DE102005040520A1

DE102005040520A1 - Crossflow-Filtermodul mit Einrichtung zur Erzeugung von Druckschwankungen

Info

Publication number: DE102005040520A1
Application number: DE102005040520A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kammerloher
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Crossflow-Filtermodul sowie ein Verfahren insbesondere zur Filtration von mit Proteinen oder Polysacchariden beladenen Flüssigkeiten mit mindestens einer Crossflow-Membranfilterkerze, die mindestens einen Kanal aufweist, durch den Unfiltrat strömt, wobei Filtrat quer zum Unfiltratstrom durch die Membranfilterkerze abgezogen wird. Um die Standzeit eines solchen Crossflow-Filtermoduls zu verbessern, wird in dem mindestens einem Kanal der mindestens einen Membranfilterkerze während der Filtration in periodischen Abständen eine Druckschwankung erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Crossflow-Filtermodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Der Einsatz von Kieselgur zur Bierklärung wird heute zunehmend als problematisch betrachtet. Aufgrund der Entsorgungsproblematik von Kieselgur sowie der Toxizität von Kieselgurstaub wird nach Alternativen zur herkömmlichen Bierfiltration mit Anschwemmfiltern gesucht. Im Bereich der Lebensmitteltechnologie wird auch zur Klärung anderer mit Proteinen oder Polysacchariden beladenen Flüssigkeiten nach geeigneten Filtrationsmöglichkeiten gesucht. Eine mögliche Lösung ist das sogenannte Crossflow-Mikrofiltrationsverfahren, bei dem beispielsweise Unfiltrat durch eine Membranfilterkerze geleitet wird. Das Unfiltrat durchströmt die Filterkerze in Längsrichtung, wobei quer zum Unfiltratstrom das Unfiltrat durch die Membranfilterkerze permeiert. Die Filterkerzen können dabei Kunststoffmembranfilterkerzen, Keramikmembranfilterkerzen oder aber Metallsinterfilterkerzen sein. Zur Steigerung der Filtrationsleistung können mehrere Membranfilterkerzen in einem Modul mit Filterflächen bis zu 10 m² oder mehrzusammengefasst werden.

Die Hauptschwierigkeit beim Betrieb von derartigen Filteranlagen ist die Reinigungsproblematik und die damit verbundene kurze Standzeit der Anlage. Insbesondere bei der Filtration von mit Proteinen oder Polysacchariden beladenen Flüssigkeiten (z. B. Bier, Säfte, Wein) bildet sich auf der Membranoberfläche eine Deckschicht aus, die mit Hilfe der Überströmgeschwindigkeit abgetragen und somit durch die Strömungsform kontrolliert wird. Durch die oben genannten Inhaltsstoffe in Bier, Säften oder Wein (Proteine, Beta-Glucan) kommt es zu einer Verstopfung bzw. Verblockung der Poren der Filterkerze, wodurch der Fluss durch die Filterkerze sinkt. Um den Membranfluss in einem optimalen Bereich, auf jeden Fall aber über einem minimalen Wert zu halten, muss die Membranfilterkerze in wiederkehrenden Zyklen gereinigt werden. Hierzu kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Die angewendeten Verfahren reichen von Rückspülen, Richtungswechsel des Flusses bis hin zur Komplettreinigung der Anlage einschließlich der Membrane mit Säuren, Laugen und speziellen Additiven. Gerade aber Kunststoffmembrane werden durch aggressive Reinigungsmittel bleibend geschädigt. Es tritt eine Versprödung des Materials auf, welche die Membranlebenszeit erheblich verkürzt, wobei insbesondere Membranbrüche durch die Wechselbelastung des Rückspülens begünstigt werden. Somit sinkt die Standzeit der Anlage. Der Reinigung ist darüber hinaus bei handelsüblichen Kunststoffmembranen materialbedingt ein Temperaturmaximum von ca. 50 bis 60° gesetzt, welches optimale Heißreinigung durch Lauge verhindert. Ebenso existieren Limits von maximaler Druckbelastung (in der Regel zwischen 10 und 20 bar). Weitere Ansätze zur Lösung der Reinigungsproblematik sind neben der Rückspültechnik und Reinigungsmitteln Enzymeinsatz sowie Ultraschall. Jedoch ist der Enzymeinsatz zur Fällung der Hauptkomponenten, welche die Verblockung verursachen, zur Herstellung von Bier durch das Reinheitsgebot verboten und auch der Einsatz von Ultraschall führt teilweise zu einer Verblockung der Filterkerzen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Crossflow-Filtermodul bzw. ein Verfahren insbesondere zur Filtration von mit Proteinen oder Polysacchariden beladenen Flüssigkeiten bereitzustellen, die eine erhöhte Standzeit des Moduls bzw. der Membranfilterkerzen ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung in dem mindestens einen Kanal der Crossflow-Membranfilterkerze während der Filtration in periodischen Abständen Druckschwankungen erzeugt werden, wobei im Bereich des Unfiltratzulaufs vor der mindestens einen Crossflow-Membranfilterkerze eine Einrichtung zur Erzeugung von Druckschwankungen bzw. Volumenschwankungen (V bzw. V .-Schwankungen) vorgesehen ist, kann der Deckschichtaufbau in den Kanälen vermindert werden bzw. eine bereits ausgebildete Deckschicht abgetragen werden. Somit kann die Standzeit des Crossflow-Filtermoduls erheblich erhöht werden. Die Einrichtung zur Erzeugung von Druckschwankungen kann auch nach der mindestens einen Filterkerze im Unfiltratstrom angeordnet sein woraus ein Druckstoß resultiert. Da jedoch hier der transmembrane Druck kurzzeitig sehr hoch ist, ist die Anordnung vor den Filterkerzen vorzuziehen.

In vorteilhafter Weise ist die Einrichtung derart ausgebildet, dass sie den mindestens einen Kanaleingang der jeweiligen Membranfilterkerze im Wechsel abdeckt und öffnet. Durch einfaches Abdecken und Öffnen der Kanaleingänge kann auf einfache Art und Weise eine effektive Druckschwankung bzw. Volumenschwankung (V .-Schwankung) erzeugt werden.

In vorteilhafter Weise weist dabei die Einrichtung mindestens eine um die Mittelachse des Filtermoduls rotierende Schaufel oder Lochscheibe auf. Eine derartige rotierende Schaufel oder Lochscheibe ist einfach und kostengünstig zu realisieren. Durch Einstellen der Rotationsgeschwindigkeit kann auf einfache Art und Weise der Deckschichtaufbau bzw. die Deckschichtabtragung reguliert werden. Vorteilhafterweise bewegt sich die Schaufel mit einer Geschwindigkeit von 0.01 bis 1 U/min. Bei entsprechender Ausbildung der Schaufelradform oder auch der Lochscheibe kann eine Drehung durch Selbstantrieb erfolgen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt die
1 einen Längsschnitt durch ein Crossflow-Filtermodul mit einer Crossflow-Membranfilterkerze,
2 einen Schnitt entlang der Linie I-I der 1,
3 eine Vorderansicht des in 1 gezeigten Crossflow-Filtermoduls,
4 die Vorderansicht eines Crossflow-Filtermoduls gemäß der vorliegenden Erfindung mit mehreren Crossflow-Membranfilterkerzen,
5 eine perspektivische Darstellung des in 4 gezeigten Crossflow-Filtermoduls.
1 bis 3 zeigen schematisch ein Filtermodul 10 und dessen Funktionsweise mit nur einer Multitube-Membranfilterkerze 1. Das Filtermodul 10 weist hier ein Druckgehäuse 7 auf, das eine Membranfilterkerze umfasst, die im Crossflow von Unfiltrat U, d. h. hier von ungefiltertem Bier oder anderen mit Proteinen oder Polysacchariden beladenen Flüssigkeiten (Saft, Wein, Milch) durchströmt wird. Zwischen der Membranfilterkerze 1 und dem Druckbehälter 7 bildet sich ein Filtratraum 8 aus. Die Multimembranfilterkerze 1 weist, wie aus 2 näher hervorgeht, mehrere Kanäle 11 auf, die sich in Längsrichtung durch die Filterkerze 1 erstrecken. Der Kanaldurchmesser liegt in einem Bereich von 0,5 bis 10 mm. Der Durchmesser der Filterkerze 1 liegt in einem Bereich von 1 bis 52 mm. Die Filterkerze 1 kann aus Kunststoff ausgebildet sein, beispielsweise aus Polysulfon, Polysulfonamiden, Polyurethan und vergleichbaren Polymeren. Die Filterkerze kann jedoch auch aus keramischem Material wie beispielsweise Al₂O₃ ausgebildet sein. Auf der Röhreninnenseite kann darüber hinaus eine wenige Mikrometer starke Membranschicht, z. B. aus Al₂O₃, ZrO₂, TeO₂ angeordnet sein. Die Porengröße zur Filtration beträgt bei der Bierfiltration beispielsweise 0,4 bis 0,8 μm. Die Filterkerzenlänge liegt z.B. in einem Bereich von 500 bis 1200 mm. Bei der Filtration wird Unfiltrat U in die Kanäle 11 der Filterkerze 1 durch den Unfiltrateinlass 2 gepumpt, tritt quer durch die Filterkerze 1 und verlässt die Oberfläche der Filterkerze 1 als Filtrat und tritt in den Filtratraum 8, wo das Filtrat F über den Filtratauslass 4 abgezogen werden kann. Das Unfiltrat U, das durch die Kanäle 11 fließt, verlässt das Modul 10 an seinem Unfiltratauslass 3.
Auch wenn hier der Einfachheit halber nur eine Filterkerze 1 gezeigt ist, können selbstverständlich mehrere Membranfilterkerzen parallel zueinander angeordnet sein, wie später auch unter Bezugnahme der 4 und 5 erläutert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist nun, wie aus 3 ersichtlich ist, das Crossflow-Filtermodul 10 an seiner Vorderseite, d. h. im Bereich des Unfiltratzulaufs 2 vor der Membranfilterkerze 1 eine Einrichtung 5 auf, die Druckschwankungen in den Kanälen 11 erzeugt. Hier ist die Einrichtung 5 z. B. aus einer rotierenden Schaufel 5 gebildet, die sich um die Mittelachse L des Crossflow-Filtermoduls wie durch den Pfeil in 3 dargestellt ist, dreht. Bei der Drehung deckt die Schaufel die Kanaleingänge periodisch ab. Der Abstand zwischen der Schaufel 5 und den Kanaleingängen liegt in einem Bereich von 0.01 bis 5 mm. Auch wenn in 3 nur eine Schaufel gezeigt ist, so können auch mehrere sich im Wesentlichen radial erstreckende Schaufeln 5 vorgesehen sein, die sich gemeinsam um die Mittelachse des Crossflow-Filtermoduls 10 dre hen. Das Material der Schaufel ist beispielsweise Edelstahl, PTFE. Wie bereits erwähnt, kann durch das Abdecken und Öffnen der Kanaleingänge eine Druckschwankung d.h. Volumenschwankung(V .) bis hin zu einem Rückströmen bewirkt werden, die den Deckschichtaufbau in den Kanälen vermindert bzw. zu einem Deckschichtabtrag führen kann. Die Umlaufgeschwindigkeit der Schaufel liegt in einem Bereich von 0.01 bis 1 U/min. Die Druckschwankungen werden vorzugsweise während der Filtration erzeugt. Durch geeignete Schaufelradform kann ein Antrieb auch lediglich durch die anliegende Strömungsgeschwindigkeit erzeugt werden.
Wie aus 3 hervorgeht kann anstelle der Schaufel auch eine Lochscheibe verwendet werden, die sich wie die Schaufel um die Mittelachse L dreht und die die Kanaleingänge bei Drehung periodisch abdeckt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Crossflow-Filtermodul 10 jedoch mehrere Membranfilterkerzen 1, wie aus 4 und 5 hervorgeht. Der Aufbau einer solchen Anordnung entspricht im Wesentlichen dem Aufbau, wie er in Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass im Druckbehälter 7 mehrere Multitube-Membranfilterkerzen, z. B. 7 bis 19 Stück parallel zueinander angeordnet sind. In der 4 ist auf der Vorderseite eine Abdeckplatte 12 zu erkennen, die über eine Befestigungseinrichtung 13 an den rohrförmigen Druckbehälter befestigt, hier angeflanscht ist. Über die Flansche 14 können die Module 10 mit entsprechenden Rohrleitungen oder anderen Modulen verbunden werden. (Mehrfachmodule) An der Vorderseite des Moduls 10 ist, wie aus 4 und 5 hervorgeht, in ähnlicher Weise wie in 3 gezeigt eine Einrichtung 5 in Form einer rotierenden Schaufel vorgesehen, um Druckschwankungen in den Kanälen 11 der Filterkerzen 1 zu erzeugen. Die Schaufel 5 rotiert dabei wie durch den Pfeil in 4 dargestellt ist um die Mittelachse des Filtermoduls und deckt wie in Zusammenhang mit 3 beschrieben im Wechsel periodisch die Kanaleingänge ab und legt sie wieder frei.
Wie zuvor beschrieben kann anstelle der Schaufel auch eine Lochscheibe verwendet werden.
Die Einrichtung 5, d. h. hier z.B. die rotierende Schaufel 5, kann auch (anstatt Selbstantrieb) über eine nicht dargestellte Antriebseinrichtung über eine entsprechende Antriebswelle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Wie auch in Zusammenhang mit 3 beschrieben, deckt hier die Schaufel 5 die Kanalöffnungen periodisch zur Erzeugung von Druckschwankungen ab. Auch hier können selbstverständlich mehrere Schaufeln vorgesehen sein, die sich in Radialrichtung erstrecken, in Axialrichtung durchströmt werden und sich in Pfeilrichtung wie in 4 dargestellt drehen.

Claims

Crossflow-Filtermodul insbesondere zur Filtration von mit Proteinen, Polysacchariden und oder mit Gärungsmikroorganismen wie Hefe beladenen Flüssigkeiten mit einem Gehäuse (7), das einen Unfiltratzulauf (2), einen Unfiltratablauf (3) sowie einen Filtratablauf (4) aufweist, wobei in dem Gehäuse (7) mindestens eine Crossflow-Membranfilterkerze (1) angeordnet ist, die mindestens einen Kanal (11) aufweist, durch den das Unfiltrat (U) strömt, wobei das Filtrat (F) quer zum Unfiltratstrom durch die Membranfilterkerze abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Unfiltratzulaufs vor oder nach der mindestens einen Crossflow-Membranfilterkerze (1) eine Einrichtung (5) zur Erzeugung von periodischen Druckschwankungen in dem mindestens einen Kanal (11) angeordnet ist.
Crossflow-Filtermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (5) derart ausgebildet ist, dass sie den mindestens einen Kanaleingang, der jeweiligen Membranfilterkerze (1) im Wechsel abdeckt und öffnet.
Crossflow-Filtermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (5) mindestens eine um die Mittelachse (L) des Filtermoduls rotierende Schaufel (5) oder Lochscheibe umfasst.
Verfahren zur Filtration insbesondere von mit Proteinen oder Polysacchariden beladenen Flüssigkeiten mit mindestens einer Crossflow-Membranfilterkerze (1), die mindestens einen Kanal (11) aufweist, durch den Unfiltrat (U) strömt, wobei Filtrat (F) quer zum Unfiltratstrom durch die Membranfilterkerze (1) abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Kanal (11) der mindestens einen Membranfilterkerze (1) während der Filtration in periodischen Abständen Druckschwankungen bzw. Volumenschwankungen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen durch Abdecken und Öffnen des Kanaleingangs erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen durch eine rotierende Schaufel oder Lochscheibe erzeugt werden, die wechselnd den mindestens einen Kanaleingang abdeckt und öffnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaufel (5) mit einer Geschwindigkeit von 0,01–1 U/min dreht.