Siegfried Ripperger Mikrofiltration mit Membranen Grundlagen, Verfahren, Anwendungen VCH Weinheim New York Basel Cambridge
Inhalt 1 Einführung in die Mikrofiltration mit Membranen 1 1.1 Stellung der Mikrofiltration unter den Membran- und Filtrationsverfahren 1 1.2 Die wichtigsten Verfahren zur Mikrofiltration 5 1.3 Daten zur historischen Entwicklung der Mikrofiltration 6 1.4 Technische und wirtschaftliche Bedeutung der Mikrofiltration.. 9 2 Membranen zur Mikrofiltration 15 2.1 Allgemeine Beschreibung und Einteilung 15 2.2 Polymermembranen und ihre Herstellung 16 2.2.1 Membranherstellung durch Phaseninversion 19 2.2.2 Membranherstellung durch Verstrecken von Polymerfolien.... 26 2.2.3 Das Kernspurverfahren (track etching) 28 2.2.4 Sonstige Verfahren zur Herstellung von Polymermembranen... 29 2.2.5 Hersteller und Anbieter von Polymermembranen 29 2.3 Membranen aus anorganischen Materialien 30 2.4 Charakterisierung mikroporöser Membranen 34 2.4.1 Überblick über die zu charakterisierenden Eigenschaften.... 34 2.4.2 Geometrische Größen 38 2.4.3 Die Porenstruktur 38 Die Porosität 39 Abbildende Methoden zur Beurteilung der Porenstruktur... 40 2.4.4 Die Permeabilität 42 Berechnung eines mittleren Porendurchmessers 43 Permeabilität von Kapillarmembranen 45
VIII Inhalt 2.4.5 Die Trenngrenze 49 Trenngrenzenbestimmung mit Testorganismen 50 Trenngrenzenbestimmung mit Polystyrol-Suspensionen.... 52 Filtrationsversuche mit anderen Suspensionen 53 2.4.6 Oberflächeneigenschaften 54 Benetzbarkeit 54 Benetzung hydrophober Membranen mit Wasser 59 Das Adsorptionsvermögen 62 2.4.7 Blaspunktdruck und maximale Porengröße 65 2.4.8 Die Porengrößenverteilung 66 Die Flow-Pore-Methode 67 Die Quecksilberporosimetrie 70 2.4.9 Die Schmutzaufnahmekapazität 71 2.4.10 Mechanische Membraneigenschaften 73 2.4.11 Die Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit 75 3 Die Dead-End-Mikrofiltration 89 3.1 Apparative Ausführungsformen 89 Scheibenfilter 90 Capsule^Filter 91 Filterkerzen mit den zugehörigen Gehäusen 92 Plattenfilter im Verbund mit Filterschichten 96 3.2 Validierung von Membranfiltern 3.2.1 Entwicklung der Validierungspraxis 3.2.2 Integritätstestverfahren Der Blaspunkttest Die Diffusionsstrom-Testverfahren 3.2.3 Nachweise zu einem unbedenklichen Einsatz von Membranen.. Extrahierbare Bestandteile Abgabe oxidierbarer Bestandteile Beeinflussung der Leitfähigkeit des Filtrats Partikelabgabe 3.2.4 Qualitätssicherung bei der Produktion von Filterkerzen und Membranmodulen 3.3 Physikalische Überlegungen zur Dead-End-Filtration 3.3.1 Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz ohne Berücksichtigung einer Filtration 3.3.2 Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz bei Filtration
Inhalt IX 4. Die Crossflow-Mikrofiltration 119 4.1 Apparative Ausführung und wichtige Betriebsparameter.... 119 4.2 Membranmodule zur Crossflow-Mikrofiltration 126 4.2.1 Überblick über die einzelnen Bauarten 126 4.2.2. Der Druckabfall der Konzentratströmung in Membranmodulen.. 130 4.3 Betriebsweisen von Crossflow-Mikrofiltrationsanlagen 134 4.3.1 Die diskontinuierlichen Betriebsweisen 134 4.3.2 Die kontinuierlichen Betriebsweisen 137 4.3.3 Beispiel zum Vergleich der verschiedenen Betriebsweisen.... 139 4.3.4 Die kontinuierliche Einstrang-Betriebsweise 143 4.3.5 Die Diafiltration 144 Die absatzweise Diafiltration 144 Diafiltration mit kontinuierlicher Lösemittelzufuhr 144 Kontinuierliche Diafiltration 145 4.4 Physikalische Überlegungen zur Crossflow-Mikrofiltration.... 146 4.4.1 Physikalische Modelle 146 4.4.2 Berechnungsansätze zur stationären Crossflow-Filtration.... 147 Diffusionsmodell ry'. 147 Pinch-Modell. ^./". 151 Ablagerungsmodelle 152 Deckschichtmodelle 154 4.4.3 Erweitertes. Rechenmodell zur stationären Crossflow- Mikrofiltration 155 Ableitung der Modellgleichungen 155 Bestimmung des Reibungswertes X 158 Abschätzung des spezifischen Deckschichtwiderstandes r D... 159 Abhängigkeit der Viskosität des Konzentrats von der Viskosität des Konzentrats 161 4.4.4 Deckschichtwiderstände bei verschiedenen Anwendungen der Crossflow-Mikrofiltration 162 4.4.5 Fouling von Membrananlagen zur Crossflow-Mikrofiltration... 170 4.4.6 Die Bedeutung experimenteller Untersuchung 173 4.5 Die Crossflow-Mikrofiltration mit periodischer Rückspülung... 174 4.6 Die Mikrofiltration mit dynamisch geformten Membranen.... 181 4.7 Die kombinierte statische und dynamische Mikrofiltration.... 182
X Inhalt 5 Sonstige Verfahren zur dynamischen Mikrofiltration 187 5.1 Rührzellen 187 5.2 Rotierende Zylinder und Scheiben in Behältern 188 5.3 Scherspaltfilter mit axialem Spalt 189 5.4 Scherspaltfilter mit radialem Spalt 193 5.5 Zyklonmodule 195 5.6 Wirbelschichtapparate mit Membranen 195 5.7 Crossflow-Filtration mit überlagertem elektrischen Feld 196 5.8 Mikrofiltration mit Ultraschall 197 6 A n w e n d u n g s g e b i e t e der Mikrofiltration... 201 6.1 Anwendungen in der Mikrobiologie, Labor- und Analysentechnik. 201 6.2 Die Entkeimungsfiltration in der Pharmazie, Biotechnologie und Lebensmitteltechnik 205 6.2.1 Die Entkeimungsfiltration von Flüssigkeiten 205 6.2.2. Die Entkeimungsfiltration von Gasen 207 6.2.3 Die Gefahr des Durchwachsens von Mikroorganismen durch Membranen 209 6.2.4 Die Pyrogenabtrennung 209 6.3 Einsatz der Mikrofiltration in der Biotechnologie 211 6.3.1 Übersicht über mögliche Einsatzgebiete 211 6.3.2 Untersuchungsergebnisse und Anwendungsbeispiele 215 6.4 Anwendungen der Mikrofiltration in der Nahrungs- und Genußmittelindustrie 218 6.4.1 Die Klarfiltration von Essig 218 6.4.2 Die Mikrofiltration zur Klärung und Stabilisierung von Wein... 220 6.4.3 Die Mikrofiltration von Bier 224 6.4.4. Die Mikrofiltration zur Molkenaufarbeitung 226 6.4.5 Die Filtration von Reinigungslösungen 227 6.4.6 Sonstige Anwendungen in der Lebensmitteltechnik 228
Inhalt XI 6.5 Anwendungen der Mikrofiltration in der chemischen Industrie.. 228 6.5.1 Rückführung von partikelförmigen Katalysatoren bei chemischen Reaktionen in Flüssigkeiten 229 6.6 Anwendungen in der Produktions- und Umwelttechnik 229 6.6.1 Wasser- und Compoundrecycling beim Gleitschleifen 231 6.6.2 Recycling von Schleifereiwasser bei der Glasverarbeitung.... 233 6.6.3 Aufarbeitung von ölhaltigem Waschwasser 233 6.6.4 Abtrennung von gefällten Metallverbindungen aus Abwasserströmen 234 6.7 Anwendungen der Mikrofiltration zur Wasseraufbereitung.... 236 6.8 Einsatz der Mikrofiltration in der Elektronikindustrie 239 6.8.1 Bereitung von Reinstwasser 240 6.8.2 Sonstige Anwendungen in der Elektronikindustrie 242 6.9 Anwendungen der Mikrofiltration in der Medizin 243 6.10 Anwendung von mikroporösen Membranen in konventionellen Filtrationsapparaten 245 7 Die Reinigung, Desinfektion und Sterilisation von Membrananlagen 249 7.1 Hinweise zur Reinigung von Membrananlagen 249 7.2 Die CIP-Reinigung 250 7.2.1 Die Art der verarbeiteten Produkte und Verunreinigungen.... 252 7.2.2 Die konstruktive Gestaltung der Apparateteile und Güte der Oberflächen 252 7.2.3 Die Strömungsmechanik während der Reinigung 254 7.2.4 Die Art und Konzentration der verwendeten Reinigungschemikalien 255 7.2.5 Die Temperatur während der Reinigung 256 7.2.6 Die Reinigungszeit 257 7.2.7 Die Kombination der einzelnen Reinigungsschritte 257 7.3 Desinfektions- und Sterilisationsmethoden 259
XII Inhalt 8 Hinweise zur Projektierung und Optimierung von Mikrofiltrationsanlagen 263 8.1 Die Verfahrensauswahl 263 8.2 Projektbearbeitung zur Mikrofiltration 265 8.3 Betriebswirtschaftliche Betrachtungen 272 Liste der Symbole 279 Sachregister 283