Kapillarmembranfilter versus Kassettensysteme

Renaissance der Kapillarmodule

13.09.2006 Kapillarmodule werden seit über 40 Jahren in verschiedenen Bereichen der Membranfiltration erfolgreich eingesetzt, doch in den letzten Jahren haben Kassettensysteme gerade im Pharmabereich ihnen den Rang abgelaufen. Neue Konzepte und Materialien haben nun dazu geführt, dass Schwachpunkte der Kapillarmodule korrigiert wurden. Zusätzlich kommen durch effizientere Fermentationsprozesse die Vorteile der Kapillarmodule bei höherem Feststoffanteil wieder zum Tragen.

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Der Trend hin zu Kassettensystemen anstelle von Kapillarmodulen in Applikationen, wie der Nachbehandlung von Fermentationsströmen aus Bioreaktoren, lag unter anderem in der kompakten Bauweise der Kassettensysteme begründet. Hinzu kam, dass diese Systeme durch ihre kurzen Kanäle eine geringere Deckschichtbildung als lange Kapillarmodule haben. Eine andere Entwicklung läuft dem Trend zu Kassettensystemen jedoch entgegen: Die Leistung der Bioreaktoren wurde in den letzten Jahren wesentlich verbessert, was durch die höhere Zelldichte zu einem erhöhten Feststoffanteil im Fermenter führt. Hier zeigt nun wiederum die Mikrofiltration mit Kapillaren Vorteile, weil man mit einer höheren Überströmung arbeiten kann und die Wahrscheinlichkeit einer Verblockung durch Zellreste in definierten Kanälen geringer ist. Durch diese Veränderung in den Anforderungen sowie die Weiterentwicklung der Kapillartechnik sind Kapillarmodule wieder aktuell. Sie werden inzwischen in neuen Materialien und einem kürzeren Design angeboten und erzielen so ein gleichmäßiges Trennverhalten.

Membranen aus einem Material

Filtration mit Kapillarmembranen findet von innen nach außen statt, so dass ein Kollabieren der Membranen verhindert wird. Ein Vorteil der Kapillaren gegenüber den Kassettensystemen ist, dass sie nur aus einem Material, zum Beispiel Polypropylen, bestehen. Das reduziert Verbundprobleme, die bei Membranen auf Vliesbasis, so genannten Flachmembranen, auftreten können. Bei solchen Verbundmembranen wird das Polymer auf ein Vlies aufgetragen. Zusätzlich besteht das Vlies aus mehreren dünnen Vliesschichten, die aufeinander kalandriert sind. In der Regel kommt diese Verbundsproblematik nur bei starker mechanischer Beanspruchung zum Tragen, es kann aber auch durch eine unglückliche Kombination von mechanischer und chemischer Belastung zu Ablösungen kommen.

Bei Kapillarmodulen ist es wichtig, auf die Vergusstechnik der Module zu achten. So darf sich der Verguss bei der Fertigung nicht an den Kapillaren hochziehen. Dieser Effekt kommt durch Kapillarkräfte beim Vergießen zustande und würde zu scharfen Kanten führen. Diese könnten die Kapillare durch die Vibrationen während des Filtrationsbetriebs schädigen. In Prozessen, die hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit stellen, sollten die Module daher zentrifugiert oder mit einem ähnlichen Verfahren produziert werden, um einen ebenen Verguss zu erreichen. Defekte im sensiblen Vergussbereich des Kapillarmoduls lassen sich so deutlich reduzieren.
Der Vorteil von Kapillarmodulen mit Mikrofiltrationsmembranen ist, dass die maximale Pore des Moduls mit relativ einfachen Methoden bestimmt werden kann. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber Kassettensystemen, wo bei vielen Fabrikaten nur die Luftdurchlässigkeit gemessen wird, um die Dichtigkeit der Module zu prüfen.
Neue Polymere und Fertigungsmethoden haben dazu geführt, dass Kapillarmembranen jetzt aus unterschiedlichen Materialien erhältlich sind. Neben Kapillarmembranen aus Polyethersulfon (PES) sind Membranen aus Cellulose-Triacetat (CTA), Polypropylen (PP) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) mit unterschiedlichen Trenngrenzen verfügbar. Die Auswahl des Membranpolymers ist abhängig von den erforderlichen Stabilitäten, insbesondere während der Reinigung, dem Foulingverhalten und den Trenneigenschaften.

Neues Design reduziert Druckverlust

Um definierte Trenneigenschaften zu gewährleisten, werden neue Kapillarmodule für denEinsatz in der Pharmaproduktion mit zirka 500mm relativ kurz gehalten. Dieser Effekt reduziert den Druckverlust und die Deckschichtbildung.

Offene Systeme mit Flachmembranen lassen sich zwar gut reinigen, jedoch ist die Durchmischung nicht optimal. Häufig werden daher in die Kanäle Netze eingelegt, die die Durchmischung fördern. Da jedoch zwischen den Strömungsturbulenzen und dem Druckverlust ein direkter Zusammenhang besteht, steigt der Druckverlust in diesen Kanälen an. Die Folge können unterschiedliche Trenneigenschaften und Deckschichtbildung sein, da gerade am Ende des Kanals, wo die Konzentration im Feed am höchsten ist, der geringste Druck wirkt. Zusätzlich entsteht durch die Durchmischungsnetze Reibung; eine produktschonende Filtration ist nicht möglich.
Ein weiterer Vorteil der Kapillarmodule ist, dass im Labor, im Pilotbetrieb und im Prozess mit den gleichen Modulgrößen gearbeitet werden kann, was den Übergang vom Labormaßstab in die Produktion beschleunigt. Außerdem lassen sich Veränderungen im Prozess, zum Beispiel ein Wechsel des Nährmediums für Bakterien, direkt am Modul untersuchen. Kurze Kapillarmodule haben üblicherweise den Nachteil einer aufwändigeren Verrohrung. Diese kann jedoch durch den Einsatz von Druckbehältern, in die sechs Module auf einmal eingebaut werden, reduziert werden.

Die Anwendung entscheidet

Ob Kapillarmodulen oder Kassettensystemen der Vorzug zu geben ist, hängt letzten Endes aber vom Prozess ab. Bei der Entwicklung eines Prozesses sollten daher beide Systeme berücksichtigt und untersucht werden. Entscheidend sind verschiedene Faktoren, darunter

  • der Feststoffanteil im Prozessstrom,
  • die Flusseigenschaften des Produkts (Viskosität),
  • die Empfindlichkeit des Produktes,
  • die Anforderungen der Selektivität und
  • der geforderte Hygienestandard.

Insgesamt hat sich die Membrantechnologie als innovativ und zuverlässig erwiesen. Neben unterschiedlichen Trenngrenzen und Membranpolymeren stehen auch Systeme zur Verfügung, die sich individuell denBedürfnissen der Anwendung anpassen lassen. Dabei können hohe Anforderungen in puncto Hygiene und Prozesssicherheit erfüllt werden. Die steigende Tendenz, Fermentationsprozesse nicht nur im Pharmabereichsondern auch für die Synthese von Produkten, die zur Zeit noch aus der Petrochemie kommen, einzusetzen, wird die Produktvielfalt im Bereich der Membranfiltration noch weiter erhöhen.

Heftausgabe: September 2006
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Über den Autor

Dr. Jens Lipnizki , Leiter Entwicklung, Microdyn-Nadir
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