- Filtration bedeutet Anlagerung von Molekülen auf und in der Membran
- Strömungstechnik beeinflusst den Aufbau der Fouling-Schicht
- Reversibles Fouling = Konzentrationspolarisation
- Irreversibles Fouling = Protein-Gel
Warum gelten für hygienisch reine und optimal funktionierende Membrananlagen andere Massstäbe an die Reinigungsstrategie, als dies z.B. bei der konventionellen CIP-Reinigung der Fall wäre?
Während der Filtration lagern sich Moleküle auf und in der Membran an. Auf der Membran bildet sich eine nur wenige Mikrometer dicke Grenzschicht. Diese Grenzschicht ist von entscheidender Bedeutung für die Leistung der Membran, weil sie primär auf den Massenstrom durch die Membran wirkt. Neben dieser bekannten Oberflächenverschmutzung lagern sich aber ebenfalls Moleküle in den Poren der Membran ab, die ebenfalls einen entscheidenden Einfluss auf den Filtrationsprozess haben. Die Ablagerungen in den Poren sind in erster Linie für ein verändertes Rückhaltevermögen der Membran verantwortlich, weil sie die Ladung und die Oberflächeneigenschaften der Membran verändern. Dadurch verändern sich die Filtrationseigenschaften der Membran, und damit das mögliche Resultat der gesamten Filtrationsanlage. Fouling ist ein natürliches, nicht vermeidbares Phänomen der Filtration.
Praktisch alle Membranen – in allen Anwendungen – unterliegen einem Fouling. Wir unterscheiden reversibles und irreversibles Fouling, basierend auf der Grundlage wie fest die Moleküle sich anlagern.
- Konvektion und Rückdiffusion kommen nach einer bestimmten Zeit in ein Gleichgewicht.
- Die Wandkonzentration (Cwall) ist viel grösser als die Konzentration im Kernstrom (Cbulk) !
Mit dem Fortschreiten der Filtration werden immer mehr Moleküle an die Membran heran transportiert. Dort werden die grösseren Moleküle zurückgehalten. Sie bauen eine zweite Schicht auf der Membran auf. Den dynamischen Aufbau dieser Schicht nennt man Konzentrationspolarisation. Die Konzentrationspolarisation wirkt auf die Leistung und den Rückhalt der Filtration.
Dieser Effekt ist dadurch erkennbar, dass der Durchsatz des Permeates in den ersten Minuten des Filtrationsprozesses zurückgeht.
Trotz ihrer sehr geringen Stärke von nur ein paar Mikrometern, ist der Einfluss der Fouling Schicht auf die Filtration enorm. Durch diese Fouling-Schicht wird die Leistung der Anlage, also der Durchsatz an Permeat, sehr stark heruntergesetzt, da sie wie eine zusätzliche Filtrationsschicht wirkt.
Diese weitere Schicht erhöht den Rückhalt von anderen Molekülen, was ein unerwünschter Effekt sein kann. Fouling lässt sich nicht vermeiden, kann aber durch geschickte Strategien der Reinigung, geeignete Auswahl der Membran und gut abgestimmte Betriebsbedingungen minimiert werden.
- Wasser als Trägermaterial
- Enorme Flächen
- Anlagenbezogene Konzentrationsbestimmung / Flottenverhältnis
- Menge pro Oberflächeneinheit
- Reinigung der Oberfläche und der Membranporen
- Empfindlichkeit des Membranmaterials
- Keine visuelle Begutachtung möglich
- Bedarf der Feuchthaltung fördert Bakterienwachstum
- Nur die Filtrationsleistung gibt Aufschluss über Reinigungsleistung
Bei der nachhaltigen Membranpflege geht es um die Entfernung der irreversiblen Gelschicht durch den gezielten Einsatz von Reinigungschemie. Beim Eintragen von chemischen Reinigungsmitteln gibt es bei Membrananlagen aber einschränkende Bedingungen.