Dynamische Crossflow-Filtration mit keramischen Filtermembranen

Grenzen überschreiten

14.09.2007 Vorteile des Verfahrens der dynamischen Crossflow-Filtration sind die erhöhte Aufkonzentration des Retentates und der reduzierte Energieverbrauch im Vergleich zu konventionellen Crossflow-Verfahren. Energieeinsparungen von bis zu 80 % sind der wesentliche wirtschaftliche Vorteil des neuen Verfahrens, und die Möglichkeit der Aufkonzentration des Retentates bis zu Viskositäten von 700 mPas erschließt neue Anwendungsgebiete.

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Die Crossflow-Filtration findet ihre Anwendung bei der Abtrennung von Substanzen, die durch kein anderes filtrierendes Verfahren wirtschaftlich abgetrennt werden können. Diese Substanzen können Feststoffe, Flüssigkeiten, Koloide, Pigmente, Bakterien, Viren, Proteine, Ionen usw. sein. Je nach Porengröße der Filtermembranen können sehr gezielt einzelne Substanzen nach deren Größe definiert aus Suspensionen, Dispersionen, Emulsionen oder Lösungen abgetrennt werden. Die meist verbreiteten Membranen sind Polymer-Membranen, bei denen die verschiedensten Porengrößen hergestellt werden können und die somit den gesamten Bereich von der Umkehrosmose bis zur Partikelfiltration abdecken können.

In Sachen Wirtschaftlichkeit eine Eins

Die Grenzen der Polymer-Membranen, die begrenzte mechanische Stabilität, die Beständigkeit gegen Lösemittel und die begrenzte Stabilität gegen abrasive Einflüsse können durch die Verwendung von keramischen Membranen überschritten werden.

Bei der Crossflow-Filtration muss ein filtrationsverhindernder Aufbau einer Deckschicht ausgeschlossen werden. Dazu werden die Filtermembranen, die in der Regel als Röhren oder Platten ausgebildet sind, mit dem Feed überströmt. Die Überströmgeschwindigkeit wird mit Hilfe von Pumpen eingestellt. Nachteile dieses Verfahrens sind:

  • bereits bei geringen Viskositäten entsteht erheblicher Energiebedarf zur Erzeugung der Überströmgeschwindigkeit;
  • bei höheren Viskositäten tritt eine Erwärmung der Suspension durch die Strömungsverluste im Filtermodul auf. Bei temperaturempfindlichen Produkten muss diese Wärme über Wärmeübertrager abgeführt werden. Unabhängig davon ist das Risiko von Hot-Spots vorhanden, zum Beispiel in den Pumpen zur Erzeugung der Überströmgeschwindigkeit;
  • eine hohe Aufkonzentration des Retentates ist auf Grund der Energie- und Temperaturproblematik schwer möglich. Die Grenze der Viskosität des Retentates liegt meist bei 20 bis 50mPas je nach Ausführung der Anlage.

Durch die Verwendung der dynamischen Crossflow-Filtration kann das Anwendungsgebiet der Crossflow-Filtration erheblich erweitert werden. Es werden Einsparungen des Energieverbrauchs von bis zu 80% erreicht.

Bei der Filtration gibt es das klassische Verfahren der Kuchenfiltration oder der Tiefenfiltration, bei der die abzutrennende Substanz aus einer Flüssigkeit durch ein Filtermittel zurückgehalten wird. Die zu klärende Flüssigkeit wird dabei mit einem Differenzdruck von DP=P1-P2 durch das Filtermittel gedrückt.
Bei der Crossflow-Filtration wird das Filtermittel bzw. die Filtermembran mit dem Feed überströmt. Die Überströmgeschwindigkeit wird dabei so groß gewählt, dass die über der Filtermembran entstehende Turbulenz keine filtrationsbehindernde Deckschicht aufbaut. Je nach Art der abzutrennenden Substanz (Feststoffe, Flüssigkeiten, Bakterien, Viren, Pigmente, Koloide, Ionen) wird die Substanz in den überströmenden Feed (Suspension, Dispersion, Emulsion, Lösung) aufkonzentriert, die dann als Retentat bezeichnet wird. Die Filtration erfolgt auch bei der Crossflow-Filtration durch eine Druckdifferenz DP=P1-P2, die hier als Transmembrandruck bezeichnet wird. Das Filtrat, bei der Crossflow-Filtration als Permeat bezeichnet, ist eine reine Flüssigkeit bzw. enthält nur die jeweiligen Feststoffe, die aufgrund der gewählten Porengröße der Membran ins Permeat gelangen sollen.
Bei der dynamischen Crossflow-Filtration wird die deckschichtverhindernde Differenzgeschwindigkeit durch eine Bewegung der Filtermembran in dem ruhenden Retentat erzeugt.

Aufbau und Betrieb von Crossflow-Modulen und -Anlagen

Bei der klassischen Crossflow-Filtration wird das Retentat über die in der Regel als Rohr ausgebildete Filtermembran gepumpt. Die Kreislaufpumpe bringt den bei der Überströmung entstehenden Strömungsverlust als dynamische Energie ein. Ein Großteil des Retentates wird im Kreislauf gefahren. Bei temperaturempfindlichen Produkten muss die zugeführte Energie durch einen Kühler wieder entzogen werden. Der zur Filtration erforderliche Druck, Transmembrandruck genannt, wird prinzipiell durch die Speisepumpe aufgebracht. Der Transmembrandruck verändert sich jedoch über die Länge des Membranrohres. Während am Rohrende der durch die Speisepumpe aufgeprägte Druck anliegt, kommt am Rohranfang noch der Pumpendruck der Kreislaufpumpe hinzu, der sich durch den Strömungsverlust in dem Membranrohr einstellt. Innerhalb des Membranrohres ist der Transmembrandruck also nicht konstant. Auch die Überströmgeschwindigkeit nimmt vom Rohreintritt bis zum Rohraustritt mit dem Maß des abgetrennten Permeates ab.

Bei der dynamischen Crossflow-Filtration wird das zu trennende Gemisch über den Zulauf in einen Filterapparat eingebracht. In dem Apparat befinden sich zwei Hohlwellen, auf denen runde Filterscheiben angeordnet sind. Die Wellen sind so positioniert, dass sich die Filterscheiben maximal überdecken. Zwischen den Scheiben ist ein Abstand von wenigen Millimetern. Durch die Rotation der Wellen wird zwischen den Filterscheiben eine turbulente Strömung erzeugt, die das Ausbilden von filtrationsbehindernden Deckschichten eliminiert. Der Transmembrandruck wird durch eine Speisepumpe aufgebracht. Innerhalb des Filtrationsmodules herrscht ein einheitlicher Druck. Es wirkt daher ein konstanter Transmembrandruck. Aus dem Ablauf wird nur die auszutragende Menge an Konzentrat abgeführt.
Da durch die Rotation der Scheiben wenig Wärmeenergie entsteht, muss das Retentat selten gekühlt werden. Lediglich bei sehr temperaturempfindlichen Produkten bzw. bei sehr hohen Aufkonzentrationen ist es notwendig, zwischen Ablauf und Zulauf des Filtermoduls einen Kühlkreislauf mit einem Wärmeübertrager einzubinden. Um die geringe Wärmemenge abzuführen, ist dabei jedoch nur eine geringe Menge an Retentat über den Kühlkreislauf umzuwälzen.
Durch Versuche mit verschiedensten Modellsubstanzen, aber auch realen Produkten konnte bei einem Vergleich der klassischen Crossflow-Filtration mit der dynamischen Crossflow-Filtrationsanlage belegt werden, dass insbesondere bei höheren Viskositäten des Retentates Energieeinsparungen (Antriebsleistungen und Kühlleistung) von bis zu 80% erreicht werden. Dabei wurden sowohl bei den klassischen Röhrenmodulen als auch bei der neuen dynamischen Crossflow-Filtration mit jeweils identischen Porengrößen gefahren.
Insbesondere die Aufkonzentration des Retentates bis zu 700 mPas zeigt den hohen Trennungsgrad, der durch dieses Anlagenkonzept realisiert werden kann. Bei den klassischen Röhrenmodulen liegt hier je nach Anlagenkonzeption die Grenze bei 20 bis 50mPas.
Die Eignung und die Trennleistung, die mit Crossflow-Filtration erreicht wird, kann nicht theoretisch, sondern nur im Versuch ermittelt werden. Viele der zu separierenden Produkte sind nicht lagerfähig. Mit den Abmessungen von (H x B x L) 2,55m x 1,65m x 1,9m kann eine Versuchsanlage problemlos zu den zu untersuchenden Anwendungen trans-portiert werden.

Ganz neue Möglichkeiten

Das Anwendungsgebiet der dynamischen Crossflow-Filtration mit keramischen Filtermembranen liegt dort, wo

  • geringer Energieverbrauch,
  • hohe Aufkonzentrationen des Retentates sowie
  • geringe thermische Belastung des Produktes (wobei hier auch die Vermeidung von Hot-Spots ausdrücklich erwähnt sein soll)

von Bedeutung sind. Dies ist häufig der Fall bei der

  • Feststoffgewinnung mit hohen Aufkonzentrationsanforderungen;
  • Abtrennung von Biomassen, zum Beispiel bei der Gewinnung von Enzymen, Proteinen, Eiweiß, Polysacchariden, Antibiotika;
  • Rückgewinnung von Wertstoffen (zum Beispiel Hydroxide oder Koloide),
  • Aufkonzentration von Suspensionen wie etwa Säfte oder Aromastoffe;
  • Flüssigkeitsaufbereitung, beispielweise Recycling hochwertiger Flüssigkeiten.

Keramische Filtermembranen stehen mit verschiedensten Porengrößen von 7nm bis 2µm zur Verfügung. Dadurch wird ein weiter Bereich an Anwendungen abgedeckt.

Energieeinsparungen von bis zu 80% sind der wesentliche wirtschaftliche Vorteil des neuen Verfahrens
Die Möglichkeit der Aufkonzentration des Retentates bis zu Viskositäten von 700mPas erschließt neue Anwendungsgebiete

Heftausgabe: September 2007
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Über den Autor

Bruno Hegnauer , Leiter Innovationsmanagement, KMPT
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