Explorer le colmatage des membranes à l’échelle nanométrique

La filtration membranaire est aujourd’hui utilisée dans l’industrie pour le traitement de l’eau potable et des eaux usées, le recyclage de l’eau dans les procédés industriels, le fractionnement ou la stérilisation à froid du lait ou des jus en agroalimentaire, ou encore la purification de milieux de culture, la concentration de produits à haute valeur ajoutée et le recyclage de catalyseurs en biotechnologies, chimie et pharmacie pour ne citer que quelques exemples. Ce procédé connaît un développement croissant, car il offre une technologie « propre », sobre en matière et en énergie, permettant de séparer et valoriser des biomolécules ― protéines, peptides, sucres bioactifs, lipides, antioxydants ou vitamines ― issues de différentes bioressources végétales ou animales, ainsi que de leurs coproduits. La filtration membranaire est ainsi considérée pour la séparation de biomolécules issues de nouvelles bioressources telles que les extraits de microalgues. Toutefois, quelle que soit l’application, son efficacité est souvent limitée par le colmatage : des composés présents dans les solutions filtrées s’accumulent progressivement à la surface et dans les pores des membranes, ce qui réduit les performances du procédé (sélectivité et productivité). Si plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer ce phénomène, ils ont rarement été observés directement à l’intérieur même des membranes.

Pour surmonter cette difficulté, des scientifiques de l’Institut des matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN, CNRS/Nantes Université) et du laboratoire Génie des procédés – environnement – agroalimentaire (GEPEA, CNRS/Nantes Université/Oniris) ont développé une approche permettant d’examiner les membranes colmatées par des biomolécules à très haute résolution sans déshydrater l’échantillon, pour pouvoir observer la matière accumulée au plus proche de son état natif1 . Afin de reproduire le colmatage de membranes de microfiltration présentant des pores en surface de 100nm par des biomolécules, les chercheurs ont filtré des solutions modèles contenant des lipides, des protéines et leurs mélanges.

Les membranes colmatées ont ensuite été analysées à l’aide d’une technique d’imagerie avancée combinant un faisceau d’ions focalisés et la microscopie électronique à balayage en conditions cryogéniques (cryo-FIB/SEM). Cette méthode permet de découper et d’observer progressivement l’échantillon afin de reconstruire en trois dimensions la structure interne de la membrane avec une résolution nanométrique. Les observations révèlent des mécanismes de colmatage différents selon les biomolécules filtrées. Lipides et protéines n’obstruent pas les pores de la même manière, et la composition du mélange influence directement la structure du colmatage mise en évidence. Grâce à la reconstruction en 3D de la membrane colmatée dans différentes conditions, les chercheurs ont pu également réaliser une analyse quantitative détaillée donnant accès non seulement à l’épaisseur du dépôt en surface mais aussi aux propriétés du milieu poreux, tels que, la porosité, la tortuosité et l’état des pores, qui peuvent être ouverts, partiellement bloqués ou totalement obstrués par les biomolécules.

Cette approche offre ainsi un accès direct à des informations qui restaient jusqu’à présent difficiles à obtenir, en raison de l’échelle nanométrique et de la déformation en cas de séchage des structures impliquées. Elle ouvre la voie à une meilleure compréhension des mécanismes de colmatage de membranes poreuses et pourrait contribuer à améliorer la conception, et l’optimisation des procédés de filtration utilisés dans de nombreux domaines de l’industrie, en particulier dans les biotechnologies.

Références
Probing the fouling induced by biomolecules of a polymer microfiltration membrane using 3D cryo-FIB/SEM.
Hélène Roberge, Philippe Moreau, Estelle Couallier, Patricia Abellan.
Separation and Purification Technology, publié le 26 janvier 2026.
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137045
Article consultable sur la base d’archives ouvertes HAL

• 1Cette étude a été réalisée dans le cadre du projet e-BRIDGE qui a été financé par NExT par l'intermédiaire de l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du Programme d'Investissements d'Avenir (avec la référence ANR-16-IDEX-0007). Le projet e-BRIDGE a également reçu le soutien financier de la région Pays de la Loire et de Nantes Métropole.