Entwicklungen und Trends auf dem Gebiet der Separationsund Filtertechnik S. Ripperger*

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1 Entwicklungen und Trends auf dem Gebiet der Separationsund Filtertechnik S. Ripperger* Die F&S-Filtrieren und Separieren ist nun seit fast 24 Jahren die einzige deutschsprachige Fachzeitschrift, die exklusiv das Fachgebiet der Filtrations- und Separationstechnik behandelt und sich an die dafür interessierenden Leser wendet. Themen wie z.b. Filter- und Membrantechnik, Zentrifugentechnik, Staubabscheidung, Wasseraufbereitung und Ab wasser - behandlung werden regelmäßig behandelt. In jeder Ausgabe werden Neuentwicklungen von Verfahren, Geräten, Apparaten und Prozessketten vorgestellt und erfolgreiche Anwendungen beschrieben. Dazu erscheint eine englisch sprachige Sonder ausgabe F&S-International Edition, welche eine Auswahl der besten Fachartikel eines ganzen F&S-Jahrgangs enthält. Sie wird weltweit gelesen und geschätzt. Die mit diesem Heft vorliegende 150. Ausgabe der Zeitschrift ist Anlass, die bisherige Entwicklung des Fachgebietes der Zeitschrift zu betrachten und daraus, unter Berück sichtigung der zu erwartenden Randbedingungen, Trends für eine zukünftige Entwicklung abzuleiten. 1. Das Gebiet der Separationstechnik 1.1 Übersicht In der Natur und in der Technik sind in Flüssigkeiten und Gasen meist feine Partikeln dispergiert. Die Bezeichnung Partikel ist dabei als Oberbegriff für z. B. feste Partikeln, Tröpfchen oder Mikro - organismen zu verstehen. Zur Konzen - trierung der Partikeln und/oder zur Gewinnung der reinen Flüssigkeit bzw. des reinen Gases ist eine Phasentrennung notwendig. Dabei können die Partikeln, die fluide Phase (die Flüssigkeit oder das Gas) oder beide Wertstoffe darstellen. Beispiele für solche Phasentrennungen sind: - das Eindicken bzw. Entwässern von Suspen sionen bei der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe, - die Flüssigkeitsabtrennung aus Kristalli - sations- oder Fällprodukten, - die Entwässerung von Rückständen vor der Verbrennung, - die Aufbereitung von Rohwasser zu Trink- oder Brauchwasser, - die Klärung von Getränken (Bier, Wein, Fruchtsäfte) und - die Abtrennung von Zellen bzw. Zell - bruch stücken von den Kulturbrühen während oder nach einer Fermentation, - die Entstaubung von Gasen, - die Erzeugung eines hochreinen Gas - stroms für Produktionszwecke. Hinsichtlich des Prozessziels ist dabei zu unterscheiden, ob die Erzeugung eines weitgehend von den Partikeln befreiten Gas- oder Flüssigkeitsstroms, oder die Gewinnung der dispersen Phase (der * Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger Gottlieb-Daimler-Straße Kaiserslautern Tel.: / ripperger@mv.uni-kl.de Partikeln) im Vordergrund steht. Zu - nehmend werden auch beide Ziele gleichzeitig verfolgt. Bei der Aufbereitung von Flüssigkeiten spricht man vom Klären, wenn eine klare (partikelfreie) Flüssigkeit erzielt werden soll. Die Trübung einer Flüssigkeit wird bereits von Partikeln im kolloidalen Größenbereich (100 nm bis 1000 nm) hervorgerufen, so dass beim Klären auch entsprechend feine Partikeln abgetrennt werden müssen. Sie können aus harten Stoffen oder leicht verformbaren Materia - lien (z. B. Fettkügelchen, Mikroorganis - men) bestehen. In den Bereichen der Lebensmitteltechnik und pharma zeuti - schen Produktion wird oft eine Klärung mit gleichzeitig verbundener Ent kei - mungs filtration oder sogar Sterilfiltration verlangt. Analoge Aufgabenstellungen sind auch beim Entstauben von mit Partikeln beladenen Gasströmen zu unterscheiden. Durch gestiegene Anforderungen in der Produktion und beim Umweltschutz besteht zunehmend die Aufgabe, feinste Partikeln aus Gasen und Flüssigkeit zu entfernen. Generell nimmt der Aufwand zur Abtrennung mit kleiner werdender Partikelgröße zu. Sehr feine Partikeln, d. h. Partikeln im Größenbereich von < 0,5 μm, führen im dispergierten Zustand eine intensive BRAUN sche Molekularbe we - gung aus. Dies führt dazu, dass bei entsprechend feinen Partikeln Diffusions - vorgänge nicht mehr zu vernachlässigen sind. Bei entsprechend feinen Partikeln nimmt auch der Einfluss der Ober - flächenkräfte in Relation zu den Strö - mungs- und Trägheitskräften zu. Diese Wechselwirkungen, die sich oft negativ auf die Trennvorgänge auswirken, können aber auch dazu genutzt werden, feine Partikeln in Partikelverbände (Agglo me - rate, Flocken) zu überführen, die sich dann wie größere Partikeln verhalten und einfacher von der Flüssigkeit abgetrennt werden können. Bei der Aufbereitung von Rohstoffen und bei der Produktion in der stoff - wandelnden Industrie (z. B. chemische und pharmazeutische Industrie, extraktive Metallurgie, Baustoffindustrie) besteht vielfach das Ziel, den Feststoff in konzentrierter Form bzw. als trockenes Produkt zu gewinnen. Der Feststoff, der gewonnen werden soll, steht dabei im Mittelpunkt. Zur mechanischen Flüssig - keits abtrennung werden hierzu meist mehrere Teilprozesse nacheinander ange - wendet, um den Feststoff weitgehend mechanisch von der Flüssigkeit zu befreien. In einigen Fällen wird der Fest - stoff auch gewaschen. Letzteres beinhaltet die Beaufschlagung des möglichst hoch konzentrierten Feststoffes mit einer Waschflüssigkeit, um die ursprüngliche Restflüssigkeit, die schädliche oder nutz - bare Stoffe in gelöster Form enthalten kann, zu entfernen. Wird ein trockenes Produkt gewünscht, so wird der mecha - nischen Flüssigkeitsabtrennung eine Trocknung (thermische Flüssig keits - abtrennung) nachgeschaltet. Bei vielen biotechnologischen Pro - zessen, wie z. B. der biologischen Abwas - serreinigung, müssen große Volu men - ströme aufbereitet und teilweise in extremer Weise von Mikroorganismen und/oder kolloidal vorliegenden Inhalts - stoffen befreit werden. Die Ausführungen zeigen, dass man im Hinblick auf die Zielsetzung der Stofftrennung mehrere Aufgaben stel - lungen unterscheiden kann. Im Einzelnen sind dies: - die Abtrennung geringer Mengen sus - pen dierter Partikeln aus einem Gas oder Flüssigkeit, - die Konzentration und Gewinnung des Feststoffes einer Suspension bzw. eines Aerosols, - die Verdrängung der Flüssigkeit aus den Poren einer Schüttung bzw. eines Filter - kuchens (mechanische Entfeuchtung), F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 7

2 - die Trennung zweier ineinander nicht mischbarer Flüssigkeiten. Zur Lösung der Aufgaben stehen zahlreiche Verfahren zur Verfügung, die in der Regel der Mechanischen Verfahrens - technik zugeordnet werden. Bedeutende mechanische Trennverfahren zur Fest/ Flüssig-Trennung sind: - die Sedimentation im Schwere- und Zentrifugalfeld, - die Filtration als kuchenbildende Filtra - tion, Pressfiltration, dynamische Filtra - tion (z. B. Querstromfiltration) und Tiefenfiltration, - die mechanische Feststoffentfeuchtung durch Pressen, Druckgas-Beaufschlagen und Abschleudern, - die Feststoffwaschung bzw. Feststoff - extraktion, - die Flotation, - die Feststoffklassierung in einer flüssi - gen Phase bzw. - die Feststoffsortierung sowie - Stofftrennverfahren im elektrischen oder magnetischen Feld. Bekannte Verfahren der Entstaubung und Gasreinigung sind: - die Schwerkraftabscheidung, - die Umlenk- und Fliehkraftabscheidung (u. a. in Form von Gaszyklone), - die Filtration als Oberflächenfiltration in Form von Abreinigungsfiltern und die Tiefenfiltration in Form von Speicher - filtern und Schüttschichtfiltern, - die Naßabscheidung in Form von Wäschern und Waschtürmen, - die elektrische Gasreinigung (EGR) bzw. elektrische Abscheidung. 1.2 Verfahrensauswahl In der Praxis hängt die Wahl des jeweiligen Trennverfahrens von den physikalischen und chemischen Eigen - schaften der Stoffgemische, den tech - nischen und wirtschaftlichen Anforde - rungen an das Verfahren sowie den betrieblichen Randbedingungen ab. Außer dem müssen bei der Umsetzung der Verfahren in der Praxis die Kriterien - Wirtschaftlichkeit, - Produktqualität, - Umweltverträglichkeit und Umwelt - schutz, - effizienter Rohstoffeinsatz, - sparsame Energienutzung, - Arbeitsschutz und Sicherheit beachtet werden. 1.3 Zwang zur Innovation und Produktentwicklung Aufgrund der Konkurrenz und der stetigen Veränderungen, ergibt sich für die Unternehmen ein Zwang zu Innovationen und zur Produktentwicklung. Inno va - tionen sind Neuerungen technisch-wissen - schaftlicher Natur, die oft mit der Ent - wick lung neuer Produkte und Pro duk - tions prozesse verbunden sind. Innova - tionen entstehen auf Basis einer bestim - mten Wissensplattform. Es tritt mit ihnen neues Wissen auf, das wirtschaftlich verwertbar ist und damit nutzbringend angewendet werden kann. Innovationen und neue Produkte schaffen Wettbewerbs - vorteile und sind entscheidend für den technischen Fortschritt und das Wachstum eines Unternehmens und der dazu gehörigen Volkswirtschaft. Die Fortschritte der Separationstechnik haben vorwiegend neue bzw. verbesserte Apparate und Maschinen zur Folge. Bei vielen dieser Entwicklungen ist das Verfahrensprinzip unverändert geblieben, jedoch konnten durch die Entwicklungen die verfahrenstechnischen Möglichkeiten erweitert und der Automatisierungsgrad sowie die Produktionsleistung der Trenn - apparate gesteigert werden. Auch vor Jahren noch als neu gekennzeichnete Verfahren haben sich mittlerweile etabliert und werden zunehmend großtechnisch angewendet. Als Beispiel sei die Quer - stromfiltration mit Membranmodulen oder mit rotierenden Membranscheiben ge - nannt. Wie ehedem werden auch künftig die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Separationstechnik die Opti - mie rung bestehender Apparate und Maschinen und die Weiterentwicklung bekannter Verfahren und die Erprobung neuer Verfahren beinhalten. In Folge sich wandelnder Anforderungen werden An - passungen bestehender Prozesse not - wendig und neue Anwendungsgebiete erschlossen. So wird z. B. ein effektives Separationsverfahren oft ein Schlüssel zur Verbesserung der Produktqualität und/ oder zur Einsparung von Energie- und sonstigen Betriebskosten. Man ist bei der verfahrenstechnischen Produktion bestrebt, die Stoffumwandlung so zu führen, dass die Ausgangsstoffe ohne viele Zwischenschritte in den idealen Produktzustand überführt werden. Da - durch werden Prozessschritte eingespart und die Herstellungskosten gesenkt. Die Verfahrens- und Prozessentwicklung ist daher heute oft ein Teil der Produkt - entwicklung und umgekehrt. In diesem Zusammenhang besteht die Notwendig - keit, die physikalischen/chemischen Vor - gänge eng im Zusammenhang mit den Eigenschaften der zu behandelnden Stoffe zu betrachten. Damit steht auch die Erprobung und Anwendung eines Separa - tionsverfahrens oft in enger Verbindung mit dem der Produktentwicklung. Man kann davon ausgehen, dass zukünftig die Produktentwicklung und die Prozessent - wicklung immer mehr in einer Aufgabe verschmelzen. Um eine hohe Anlagenverfügbarkeit zu erreichen, werden Trennverfahren immer häufiger kontinuierlich betrieben, wie z. B. mit Trommelfiltern oder dyna mischen Filtern. Bei den diskon ti nuierlichen Filtra - tions verfahren zeichnet sich entsprechend ein Trend zu kurzen Taktzeiten ab, wozu z. B. bei der absatzweisen Filtration kurze Abreini gungs zeiten notwendig sind. So werden z. B. Rückspülfilter und Press - filter automaten entsprechend weiter optimiert. 2. Ursachen des Wandels und des Zwangs zur Weiterentwicklung Ursachen des Wandels einer ingenieur - wissenschaftlichen Disziplin ergeben sich aufgrund von - Veränderungen der Umwelt (äußere Ein - flüsse) sowie - neuen Erkenntnissen und Entwicklungen innerhalb des Fachgebietes. Äußere Einflüsse können anhand der Koordinaten Technologie, Politik, Wirt - schaft und Gesellschaft abgeleitet werden. So erfordern neue Gesetzte und/oder veränderte wirtschaftliche Randbedin - gungen eine stetige Anpassung der Technik. Hierzu ist eine ständige For - schungs- und Entwicklungstätigkeit notwendig, da viele der neuen Anforde - rungen nicht mit den bekannten technischen Systemen erfüllt werden. Die Forschungs- und Entwicklungstätigkeit in einer ingenieurwissenschaftlichen Dis - ziplin darf daher nicht nur technologisch verstanden werden, sondern es muss berücksichtigt werden, dass sie sich in einem politischen, wirtschaftlichen, öko - lo gischen und gesellschaftlichen Umfeld vollzieht. Dabei muss man auch berücksichtigen, dass dieses Umfeld auch wiederum von den Forschungsergebnissen und Erkenntnissen beeinflusst wird (Rückkopplung). Damit verbunden ist ein rasanter Wandel in kurzen Zeiträumen, den man besonders in den letzten Jahrzehnten erfahren konnte. Weiterhin sind die Entwicklungs- und Forschungs - prozesse innerhalb der Ingenieur wissen - schaften durch eine starke Multidisziplin - arität und Komplexität der behandelten Probleme gekennzeichnet. 3. Äußere Einflüsse auf die Fachgebiete 3.1 Internationalisierung und Globalisierung Die Verfahrenstechnik und der zuge - hörige Apparate- und Anlagenbau waren von jeher international ausgerichtet. Die Fortschritte in der Kommunikations - technik und die bisher nie da gewesene Mobilität der Bürger beeinflussten in den letzten Jahrzehnten wesentlich das System 8 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

3 der Wirtschaft und des Handels. Hinzu kommen hohe Wachstumsraten außerhalb Europas und die sich für viele Produkte abzeichnende Marktsättigung innerhalb Europas. Die Arbeit des Ingenieurs auf dem Gebiet der Separationstechnik war und ist auch in Zukunft an die technischwirtschaftliche Umsetzung der Verfahren in Form von Apparaten, Maschinen und Anlagen gebunden. Es ist daher folgerichtig, dass bei einer verstärkten Investitionstätigkeit außerhalb Europas auch dadurch wesentlich seine Arbeitswelt beeinflusst wird. Eine verstärkte Ver - lagerung der Geschäfte (Absatz, Umsatz - anteile), der Produktion und der For - schung in Regionen außerhalb Deutsch - lands bzw. Europas hat zur Folge, dass deutsche Ingenieure noch mehr als bisher international tätig werden. Zurzeit werden mehr als 60 % der in Deutschland produzierten Apparate, Maschinen und Anlagen exportiert. Zwei Drittel des Umsatzes der chemischen Industrie werden durch Aktivitäten im Ausland realisiert. Insgesamt ist Deutschland eine der führenden Exportnationen. Im Zusam - menhang mit der Globalisierung ist die Weiterentwicklung der Europäischen Union zu einem gemeinsamen Markt mit gleicher Währung und harmonisierten Regeln eine folgerichtige Entwicklung. Zukünftig muss jedoch auf den welt - weiten Absatzmärkten mit einem verstärkten Wettbewerb gerechnet werden, der insbesondere von den Ingenieuren ausgetragen wird. Es ist damit zu rechnen, dass Ingenieure noch mehr als bisher in international operierenden Unternehmen und im Ausland tätig sind. Der verstärkte internationale Wettbewerb führte in den letzten Jahrzehnten auch dazu, dass viele mittelständische Unternehmen in großen Konzernen aufgegangen sind. Im Kon - zern verbund konnten oftmals die Produkte erfolgreicher auf dem Weltmarkt ange - boten werden und der dabei auch notwendige Service im Ausland sicher - gestellt werden. Für die in Deutschland beheimateten Unternehmen wird es notwendig, dass die bis heute noch vorhandenen Standort - vorteile genutzt und weiter gestärkt werden. Ein Standortvorteil war bisher das Ausbildungs- und Forschungsniveau auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik und die enge Zusammenarbeit auf diesem Gebiet zwischen Industrie und Hochschulen, die wesentlich dieses Gebiet geprägt haben. Es besteht kein Zweifel, dass die Ver - fahrenstechnik und der zugehörige Apparate- und Anlagenbau auf Kosten anderer Gebiete in den letzten Jahren vernachlässigt wurden. So wurden z. B. an vielen Universitäten Arbeitsgruppen auf den Gebieten Apparate- und Anlagen - technik und Aufbereitungstechnik auf - F & S Filtrieren und Separieren gelöst und die verbliebenen Arbeits - gruppen der Verfahrenstechnik infolge staatlicher Sparmaßnahmen verkleinert. 3.2 Sustainable Development Die rasche Entwicklung vieler Länder in eine Industrie- und Dienstleistungs - gesellschaft zeigt auf allen Gebieten in Bezug auf die stoffliche Versorgung ein Wachstum auf. Hinzu kommt der schnelle Verbrauch vieler Produkte in diesen Gesellschaften, wodurch das Wachstum noch gesteigert wird. Auch die Informa - tionstechnologien und der Dienst - leistungs sektor, die in vielen Bereichen einen großen Teil der Wirtschaft in vielen Ländern ausmachen, ist auf die Ver - sorgung mit Rohstoffen und veredelten Produkten angewiesen. Entsprechend muss zur Aufrechterhaltung der Wirt - schaft systeme in den Industrie- und Dienstleistungsgesellschaften der Mensch weltweit massiv in den Naturhaushalt eingreifen. Entsprechend unserem An - spruch zum Erhalt der menschlichen Lebensgrundlage und Lebensbedingungen wurde in den letzten Jahren ein Industriezweig aufgebaut, der dafür sorgt, dass ein großer Teil der Produkte wieder umweltverträglich entsorgt wird. Die Idee der integrierten Umweltschutz - maßnahmen wird dabei über die Grenzen der Produktionsstätten weiter verfolgt, so dass z. B. die Wiederverwendung von High Filtration Nur das Beste kommt durch PACO Spinpack-Siebe In der Filtertechnik ist es wie überall im Business: Nur die Besten kommen durch. PACO zählt bereits seit 5 Jahrzehnten zum Feinsten, was die Filter-Technik mit Elementen und Komponenten aus Metalldrahtgeweben, Info anfordern: info@paco-online.de Tel.: Fax: Metallfaservliesen, Spaltrohren, Lochblechen, u. v. a. zu bieten hat. Ganz gleich, wie Ihr Bedarf aussieht: PACO garantiert Ihnen immer Highest Filtration Value ganz individuell. PACO Paul GmbH & Co. P.O. Box Steinau a.d. Straße Germany

4 ländern vermindert und die Lebensbedingungen der in Armut lebenden Menschen deutlich verbessert werden. Der Vorstellung der Nachhaltigkeit entspräche es in einem bestimmten Zeitraum nicht mehr an Umweltressourcen zu verbrauchen wie neu gebildet werden. Um dieses Ziel zu erreichen müssen u. a. viele Prozesse und Produkte verbessert werden, um den damit verbundenen Materialund Ressourcenverbrauch zu verringern. Außerdem müssen die Energienutzung, die Mobilität und die Nahrungsmittelproduktion den Anforderungen der Nachhaltigkeit gerecht werden. Außerdem ist ein entsprechend effizientes Stoffstrommanagement zu installieren. Ebenso ist es notwendig, ökonomische, rechtliche und institutionelle Rahmenbedingungen sowie vorherrschende Einstellungen und Verhaltensformen zu verändern. Abb. 1: Schema zur Kreislaufwirtschaft und zum integrierten Umweltschutz (US) Abfällen und geschlossene Kreisläufe angestrebt werden (Abb. 1). In Deutschland wurde mit dem Kreis laufwirtschaftsgesetz (KrWG) bereits 1994 die gesetzlichen Grundlagen ge schaffen, dass Stoffkreisläufe aufgebaut werden, in denen große Stoffströme kontinuierlich zirkulieren und in ihrer Art, Zusammensetzung oder in ihren Eigenschaften verändert werden. Eine Maschinerie, die zum großen Teil auf den Erkenntnissen der Verfahrens- und Separationstechnik aufgebaut ist. Das Gesamtsystem, das hier geschaffen werden soll, stellt sich selbst bei uns bis heute als noch sehr unvollständig dar. Es muss jedoch noch auf viele andere Länder übertragen werden. Das Ziel oder die Vision ist eine nachhaltig (zukunfts - verträgliche) Entwicklung, die mit dem Schlagwort sustainable development bezeichnet wird und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bedürfnisse der heute lebenden Menschen befriedigt werden und gleichzeitig Entwicklungsoptionen nachfolgender Generationen erhalten werden. Ein entsprechendes Leitbild wurde als Agenda auf der Konferenz der Vereinten Nationen für Umwelt und Entwicklung in Rio de Janeiro von 174 Staaten verabschiedet und 2002 in Johannesburg weiterentwickelt. Als nachhaltig wird darin eine Entwicklung bezeichnet, die weltweit über Generationen hinweg fortgeführt werden kann, ohne dass Naturhaushalt und Gesellschaft in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt werden. Ökonomie, Ökologie und Soziales werden darin als Einheit begriffen. Die Agenda 21 enthält auch ein Aktionsprogramm für das 21. Jahrhundert. Daraus ergeben sich in Anlehnung an die Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages Schutz des Menschen und der Umwelt von 1994 die folgenden Handlungsgrundsätze: - Die Nutzung einer Ressource darf nicht größer sein als ihre Regenerationsrate oder die Rate der Substitution ihrer Funktionen. - Die Freisetzung von Stoffen darf nicht größer sein als die Tragfähigkeit des Naturhaushalts bzw. seine Assimilations - fähigkeit. - Gefahren und unvertretbare Risiken für den Menschen und die Umwelt durch anthropogene Einwirkungen sind zu vermeiden. - Das Zeitmaß anthropogener Eingriffe in die Umwelt muss in einem ausgewogenen Verhältnis zu der Zeit stehen, die die Umwelt zur Reaktion benötigt. Selbst die gegenwärtige Situation in Deutschland und anderen Industrieländern wird den Kriterien der Nachhaltigkeit noch nicht gerecht. Die dauerhafte Sicherung der Existenzgrundlagen der Menschheit kann nur gelingen, wenn die Belastungen der Umwelt und der Verbrauch natürlicher Ressourcen drastisch verringert, das starke soziale Gefälle zwischen Industrie- und Entwicklungs Zunehmende Verarbeitung biologischer Produkte Während sich die Grüne Biotechnologie (landwirtschaftliche Anwendung) auf Pflanzen bezieht, einschließlich ihrer gen - technischen Veränderung, und die Rote Biotechnologie (medizinisch-pharmazeutisch) sich mit der Herstellung von Medikamenten und Diagnostika befasst, beinhaltet die Weiße Biotechnologie eine biotechnologisch-basierte Produktion im industriellen Maßstab. Viele sehen in der Weißen Biotechnologie Potenziale für eine nachhaltige Entwicklung von industriellen Produktionen. Es zeigt sich, dass in einigen Fällen bio - technologische Prozesse positivere betriebswirtschaftliche Ergeb - nisse aufweisen können als rein chemische Prozesse. Das betrifft insbesondere die Synthese von komplexen organischen Ver - bindungen. Zu den Produkten der Weißen Biotechnologie gehören Bulkund Feinchemikalien, Lebensmittel sowie Lebensmittel zusatz - stoffe, Futtermitteladditive, Agrar- und Pharmavorprodukte sowie technische Enzyme und Biokraftstoffe. In Einzelfällen konnten durch den Einsatz der Weißen Biotechnologie Prozesskosten reduziert werden. So fand z. B. bei der Produktion von einigen Vitaminen und Aminosäuren ein Wechsel von einem chemischen zu einem biotechnologischen Verfahren statt. Es wird erwartet, dass die Weiße Biotechnologie auch auf die Produktion von Bulkprodukten und Polymeren erheblichen Einfluss hat. Von Bulkprodukten spricht man, wenn jährlich mehr als Tonnen davon hergestellt werden. Schon jetzt werden Bioreaktoren mit 500 m 3 Größe (und mehr) zur Herstellung von Massenprodukten wie dem Geschmacksverstärker L-Glutamat, dem Futterzusatzstoff L-Lysin, Antibiotika, Vitaminen oder zur Erzeugung von Bernstein-, Zitronen- und Milchsäure eingesetzt. Ethanol, Aceton und Butanol sind Beispiele für Produkte, die heute noch vorwiegend von der Petrochemie geliefert werden, jedoch zukünftig auch biotechnologisch in großen Mengen hergestellt werden. Unabhängig von der Einschätzung, wie akut die Notwendigkeit zur Substitution des Erdöls derzeit ist, wird immer mehr erkannt, dass nachwachsende Rohstoffe die einzige sich erneuernde Quelle organischer Kohlenstoffverbindungen sind und eine alternative Ressource für die Zukunft darstellen. Die Basis der meisten heute industriell genutzten Bioprozesse sind nachwachsende Rohstoffe, in der Regel Kohlenhydrate und zuckerhaltige Fraktionen. Zucker wird in den jeweiligen An - bauregionen aus verschiedenen Pflanzen wie Zuckerrübe und Zuckerrohr gewonnen. Die Gewinnung von Glucose durch Hydrolyse von Stärke gewinnt weiter an Gewicht. Dabei muss auch die Frage nach der Verwertung der Nebenprodukte gestellt werden, die bisher nur ungenügend geklärt ist. Durch die Umsetzung der Ausgangsstoffe entstehen große Mengen an Biomasse, welche nur begrenzt als Futtermittel eingesetzt werden können. Langfristig ist eine effizientere Nutzung der Koppelprodukte notwendig. Ein Ansatzpunkt ist die Bio- raffinerie, welche die komplette stoffliche und energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe zum Ziel hat. Dabei kann 10 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

5 Abb. 2: Prozessschema zur Gewinnung von Kartoffelstärke; bei den gelb markierten Prozessstufen werden auch mechanische Trennverfahren eingesetzt. auch die Technologie der Biogas gewin - nung, die zum Stand der Technik zählt, genutzt werden. Die Weiße Biotechno - logie gibt in diesem Zusammenhang auch Anlass zur Hoffnung für einen integrierten Umweltschutz, der bei der Produkt - entwicklung und Produktion ansetzt und Umweltprobleme von Anfang an zu vermeiden zu versucht. Die Entwicklung ist daher auch eng verknüpft mit den Bemühungen zu einem sustainable Development. Mit der zu erwarteten Entwicklung werden neue Anwendungen für Separationstechniken entstehen. Um dies zu verdeutlichen, ist in Abb. 2 ein Prozessschema zur Gewinnung von Kartoffelstärke dargestellt. Bei den farbig markierten Prozessstufen kommen mechanische Separationsverfahren zur Anwendung. 4. Trends innerhalb der Separationstechnik Die bekannten Separationsverfahren und ihre Einbindung in die Prozesse der Verfahrenstechnik werden ständig weiter - entwickelt und auf neue Anwen dungen übertragen. Aufgrund der zunehmenden Konkurrenz nehmen die wirtschaftlichen Belange weiter an Be deutung zu. Das betrifft zum einen die angebotenen Apparate und Maschinen und zum anderen auch die im Vorfeld zu erbringenden Ingenieurleistung zu Ihrer Weiterent - wicklung und Einbindung in die Prozesse. Analysiert man Entwicklungen der vergangenen Jahre, so zeichnen sich folgende Entwicklungsrichtungen ab: 4.1 Simulation verfahrens tech - nischer Prozesse nimmt an Bedeutung zu Innerhalb der verfahrenstechnischen Forschung besteht das Ziel, den jeweiligen verfahrenstechnischen Prozess mit den natur- und ingenieurwissenschaftlichen Gesetzen soweit zu erfassen, dass er mathematisch modelliert werden kann. Erst dann ist eine Grundoperation beherrscht und die Vorgänge in den zugehörigen Apparaten und Maschinen können mit ausreichender Genauigkeit beschrieben werden. Die physikalisch/ mathematische Modellierung der Vor - gänge ist eine Voraussetzung für die Prozesssimulation und die darauf auf - bauende Anpassung und Optimierung der zugehörigen verfahrenstechnischen Ap - para te und Anlagen an konkrete Bedin - gungen in der Praxis. Damit verbunden ist zunehmend die Nutzung moderner Simulationstechniken. Die Prozess simula - tion beinhaltet die Abbildung eines komplexen verfahrenstechnischen Pro - zesses mit physikalisch/mathematischen Modellgleichungen und die numerische Lösung der Gleichungssysteme mit mo - dernen Rechenprogrammen und Rechentechniken. Folgende Ziele können damit verfolgt werden: schnelle und kosten - günstige Auslegung verfahrenstechnischer Prozesse sowie ihre Optimierung, modell - gestützte Prozesssteuerung und -regelung, Optimierung übergreifender Entwick - lungsprozesse (z. B. Lebenszyklus - modellierung). Computational Fluid Dynamics (CFD) Anlagenkonstrukteure nutzen zu - nehmend die Computational Fluid Dynamics (CFD) zur Simulation der Vorgänge in den Maschinen und Appara - ten der Separationstechnik. Sie erreichen damit eine Verkürzung von Entwicklungs - zeiten und eine Senkung von Entwick - lungs kosten, da der Aufwand für die Testung von Prototypen vermindert wer - den kann. Die dazu genutzten Programme bieten die Möglichkeit, Strömungsfelder und daran gekoppelte Vorgänge, wie z. B. die Wärmeübertragung, innerhalb ver - fahrens technischer Apparate und Maschi - nen zu simulieren und zu visualisieren. Die Programme liefern numerische Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen, welche die Erhaltungsgleichungen von Masse, Impuls und Energie beinhalten. Durch das Lösen dieser Gleichungen für mehrere Tausend Berechnungsgitter (Com puta tional Grids), welche die Geo - metrie der Strömungskanäle ausfüllen, sind CFD-Programme in der Lage, Strömungen, Massen- und Wärme über - tragungen auch unter Berücksichtigung von Wärmequellen, z. B. durch chemische Reaktionen, effektiv zu simulieren. Wird die CFD-Simulation mit anderen Simulationsprogrammen kombiniert, so können die Benutzer auch das mechanische Verhalten von Bauteilen sowie Ermüdungs- und Vibrationseigen - schaften analysieren und vorhersehen. Programme zur CFD-Simulation sind seit mehreren Jahrzehnten eingeführt, allerdings wurden sie in den ersten Jahren vor allem im akademischen Bereich eingesetzt. Heute sind CFD-Programme schneller, leistungsfähiger und einfacher zu benutzen, was zu einer weiteren Verbreitung geführt hat. Sie verfügen teilweise über eine automatische Fehlerprüffunktion, die Widersprüchlichkeiten bei der Dateneingabe und dem Einrichten des Modells feststellt. Vor der Durchführung einer CFD- Simulation muss die Geometrie der modellierten Komponenten eingelesen und in ein Gitterwerk kleinster Zellen aufgeteilt werden. Danach werden die zugrunde liegenden Erhaltungs gleichun - gen für jede einzelne Zelle gelöst. Heute verfügbare Programme können die geometrischen Daten nahezu aller handelsüblichen CAD-Programme über - nehmen und als Ausgangspunkt für die automatische Generierung des Berech - nungs gitters mittels so genannter Mesh- Generatoren verwenden. Die Anzahl der Gitterzellen, die zur weitgehend korrekten Abbildung der Geometrie erforderlich ist, kann von hunderttausend bis millionen Zellen reichen. Eine automatische Gitter- Generierung ist in den meisten handels - 12 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

6 üblichen CFD-Programmen enthalten. Sie enthalten vordefinierte Bausteine und standardmäßige Gitter-Vorlagen auf der Basis einer Vielzahl von geometrischen Elementen. Mittels CFD-Analysen kann man Prozesse und Anlagen der nächsten Generation planen und bewerten. Ineffiziente Ansätze werden dabei erkannt, verändert oder ausgeschlossen. Erfolgreiche Strategien werden mittels CFD-Simulationen validiert. Abb. 3 zeigt als Beispiel die mittels CFD berechnete Druck- und Saugwirkung eines Profils, das mit 6 m/s im Abstand von 3 mm über einer Oberfläche bewegt wird. Inzwischen kommen die CFD- Simulationen auch bei Anlagenbetreibern zur Feinabstimmung von Betriebsparametern zum Einsatz. In neuerer Zeit wird die CFD-Simulation auch zunehmend zusammen mit anderen Simulationsmethoden genutzt. So können z. B. durch eine Kombination mit einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) nicht nur die Strömung innerhalb eines Apparates, sondern auch die durch die Strömung verursachten Strukturdeformationen ermittelt werden. Eine Herausforderung stellt noch die Charakterisierung von Kraft- und Strömungsfeldern unter Einbezug der Partikel/Partikel-, Partikel/Wand- und Partikel/Fluid- Wechselwirkungen dar. Hierzu wird in jüngster Zeit daran gearbeitet die CFD-Modellierung mit der Diskrete-Elemente- Methode (DEM) zu kombinieren. Diskrete-Elemente-Methode (DEM) Mit der Diskrete-Elemente-Methode wird das Verhalten von ruhenden und bewegten Schüttgütern und Haufwerken als Summe vieler einzelner Kontakte zwischen den Partikeln beschrieben. Dabei werden, je nach Kontaktgesetz, verschiedenste mikros ko pi - sche Partikel-Partikel- bzw. Partikel-Wand-Wechselwirkungen berücksichtigt. Das Verständnis der Kontaktgesetze und der Abb. 3: Mittels CFD berechnete Druck- und Saugwirkung an einem Profil, das mit 6 m/s im Abstand von 3 mm über eine Oberfläche bewegt wird Partikelbewegung ist eine Grundlage der physikalisch/mathe - matischen Modellierung des Stoffverhaltens in vielen Prozessen der Verfahrenstechnik. Mit der DEM lassen sich die räumliche Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung einzelner Partikeln numerisch berechnen. Damit kann die Prozessdynamik eigen - schaftsverteilter Partikelkollektive über Zeit- und Längenskalen hinweg simuliert werden. Abb. 4 zeigt als Beispiel die Verschiebung von blauen Tracerpartikeln in einem Mischsilo. Das linke Bild zeigt die mit einer Kamera aufgenommene reale Partikelverteilung in einem Halbschalensilo mit einer transpa ren - ten Wand, rechts ist der das Ergebniss einer DEM-Simulation zu sehen. In beiden Fällen wurde eine Schicht aus blauen Partikeln TRADITIONELL, BEWÄHRT, ERFOLGREICH NEU, ADVANCED, ZUKUNFTSORIENTIERT M e h r a l s P I E R A L I S I Z e n t r i f u g e n w e l t w e i t i n B e t r i e b! PIERALISI Dekanter und PIERALISI Vertikal-Teller-Separatoren lösen Kundenbedarf in diversen Industrieverfahren der Chemie, Pharma/Biotech, Nahrungsmittel wie auch Energie aus nachwachsenden Rohstoffen (Bioethanol, Biodiesel, Biogas), Pflanzen- und Mineralöl-Veredlung. PIERALISI Dekanter sind die wirtschaftliche Problemlösung in unzähligen Umweltaufgaben, kommunalen Kläranlagen mit Standard- bzw. Hoch-Entwässerung sowie Eindickung, Industrieabwässern, Rauchgas- und Recycling (Plastik)-Anlagen. FILTECH Wiesbaden, /03/2011 Halle 1, E 1 PIERALISI DEUTSCHLAND GmbH - Ochsenfurter Strasse Eibelstadt - Tel.: / Fax: pieralisi@pieralisi.de - Internet: F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 13

7 Abb. 4: Verschiebung von blauen Tracerpartikeln in einem Mischsilo, die zuvor in einer Ebene oben aufgegeben wurden. Links: die mit einer Kamera aufgenommene reale Partikelverteilung in einem Halbschalensilo mit einer transparenten Wand; rechts: Ergebniss einer DEM-Simulation oben gleichförmig über den Querschnitt des Silos aufgegeben und danach die Wege der einzelnen Partikeln über den Entleerungs - vorgang weiter verfolgt. Das Verhalten von ruhenden und fließenden Schüttgütern wird als Summe vieler einzelner Kontaktereignisse zwischen den Partikeln beschrieben. An den Kontaktpunkten müssen die maßgeblichen mikro mechanischen Einflüsse mit dem jeweils verwendeten Kontaktgesetz abgebildet werden. Außerdem müssen die wirkenden Kräfte berücksichtigt werden. Bei der dreidimen sionalen (3D-) Diskrete-Elemente- Methode werden die Be we gungs gleichungen (Kräfte- und Momentenbilanzen für 6 Frei heits grade) einer diskreten Partikelanzahl mit Gleichungen zur Berücksichtigung der Stoffeigenschaften verknüpft und für das vorgegebene System der wechselwirkenden Partikeln zeitschritt gesteuert gelöst. Zu Beginn einer Simulation werden die Partikeln entsprechend einer beliebigen Vorgabe in einem geometrischen Modell platziert. Die Partikeln werden dabei in der Regel als Kugeln oder durch eine steife Verknüpfung mehrerer Kugeln dargestellt. Eingabeparameter ergeben sich aus dem Kontaktmodell und der Gleichung zur Bestimmung des numerischen Zeitschritts. Unter der Annahme, dass die Partikeln selbst starr sind, werden sämtliche Ver - formungen auf die Kontakte zwischen den Partikeln bzw. zwischen Partikeln und Wandelementen projiziert, indem man eine virtuelle Überlappung der Partikeln annimmt. Aus allen an den Partikeln angreifenden Kontakt- und Feldkräften können resultierende Kräfte und Momente berechnet werden, die gemäß dem Newtonschen Gesetz zur Beschleunigung führen. Durch Integration der Beschleunigung über einen kurzen Zeitschritt werden mittels eines expliziten Finite-Differenzen-Schemas die Geschwindigkeiten und Positionen jedes Partikels aktualisiert. Dabei wird vorausgesetzt, dass Position und Geschwindigkeit jedes Partikels im Anfangszustand bekannt sind. Der Zeitschritt muss ausreichend klein sein, da infolge der veränderten Partikellage Kontakte verschwinden oder neue entstehen können. Der Zyklus aus Kontakterkennung und Integration der Bewegungsgleichungen wird so oft wiederholt, bis die interessierende Realzeit erreicht ist. Mit Hilfe der Ergebnisse solcher Simulationen können Kraftverläufe in Haufwerken (z. B. Filterkuchen) und die Dynamik von Transportvorgängen ermittelt werden. Ebenso kann die Krafteinwirkung von Partikeln auf Bauteile analysiert werden. Neben weiteren Partikel-Bauteil-Wechselwirkungen, wie z. B. Haftmechanismen, ist es auch möglich, die Beanspruchung von Partikeln zu untersuchen. Bis vor wenigen Jahren beschränkten sich die Simulationen in der Regel auf eine Partikelanzahl von ca Partikeln. Die simulierte Realzeit reicht von mehreren Millisekunden bis hin zu 2 Minuten. Dank der Weiterentwicklung der Software und der Verfügbarkeit von schnelleren, leistungsfähigeren Rechnern ist es heute möglich, das Verhalten von über einer Million Partikeln gleichzeitig zu modellieren. Um akzeptable Rechenzeiten, die in der Größenordnung von ca. 2 Wochen liegen, zu erzielen, werden oftmals auch Eingabeparameter, welche den kritischen Zeitschritt beeinflussen, angepasst. So werden teilweise Partikeln simuliert, deren Durchmesser in der Simulation um den Faktor drei bis fünf größer ist, als der reale Wert. Weitere Abweichungen vom realen System können z.b. die Schermoduli betreffen. Trotz dieser Abwandlungen der Simulationsparameter sind die Ergebnisse oft hinreichend genau, um aufschlussreiche Informationen zur Optimierung von Prozessen zu erhalten. Auch Strömungskräfte, welche an den Partikeln angreifen, können bei DEM-Rechnungen berücksichtigt werden. Auch eine Kopplung von Programmen zur DEM-Simulation mit Programmen zur CFD-Simulation ist möglich. Ein Abgleich der Ergebnisse aus der Simulationsrechnung bei vorgegebenen definierten Randbedingungen erfolgt in der Regel mit Ergebnissen aus wenigen Experimenten. 4.2 Prozessintensivierung Ein weiterer Trend innerhalb der Verfahrenstechnik wird mit dem Begriff Prozessintensivierung beschrieben. Ziel im Zusammenhang mit Separationsverfahren ist dabei, den Durchsatz einer Anlage bei nahezu gleichen Abmaßen zu erhöhen, die Abscheidung zu verbessern und insgesamt die Produktionskosten zu senken. Dabei sollten nicht ein bestimmter Apparat oder eine 14 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

8 Maschine im Vordergrund stehen; es geht vielmehr um die Intensivierung der im Prozess ablaufenden Vorgänge. Der Begriff Prozessintensivierung beinhaltet unterschiedliche Konzepte. Eine Zielrichtung beinhaltet z. B. die Verbesserungen der Stofftransport vor - gänge durch geeignete Maßnahmen. Bei der Filtration ist z. B. eine Steigerung des spezifischen Filtratstroms durch den Einsatz einer hochfrequenten periodischen Rückspülung oder durch die Wirkung eines überlagerten elektrischen Feldes möglich. Eine solche Zielrichtung wird auch als Prozessverstärkung bezeichnet. Eine Effizienzsteigerung kann oft auch durch eine geschickte Beeinflussung des zu separierenden Produktes erzielt wer - den. Ein Beispiel hierfür ist eine der Separation vorgeschaltete Flockung. Oder eine Fällung bzw. Kristallisation kann so betrieben werden, dass eine für die Separation günstige Partikelgröße bzw. Partikel größen verteilung direkt erzeugt wird. Eine Effizienzsteigerung ist auch möglich, wenn im Zulauf zu einem Separations verfahren darauf geachtet wird, dass eine Dispergierung geflockter Stoffsysteme bzw. ein Partikelabrieb vermieden werden. Eine weitere Maßnahme zur Prozess - intensivierung besteht in der oft simul - tanen Durchführung mehrerer Grund - opera tionen in einem Apparat (Prozess - integration). Die Integration mehrerer Prozessschritte in einem Apparat bzw. in einer Maschine ist oft mit Vorteilen verbunden, trotz der oft notwendigen Kompromisse, die infolge der zum Teil nicht optimalen Fahrweise der Einzel - prozesse eingegangen werden. Als Vorteile solcher Integrationen können genannt werden: Minimierung von Betriebs- und Investitionskosten, geschlossene Bauweise und geringer Handhabungsaufwand. In der Pharmaindustrie lässt sich auf diese Weise oft auch eine Produktkontamination am sichersten vermeiden. Beispiele für integrierte Verfahren in der Separations - technik sind Membranreaktoren bzw. bioreaktoren, die Kombination der Filtra - tion und Trocknung in einem Apparat sowie die Kombination von Zentrifugation und Extraktion in einer Zentrifuge. Generell kann man unter dem Schlagwort Prozessintensivierung das Bemühen zusammenfassen, eine Stoff - wandlung in einem Prozessraum besser zu verstehen und auf dieser Basis dann deutlich zu verbessern. Neue technolo - gische Ansätze sollen dabei auch gefunden und entwickelt werden, die vom Apparat bis zur Prozessautomatisierung alles einschließen. 4.3 Trend zur Abscheidung immer geringerer Mengen und feinerer Partikeln Im Zusammenhang mit den erhöhten Anforderungen an die Qualität von Produkten und verschärften Emissions - grenzwerten wird es erforderlich, immer kleinere Stoffmengen und immer feinere Partikeln aus Gas- und Flüssigkeits - strömen abzutrennen. Dieser über die Jahre bestehende Trend setzt sich weiter fort. So werden z. B. im Zusammenhang mit der Feinstaubproblematik die Umwelt - gesetze von PM 10 (PM 10 = Partikulate Matter mit einem aerodynamischen Durchmesser von 10 μm) auf PM 2,5 verschärft. Im Maschinenbau erfordern die immer feineren Strukturen und Spalten bei mechanischen Bauteilen eine Verbesse - rung der Verschleißschutzfiltration der Betriebsstoffe (z. B. Abtrennung feinerer Partikeln aus Hydraulik und Getriebe - ölen). Die Beispiele könnten beliebig fortgesetzt werden. In vielen Bereichen ist die Erfüllung von Qualitätsforderungen an die Erzeu - gung und Aufrechterhaltung reiner Räume und Apparate sowie an die Verfügbarkeit von hochreinen Stoffen gekoppelt (z. B. in der Mikroelektronik, Pharmaproduktion, Biotechnologie, Le - bens mitteltechnik). Zudem kommt, dass die Nanopartikeltechnik auch die Separa - tionstechnik vor neue Herausforderungen stellt. Es müssen entsprechend feine Stoffsysteme erzeugt, kontrolliert und zu Produkten weiterverarbeitet werden. Generell kommt den Grenzflächenkräften mit feiner werdender Partikelgröße eine besondere Bedeutung zu. 4.4 Erfassung relevanter Produktzustände bzw. Qualitätsparameter im Prozess Das Eigenschaftsprofil komplexdisperser Stoffsysteme, wie z. B. hoch - konzentrierter Dispersionen, Schläm men, Flocken und Filterkuchen, ist eng mit dem dispersen Zustand verbunden. Bei feinsten Partikeln in Flüssigkeiten kann auch der Einfluss des Elektrolytgehaltes und anderer gelöster Stoffe in der Flüssigkeit auf die Eigenschaften des Stoffsystems nicht vernachlässigt werden. Dadurch werden das Zeta-Potential und die Wechselwirkungen an den Grenzflächen wesentlich bestimmt. Im Zusammenhang mit den skizzierten Entwicklungen besteht zunehmend ein Bedarf, den Zustand disperser Stoff - systeme direkt on-line bzw. in-line zu erfassen. Bei der Flockung können z. B. durch eine direkte Erfassung der Flocken - größe eine optimale Zugabe des Flockungs mittels und gleichzeitig Kosten infolge einer Überdosierung gespart wer - FILTER ANLAGEN APPARATEBAU TRENNTECHNIK FEST-FLÜSSIG führend in der Entwicklung und Herstellung von Systemen zur Tiefenfiltration Geschlossenes Filtrationssystem konstruiert für die speziellen Anforderungen der Pharma- und Chemieindustrie: STRASSBURGER FILTER Clean System optimale Reinigbarkeit der Filterplatten durch das Welldrainageprofil CIP Reinigung mittels patentierter Reinigungsrahmen: alle produktberührten Bereiche können gereinigt werden 50% höhere Ausbeute im Filterkuchen mittels patentierter Membranplatten Zertifiziert nach DIN En ISO 9001 Gerne beraten wir Sie! Wir schaffen Klarheit. Strassburger Filter GmbH + Co. KG Osthofener Landstraße 14 D Westhofen Tel / Fax / info@strassburger-filter.de F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 15

9 den. Zunehmend wird auch bei einer Filtration die Filtratqualität mittels einer in-line Partikelzählung im Filtrat über - wacht. Es kann erwartet werden, dass entsprechende Messmethoden zunehmend zur Erfassung relevanter Produktzustände bzw. Qualitätsparameter im Prozess eingesetzt werden. 4.5 Hygienic Design In der Lebensmittel- und Bio - technologie sowie in der pharma - zeutischen Produktion werden große Mengen verderblicher Produkte ver - arbeitet. In anderen Bereichen, wie z. B. in der Feinchemie, werden Produkte mit hoher Reinheit hergestellt. Es werden dabei automatisierte Prozesse mit geschlossenen Anlagen eingesetzt. Da - durch wird verhindert, dass die Produkte durch Kontakt mit der Umgebung kontaminiert werden. Problematisch dabei ist, dass die produktberührenden Innenflächen nicht für eine Inspektion zugänglich sind. Durch regelmäßige Reinigungsschritte muss in diesen Bereichen sichergestellt werden, dass die Produktionen mit absolut sauberen Anlagen betrieben werden. In den genannten Bereichen ist häufig noch der Batch- bzw. Chargenbetrieb anzutreffen. Es werden Anlagen ein - gesetzt, die so flexibel sind, dass unterschiedliche Produkte darin hergestellt bzw. verarbeitet werden können. Produktreste in den Anlagen stellen für die nächste zu verarbeitende Charge meist eine Verunreinigung dar. Eine Verunreini - gung bzw. Schmutz können in diesem Zusammenhang als Materie am falschen Ort bezeichnet werden. Die Reinigung muss so ablaufen, dass sie entfernt wird. Wiederkehrende Reinigungs- und Desinfektionsschritte sollen sicherstellen, dass produktberührende Oberflächen von unerwünschten Stoffen (Verunreini- gungen, Schmutz), schädlichen Mikro - organismen und Resten von Reinigungsund Desinfektionsmitteln befreit werden. Oft ist danach eine Sterilisation der Anlage erforderlich. Dies gilt z. B. für Bio - reaktoren, die über lange Zeitspannen mit Reinkulturen betrieben werden. Während des Betriebes muss in einem solchen Fall sichergestellt werden, dass keine lebenden Fremdkeime in den Reaktor gelangen. Die Anforderungen an den Anlagenbau und Anlagenbetrieb gehen in den aufgezeigten Fällen weit über die der üblichen Anlagentechnik hinaus. Nur mit regelmäßigen Reinigungen und einer angepassten Anlagenkonstruktion wird die Einhaltung des notwendigen hygienischen Standards gewährleistet. Im industriellen Maßstab werden die Anlagen einer CIP- Reinigung unterzogen (CIP = Cleaning in Place), was bedeutet, dass sie im geschlossenen Zustand ohne nennens - werte Änderungen der Einbau kon - figuration automatisch gereinigt werden. Damit die Anforderungen im Hinblick auf das Reinigungsergebnis im späteren Betrieb erfüllt werden, müssen bereits bei der Planung bzw. Projektierung der Anlagen und der Auswahl der Bau - elemente die Belange der Reinigung berücksichtigt werden. Die reinigungs - gerechte Gestaltung verfahrenstechnischer Anlagen und die Auslegung der ent - sprechenden Schritte setzt Expertenwissen voraus, das insbesondere in den letzten zwei Jahrzehnten systematisch erweitert wurde. Die reinigungsgerechte Auslegung und konstruktive Gestaltung von verfahrenstechnischen Anlagen, die den Ansprüchen gerecht werden, wird oft mit dem Begriff Hygienic Design gekenn - zeichnet. Da erwartet wird, dass dieser Bereich noch weiterhin deutlich zunimmt, wird sich dieses Gebiet als ein Schwerpunkt der Anlagentechnik heraus - bilden. 4.6 Entwicklung einer verbesserten Filtertechnik Bei der Filtration kann zwischen der Oberflächenfiltration (Kuchenfiltration) mit langlebigen und abreinigbaren Filter - mitteln und der Tiefenfiltration, mit abreinigbaren Schüttschichten und son - stigen vorwiegend nicht abreinigbaren Filtermitteln unterschieden werden. Auch die Anschwemmfiltration ist in diesem Sinne eine Tiefenfiltration. Trotz der z. Z. vielen angebotenen Filtermitteln und Filterbauarten sind die Entwicklungen auf allen Gebieten der Filtration nicht abgeschlossen. Die große Vielfalt kann auch als ein Suchen nach dem jeweils optimalen Verfahren aufgefasst werden. Es wird erwartet, dass sich die Anwendungen der Filtration aufgrund verstärkter Anstren gungen im Umweltschutz und höheren Qualitätsanforderungen an die Produkte noch weiter ausweiten. Gleich - zeitig werden die Anforderungen an die Filtrationen steigen. Die steigenden Anforde rungen sind auch ein Grund für eine stetige Weiterentwicklung der Filtrationsverfahren, Filter und Filter - mittel. Folgende Entwicklungsrichtungen können identifiziert werden: Möglichst trockener Feststoffaustrag: In diese Richtung werden insbesondere die Kuchenfiltration, die Pressfiltration und die Filtration mit Filterzentrifugen weiter entwickelt. Abtrennung feinster Partikeln (bis hinab zur Klär- und Entkeimungs - filtration): Feinste Partikel können mit Tiefenfiltermedien und mit Membranen in Form einer Oberflächenfiltration entfernt werden. Beide Verfahren werden weiter entwickelt. Bei den Tiefenfiltern steht die Entwicklung von optimierten Filtermitteln mit einer langen Standzeit, d.h. mit einer hohen Aufnahmekapazität von abgeschie - denen Partikeln, im Vordergrund. Bei den Membranenverfahren befinden sich dynami sche Ver fahren (Crossflow-Betriebs - weise mit Membranmodulen oder beweg - ten Membranen) und Verfahren mit reduziertem Energie eintrag (z. B. Dead- End filtration mit periodischer Rück - spülung) im Stadium der Weiterent - wicklung. Filtration ohne Zusätze: Es ist ein Trend, bei den Separationsverfahren möglichst auf Zusatzstoffe zu verzichten. Zusatz - stoffe bei der Filtration sind z. B. Filterhilfsmittel und Flockungsmittel. Dieser Trend hat bereits dazu geführt, dass in einigen Bereichen die Anschwemm - filtration durch eine Crossflow-Filtration mit Membranen verdrängt wurde (z. B. bei der Wein- und Bierklärung). 5. Zusammenfassung Die Ausführungen zeigen, dass sich die Separationstechnik wie andere technische Gebiete stetig weiterentwickelt. Das ist zum einen darauf zurückzuführen, dass sie mehr denn je gebraucht wird, um die Lebensgrundlagen in einer industriali - sierten Welt zu erhalten bzw. zu ver - bessern. Neue Anwendungsgebiete wer - den erschlossen, die z. T. neue oder verbesserte Produkte erfordern. Inno va - tionen auf dem Gebiet der Separa - tionstechnik sind daher auch in Zukunft gefragt. Eine Voraussetzung für eine Innovation ist Wissen. Dabei handelt es sich zum einen um Grundlagenwissen, zum anderen um Wissen über ein Spezial - gebiet, das z. B. die Anwendung eines Produktes betrifft. Notwendig ist jedoch auch Wissen über Produktionsmethoden und den Markt, in dem die Neuerung angeboten wird. Fehlendes Wissen für eine Innovation kann zugekauft werden, z. B. in Form von technischer und wirt - schaft licher Beratung, in Form von Studien oder in Form von Fach zeit - schriften. Dabei muss auch berücksichtigt werden, dass sich das Umfeld eines Unternehmens ständig verändert, d. h. dass das Wissen an Aktualität verliert und veraltert. Für Innovationen ist wichtig, dass man über das Grundlagenwissen und aktuelles Wissen verfügt. Die Unternehmen ver - suchen durch Forschung und Entwicklung den Wissensbestand auf ihrem jeweiligen Gebiet zu halten bzw. zu erweitern. Dabei setzt sich jedoch vermehrt auch die Erkenntnis durch, dass man ein Teil des notwendigen Wissens von anderen Unter - nehmen, Universitäten und anderen For - schungseinrichtungen zukaufen kann. Sehr kostengünstig wird aktuelles Spezial - wissen auch durch Fachzeitschriften ver - mittelt. Für das Gebiet der Filtration und Separation übernimmt die vorliegende Zeit - schrift diese Aufgabe seit nunmehr 25 Jahren. 16 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1