DE10064298A1 - Elektrofiltration von Biopolymeren - Google Patents

Elektrofiltration von Biopolymeren

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Abstract

Zwischen den zwei Seiten eines Filtermediums (1) wird eine Druckdifferenz erzeugt, welche dazu führt, daß die durch den Zulauf (5) zugeführte mit Biopolymeren (3), beispielsweise Xanthan, beladene Flüssigkeit (2) durch das Filtermedium (1) hindurchtritt, wobei die Biopolymere (3) von dem Filtermedium (1) zurückgehalten werden. Die Hauptbewegungsrichtung (4) der Flüssigkeit (2) wird hierbei, im Gegensatz zu einer Querstromfiltration, durch die transmembrane Druckdifferenz festgelegt. Unter der Filtermembran (1) ist eine Kathode (7) angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Verfahrensraums (9) ist eine Anode (8) angeordnet. Zwischen den Elektroden (7, 8) wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Da die Biopolymerbestandteile (3) eine negative Oberflächenladung tragen, wirkt auf sie im elektrischen Feld eine Kraft in Richtung der Anode (8) und somit entgegen der Hauptbewegungsrichtung (4) der Flüssigkeit (2), wodurch sich die Biopolymerkonzentration in der Umgebung des Filtermediums (1) vermindert und die Filtrationsgeschwindigkeit erhöht. Ein überraschender zusätzlicher Effekt besteht darin, daß das elektrische Feld zu einer Verstärkung der Koagulationsneigung der Biopolymere (3) führt, was die Filtration durch Bildung von Agglomeraten weiter begünstigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Biopolymeren aus einer Flüssigkeit, welches einen Filtrationsschritt aufweist, sowie einen Filterapparat zur Abtrennung einer dispersen Phase, insbesondere von Biopolymeren, aus einer Flüssigkeit.
Eines der industriell bedeutendsten Biopolymere ist das Polysaccharid Xanthan. Ein bisher übliches Verfahren zur Abtrennung von Xanthan wird in Lo Y.-M., Yang S.-T., Min D. B.: Ultrafiltration of Xanthan Gum Fermentation Broth: Process and Economic Analysis, Journal of Food Engineering, 32, 219-237 (1997) beschrieben. Eine xanthanhaltige Biosyspension wird mit Hilfe einer Ultrafiltrationseinheit aufkonzentriert und mit Isopropanol versetzt, um das Xanthan auszufällen. Bei der Ultrafiltration handelt es sich üblicherweise um eine Querstromfiltration, d. h. die Hauptbewegungsrichtung der Suspensionsflüssigkeit erfolgt "quer" zur Filtrationsrichtung, also im wesentlichen parallel zum Filtermedium. Dies ist erforderlich, um das Filtermedium vor Verblockungen und Verstopfungen - sogenanntem Membran-Fouling - zu bewahren, welche die Permeabilität des Filtermediums stark verringern und die Filtration zum fast vollständigen Erliegen bringen könnten. Den Großteil der auf die Ultrafiltration entfallenden Betriebskosten liefert der Energieverbrauch der für die Flüssigkeitsbewegung erforderlichen Pumpen. Aufgrund des mit der Ultrafiltration steigenden Xanthangehalts steigt auch die Viskosität der aufkonzentrierten Suspension, was zu entsprechend höheren erforderlichen Pumenleistungen führt. Die Ultrafiltration führt lediglich zu eine Aufkonzentrierung, nicht jedoch zur eigentlichen Abtrennung des Xanthans, da die xanthanhaltige Suspensionsflüssigkeit gut pumpbar bleiben muß, um die Funktion des Querstromfilterapparats aufrechterhalten zu können.
Das anschließend durch Zugabe von Isopropanol zur aufkonzentrierten Suspension ausgefällte Xanthan wird abfiltriert oder abzentrifugiert. Das zugesetzte Isopropanol wird nach diesem Filtrations- bzw. Zentrifugationsschritt durch Destillation rückgewonnen. Die Destillation ist hierbei relativ energieaufwendig, da die Verdampfungsenergie des gesamten eingesetzten Alkohols aufgewendet werden muß. Andererseits kann auf den Destillationsschritt bisher nicht verzichtet werden, um den Großteil des Isopropanols im Kreislauf halten und somit zum einen zu hohe Alkoholmengen im Abwasser, zum anderen zu hohen Verbrauch an Isopropanol vermeiden zu können. Dabei ist jedoch ein stets zu ersetzender Verlust an dem organischem Lösungsmittel Isopropanol bei dem herkömmlichen Verfahren unvermeidlich, da sich Alkohol auch in der beim Filtrieren bzw. Zentrifugieren abgetrennten Xanthanfraktion befindet.
Aufgrund der Problematik der Alkoholrezirkulation und des Alkoholverlusts liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abtrennung von Biopolymeren, in erster Linie von Xanthan, aus einer Flüssigkeit zu schaffen, bei welchem auf eine Fällung mit Isopropanol verzichtet werden kann, und der Gesamtenergieverbrauch gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich vermindert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abtrennung von Biopolymeren, insbesondere von Polysacchariden, wie Xanthan, oder von Polyhydroxibuttersäure, aus einer Flüssigkeit gelöst, welches einen Filtrationsschritt aufweist, wobei im Filtrationsschritt die Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit durch ein zwischen den beiden Seiten eines für die Filtration von Biopolymeren geeigneten Filtermediums erzeugte Druckdifferenz hervorgerufen wird, und in der Umgebung des Filtermediums ein elektrisches Feld so angelegt wird, daß es eine entgegen der Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit auf die Biopolymere wirkende Kraft hervorruft. Das bedeutet, daß die Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit im Verfahrensraum in Filtrationsrichtung durch das Filtermedium hindurch festlegt ist, und nicht quer dazu, wie bei einer Querstromfiltration. Entgegen dieser Hauptbewegungsrichtung erfahren die Biopolymere, welche aufgrund dissoziierter funktionaler Gruppen eine Ladung tragen, durch das angelegte elektrische Feld eine Kraft vom Filtermedium weg. Das elektrische Feld ist hierzu so orientiert, daß die Feldlinien senkrecht oder in einem steilen Winkel zur Oberfläche des Filtermediums verlaufen. Es kommt zu elektrokinetischen Effekten, d. h. Biopolymere werden durch Elektrophorese vom Filtermedium wegbewegt, wodurch die Konzentration von Biopolymeren in der Nähe des Filtermediums abnimmt und sich die Filtrationskinetik aufgrund der reduzierten Viskosität und der Vermeidung des Verlegens von Poren des Filtermediums erhöht. Bei der Flüssigkeit handelt es sich um ein überwiegend wässriges Medium, der Einsatz eines organischen Lösungsmittels kann entfallen.
Ein überraschender zusätzlicher Effekt besteht darin, daß das elektrische Feld zu einer Verstärkung der Koagulationsneigung der Biopolymere führt, was die Filtration durch Bildung von Agglomeraten weiter begünstigt.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Xanthanproduktion nicht nur auf den Einsatz eines organischen Lösungsmittel für die Fällung und den damit verbundenen Destillationsschritt verzichtet werden kann, sondern darüberhinaus auch das Vorschalten einer Ultrafiltration in einem Querstromfilter entfallen kann. Dies wirkt sich durch den Wegfall des Querstromfilterapparats günstig auf Betriebs- und Investitionskosten für eine entsprechende Anlage in der Xanthanproduktion aus.
Als Filtermedium wird vorzugsweise eine Membran eingesetzt, bei der es sich vorteilhafterweise um eine Ionentauschermembran handeln kann. Alternativ kann ein Filtergewebe oder ein weitgehend starrer poröser Körper als Filtermedium eingesetzt werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Druckdifferenz größer ist als die Differenz zwischen dem atmosphärischen Druck der Umgebung und Vakuum. Dies führt zu einer erhöhten Filtrationsgeschwindigkeit.
Die Druckdifferenz kann vorteilhafterweise durch den hydrostatischen Druck einer Flüssigkeitssäule erzeugt werden, hydraulisch durch mindestens eine Pumpe, durch Gasdifferenzdruck oder aber durch den radial aufgebauten hydrostatischen Druck in einem Zentrifugalfeld.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Filtrationsschritt in einem Apparat durchgeführt, bei welchem ein oder mehrere mit Filtermedium versehene hohle Stützelemente in einem Behälter angeordnet sind, der einen Zulauf aufweist, durch welchen die mit den Biopolymeren beladene Flüssigkeit dem Behälter zugeführt wird. Die Druckdifferenz wird zwischen der Außenseite und der Innenseite des Stützelements erzeugt, wodurch die Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit von der Außenseite zur Innenseite durch das Filtermedium festgelegt wird. Die Flüssigkeit kann durch einen Filtratablauf von der Innenseite der Stützelemente ablaufen. Durch Verbindung mindestens zweier Elektroden mit einer elektrischen Spannungsquelle wird das elektrische Feld angelegt, wobei die Elektroden so angeordnet sind, daß in der Umgebung des Filtermediums die entgegen der Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit auf die Biopolymere wirkende Kraft hervorgerufen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Filtrationsschritt in einer mit mindestens zwei Elektroden ausgestatteten Filterpresse oder einem mit mindestens zwei Elektroden ausgestatteten Preßfilterautomat ausgeführt.
Soll mit kleineren Chargen gearbeitet werden, so kann der Filtrationsschritt vorzugsweise in einer mit mindestens zwei Elektroden ausgestatteten Drucknutsche ausgeführt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Verfahren einen Schritt auf, in welchem die Ionenkonzentration der Flüssigkeit gesenkt wird. Dieser Schritt wird vorzugsweise dem Filtrationsschritt vorgeschaltet und kann vorteilhafterweise mit Hilfe eines Ionentauschers oder durch Dialyse oder Elektrodialyse ausgeführt werden.
Vorteilhafterweise erfolgen das Anlegen des elektrischen Feldes und das Erzeugen der Druckdifferenz gleichzeitig.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich auch dann als besonders vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit neben den Biopolymeren zusätzlich partikuläre Bestandteile enthält. Hierbei werden die zusätzlichen partikulären Bestandteile vorteilhafterweise entweder während des Filtrationsschritts aus der Flüssigkeit mit abgetrennt, oder aber sie werden vor dem Filtrationsschritt aus der Flüssigkeit abgetrennt, vorzugsweise durch Zentrifugation. Werden die zusätzlichen partikulären Bestandteile während des Filtrationsschritts aus der Flüssigkeit mit abgetrennt, so wird durch das elektrische Feld auch ein positiver Effekt für die Abtrennung der partikulären Bestandteile bewirkt. Da Feststoffpartikeln in wässriger Umgebung in aller Regel eine Oberflächenladung tragen, machen sich auch hier elektrophoretische Effekt bemerkbar, wodurch der Aufbau eines Filterkuchens aus den partikulären Bestandteilen auf dem Filtermedium verzögert wird. Dies bedeutet eine günstige Beeinflussung der Filtrationskinetik.
Vorzugsweise ist das Filtermedium zwischen mindestens einem Elektrodenpaar, bestehend aus Anode und Kathode angeordnet, wobei die Anode vorteilhafterweise zumindest teilweise aus einer Nickelbasislegierung, aus Graphit oder aus Platin besteht. Eine der Elektroden kann eine metallisches Unterstützungsgewebe unter dem Filtermedium sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht das Filtermedium zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material und wird selbst als Elektrode verwendet.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem von einem Filterapparat zur Abtrennung einer dispersen Phase, insbesondere von Biopolymeren, wie etwa Xanthan, aus einer Flüssigkeit gelöst, wobei der Filterapparat ein oder mehrere mit einem Filtermedium versehene hohle Stützelemente aufweist, welche in einem Behälter angeordnet sind, dem die mit der dispersen Phase beladene Flüssigkeit durch einen Zulauf zugeführt werden kann. Zwischen der Außenseite und der Innenseite jedes Stützelements ist eine Druckdifferenz erzeugbar, welche eine Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit von der Außenseite des Stützelements zur Innenseite durch das Filtermedium festlegt. Weiter weist der Filterapparat mindestens zwei Elektroden auf, welche so angeordnet sind, daß in der Umgebung des Filtermediums durch Verbindung der Elektroden mit einer elektrischen Spannungsquelle ein elektrisches Feld anlegbar ist, wodurch eine entgegen der Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit auf die disperse Phase wirkende Kraft hervorrufbar ist. Durch einen Filtratablauf kann die Flüssigkeit ablaufen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist jedes Stützelement prismenförmig oder zylindrisch und das Filtermedium bedeckt die Mantelfläche des Stützelements zumindest teilweise. Vorzugsweise ist dabei mindestens eine Elektrode ringförmig um jedes Stützelement angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jedes Stützelement platten-, scheiben- oder tellerförmig ausgeführt und weist zwei Stirnflächen auf, wobei das Filtermedium mindestens eine der beiden Stirnflächen zumindest teilweise bedeckt. Die Stützelemente können dabei vorteilhafterweise horizontal oder vertikal angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Elektrode in jedes Stützelement integriert. Vorzugsweise ist mindestens eine Elektrode ebenfalls platten-, scheiben- oder tellerförmig ausgeführt.
Vorzugsweise weist der Filterapparat mehrere parallelgeschaltete Stützelemente auf.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, welche schematisch in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind. Die Darstellungen sind hierbei zum Zwecke besserer Anschaulichkeit schematisiert und nicht maßstabsgetreu. Es zeigen:
Fig. 1: das Grundprinzip des Filtrationschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2: die schematische, unmaßstäbliche Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Filterapparats mit tellerförmigen Stützelementen, und
Fig. 3: die schematische, unmaßstäbliche Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Filterapparats mit einem zylindrischen Stützelement.
In Fig. 1 ist das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Zwischen den zwei Seiten eines Filtermediums 1, beispielsweise einer zur Filtration von Biopolymeren geeigneten Membran, wird eine Druckdifferenz erzeugt, welche dazu führt, daß die durch den Zulauf 5 zugeführte wässrige Flüssigkeit 2, welche mit Makromolekülen bzw. Kolloiden aus dem abzutrennenden Biopolymer 3, beispielsweise Xanthan, beladen ist, durch das Filtermedium 1 hindurchtritt, wobei das Biopolymer von dem Filtermedium 1 zurückgehalten wird, und somit eine Filtration stattfindet. Die Hauptbewegungsrichtung 4 der Flüssigkeit 2 wird hierbei, im Gegensatz zu einer Querstromfiltration, durch die transmembranen Druckdifferenz festgelegt. Die Druckdifferenz kann beispielsweise über den Zulauf 5 hydraulisch mittels einer Pumpe 6 erzeugt werden. Unter der Filtermembran 1 ist ein als Kathode 7 dienendes metallisches Unterstützungsgewebe angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Verfahrensraums 9 ist eine als Anode 8 dienende Platte, beispielsweise aus Hastelloy, angeordnet. Die Kathode 7 wird mit dem Minuspol 10, die Anode 8 mit dem Pluspol 11 einer Gleichspannungsquelle 12 verbunden, wodurch zwischen den Elektroden 7, 8 ein elektrisches Feld aufgebaut wird. Da die Biopolymerbestandteile. 3 aufgrund dissoziierter OH-Gruppen eine negative Oberflächenladung tragen, wirkt auf sie im elektrischen Feld eine Kraft in Richtung der Anode 8 und somit entgegen der Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit 2. Oberhalb einer kritischen Feldstärke, welche erforderlich ist, damit die Feldkraft die Widerstandskraft der durch das Filtermedium 1 abströmenden Flüssigkeit 2 übersteigt, werden die Biopolymerbestandteile 3 elektrophoretisch in Richtung der Anode 8 bewegt, wodurch sich die Biopolymerkonzentration in der Umgebung des Filtermediums 1 vermindert und die Filtrationsgeschwindigkeit erhöht. Zudem wirkt auf die aufgrund der Erhaltung der Elektroneutralität des Gesamtsystems positiv geladenen Flüssigkeit 2 ebenfalls eine elektrische Kraft, welche Elektroosmose hervorruft, d. h. die Bewegung der Flüssigkeit 2 in Richtung der Kathode 7 unterstützt, indem sich der angelegten Druckdifferenz ein elektroosmotischer Druck überlagert. Nach Abschluß des Trennvorgangs kann die im Verfahrensraum 9 verbliebene Biopolymermasse durch Anlegen von Gasdifferenzdruck entfeuchtet und anschließend ausgetragen werden.
Um den elektrischen Stromfluß gering zu halten, wird die Leitfähigkeit der Flüssigkeit 2 vor der Durchführung der geschilderten Filtration mittels eines nicht dargestellten Ionentauschers vermindert.
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Filterapparat als schematische, unmaßstäbliche Schnittzeichnung dargestellt. Die hohlen, tellerförmigen Stützelemente 101, 102, 103 sind aus elektrisch nichtleitendem Kunststoff ausgeführt und im Inneren des Behälter 104 angeordnet. Dabei sind die Stützelemente 101, 102, 103 auf der Hohlwelle 105 befestigt. Die Innenseite jedes Stützelements 101, 102, 103 ist über Filtratablaufbohrungen 106, 107, 108 mit der Innenseite der Hohlwelle 105 verbunden. Jedes Stützelement 101, 102, 103 weist an seiner mit Durchtrittsöffnungen 109, 110, 111 versehenen Oberseite ein Filtermedium 112, 113, 114 auf, welches beispielsweise eine für die Filtration von Biopolymeren geeignete Membran sein kann. Durch filtratseitiges Anlegen von Vakkum, d. h. durch Anlegen von Vakuum in einem mit dem Inneren der Hohlwelle verbundenen, nicht dargestellten Filtratsammelraum ist eine Druckdifferenz zwischen der Innen- und der Außenseite jedes Stützelements 101, 102, 103 erzeugbar. In die Stützelemente 101, 102, 103 sind jeweils unterhalb des Filtermediums Elektroden 115, 116, 117 angeordnet, welche über eine in einem Isolatorkörper 125 verlegte Leitung 118 und einen Schleifringkontakt 119 mit dem Minuspol 120 einer Gleichspannungsquelle 121 verbunden und somit als Kathoden 115, 116, 117 geschaltet sind. Gegenüber jeder Kathode ist auf der jeweils anderen Seite des jeweils zugehörigen Filtermediums 112, 113, 114 jeweils eine als Anode 122, 123, 124 geschaltete Elektrode 122, 123, 124 angeordnet, welche über eine weitere in dem Isolatorkörper 125 verlegte Leitung 126 und einen Schleifringkontakt 128 mit dem Pluspol 127 der Gleichspannungsquelle 121 verbunden ist, so daß zwischen den Elektrodenpaaren 115/122, 116/123 und 117/­ 124 jeweils ein elektrisches Feld anlegbar ist. Die Hohlwelle 105 ist fliegend gelagert, wobei nur ein Lager 130 dargestellt ist, welches über eine Labyrinthdichtung 131 gegenüber dem Verfahrensraum 132 im Inneren des Behälters 104 abgedichtet ist. Der Behälter 104 kann an der Flanschverbindung 133 geöffnet werden. Zudem weist der Behälter 104 einen Zulauf 134 mit Zulaufflansch 135 und einen verschließbaren Austrag 136 mit Austragsflansch 129 auf.
Im Betrieb wird dem Behälter 104 durch den Zulauf 134 eine mit einer dispersen Phase, beispielsweise Xanthan, beladene Flüssigkeit dem Verfahrensraum 132 zugeführt, welche aufgrund der angelegten Druckdifferenz durch das Filtermedium 112, 113, 114 ins Innere der Stützelemente 101, 102, 103 abfiltriert und über die Filtratablaufbohrungen 106, 107, 108 und das Innere der Hohlwelle 105 in den nicht dargestellten Filtratsammelraum abgeführt wird. Der Austrag 136 ist geschlossen. Auf die disperse Phase wirkt dabei eine der Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit entgegengerichtete Kraft, welche die Konzentration der dispersen Phase in der Nähe des Filtermediums 112, 113, 114 herabsetzt und somit die Filtrationsgeschwindigkeit erhöht. Die Disperse Phase wird an den Anoden 122, 123, 124 und mit der letzten aus dem Verfahrensraum 132 ablaufenden Flüssigkeit an dem Filtermedium 112, 113, 114 abgeschieden. Nach der erfolgten Filtration wird die abgeschiedene disperse Phase ausgetragen, indem der Austrag 136 geöffnet und die Hohlwelle 105 samt den Stützelementen 101, 102, 103 in Drehschwingungen versetzt wird. Die abgeschieden disperse Phase wird so zunächst von den Stützelementen 101, 102, 103 abgeschleudert und rutscht dann die schräge Wand 137 im unteren Teil des Behälters 104 entlang zum Austrag 136.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filterapparats als schematische, unmaßstäbliche Schnittzeichnung dargestellt. Der Apparat weist ein mit Durchtrittsöffnungen 201 versehenes hohles zylindrisches Stützelement 202 auf, welches mit einem Filtermedium 203 bespannt ist, bei welchem es sich um eine für die Filtration von Biopolymeren geeignete Membran handeln kann. Das Stützelement ist im Inneren eines Druckbehälters 204 angeordnet. Entlang der Behälterwand 205 ist um das Stützelement herum eine zylindrische Elektrode 206 angeordnet, welche mit der Isolatorschicht 207 gegenüber der Behälterwand 205 elektrisch abisoliert ist. Die Elektrode 206 ist über eine Leitung 208, welche durch den Isolatorkörper 209 aus dem Druckbehälter 204 herausgeführt ist, mit dem Pluspol 210 der Gleichspannungsquelle 211 verbunden und somit als Anode 206 geschaltet. Im Inneren des Stützelements 202 ist eine stabförmige Elektrode 212 angeordnet, welche von zwei im Stützelement 201 bzw. Behälterdeckel 215 eigelassenen Isolatorstücken 213 und 214 gehalten wird und über eine Leitung 216 mit dem Minuspol 217 der Gleichspannungsquelle 211 verbunden und somit als Kathode 212 geschaltet ist. Durch den Behälterdeckel 215, welcher über eine lösbare Flanschverbindung 221 vom Restlichen Druckbehälter 204 abgenommen werden kann, führt ein Zulauf 218 in den Verfahrensraum 219 und ein Filtratablauf 220 vom Inneren des Stützelements 202 in eine nicht dargestellte Filtratablaufleitung.
Im Betrieb wird die mit der dispersen Phase, beispielsweise Xanthan, beladene Flüssigkeit durch den Zulauf 218 in den Verfahrensraum 219 im Inneren des Druckbehälters 204 gepumpt. Die nicht dargestellte Pumpe sorgt auch für die Druckdifferenz zwischen der Außenseite und der Innenseite des Stützelements 202, welche als treibendes Potential die Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit durch das Filtermedium 203 hindurch bewirkt. Die durch die Eintrittsöffnungen 201 des Stützelements 202 ins innere des Stützelements gelangte Flüssigkeit kann als Filtrat durch den Filtratablauf 220 ablaufen. Das zwischen den Elektroden 206 und 212 aufgebaute elektrische Feld bewirkt eine der Hauptbewegungsrichtung der Flüssigkeit entgegengerichtete Kraft auf die disperse Phase, so daß die Konzentration der dispersen Phase in der Nähe des Filtermediums 203 abgesenkt wird, was die die Filtrationsgeschwindigkeit erhöht und ein Verstopfen der Poren des Filtermediums 203 verhindert.

Claims (43)

1. Verfahren zur Abtrennung von Biopolymeren (3) aus einer Flüssigkeit (2), welches einen Filtrationsschritt aufweist,
wobei in dem Filtrationsschritt die Hauptbewegungsrichtung (4) der Flüssigkeit (2) durch eine zwischen den beiden Seiten eines Filtermediums (1, 112, 113, 114, 203) erzeugte Druckdifferenz hervorgerufen wird,
und in der Umgebung des Filtermediums (1, 112, 113, 114, 203) ein elektrisches Feld so angelegt wird, daß es eine entgegen der Hauptbewegungsrichtung (4) der Flüssigkeit (2) auf die Biopolymere (3) wirkende Kraft hervorruft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biopolymere (3) mindestens zu einem Anteil aus Polysacchariden bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polysaccharide mindestens zu einem Anteil aus Xanthan bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biopolymere (3) mindestens zu einem Anteil aus Polyhydroxibuttersäure bestehen.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) eine Membran eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran eine Ionentauschermembran eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) ein Filtergewebe eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) ein weitgehend starrer poröser Körper eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz größer ist als die Differenz zwischen dem atmosphärischen Druck der Umgebung und Vakuum.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch hydrostatischen Druck einer Flüssigkeitssäule erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz hydraulisch durch mindestens eine Pumpe (6) erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch Gasdifferenzdruck erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch radial aufgebauten hydrostatischen Druck in einem Zentrifugalfeld erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtrationsschritt in einem Apparat ausgeführt wird, welcher folgendes aufweist:
  • a) einen Behälter (104, 204), der einen Zulauf (134, 218) aufweist, durch welchen die mit den Biopolymeren (3) beladene Flüssigkeit (2) dem Behälter (104, 204) zuführbar ist,
  • b) mindestens ein mit einem Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) versehenes Stützelement (101, 102, 103, 202), welches in dem Behälter (104, 204) angeordnet ist und eine Außenseite und eine Innenseite sowie einen Filtratablauf (106, 107, 108, 220) aufweist, durch welchen Flüssigkeit (2) ablaufen kann, wobei zwischen der Außenseite und der Innenseite des Stützelements (101, 102, 103, 202) die Druckdifferenz erzeugbar ist, welche die Hauptbewegungsrichtung (4) der Flüssigkeit (2) von der Außenseite zur Innenseite durch das Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) festlegt,
  • c) mindestens zwei Elektroden (7, 8, 115, 116, 117, 122, 123, 124, 206, 212), welche so angeordnet sind, daß in der Umgebung des Filtermediums (1, 112, 113, 114, 203) durch Verbindung der Elektroden (7, 8, 115, 116, 117, 122, 123, 124, 206, 212) mit einer elektrischen Spannungsquelle (12, 121, 211) ein elektrisches Feld anlegbar ist, wodurch die entgegen der Hauptbewegungsrichtung (4) der Flüssigkeit (2) auf die Biopolymere (3) wirkende Kraft hervorrufbar ist.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtrationsschritt in einer mit mindestens zwei Elektroden (7, 8) ausgestatteten Filterpresse ausgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtrationsschritt in einem mit mindestens zwei Elektroden (7, 8) ausgestatteten Preßfilterautomat ausgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtrationsschritt in einer mit mindestens zwei Elektroden (7, 8) ausgestatteten Drucknutsche ausgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt aufweist, in welchem die Ionenkonzentration der Flüssigkeit (2) gesenkt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in welchem die Ionenkonzentration der Flüssigkeit (2) gesenkt wird, dem Filtrationsschritt vorgeschaltet ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in welchem die Ionenkonzentration der Flüssigkeit (2) gesenkt wird, im selben Verfahrensraum (9, 132, 219) wie der Filtrationsschritt ausgeführt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenkonzentration der Flüssigkeit (2) mit Hilfe eines Ionentauschers gesenkt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenkonzentration der Flüssigkeit (2) durch Dialyse oder Elektrodialyse gesenkt wird.
23. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen des elektrischen Feldes und das Erzeugen der Druckdifferenz nacheinander erfolgen.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlegen des elektrischen Feldes und das Erzeugen der Druckdifferenz gleichzeitig erfolgen.
25. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (2) neben den Biopolymeren (3) zusätzlich partikuläre Bestandteile enthält.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen partikulären Bestandteile während des Filtrationsschritts aus der Flüssigkeit (2) mit abgetrennt werden.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen partikulären Bestandteile vor dem Filtrationsschritt aus der Flüssigkeit (2) abgetrennt werden.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung der zusätzlichen partikulären Bestandteile durch Zentrifugation erfolgt.
29. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) zwischen mindestens einem Elektrodenpaar (7/8, 115/122, 116/123, 117/124, 206/212), bestehend aus Anode (8, 122, 123, 124, 206) und Kathode (7, 115, 116, 117, 212) angeordnet ist.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte Anode (8, 122, 123, 124, 206) zumindest teilweise aus einer Nickelbasislegierung besteht.
31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte Anode (8, 122, 123, 124, 206) zumindest teilweise aus Graphit besteht.
32. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte Anode (8, 122, 123, 124, 206) zumindest teilweise aus Platin besteht.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und als Elektrode (7) verwendet wird.
34. Filterapparat zur Abtrennung einer dispersen Phase, insbesondere von Biopolymeren (3), aus einer Flüssigkeit (2), welcher folgendes aufweist:
  • a) einen Behälter (104, 204), der einen Zulauf (134, 218) aufweist, durch welchen die mit der dispersen Phase beladene Flüssigkeit (2) dem Behälter (104, 204) zuführbar ist,
  • b) mindestens ein mit einem Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) versehenes Stützelement (101, 102, 103, 202), welches in dem Behälter (104, 204) angeordnet ist und eine Außenseite und eine Innenseite sowie einen Filtratablauf (106, 107, 108, 220) aufweist, durch welchen Flüssigkeit (2) ablaufen kann, wobei zwischen der Außenseite und der Innenseite des Stützelements (101, 102, 103, 202) eine Druckdifferenz erzeugbar ist, welche eine Hauptbewegungsrichtung (4) der Flüssigkeit (2) von der Außenseite zur Innenseite durch das Filtermedium (1, 112, 113, 114, 203) festlegt,
  • c) mindestens zwei Elektroden (7, 8, 115, 116, 117, 122, 123, 124, 206, 212), welche so angeordnet sind, daß in der Umgebung des Filtermediums (1, 112, 113, 114, 203) durch Verbindung der Elektroden (7, 8, 115, 116, 117, 122, 123, 124, 206, 212) mit einer elektrischen Spannungsquelle (12, 121, 211) ein elektrisches Feld anlegbar ist, wodurch eine entgegen der Hauptbewegungsrichtung (4) der Flüssigkeit (2) auf die disperse Phase wirkende Kraft hervorrufbar ist.
35. Filterapparat nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (202) prismenförmig ist und das Filtermedium (1, 203) die Mantelfläche des Stützelements (202) zumindest teilweise bedeckt.
36. Filterapparat nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (202) zylinderförmig ist, und das Filtermedium (1, 203) die Mantelfläche des Stützelements (202) zumindest teilweise bedeckt.
37. Filterapparat nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode (206) ringförmig um das Stützelement (202) angeordnet ist.
38. Filterapparat nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (101, 102, 103) platten-, scheiben- oder tellerförmig ausgeführt ist und zwei Stirnflächen aufweist, und das Filtermedium (1, 112, 113, 114) mindestens eine der beiden Stirnflächen zumindest teilweise bedeckt.
39. Filterapparat nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (101, 102, 103) horizontal angeordnet ist.
40. Filterapparat nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (101, 102, 103) vertikal angeordnet ist.
41. Filterapparat nach einem der Ansprüche 34 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode in das Stützelement (101, 102, 103, 202) integriert ist.
42. Filterapparat nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode (122) ebenfalls platten-, scheiben- oder tellerförmig ausgeführt ist.
43. Filterapparat nach einem der Ansprüche 34 bis 42, daß der Filterapparat mehrere parallelgeschaltete Stützelemente (101, 102, 103) aufweist.
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