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. Die gegensinnige Abnahme erzeugt allerdings einen höheren Verschleiß als die gleichsinnige Abnahmerichtung. Sind daher die Kohäsionskräfte innerhalb des Filterkuchens ausreichend, ist diese Abnahmerichtung zu bevorzugen. Insgesamt gilt, dass die gegensinnige Abnahmerichtung den Kuchen immer vollständig abnehmen kann, diese aber die Membran stärker verschleißt. Wichtig ist bei der Abnahme noch, dass keine Druckdifferenz anliegt, da sonst eine kleine Schicht des Filterkuchens auf der Membran verbleibt. 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. Dies erzeugt große Agglomerate, welche auf der Oberfläche der Membran verbleiben und verkleben. Eine rein oxidative Wirkungsweise ist daher bei einem Multikomponentengemisch nicht zielführend. Zusätzliche Tenside und Enzyme haben die Membran wieder in den Ursprungszustand bringen können. Dabei haben die Tenside die ausgetretenen Öle und Fette der Zelle im Waschwasser gelöst und die Enzyme größere Zellrückstände zersetzen können, sodass die Poren wieder frei sind. Zielführend ist hierbei die Kombination aus zersetzen von großen Teilen, Lösen von Ölen und das Freispülen mittels Wasserstrahls. Eine Kuchenwaschung dünner Filterkuchen ist ebenfalls möglich. Allerdings ist hier mit kleinen Drücken zu arbeiten, da der Kuchen aus organischen Partikeln aufgrund geringer Kohäsionskräfte leicht beschädigbar ist und vom Filtermedium abgewaschen wird. Gerade bei größeren Winkeln tritt der Effekt des Abwaschens verstärkt auf, weshalb eine Waschung am obersten Punkt der Trommel in der horizontalen Fläche empfohlen wird. Bei den Experimenten mit kontinuierlicher Filtration und integrierter mechanischen Reinigung zeigten sich nach 700 Zyklen Beschädigungen an der Membran. Da es in Vorversuchen aber Reinigungen mit bis zu 1800 Zyklen gab und 1200 Zyklen mit der Walzenabnahme ohne Partikel gab, sind diese Beschädigungen auf die Kombination von Walzenabnahme und Partikel zurückzuführen. So zeigt sich eine abrasive Wirkung bei der gegensinnigen Abnahme der Partikel. Eine kontinuierliche Filtration ist damit möglich, was die Ergebnisse aus den Versuchen zur technischen Umsetzbarkeit bestätigen, aber für einen langlebigen Prozess ist noch weitere Forschung gegen eine Abrasive Wirkung der Walzenabnahme durchzuführen.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 06/2020 bis 05/2023 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik am Lehrstuhl Verfahrenstechnische Maschinen (Straße am Forum 8, 76131 Karlsruhe, Tel. 0721/608-42404) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Hermann Nirschl (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. Hermann Nirschl)
Das IGF-Vorhaben Nr. 21039 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.