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Biotechnologie für Chemiker, Teil 10

Downstream-Processing, Part V

Membranverfahren

Bei diesen Verfahren gibt es vier verschiedene Filtertypen, d.h. Mikro- (MF, hält Mikroorganismen, Plankton, Algen zurück), Ultra- (UF, Abtrennung von Proteinen und Makromolekülen), Nano- (NF, Abtrennung von kleineren Polypeptiden und DOC, „dissolved organic carbon“) und Umkehrosmose- (UO, Reinstwasser-Herstellung) Membranen. Während Mikro- und Ultrafiltration über das mechanische Siebprinzip wirken, liegen bei NF und UO dichte, aber diffusionsoffene Membranen vor, die nur Teilchen entsprechender Größe durchlassen. Membranen werden unter anderem auch zur Trinkwasseraufbereitung sowie zur Meerwasserentsalzung genutzt.

Der Zulauf beim Membranverfahren heisst Feedstrom, der zurückgehaltene Teil Retentat und der durchgelassene Teil Permeat. Wichtig ist aber eine Größe und das ist der transmembrane Fluß, der in Kubikmeter pro Quadratmeter pro Stunde ausgedrückt wird.
Die Porengröße ist bei einer Membran nicht konstant, sondern es gibt eine hauptsächlich vorliegende Porengröße und jene darüber und darunter, so dass dies einer Gauss-Verteilung gleichkommt. Die Gauss-Verteilung und deren Breite bestimmt die Schärfe der Trenngrenze und somit das Gesamtergebnis der Filtration.
Eine weitere Kenngröße bei Membranen ist die Druckdifferenz. Bei MF beträgt sie bis zu 2 bar, bei UF bis zu 10 bar, bei NF bis zu 20 bar und bei UO bis zu 150 bar. Diesen Drücken muss die Membran (aus z. B. Polyethersulfon, Polyvinylidenfluorid) standhalten. Neben Polymer-Membranen werden auch Keramika (z. B. Aluminiumoxid, Silciumcarbid) eingesetzt, die eine höhere chemische Beständigkeit und Permeabilität aufweisen.

Ein Problem beim Einsatz von Membranen ist das „Membran-Fouling“, d.h. die Bildung von biologischen Schichten auf der Filteroberfläche mit der Folge, dass der Filter mit der Zeit dicht ist. Es ist jener Effekt, der auch bei Oberflächenverfahren zur Besiedlung von Oberflächen von Polymeren, Keramiken, Metallen, usw. führt, der einmal erwünscht, bei Membranverfahren jedoch unerwünscht ist. Neben der Rückspülung von Membranen zur Entfernung von Ablagerungen, kommen hier spezielle Membranen zum Einsatz, die z. T. oberflächenbehandelt sind. Auch der Einsatz der „tangential-flow-filtration“ hat hier einen positiven Effekt auf den transmembranen Fluss und trägt dazu bei, dass die Poren offen für das Permeat bleiben.

Membranen werden auch bei der Pervaporation eingesetzt, bei der ein transmembraner Fluss durch einen Unterdruck auf der Permeatseite erzeugt wird. Hinzu kommt, dass nur solche Stoffe hindurchdiffundieren, die sich in der Membran „lösen“. Letzteres kann über die Membraneigenschaften bzw. deren chemischen Aufbau gesteuert werden. Auf diese Art und Weise kann mit einer Membran aus Polyvinylalkohol z. B. Wasser entfernt bzw. abgetrennt werden.

Den Prozeß der Dialyse kennt man vom medizinischen Bereich her, werden doch Patienten mit Niereninsuffizienz regelmässig zur Dialyse gebeten, damit sie Stoffe loswerden, die sie nicht mehr auf natürlichem Wege ausscheiden können, also renal über die Niere. Diesen Vorgang nennt man auch Blutreinigung.
Die Dialyse findet auch in der Biotechnologie Anwendung und „lebt“ vom Konzentrationsunterschied entlang einer Membran. Der Effekt käme zum Erliegen, wenn nicht ständig die Konzentration auf einer Seite hochgehalten wird, damit ein ständiger Strom von Teilchen durch die Membran stattfindet. Dialysemembranen können z. B. aus Cellulose, Polyvinylalkohol, Polysulfon, Polyacrylnitril, Polyvinylpyrrolidon, hergestellt werden. In sogenannten zylindrischen Modulen kommen sie dann zum Einsatz.
Membranmodule gibt es in Form von Hohlfaser-, Rohr-, Spiral-, Platten- und Kissenmodulen (siehe auch den Link), wobei je nach Anwendung das ein oder andere Modul zum Einsatz kommt.

https://www.hydrogroup.de/einsatzbereiche/wasseraufbereitung/membranprozesse.html

Biotechnologie für Chemiker

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