Welches Filtrationsverfahren für welche Anwendung?

In den vergangenen Jahrzehnten wurden zahlreiche membranbasierte Trennverfahren für flüssige Produkte entwickelt. In der Lebensmittelindustrie, Biotechnologie und Pharmazie gehören sie mittlerweile zu einer effizienten Anlagenplanung dazu, da sie Produktschonung, Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit vereinen. Dabei ersetzen die Membranfiltrationsanlagen teilweise die klassischen Verfahren zur Haltbarmachung wie Erhitzen und Pasteurisieren sowie Dead-End-Filtrations-Prozesse oder ergänzen diese. 

Ruland Engineering & Consulting realisierte für eine Reihe von Kunden in der Lebensmittel-, Getränke-, Pharma- und Biotechnologiebranche individuelle Anlagen mit Filtrationsprozessen. Je nach Produkt und Zielsetzung wählt das Anlagenbauunternehmen gemeinsam mit dem Kunden das jeweilige Verfahren und Filtermedium aus. Oft kommen Dead-End-Filtrationsanlagen mit Filterkerzen und Cross-Flow-Filtrationsanlagen mit Polymermembranen oder keramischen Membranen zum Einsatz. 

Dead-End-Filtration mit einfachem Aufbau 

Die Dead-End-Filtration oder statische Filtration wird traditionell häufig verwendet, um Partikel abzutrennen sowie Wasser und Getränke wie Fruchtsäfte, Erfrischungsgetränke, Bier und Wein steril zu filtrieren. Dieses Verfahren, bei dem die Anlagen oft mit Inline-Filtern arbeiten, ist kompakt, sicher und zuverlässig. Vorteile sind die gute Energiebilanz und der vergleichsweise einfache Aufbau der Filtrationsanlagen. Mit steigender Filtrationsdauer steigt der für einen konstanten Filtratfluss notwendige Differenzdruck. Eine Regeneration ist nur begrenzt möglich, weswegen ein regelmäßiger Wechsel des Filtermediums notwendig ist. 

Emissionen von Medizinprodukten systematisch reduzieren

Auch streng regulierte Branchen wie die Medizintechnik suchen mittlerweile nach zukunftsfähigen Lösungen. Neue Design- und Prozessansätze senken Treibhausgas-Emissionen messbar und zeigen, wie sich Ressourcenschonung mit funktionalen Anforderungen verbinden lässt.

Kontinuierlicher Permeat-Fluss schont Produkte 

Cross-Flow-Verfahren bieten grundsätzliche Vorteile. Die Membranen oder Module werden bei der dynamischen Filtration im Querstrom beziehungsweise tangential angeströmt. Auf der angeströmten Retentat-Seite kann sich kein geschlossener Filterkuchen aufbauen und nach kurzer Filtrationszeit erreichen spezifischer Filtratfluss und Deckschicht einen annährend konstanten Wert. Auf der Permeat-Seite wird dem Kreislauf kontinuierlich Produkt zum Weiterverarbeiten entzogen. Dieses Filtrationsprinzip verbindet Prozesssicherheit und Hygiene mit einer hohen Produktschonung. 

Da die Module kontinuierlich durchströmt werden, erzielt das Cross-Flow-Verfahren weniger Produktverlust, bessere Ausbeute, Abfallreduktion und Produktivitätssteigerung. Durch die tangentiale Strömung entsteht ein Selbstreinigungseffekt, der dem Fouling entgegenwirkt. Standzeiten werden verlängert und Prozesse stabiler gemacht. Das bedeutet einen geringeren Wasser- und Chemikalienverbrauch und eine höhere Verfügbarkeit des Prozesses. Somit können Cross-Flow-Systeme bis zu drei- bis fünfmal längere Laufzeiten erreichen, bevor ein Reinigen notwendig wird. 

Cross-Flow-Filtration eignet sich vor allem für Herstellungsverfahren, bei denen hochwertige Produkte gewonnen werden, die schonend und selektiv verarbeitet werden sollen. Meist sind dies viskose Medien mit kontinuierlichen Prozessen. Wichtige Einsatzgebiete sind die Filtration von Gärungserzeugnissen wie Wein, Essig und Bier und die Kurzzeiterhitzungseinlagerung (KZE) und Konzentration von Frucht- und Gemüsesäften sowie Biotech-Prozesse. In der Pharmaindustrie werden Cross-Flow-Prozesse beim Aufbereiten von Rein- und Reinstwasser oder dem Abtrennen von Viren und Bakterien genutzt. 

Präzise Verfahren für hohe Selektivität 

Membranfiltration basiert auf semipermeablen Membranen, die entweder aus organischen Materialien, beispielsweise aus Polymeren und Cellulosederivaten, oder anorganischen Werkstoffen wie Keramiken oder Metallen bestehen. Abhängig von der Porengröße, der Geometrie, den hydrophilen bis hydrophoben Eigenschaften der Membran sowie den gewählten Prozessparametern können Partikel bis auf Ionengröße aus Flüssigkeiten sehr genau und selektiv abgetrennt werden. 

Durch die Vielfalt der Werkstoffe und die intensive Forschung der Hersteller sind die Einsatzmöglichkeiten mannigfaltig. Membran-Trennverfahren bewähren sich für das Klären, Entkeimen und Fraktionieren verschiedenster Flüssigkeiten bis hin zum Rückhalt fast aller in Wasser gelösten Stoffe. Damit sorgen sie für eine hohe Produktqualität und tragen dazu bei, Lebensmittel haltbarer sowie sensorisch und mikrobiologisch stabiler zu machen. 

Produktaustrag von pulverförmigen Feststoffen in Filtertrocknern

Der Austrag von pulverförmigen Feststoffen zählt zu den kritischsten Prozessschritten beim Betrieb von Filtertrocknern. Für Revamping- und Retrofit-Projekte zur Verlängerung der Lebensdauer bestehender Anlagen ist eine optimierte Austragsleistung ein entscheidendes Kriterium.

Mit Hochdruck in die Klärung 

Grundsätzlich gilt: je kleiner die Membranporen und damit die zurückgehaltenen Partikel, desto höher auch der erforderliche Druck. Bei der Mikrofiltration (0,1 – 10 µm) greift der Anlagenbauer in seinen Kundenprojekten neben Spiralwickel- und Hohlfasermodulen auch auf Keramikmembranen zurück. Beim Klären und der Filtration trennen sie beispielsweise Bakterien aus flüssigen Lebensmitteln ab, fraktionieren Milch oder bereiten Reinigungsmedien wieder auf. 

Die Ultrafiltration (1 – 300 nm), meist mit Hohlfasermodulen, eignet sich, um Proteine zu konzentrieren und zu fraktionieren, seien es Blutplasma- oder Molkenproteine. Auch Abwässer und Schwermetalle können aufkonzentriert werden. Damit ist die Ultrafiltration ein vielseitiges Verfahren für die Biotechnologie, Umwelt- und Verfahrenstechnik sowie Lebensmittel- und Pharmaindustrie. 

Nanofiltration (0,5 – 1 nm) hält, wie der Name suggeriert, auch kleinste Partikel zurück und ist ein wichtiges Werkzeug, um Viren aus Proteinlösungen zu entfernen und selbst kleinste Partikel wie einzelne Ionen abzutrennen. Verwendet wird sie, um Blutplasma zu reinigen oder Rohwasser teilzuentsalzen und zu enthärten. 

Die Umkehrosmose (0,1 – 0,5 nm) arbeitet mit hohen Drücken von bis zu 100 bar und stellt einen Sonderfall der Membranfiltration dar, weil die natürliche Osmose umgekehrt wird. Da alle gelösten Stoffe zurückgehalten werden und nur Wasser die Membran passieren kann, dient sie neben dem Entalkoholisieren von Bier und Wein vor allem dem Aufbereiten von Wasser. Trinkwasser gewinnen, Meerwasser entsalzen, Reinstwasser herstellen und Produktwasser für Lebensmittel und Getränke aufbereiten wurden mit der industriellen Verfügbarkeit dieses Filtrationsverfahrens revolutioniert. 

Membranfiltration als Teil des Gesamtprozesses 

Membranfiltrationsanlagen sind ein wichtiger Teil eines modernen Produktionsprozesses und leisten einen wesentlichen Anteil am energieeffizienten und nachhaltigen Herstellen. Sie ergänzen die klassischen Verfahren und tragen durch niedrige und moderate Temperaturen zum schonenden Verarbeiten von Produkten bei. Durch unterschiedliche Porengrößen können Wertstoffe gezielt angereichert oder abgetrennt werden. Bei vielen Anwendern werden mehrere Filtrationsverfahren nacheinander gefahren. 

Der Anlagenbauer entwirft maßgeschneiderte Anlagentechnik mit dem für hohe Produktsicherheit erforderlichen Überblick und plant zusätzlich von Anfang an eine gewisse Flexibilität für künftige Erweiterungen oder Umrüstungen ein. Denn der gezielte Einsatz von Filtrationsanlagen kann Prozesse stabiler machen, wenn diese Anlagen gut in den kompletten Produktionsprozess eingebunden werden. 

Separator erhöht Ausbeute in Biopharma-Fermentationsprozessen

Hochzelldichte-Fermentationen steigern zwar die Produktivität, verschärfen jedoch häufig die Herausforderungen im Downstream-Processing. Ein speziell für solche Anwendungen entwickelter Separator beschleunigt diese Prozesse mit hoher Durchflussrate.