Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung der Deckschichtbildung auf Hohlfaser- und Mehrkanalrohrmembranen bei der Milchproteinfraktionierung

Bei der Milchproteinfraktionierung mittels Mikrofiltration kommt es durch die zurückgehaltenen Caseine zur Deckschichtbildung mit eigenständigem Retentionseffekt, der sich zudem entlang einer Membran verändert. Dies führt zur Erhöhung des Druckwiderstandes sowie der Notwendigkeit einer häufigen Reinigung der Anlagen und einem hohen Einsatz von Energie, Reinigungs- und Betriebsmitteln.

Ziel des Vorhabens ist es, das stark leistungsmindernde Phänomen der Deckschichtbildung zu vermeiden und deshalb mit deutlich reduziertem Energieeinsatz und besserem Trenneffekt zu arbeiten. Dazu wird die Verfahrenstechnik der Proteinfraktionierung optimiert und die Magnetresonanztomographie als neuartige Methode zur Deckschichtbeobachtung eingesetzt. Mit dieser ist erstmals die bei der Filtration von Milch entstehende Deckschichthöhe und -dichte auf Kapillarmembranen in situ, nichtinvasiv und zerstörungsfrei sowie ortsaufgelöst visualisierbar. Auf dieser Grundlage lassen sich Prozesse mit neuer Membrantrenntechnik energetisch deutlich verbessern, indem für eine hohe Prozesseffizienz wesentlich geringere Volumenströme und niedrigere Druckdifferenzen erforderlich sind.

Im Rahmen des Vorhabens soll geprüft werden, ob der Einsatz polymerer und keramischer Hohlfasermembranen in Hinblick auf Durchsatz und Trennleistung im Vergleich zu den keramischen Mehrkanalmembranen bei der Milchproteinfraktionierung eine wirtschaftliche Alternative wäre. Die Ergebnisse werden insbesondere KMU aus der Milchindustrie eine prozesstechnische Optimierung erlauben sowie darüber hinaus Membranherstellern und Anlagenbauern eine apparative Verbesserung von Membranen und Filtrationsanlagen ermöglichen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war, das längenabhängige Verhalten von Hohlfasermembranen (HFM) bei der Milchproteinfraktionierung zu untersuchen und zu optimieren.

Im Hinblick auf die Längenabhängigkeit des Filtrationsverhaltens wurde der Einfluss von Transmembrandruck (TMP), Überströmgeschwindigkeit und Konzentrierungsgrad untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass alle Faktoren die Verteilung des TMP im Modul beeinflussen, ortsabhängige Unterschiede im TMP aber die grundlegende Ursache des Längeneffekts in HFM sind. Mit einer Steuerung des TMP in HFM konnte ein homogenes Filtrationsverhalten über das gesamte Modul und eine erhebliche Verbesserung der Filtrationsleistung erzielt werden.

Die in-situ Messung der Filtration mittels „Magnetic Resonance Imaging“ (MRI) ermöglichte die nicht-invasive, zerstörungsfreie Messung des Deckschichtaufbaus und der Reversibilität als Funktion der Zeit. Die Entwicklung neuer Messmethoden und Auswerteroutinen ermöglichte die Messung des intrinsischen Aufbaus der Deckschichtstruktur bei Variationen der Prozessparameter (p,T). Es konnte gezeigt werden, dass die Deckschichtstruktur aus verschiedenen Bereichen aufgebaut ist. Bei höheren Filtrationsdrücken findet eine stärkere Komprimierung der Deckschicht an der Membranwand statt. Auch die Messungen der Reversibilität der Deckschicht zeigten eine deutliche Abhängigkeit vom Filtrationsdruck, die auch auf die Reinigbarkeit der Membran übertragen werden kann Die Messung im Crossflow Filtrationsmodus ergab eine deutliche Abhängigkeit der Deckschichtausprägung von der Überströmungsgeschwindigkeit. Zudem findet eine Reduktion der Deckschicht durch die Abscherung der Ablagerungen statt.

Mit diesem Projekt wurde eine breite Datengrundlage und vertieftes Verständnis zum Einfluss von Prozessvariablen auf das Filtrationsverhalten von HFM geschaffen. Die Ergebnisse lassen sich auf die Fraktionierung von Milchproteinen anwenden und auf andere Fraktionierungen in der Verfahrenstechnik übertragen.