Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einsatz pulsierender und alternierender Strömung beim Cleaning-in-Place (CIP) von Membranen

Das Ablösen proteinhaltiger Ablagerungen bei der Reinigung von Membranen in der lebens-mittelverarbeitenden Industrie ist ein zeit-, chemikalien- und energieintensiver Prozess. Die unmittelbare Folge der Deckschichtbildung ist die Abnahme des Flux, da der Filtrationswiderstand steigt, so dass häufiger gereinigt werden muss, um die Membranen von Ablagerungen zu befreien. Üblicherweise wird die Cleaning-in-Place (CIP)-Reinigung von Membranen wie das Filtrieren selbst im Crossflow-Modus, d.h. mit überströmten Membranen, durchgeführt. Für überströmte Körper, Rohre und Wärmeübertrager mit nichtporösen Wänden wurde bereits gezeigt, dass eine unstete Scherbeanspruchung zu einer verbesserten Ablösung von Ablagerungen führt. Eine Übertragung dieser Ergebnisse auf Membranen ist bisher allerdings noch nicht gelungen.

Ziel des Vorhabens ist es, vorhandene Wissenslücken zu schließen. Kinetiken der Deckschichtablösung sollen dazu beitragen, eine Überprozessierung der Reinigung zu vermeiden und das Wissen über die Abhängigkeiten der reinigungswirksamen Faktoren untereinander soll Unternehmen einen Leitfaden an die Hand geben, um die Reinigung nach den Gegebenheiten vor Ort individuell anzupassen. Zusätzlich soll mittels pulsierender oder alternierender Strömung die Reinigung der Membranen weiter optimiert, d.h. der Einsatz von Chemikalien und hohen Temperaturen zugunsten einer verstärkten mechanischen Restmengenablösung reduziert werden.

Unternehmen in der Lebensmittelindustrie, v.a. in der Milchindustrie, sind i.d.R. gezwungen, ihre Produktionsanlagen mindestens einmal täglich zu reinigen, um den erforderlichen hygienischen Zustand zu bewahren. Der hierfür nötige Energie- und Kostenaufwand ist hoch. Über 90 % der Betriebe der Lebensmittelwirtschaft sind KMU; die Ergebnisse werden insbesondere diesen helfen, ihren Reinigungsaufwand zu reduzieren.

Ergebniszusammenfassung:

Membranverfahren sind nicht-thermische Trennverfahren, welche häufig in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zur Aufbereitung von Prozessströmen eingesetzt werden. In dem vorliegenden Projekt wurde der Einsatz pulsierender und alternierender Überströmung in der Reinigung nach Magermilch-Mikrofiltration zur Einsparung von Reinigungsfaktoren wie Zeit, Temperatur und Chemikalieneinsatz bzw. der Verbesserung der Reinigungseffizienz untersucht. Dazu wurden in einer speziell konzipierten Pilotanlage Reinigungskinetiken von polymeren Mikrofiltrationsmembranen mit enzymfreien Reinigungslaugen bei unterschiedlichen Strömungsbedingungen aufgenommen, um die für die Reinigung mit pulsierender/ alternierender Strömung relevanten Reinigungsparameter zu identifizieren und untersuchen.

Es konnte gezeigt werden, dass Reinigung mit pulsierender oder alternierender Strömung den Proteinabtrag im Vergleich zu stetiger Reinigung signifikant erhöhen kann. Als relevante Einflussfaktoren wurden unter anderem die Pulsationsfrequenz und -amplitude, die Deckschichtmenge/-intensität, die Strömungsbedingungen sowie die Membraneigenschaften identifiziert. Aufgrund des geringeren Aufwands zur Realisierung pulsierender Strömung bei gleichzeitig ähnlich ausgeprägten Verbesserungen im Vergleich zu alternierender Strömung gegenüber stetiger Strömung wurde dieser Strömungsform die höchste Reinigungseffizienz zugeschrieben. Es zeigte sich hierbei auch, dass mittels pulsierender Strömung die mechanischen Abtragungskräfte deutlich effizienter gesteigert werden können als über eine Erhöhung der Überströmgeschwindigkeit bei stetiger Strömung. Somit kann bei gleichzeitig höherem Proteinabtrag mittels pulsierender Strömung der Energiebedarf um > 58 % reduziert werden. Weiterhin konnte eine bestehende Pilotanlage für die Nutzung pulsierender Strömung umgerüstet und Ergebnisse übertragen werden. Am effizientesten zeigte sich pulsierende Strömung in Membranen mit Spacer-bedingten Totzonen (wie FSM und SWM).