Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Identifikation Fouling verursachender Bierinhaltsstoffe zur Effizienzsteigerung von Polymermembran-Filtersystemen

Membranfilter finden bei der entkeimenden, als auch keim- und trübungsreduzierenden Filtration Anwendung. Zu den Vorteilen sind neben der mikrobiellen Stabilität des Filtrats vor allem die ressourcenschonende Prozessführung und der Anwenderschutz zu nennen. Auch in der Brauwirtschaft zeigt sich bei Neuanschaffungen bereits ein Trend hin zur Membranfiltration. Neben vielen Vorteilen besteht jedoch eine Problematik in der Abreinigung der Membranen, welche auf die komplexe Zusammensetzung des Bieres zurückzuführen ist. Die vollständige Abreinigung der membrangebundenen Bierinhaltsstoffe ist dabei entscheidend für eine gute Bierklärung sowie zur Vermeidung eines Leistungsabfalls. Eine unzureichende Reinigung der Membranen führt zu einer stärkeren Verblockung sowie schnelleren Druckanstiegen während der Filtration bis hin zum schlagartigen Ausfall der Filteranlagen.

Ziel des Vorhabens ist es, mittels bildgebender und ortsauflösender Analysentechniken Produktinhaltsstoff-Membran-Wechselwirkungen direkt an der Oberfläche der Membranen aufzuklären, um das Membranfouling bei der Bierfiltration zu reduzieren und eine Steigerung der Prozesseffizienz und Erhöhung der Filterstandzeiten zu erzielen. Durch effizientere Reinigungszyklen und damit einhergehende Minimierung des Foulings wird somit eine Steigerung der Rentabilität durch verlängerte Standzeiten und geringere Verbrauchskosten erwirkt, was letztlich die Wettbewerbsfähigkeit der KMU, insbesondere KMU mit bereits bestendenden Membranfiltern, steigert. In Konsequenz dazu sollen die Wechselwirkungen zwischen Bierinhaltsstoffen, Reinigungsregimes und Membranmaterialen im Rahmen des Antrags evaluiert und optimiert werden. Weiterhin erlaubt der hohe Automatisierungsgrad eine schnelle Orientierung an den jeweiligen saisonalen Gegebenheiten, was die flexible Bereitstellung von benötigten Biermengen gestattet. Diese Technologie zeichnet sich daher bezüglich Nachhaltigkeitsaspekten aus, welche für KMU Brauereien auslobbar sind.

Ergebniszusammenfassung:

Mit Hilfe von spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen war es möglich filtrationsrelevante Stoffe mit einem CLSM auf der Membran sichtbar zu machen und die Art des entstandenen Fouling zu bestimmen. Die Stoffe β-Glucan, Proteine und Polyphenole konnten als Hauptfouling-Verursacher identifiziert werden, wobei β-Glucan und Proteine vor allem internes Fouling verursachen. Neben den Einzelsubstanzen sind die Wechselwirkungen unter diesen Stoffen ausschlaggebend. In einer weiteren Versuchsreihe, bei der verschiedene Membrantypen untersucht wurden, konnte festgestellt werden, dass die verwendete Membran und deren Porenstruktur einen erheblichen Einfluss auf das Fouling hat.

Die entwickelte Methode eignet sich hervorragend zur Untersuchung des Membranfouling und kann vielfältig für die Optimierung des Membranmaterials eingesetzt werden. Es ist damit möglich die Einflüsse verschiedener Bierinhaltsstoffe und Membrantypen auf das Fouling zu untersuchen. Im Rahmen der Versuche wurde die Membranreinigung ausgehend von niedrig konzentrierter Natronlauge (1,5 % m/m) durch Zusatz von Additiven, Tensiden, oxidierenden Substanzen bzw. Enzymen untersucht. Die entwickelte und modifizierte Methode diente zur Charakterisierung des Membranfoulings hinsichtlich der Belegung durch die sechs untersuchten Stoffgruppen nach erfolgter Reinigungsdurchführung. Die besten Reinigungserfolge konnten durch Einsatz von Natriumhypochlorit als oxidatives Reinigungsmittel erreicht werden. Die Ergebnisse dieses Projektes stellen den Brauereien, Filter- und Reinigungsmittelherstellern eine Methodik zur Verfügung, mit welcher die Zusammensetzung des Bier-Membranfoulings stoffgruppenspezifisch zuverlässig charakterisiert werden kann. Ebenso können davon spezifische Reinigungsschemata abgeleitet werden. Die im Rahmen des Forschungsprojektes erarbeiteten analytischen und technologischen Kenntnisse stehen sofort zur Verfügung und können in verbesserte Verfahrensabläufe umgesetzt werden.