Intégration de la simulation de l’ingénierie des processus et de l’évaluation du cycle de vie pour la modélisation de l’impact environnemental de la filtration membranaire

Integration of process engineering simulation and life cycle assessment for modeling the environmental impact of membrane filtration

Laboratoire de Chimie Agro-industrielle, LCA, Université de Toulouse, INRAE, France

Résumé

Le développement des procédés de bioraffinerie nécessite des outils d’éco-conception efficaces afin de démontrer leur réel intérêt écologique tout en minimisant le temps d’acquisition des données permettant l’extrapolation industrielle. L’objet de cet article concerne un de ces outil combinant l’ingénierie des systèmes de procédés (ISP) avec la méthodologie de l’analyse de cycle de vie (ACV) afin d’optimiser un procédé ou une opération unitaire en tenant compte des performances techniques et environnementales. En effet, l’ISP ne permet pas la simulation de toutes les opérations unitaires impliquées dans les procédés de bioraffinerie, comme l’ultrafiltration. Cette étude démontre les avantages du couplage de la simulation de l’ultrafiltration avec l’ACV, en utilisant les logiciel ProsimPlus© et SimaPro©. Un modèle d’ultrafiltration a été développé dans ProsimPlus© afin de simuler l’impact des conditions opératoires sur le flux de perméat en fonction du seuil de coupure des membranes. Les paramètres de ce modèle (α et β) ont été identifiés à partir de résultats expérimentaux de filtration de composés phénoliques avec une membrane comprise entre 5 et 100 kDa, avec une validation montrant une incertitude inférieure à 25%. Ces paramètres ont été utilisés pour modéliser les performances de filtration sous différents types de colmatage, puis la simulation a permis l’évaluation environnementales de chaque condition avec SimaPro©. Les résultats indiquent que réduire l’impact environnemental nécessite de diminuer la surface de filtration. L’ACV identifie également l’étape de nettoyage comme le principal point chaud environnemental et montre qu’en présence de polarisation de concentration, l’impact de la consommation d’énergie est aussi important que celui de la surface de la membrane.

Abstract

Developing biorefinery processes requires effective eco-design tools to demonstrate their real ecological interest while minimizing the data acquisition time allowing industrial extrapolation. This article emphasizes the integration of process systems engineering (PSE) with life cycle assessment (LCA) to optimize process conditions and minimize environmental impacts. Indeed, PSE does not allow the simulation of all the unit operations involved in biorefinery processes, such as ultrafiltration. This review focused on developing eco-design tools for the biorefinery process by combining PSE and LCA. It demonstrates the benefits of integrating ultrafiltration simulation with LCA, using ProsimPlus© software to model the effects of operating conditions on permeate flux, with parameters derived from experimental ultrafiltration of phenolic compounds ranging from 5 to 100 KDa. The model’s results closely align with experimental data, achieving less than 25% validation uncertainty. Parameters α and β were employed to model different types of fouling, and the simulation was combined with an environmental assessment using SimaPro© software. Results show that reducing environmental impact involves decreasing the filter surface area. Additionally, LCA identifies the cleaning step as the primary environmental hotspot and highlights that, with concentration polarization, the impact of energy consumption becomes as significant as the membrane area.