Durch die Koppelung von Membransystemen mit Resonanzschwingungen soll die Effizienz der Membransysteme verbessert werden.
Ziel
Die Forschungsarbeiten an dem Projekt "Resonante Pulsationsfiltration als nachhaltiger Verfahrensschritt in der Membrantechnik" sollen die Koppelung von Membransystemen (speziell Ultra- und Mikrofiltration) mit einem Resonanz¬schwingsystem zur Minderung der Deckschichtbildung sowie der Minderung des Effekts der Konzentrationspolarisation entwickeln.
Die vorgeschlagene Verfahrensweise zeichnet sich durch nachhaltige Aspekte aus.
In der Wirtschaftlichkeit durch:
- höheren Permeatfluss
- niedrigeren Rückspülfaktor
- niedrigerer Membranflächenbedarf (niedrigere Investitions-, Abschreibungs- und Membranersatzkosten)
- verbesserte Auslegungssicherheit bei Kapazitätsschwankungen.
In der Umweltentlastung durch:
- niedrigeren Chemikalienbedarf und Ener¬gieverbrauch für die Reinigung der Anlagen.
Bei den sozialen Auswirkungen durch:
- Arbeitsplatzbeschaffung im Anlagenbau
- verbesserte Qualität der erzeugten Produkte (zum Beispiel verbraucherfreundlichere Lebensmittel).
Technologie
Zentrales Problem bei der Ultra- und Mikrofiltration ist die Gewährleistung eines hohen Permeatflusses. Aufgabe der Verfahrenstechnik und Prozessführung ist es, den negativen Effekt der Permeatflussabnahme durch die Deckschichtbildung (reversibles Fouling) mit möglichst geringem Energie- und Chemikalienaufwand, jedoch mit hoher Betriebssicherheit zu reduzieren.
Bei der dynamischen Filtration wird aus diesem Grund eine membranparallele Überströmung der zu filtrierenden Phase (Feed) realisiert. Mit der Überströmung werden Scher- und Auftriebskräfte an der Oberfläche der Membran erzeugt und abgelagerte Partikel können aus der Deckschicht in die Kernströmung zurückgeführt werden. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit (Umwälzvolumen) zur Erhö¬hung der Wandschubspannung ist aus technischen und betriebswirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll, da die notwendige Pump-Energie zu hohe Kosten verursacht. Wird jedoch eine pulsierende Strömungsführung gewählt, so verschiebt sich das Kräfteverhältnis zwischen Ablagerungs- und Abtragungsrate.
Eine weitere Effektivitätserhöhung ergibt sich durch das Arbeiten im Resonanz¬bereich, wenn die Schwingungsfrequenz, mit der Eigenschwingfrequenz des Mediums übereinstimmt. Dabei wird die Verminderung des Energieaufwands zur Aufrechterhaltung der Schwingungsbewegung um mindestens eine Zehnerpotenz vermindert, und höhere Frequenzen, bei denen die Prozesse am effektivsten ablaufen, werden erreicht.
Anwendungen
In der Membranbranche ist großes wirtschaftliches Potenzial erkennbar. Der Einsatz dieser Technik ist in den nachfolgen beispielhaft benannten Wirtschaftsbereichen denkbar.
Biotechnologie: In der Biotechnologie sind Ultra- und Mikrofiltration bereits Stand der Technik. Bestehende Anlage können problemlos umgerüstet werden.
Lebensmitteltechnik: In Bierbrauereien galt früher die Kieselgurfiltration (mittels Rahmenfilter, Siebgewebefilter, Schichtenfilter und Kerzenspaltfilter) als allgemein anerkanntes Verfahren zur Klarfiltration von Bier. Die Kieselgurfiltration wirkt sich jedoch negativ auf die Umwelt aus, birgt Gesundheitsrisiken und ist mit Schwierigkeiten bei der Entsorgung behaftet.
In den vergangenen Jahren wurden alternative Verfahren entwickelt. So wurde ein neuartiges Kerzenfiltersystems (Twin-Flow-System) als Anschwemmfilter entwickelt und eine Seperator-Membran-Kombi-Anlage zum Ersatz der Kieselgurfilter aufgebaut. Auch Cross-Flow-Anlagen fanden ihren Weg in die Bauereien. Im Vergleich zu anderen Filtrationsanlagen enthalten die Betriebskosten für eine Cross-Flow-Anlage einen großen Anteil für die notwendige Reinigung. Hier wird das neue Verfahren deutliche Vorteile bringen.
Trinkwasser-/Abwassertechnik: Der Trend geht zum vermehrten Einsatz der Ultrafiltration. Dies geschieht zum Beispiel in den der biologischen Stufe nachgeschalteten (externen) Membranstufen oder in so genannten integrierten Membranstufen (getauchte Membranen). Mit Hilfe dieser Technik lässt sich die Wasserqualität im Hinblick auf die strenge EG-Badegewässer-Richtlinie verbessern. Zukünftig rechnen die Experten mit einem deutlichen Anstieg der zu bauenden Membranbioreaktor-Anlagen (MBR). Die zu entwickelnde Technologie ist nach der biologischen Stufe als Membranstufe anzuwenden.
Ziel
Die Forschungsarbeiten an dem Projekt "Resonante Pulsationsfiltration als nachhaltiger Verfahrensschritt in der Membrantechnik" sollen die Koppelung von Membransystemen (speziell Ultra- und Mikrofiltration) mit einem Resonanz¬schwingsystem zur Minderung der Deckschichtbildung sowie der Minderung des Effekts der Konzentrationspolarisation entwickeln.
Die vorgeschlagene Verfahrensweise zeichnet sich durch nachhaltige Aspekte aus.
In der Wirtschaftlichkeit durch:
- höheren Permeatfluss
- niedrigeren Rückspülfaktor
- niedrigerer Membranflächenbedarf (niedrigere Investitions-, Abschreibungs- und Membranersatzkosten)
- verbesserte Auslegungssicherheit bei Kapazitätsschwankungen.
In der Umweltentlastung durch:
- niedrigeren Chemikalienbedarf und Ener¬gieverbrauch für die Reinigung der Anlagen.
Bei den sozialen Auswirkungen durch:
- Arbeitsplatzbeschaffung im Anlagenbau
- verbesserte Qualität der erzeugten Produkte (zum Beispiel verbraucherfreundlichere Lebensmittel).
Technologie
Zentrales Problem bei der Ultra- und Mikrofiltration ist die Gewährleistung eines hohen Permeatflusses. Aufgabe der Verfahrenstechnik und Prozessführung ist es, den negativen Effekt der Permeatflussabnahme durch die Deckschichtbildung (reversibles Fouling) mit möglichst geringem Energie- und Chemikalienaufwand, jedoch mit hoher Betriebssicherheit zu reduzieren.
Bei der dynamischen Filtration wird aus diesem Grund eine membranparallele Überströmung der zu filtrierenden Phase (Feed) realisiert. Mit der Überströmung werden Scher- und Auftriebskräfte an der Oberfläche der Membran erzeugt und abgelagerte Partikel können aus der Deckschicht in die Kernströmung zurückgeführt werden. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit (Umwälzvolumen) zur Erhö¬hung der Wandschubspannung ist aus technischen und betriebswirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll, da die notwendige Pump-Energie zu hohe Kosten verursacht. Wird jedoch eine pulsierende Strömungsführung gewählt, so verschiebt sich das Kräfteverhältnis zwischen Ablagerungs- und Abtragungsrate.
Eine weitere Effektivitätserhöhung ergibt sich durch das Arbeiten im Resonanz¬bereich, wenn die Schwingungsfrequenz, mit der Eigenschwingfrequenz des Mediums übereinstimmt. Dabei wird die Verminderung des Energieaufwands zur Aufrechterhaltung der Schwingungsbewegung um mindestens eine Zehnerpotenz vermindert, und höhere Frequenzen, bei denen die Prozesse am effektivsten ablaufen, werden erreicht.
Anwendungen
In der Membranbranche ist großes wirtschaftliches Potenzial erkennbar. Der Einsatz dieser Technik ist in den nachfolgen beispielhaft benannten Wirtschaftsbereichen denkbar.
Biotechnologie: In der Biotechnologie sind Ultra- und Mikrofiltration bereits Stand der Technik. Bestehende Anlage können problemlos umgerüstet werden.
Lebensmitteltechnik: In Bierbrauereien galt früher die Kieselgurfiltration (mittels Rahmenfilter, Siebgewebefilter, Schichtenfilter und Kerzenspaltfilter) als allgemein anerkanntes Verfahren zur Klarfiltration von Bier. Die Kieselgurfiltration wirkt sich jedoch negativ auf die Umwelt aus, birgt Gesundheitsrisiken und ist mit Schwierigkeiten bei der Entsorgung behaftet.
In den vergangenen Jahren wurden alternative Verfahren entwickelt. So wurde ein neuartiges Kerzenfiltersystems (Twin-Flow-System) als Anschwemmfilter entwickelt und eine Seperator-Membran-Kombi-Anlage zum Ersatz der Kieselgurfilter aufgebaut. Auch Cross-Flow-Anlagen fanden ihren Weg in die Bauereien. Im Vergleich zu anderen Filtrationsanlagen enthalten die Betriebskosten für eine Cross-Flow-Anlage einen großen Anteil für die notwendige Reinigung. Hier wird das neue Verfahren deutliche Vorteile bringen.
Trinkwasser-/Abwassertechnik: Der Trend geht zum vermehrten Einsatz der Ultrafiltration. Dies geschieht zum Beispiel in den der biologischen Stufe nachgeschalteten (externen) Membranstufen oder in so genannten integrierten Membranstufen (getauchte Membranen). Mit Hilfe dieser Technik lässt sich die Wasserqualität im Hinblick auf die strenge EG-Badegewässer-Richtlinie verbessern. Zukünftig rechnen die Experten mit einem deutlichen Anstieg der zu bauenden Membranbioreaktor-Anlagen (MBR). Die zu entwickelnde Technologie ist nach der biologischen Stufe als Membranstufe anzuwenden.
