Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kontinuierliche Dünnschichtfiltration von kompressiblen Filterkuchen aus biologischen und organischen Mikropartikeln mittels Vakuumtrommelfilter

In diesem auf zweieinhalb Jahre geplanten Fortsetzungsvorhaben des AIF-Projekts 18603 N ist die Dünnschichtfiltration mit Polymermembranen zur Filtration von schwer filtrierbaren Mikropartikeln oder allgemein Partikeln mit einem Durchmesser im Bereich von 1- 10 µm mit einem Drehfilter zu einem kontinuierlichen Prozess zu entwickeln. Diese Filtrationsmethode kann für sehr schwer filtrierbare Produkte eingesetzt werden, die einen hochkompressiblen Filterkuchenaufbau und eine geringe Partikelgröße aufweisen, bei einem vergleichsweise hohen Durchsatz. Bei einer Abtrennung mit einem Pressfilter würden aufgrund eines hohen Filterkuchenwiderstands sehr lange Filtrationszeiten entstehen bis sich ein abwurffähiger Kuchen ausbildet, wodurch sich die Effizienz dieses Abtrennprozesses verringert. Andere Apparate zur Abtrennung schwerfiltrierbarer Partikel wie zum Beispiel die Precoat-Filtration würde eine Kontamination des Produkts zur Folge haben. Hier weist der Stand der Technik ein deutliches Defizit hinsichtlich der Bereitstellung entsprechend wirtschaftlich arbeitender Techniken auf und es ergibt sich die unmittelbare Notwendigkeit zur Entwicklung innovativer Trennverfahren. Hierbei weist die Dünnschichtfiltration ein großes Potenzial zur Lösung der aktuellen Problematik der Abtrennung von solch schwer filtrierbaren Stoffen auf. Die Dünnschichtfiltration führt daher zur Erweiterung des Produktportfolios bei Apparateherstellern. Durch einen vergleichsweise mäßigen Aufwand können die technischen Änderungen umgesetzt werden, das vor allem für die KMU aufgrund des geringen Personalaufwands von Vorteil ist. Herstellern von biologischen Mikropartikeln können kostengünstige Verfahren zur Aufarbeitung angeboten werden und so eine weitere Etablierung auf dem Markt erhalten. Deutsche Maschinen- und Apparatehersteller können sich durch die Bereitstellung von Apparaten mit innovativer Technologie gegenüber der internationalen Konkurrenz hervorheben. Die Umsetzung der Dünnschichtfiltration führt aufgrund des Alleinstellungsmerkmals zu einer Erhöhung der globalen Konkurrenzfähigkeit von klein- und mittelständischen Unternehmen.

Ergebniszusammenfassung:

Die kontinuierliche Dünnschichtfiltration ist ein Verfahren im Bereich der Kuchenfiltration, bei dem nur ein dünner Kuchen aufgrund von kompressiblen und schwer filtrierbaren Partikeln aufgebaut wird. Momentan werden solche Produkte mittels Zentrifugation abgetrennt, da dies die nötige Druckdifferenz erzeugen kann. Eine Problematik liegt vor allem bei organischen Partikeln wie Mikroalgen, da diese nur bis zu einer bestimmten Konzentration von wenigen Gramm pro Liter kultivierbar sind. Die Beschleunigung des Fluidanteils ist daher ein erheblicher Bestandteil der notwendigen Energieaufnahme und kann bis zu 50 % der Gesamtleistungsaufnahme betragen. Bei einem Vakuumtrommelfilter ist dies nicht notwendig, da die treibende Kraft ein Vakuum ist, welches wiederum über eine Wassersäule erzeugbar ist. Weitere Vorteile sind unter anderen eine gasdurchsatzlose Filtration mittels Membranfiltration und keinem Trübstoß. Für ein funktionstüchtiges Verfahren muss daher die Walzenabnahme dieser dünnen Kuchen und die Regenerierung der Membran erfolgreich sein.

Studien an der bestehenden Laboranlage haben gezeigt, dass sich der pastöse Filterkuchen aus Algen mittels Walzenabnahme in gegensinniger Richtung abnehmen lässt. Wichtig ist dabei ein geringer Walzendurchmesser, um den Kuchenabnahmewinkel groß zu gestalten. Außerdem sollte die Walze mit identischer Oberflächengeschwindigkeit zur Trommel den Kuchen abnehmen. Dies verringert den Verschließ der Membran. Bei der Regenerierung der Membran ergab sich ein Zusammenhang zwischen der Komplexität von Foulants und Reinigungsmittel. Eindimensionale Reiniger wie Salzsäure haben keinen Reinigungserfolg erzielt, da sie Eiweiße denaturiert und nicht zersetzt haben. Zusätzliche Tenside und Enzyme haben die Membran wieder in den Ursprungszustand bringen können. Eine kontinuierliche Filtration ist damit möglich, was die Ergebnisse aus den Versuchen zur technischen Umsetzbarkeit bestätigen.