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Abtrennung und Entfeuchtung biologischer Mikropartikel aus großen Mengen gering konzentrierter Suspensionen durch energieeffiziente Dünnschichtfiltration

IGF-Nr. 18603 N

Der erste Abschnitt dieses Projekts befasste sich mit den Charakterisierungen der Membranen, was notwendig war, um den kapillaren Eintrittsdruck zu untersuchen. Es zeigte sich, dass nicht alle untersuchten Membranen dem Differenzdruck von etwa 80 kPa standhalten konnten. Die Reduktion bzw. das Unterbinden des Gasdurchsatzes hat Vorteile in energetischer Hinsicht für den Einsatz dieses Filtrationsverfahren an einem Trommelfilter, da der Hauptenergieverbrauch an einem Vakuumtrommelfilter die Vakuumpumpe ist. Messungen der kapillaren Eintrittsdrücke von Hefezellen und Nannochloropsis zeigen, dass der kapillare Eintrittsdruck aber ohnehin beim Produkt liegt. Somit wird die Gasdichtigkeit vom Kuchen selbst gebildet. Jedoch besteht die Gefahr von kleinsten Fehlstellen, die zu einem Gasdurchbruch in dem System führen könnten. Daher kann auf die Verwendung von Membranen, die einen bestimmten kapillaren Eintrittsdruck standhalten, nicht verzichtet werden.  Ein wichtiger Punkt für den Einsatz von Membranen ist deren glatte Oberfläche. Die Versuche zur Walzenabnahme haben gezeigt, dass die glatte Oberflächen zum Erfolg der dünnen Filterkuchenschicht geführt haben. Der Einsatz von Membranen, aber ist zudem für die Abtrennung von Partikeln im Mikrometerbereich wichtig um ein klares Filtrat zu erzeugen.

Aufgrund der Tatsache, dass Filtergewebe im Gegensatz zu Membranen eine viel höhere Permeabilität aufweisen, könnte man meinen, dass Membranen für den Einsatz zur Filtration von Mikropartikeln nicht konkurrenzfähig sind. Wie oben bereits beschrieben, liegt der Hauptwiderstand bei den untersuchten biologischen Mikropartikeln (Hefezellen, Nannochloropsis, Chlorella, Phaeodactylum) aber nicht in der Membran sondern im Filterkuchen selbst. Der Filterkuchenwiderstand ist also im Vergleich zum Anfangsfiltrationswiderstand, bestehend aus erster Schicht des Produkts und dem Filtermedium, recht hoch und demnach sind die sich daraus ergebenden Anfangsfiltrationswiderstände von Membranen und Filtergeweben sich ähnlich.

Die Mikroalgen zeigen eine sehr hohe Kompressibilität und haben aufgrund der Verdichtung einen sehr hohen Widerstand. Daher wurde untersucht, ob es eine Möglichkeit gibt, den Filterkuchenwiderstand zu senken und es so besser filtrierbar zu machen. Es zeigte sich, dass eine Änderung des pH-Werts auch eine Änderung des Filterkuchenwiderstandes zur Folge hat. Eine pH-Änderung ist aber nur innerhalb eines Bereichs möglich, der für einen späteren nachfolgenden Prozess nicht nachteilhaft ist. Aus diesem Grund wurde weiterhin der Ansatz der Dünnschichtfiltration mit Membranen ohne Veränderung der Suspension verfolgt. Bei der Filtration von Mikroalgen hatten die Membranen ein Fouling-Verhalten gezeigt, das die Permeabilität der Membran herabgesetzt hat. Daher wurde die Permeabilität der Membran nach der Häufigkeit der Filtrationsdurchläufe untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Permeabilität trotz Fouling wesentlich höher war, als der Filtratdurchsatz bei der Kuchenbildung. Somit ist die Membran nicht der hauptsächliche Widerstand bei der Filtration von biologischen Mikropartikeln. Die Permeabilität zeigte einen abflachenden Verlauf nach 30 Durchläufen. Jedoch kann basierend auf den wenigen Versuchsdurchläufen zur Untersuchung der Permeabilität noch keine Aussage zum Langzeitverhalten der Permeabilität bei einem Einsatz auf einem kontinuierlichen Drehfilter getroffen werden.

Eine Herausforderung bei der Dünnschichtfiltration lag in der Abnahme des sehr dünnen Filterkuchens von der Membran. Daher erfolgten die Vorversuche auf einer Handfilterplatte zur Abnahme dieser sehr dünnen Kuchens. Da die Abnahme sich anfangs als problematisch erwies, wurde als Grundlage der Versuche eine Matrix mit verschiedenen Einstellparametern zur Abnahme mit der Walze erstellt und abgearbeitet. Es hat sich gezeigt, dass eine Abnahme in entgegengesetzter Richtung zur Handfilterplatte eine sehr gute Abnahme ermöglichte. Dadurch konnte das Problem der Walzenabnahme  bei der Dünnschichtfiltration gelöst werden. Insgesamt sind die Ergebnisse in diesem Vorhaben, welche als Vorversuche für eine kontinuierliche Filtration auf einem Drehfilter dienten, als positiv zu bewerten.

 

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 03/2015 bis 02/2017 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Lehrstuhl Verfahrenstechnische Maschinen (Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Tel.: 0721/608-42404) unter der Leitung von Prof. Dr. H. Nirschl (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. H. Nirschl). 

 

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BMWi-Logo Das IGF-Vorhaben Nr. 18603 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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