Keramikmembranen weisen neben einer hohen physikalischen Stabilität mit einem Berstdruck von mehr als 100 bar auch bei Temperaturen über 100 °C eine hohe Beständigkeit gegenüber allen organischen Lösemitteln, Säuren oder alkalischen Medien auf. Ein besonders gutes Separationsergebnis lässt sich durch eine aufeinander abgestimmte Komplettlösung aus Keramikmembranfiltration und der Separation mittels Zentrifugen oder Dekanter erzielen.
Hans-Peter Feuerpeil, Dr. Jochen Hamatschek
Eine Keramikmembran besteht aus Millionen von kleinen keramischen Partikeln die in einem kontrollierten thermischen Prozess zu einer porösen Struktur mit definierten Eigenschaften versintert werden. Die Größe dieser Partikeln entscheidet darüber, wie groß die Zwischenräume, die Poren, sind. Für eine 1-Nanometer-Membran werden beispielsweise Partikeln in der Größenordnung von 2,5 nm benötigt, was nur einigen wenigen Atomlagen entspricht.
Einer der wesentlichen Vorteile von Keramikmembranen ist die Tatsache, dass es sich um eine mechanische Barriere handelt. Teilchen, die größer als der Porendurchmesser sind, werden also sicher an der Oberfläche des Filtermediums zurückgehalten. Durch die geeignete Rohstoffauswahl und -aufbereitung ist es möglich, Keramikmembranen mit Porendurchmessern bis zu 1 nm und darunter herzustellen. Membranen mit Porengrößen $0,1 µm werden aus hochreinem a-Al2O3 erzeugt, die Herstellung von Membranen mit Porengrößen im Bereich 20 bis 100 nm erfolgt auf der Basis von Zirkonoxiden. Die kleinsten Poren erhält man beim Einsatz von speziell aufbereiteten Titanoxiden.
Lange Lebensdauer
Aus den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Keramikmembranen resultiert eine besondere Langlebigkeit. Das Filtermedium ist zudem einfach regenerierbar, da der abzutrennende Stoff nicht in die Tiefe der keramischen Struktur eindringen kann und die Temperatur bei einer CIP-Reinigung bedenkenlos 90° C oder mehr erreichen darf. Im Gegensatz zu Polymermembranen können Keramikmembranen unbegrenzt oft einer Dampfsterilisation unterworfen werden. Die impulsartige Rückspülung mit Filtrat erlaubt den kontinuierlichen Betrieb über mehrere Monate, was speziell bei Prozesslinien der chemischen Industrie große Vorteile bietet.
Breites Spektrum
Westfalia Separator Membraflow bietet ein sehr breites Spektrum an Membranen in der Größenordnung von 1 bis 1400 nm. Die für die Cross-Flow-Technik optimale Kanalform ist in verschiedenen Geometrien erhältlich. So stehen Multikanalelemente mit Unfiltratkanälen im Bereich zwischen 2,3 bis 8 mm in allen Porengrößen zur Verfügung. Die kleinste, für Tests verwendete Einheit hat eine Membranfläche von 55 cm²; die 1,2 m langen Multikanalelemente weisen, je nach Kanaldurchmesser, eine aktive Membranfläche zwischen 0,89 und 0,57 m² auf.
Erst nach Einbau in ein Gehäuse kann das Membranelement technisch genutzt werden. Ein Modul besteht somit mindestens aus einem Membranelement sowie den dazugehörigen Dichtungen und Anschlüssen. Das Gehäuse wird je nach Anwendung gestaltet; sofern notwendig, auch in einer Ausführung entsprechend den Forderungen der Druckgeräterichtlinie oder nach ASME. Die Modulgehäuse sind standardmäßig aus Edelstahl, es lassen sich aber auch Gehäuse aus Titan, Hastelloy oder PTFE-beschichteten Materialien realisieren. Zur Eindichtung der Elemente werden geeignete Elastomere verwendet, für Temperaturen oberhalb der Grenzen von FFKM wird Graphit benutzt. Jedes Element wird einer aufwändigen Qualitätskontrolle unterzogen, um auch höchsten Ansprüchen zu genügen. Sie sind im Wesentlichen standardisiert, mit den Variablen Kanaldurchmesser, Elementlänge und Porengröße.
Kombinierter Einsatz
Anfang Oktober 2005 hat Westfalia Separator das Unternehmen Membraflow übernommen, das Keramikmembranen und Membranfiltrationsanlagen produziert und installiert. Durch diese Akquisition ist man nunmehr in der Lage, die Produktklärung innerhalb der Prozesskette vollständig anzubieten. Eine intelligente, aufeinander abgestimmte Auslegung der Technologien Zentrifugation und Membranfiltration verbessert die Wirtschaftlichkeit der Teilprozesse in erheblichem Maße. Der Vorteil einer Kombination von Keramikmembranfiltrationsanlagen und mittels Zentrifugalkräften betriebenen Systemen wie Zentrifugen und Dekanter soll an einem Beispiel beschrieben werden.
Dextrose oder Glukose wird im großindustriellen Maßstab aus Stärke hergestellt. Bevor solche Produkte dem Verkauf zugeführt werden können, sind sie entsprechend aufzubereiten. Früher wurden hier Vakuumdrehfilter eingesetzt, heutzutage setzt sich die Keramikmembran zur Klärung dieser Sirupe immer mehr durch. Eine für den Stärkehydrolysathersteller vorteilhafte Lösung ist der Einsatz von Zentrifugen zum nahezu stichfesten Austrag der die Filtrationsleistung negativ beeinflussenden Fette, Phospholipide und Fasern. Bei Verwendung eines Dekanters zur Abtrennung des wesentlichen Anteils dieser, aus dem Sirup abzutrennenden Stoffe, lässt sich die für den Durchsatz erforderliche Membranfläche um mehr als ein Drittel reduzieren. Weitere Einsatzgebiete für Keramikmembranfilter sind zum Beispiel Katalysatorrückgewinnung, Reinigung und Gewinnung von Rohstoffen, Recycling von Lösemitteln, kontinuierliche, kontaminationsfreie Abtrennung von biotechnologisch gewonnenen Produkten aus Fermentern oder Herstellung und Verarbeitung von Milchprodukten, Klärung und Sterilisierung von Fruchtsäften, Wein und Bier sowie die Wasseraufbereitung.
cav 434
Weitere Informationen zu den Keramikfiltern
Näheres zu den Separatoren
Industrial Processing 2006, Utrecht
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