactosérum ou perméat pour obtenir du lactose cristallisé et des eaux-mères enrichies en cations monovalents, cette cristallisation étant précédée, si besoin est, d'une opération de concentration au degré voulu dudit lactosérum ou perméat. L'opération (a) ci-dessus livre un lactosérum ou perméat fortement enrichi en cations monovalents qui ont l'avantage d'avoir aucune incidence néfaste sur l'opération de concentration éventuelle ni sur l'opération (b) de cristallisation ultérieure. Quant à l'opération (b), elle produit du lactose cristallisé et 15 des eaux-mères contenant la très grande majorité des cations monovalents contenus dans le lactosérum ou perméat issu de l'opération (a). Avantageusement, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une opération: (c) de substitution d'une partie au moins des anions polyvalents minéraux et anions d'acides organiques du lactosérum ou perméat par des anions monovalents non aptes à former des complexes avec les cations polyvalents, cette opération (c) étant effectuée simultanément à l'opération (a) 25 ci-dessus ou avant cette opération (a), ce dont il résulte un lactosérum ou un perméat appauvris en anions polyvalents minéraux, en anions d'acides organiques et en cations polyvalents. Il a en effet été constaté qu'un tel remplacement d'une partie au moins des anions aptes à former des complexes avec les cations 30 Ca2+ et Mg2+, par des anions monovalents non aptes à former de tels complexes, permettait d'améliorer grandement les rendements de décalcification. On comprendra que par ce remplacement on détruit plus ou moins lesdits complexes, ce qui augmente la disponibilité des cations 35 polyvalents (Ca2+, Mg2+) qui peuvent de ce fait être remplacés plus facilement par les cations monovalents. De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'opération: (d) de chromatographie d'une partie au moins des eaux-mères obtenues lors de l'opération (b) de cristallisation, pour 5 produire une fraction enrichie en lactose et un raffinat enrichi en cations monovalents et éventuellement en anions monovalents. Selon un mode de réalisation, l'opération (a) de substitution des cations polyvalents comprend de préférence le traitement du 10 lactosérum ou du perméat avec une résine cationique dont le contreion est un cation monovalent. Par ailleurs, l'opération (c) de substitution des anions polyvalents minéraux et anions d'acides organiques comprend de préférence le traitement du lactosérum ou du perméat avec une résine 15 anionique dont le contre-ion est un anion monovalent non apte à former des complexes avec les cations polyvalents. On précisera que les résines susmentionnées sont de préférence des résines anionique forte et cationique forte. Par ailleurs, le cation monovalent constituant le contre-ion de 20 la résine cationique est de préférence le cation Na' ou K' et l'anion monovalent constituant le contre-ion de la résine anionique est de préférence l'anion Cl-. Selon une autre caractéristique du procédé selon l'invention, celui-ci peut en outre comprendre l'opération: (e) de régénération de la résine cationique et/ou de la résine anionique susmentionnées, cette régénération étant avantageusement effectuée à l'aide d'une fraction des eaux-mères produites lors de l'opération (b) de cristallisation et/ou à l'aide d'une fraction au moins du raffinat 30 produit lors de l'opération (d) de chromatographie. On ajoutera que cette régénération peut être effectuée en série ou en parallèle sur la résine anionique et la résine cationique. On ajoutera encore que suivant la composition ionique du lactosérum ou du perméat, un ajustement du pH du liquide de 35 régénération, notamment desdites eaux-mères, peut être nécessaire pour éviter tout risque de précipitation de phosphate de calcium ou de magnésium. Ainsi, cet ajustement peut de préférence être effectué au moyen d'acide phosphorique ou d'acide chlorhydrique. La présente invention est illustrée ci-après, de manière non limitative, par la description d'un exemple de préparation de 5 lactose, faite en référence à la figure unique qui est la représentation schématique d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le produit de départ est dans l'exemple choisi, un perméat obtenu par ultrafiltration d'un lactosérum. Un tel perméat comprend 10 pour l'essentiel du lactose, des acides organiques et des minéraux (en particulier des cations, Na+, K+, Ca", Mg", des anions Cl et phosphate et des anions d'acides organiques capables de former des complexes avec les cations Ca 2+ et Mg2+, tels que citrate et lactate). Ce perméat est amené par un conduit 1 à l'entrée d'une colonne 15 2 garnie d'une résine anionique forte (AF), puis de la sortie de cette colonne 2 par un conduit 3 à l'entrée d'une colonne 4 garnie d'une résine cationique forte (CF). La résine cationique forte est sous la forme Na' ou K+, c'est-àdire que son contre-ion est l'ion Na' ou K+; la résine anionique 20 forte est sous la forme Cl-, c'est-à-dire que son contre-ion est l'ion Cl-. On notera qu'en variante, ces deux résines pourraient être utilisées en mélange, auquel cas une seule colonne serait suffisante. Lors du passage du perméat sur la résine anionique, il échange ses anions polyvalents minéraux (phosphate) et anions d'acides organiques (lactate, citrate) avec les ions Cl- de la résine; lors de son passage sur la résine cationique, il échange ses cations polyvalents (Ca2+, Mg2+) avec les ions Na' ou K+ de la résine. Le perméat se trouve ainsi débarrassé d'une partie substantielle de ses cations et anions polyvalents minéraux et de ses anions d'acides organiques, lesquels cations et anions ont été remplacés par des cations et anions monovalents; ce perméat contient donc pour l'essentiel du lactose, des ions Na+, K+ et Cl-, 35 des cations Ca2+, Mg2+ résiduels, des anions phosphate résiduels et des anions d'acides organiques résiduels. La solution aqueuse issue de la colonne 4 est ensuite amenée par un conduit 5 dans une unité d'évaporation 6 dont la fonction est de concentrer ce perméat. Le perméat concentré issu de l'unité 6 est ensuite amené par un 5 conduit 7 dans une unité de cristallisation 8 o on assiste à la cristallisation de lactose que l'on sépare des eaux-mères. Ces eaux-mères très riches en ions Na+, K+ et Cl- peuvent pour leur part être utilisées en totalité ou en partie pour la régénération des résines garnissant respectivement les colonnes 2 et 10 4; cette régénération est de préférence effectuée en parallèle sur ces résines, avec dans ce cas ajout aux eaux-mères d'un appoint de - NaCl (voir circuit en traits pointillés sur la figure annexée). Enfin, en variante, une partie ou la totalité desdites eauxmères peuvent être amenées par un conduit 9 en tête d'une colonne de 15 chromatographie 10 de laquelle est issus d'une part, une solution aqueuse enrichie en lactose résiduel et d'autre part, un raffinat enrichi en anions et cations monovalents Na+, K+ et Cl-. Ce raffinat peut lui également être mis en oeuvre pour la régénération des résines des colonnes 2 et 4 (voir circuit en traits 20 pointillés sur la figure annexée). Afin de bien montrer l'intérêt du procédé selon la présente invention, celui-ci a été comparé à la technique connue d'adoucissement par précipitation et centrifugation (décantation centrifuge), dans le cadre de la préparation de lactose à partir 25 d'un perméat de lactosérum doux, obtenu par ultrafiltration d'un lactosérum. Deux variantes ont été utilisées pour le procédé selon l'invention, à savoir: - utilisation d'une résine cationique seule (IRA 252 de la société 30 américaine Rohm and Haas) = système CF; - utilisation d'une résine anionique (IRA 458 de la société américaine Rohm and Haas) suivie en série d'une résine cationique (SRlL Na de la société Rohm and Haas) = système AF - CF. Pour ces deux variantes, la régénération des résines est 35 réalisée au moyen des eaux-mères de la cristallisation du lactose en respectant les rapports de volume: production de 1 volume d'eaux- mères à 27 % de matière sèche pour 16 volumes de perméat de lactosérum à 5,7 % de matière sèche. La composition ionique du perméat est comme suit: Performances des systèmes CF AF-CF Décantation centrifuge Ca2+ + Mg2+ dans le perméat à 25 25 25 traiter (méq./l) Ca2+ + Mg2+ dans l'effluent sortant 4,2 1,2 6,3 (méq./l) % d'élimination de Ca2+ + Mg2+ 83 95 75 Capacité cationique (éq. /lr) 0,60 0,75 Le perméat ainsi adouci est critallisé pour produire du lactose 10 cristallisé et des eaux-mères contenant l'essentiel des impuretés dont les sels à ions monovalents. Ces eaux-mères ont été clarifiées par décantation et/ou filtration avant leur utilisation comme régénérant des résines. Leur pH ayant 15 été ajusté à 5, il n'a pas été observé de précipitation dans les résines. REVENDICATIONS 1. Procédé de production de lactose à partir de lactosérum ou d'un perméat résultant de l'ultrafiltration de lactosérum, ce lactosérum et perméat comprenant des cations monovalents Na+ et K+, des anions 5 monovalents Cl-, des cations polyvalents Ca2+ et Mg2+ et des anions polyvalents minéraux tels que des anions phosphate et/ou des anions d'acides organiques aptes à former des complexes avec lesdits cations polyvalents, tels que lactate et citrate, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations: (a) de substitution d'une partie au moins desdits cations polyvalents du lactosérum ou perméat par des cations monovalents, pour obtenir un lactosérum ou un perméat appauvri en cations polyvalents, et (b) de cristallisation de ce dernier lactosérum ou perméat pour 15 obtenir du lactose cristallisé et des eaux-mères enrichies en cations monovalents, cette cristallisation étant précédée, si besoin est, d'une opération de concentration au degré voulu dudit lactosérum ou perméat. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il 20 comprend en outre une opération: (c) de substitution d'une partie au moins des anions polyvalents minéraux et anions d'acides organiques du lactosérum ou perméat par des anions monovalents non aptes à former des complexes avec les cations polyvalents, cette opération (c) 25 étant effectuée simultanément à l'opération (a) ou avant cette opération (a), ce dont il résulte un lactosérum ou un perméat appauvri en anions polyvalents minéraux, en anions d'acides organiques et en cations polyvalents. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il 30 comprend en outre une opération: (d) de chromatographie d'une partie au moins des eaux-mères obtenues lors de l'opération (b) de cristallisation, pour produire une fraction enrichie en lactose et un raffinat enrichi en cations monovalents et éventuellement en anions 35 monovalents. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'opération (a) de substitution des cations polyvalents comprend le traitement du lactosérum ou perméat avec une résine cationique dont le contre-ion est un cation monovalent. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'opération (c) de substitution des anions polyvalents minéraux 5 et anions d'acides organiques comprend le traitement du lactosérum ou perméat avec une résine anionique dont le contre-ion est un anion monovalent non apte à former des complexes avec les cations polyvalents. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le 10 cation monovalent constituant le contre-ion de la résine cationique est le cation Na+ ou K+. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'anion monovalent constituant le contre-ion de la résine anionique est l'anion Cl-. 8. Procédé selon la revendication 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération: (e) de régénération de la résine cationique et /ou de la résine anionique. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que 20 l'opération (e) de régénération est effectuée à l'aide d'une fraction des eaux-mères produites lors de l'opération (b) de cristallisation. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'opération (e) de régénération est effectuée à l'aide du raffinat 25 produit lors de l'opération (d) de chromatographie. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'opération (e) de régénération est effectuée en série ou en parallèle sur la résine anionique et la résine cationique.