DE102006040451A1

DE102006040451A1 - Membranmodulanordnung und Membranverfahren

Info

Publication number: DE102006040451A1
Application number: DE102006040451A
Authority: DE
Inventors: Christian Pflieger; Johannes Prof. Dr. Briesovsky
Original assignee: Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV
Current assignee: Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2008-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranmodulanordnung mit mindestens einem Membranmodul (1), durch das ein Fluid während eines Membranverfahrens strömt, mindestens einem Energiespeicher (38, 39), der mit dem Fluid ein Schwingungssystem bildet, und mindestens einer Schwingungsquelle (381) zur Erzeugung einer Schwingung in dem Schwingungssystem. Erfindungsgemäß weist die von der Schwingungsquelle erzeugte Schwingung eine Frequenz auf, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems entspricht. Die Erfindung betrifft ferner ein Membranverfahren, bei dem eine Schwingung, die in einem Schwingungssystem erzeugt wird, eine Frequenz aufweist, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems entspricht, wobei das Schwingungssystem aus mindestens einem Fluid, an und/oder mit welchem das Membranverfahren durchgeführt wird, und mindestens einem Energiespeicher (381) gebildet wird, und wobei die Schwingung bei dem Membranverfahren zur Vermeidung oder Reduktion von Ablagerungen und ggf. Konzentrationspolarisationseffekten und/oder Temperaturpolarisationseffekten an mindestens einer Membran dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranmodulanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Membranverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Membranmodulanordnungen zur Durchführung von Membranverfahren bekannt. Als Membranverfahren sollen hier insbesondere die Methoden der Ultrafiltration, der Nanofiltration, der Mikrofiltration, der Umkehrosmose, der Elektrodialyse, der Pervaporation, der Gaspermeation und die Methoden unter Verwendung von Membrankontaktoren verstanden werden.
In den Membranmodulanordnungen des Stands der Technik werden verschiedene Membranmodule, wie beispielsweise Platten-, Wickel-, Kissen-, Rohr- und Hohlfasermodule eingesetzt. Die Membranmodule können dabei Membranen aus unterschiedlichen Materialien aufweisen.
In der Membrantechnik wird generell das Ziel verfolgt, die Bildung von Deckschichten auf den eingesetzten Membranen zu verringern oder zu vermeiden, um so eine Erniedrigung des Permeatflusses durch die Ausbildung einer Deckschicht zu umgehen.
Die Verringerung der Deckschichtbildung kann beispielsweise durch mechanische Kräfte, wie beispielsweise einen Rührer, der Bewegungen auf einer Membran ausführt oder durch eine anders geartete Erhöhung der Überströmungsgeschwindigkeit der Membran erreicht werden.
Nachteilig hieran sind einerseits der Einsatz mechanischer Bauteile und andererseits der hohe Energieaufwand, der zu einer Erhöhung der Überströmungsgeschwindigkeit notwendig ist. Eine weitere Methode zur Verringerung der Deckschichtbildung ist die Durchführung periodischer Spülungen, mittels derer die Deckschichten von der Membran abgetragen werden. Bei diesen periodischen Spülungen wird vorzugsweise permeatseitig mit Gas-Luft-Gemischen oder mit Permeat selbst oder einer Spüllösung rückgespült, das heißt die Flussrichtung wird umgekehrt. Es ist auch bekannt, auf der Seite des Zuflusses eine Luft-Wasser-Spülung durchzuführen, um eine Deckschichtbildung zu verringern.
Mit jedem zusätzlichen Spülvorgang und jeder Erhöhung der Überströmungsgeschwindigkeit wird jedoch eine Pumpenleistung erforderlich. Dies ist mit einem hohen Energieaufwand verbunden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membranmodulanordnung und ein Membranverfahren zu schaffen, bei denen der Permeatfluss durch eine Membran hindurch energieeffizient auf einem hohen Niveau gehalten wird.
Diese Aufgabe wird mit einer Membranmodulanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine solche Membranmodulanordnung weist mindestens ein Membranmodul auf und ist zur Durchführung eines Membranverfahrens geeignet. Das Membranverfahren wird dabei an mindestens einem Fluid durchgeführt, das das Membranmodul durchströmt. Eine erfindungsgemäße Membranmodulanordnung weist mindestens einen Energiespeicher, der mit dem Fluid ein Schwingungssystem bildet, und mindestens eine Schwingungsquelle, die zur Erzeugung einer Schwingung in dem Schwingungssystem geeignet ist, auf. Die in dem Schwingungssystem erzeugte Schwingung ist pulsierend oder periodisch und weist erfindungsgemäß eine Frequenz auf, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems entspricht. Dies hat den Vorteil, dass nur verhältnismäßig wenig Energie aufgebracht werden muss, um das System in Schwingung zu erhalten. Würde nicht zumindest nahe bei der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems, sondern bei einer erzwungenen Schwingungsfrequenz gearbeitet werden, wäre der Energieaufwand um ein Vielfaches größer.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Energiespeicher um eine definierte Menge an Gas, die als Gaspolster wirkt. Ein Gas hat gegenüber einer Membran als Energiespeicher den Vorteil, dass die Resonanzfrequenz eines Schwingungssystems, dessen Teil der Energiespeicher ist, deutlich niedriger ist. Damit sinkt auch der Energieaufwand, der zum Erreichen der Resonanzfrequenz notwendigerweise in das System eingebracht werden muss.
In einer Variante der Erfindung weist die Membranmodulanordnung einen ersten Energiespeicher und einen zweiten Energiespeicher auf. Der erste Energiespeicher ist dabei auf einer Einlassseite des Membranmoduls angeordnet und der zweite Energiespeicher auf einer Auslassseite des Membranmoduls. Als Einlassseite soll hier die Seite bezeichnet werden, an der das Fluid, an welchem ein Membranverfahren durchgeführt werden soll, in das Modul eingebracht wird. Die Auslassseite des Membranmoduls ist dementsprechend die Seite, an dem zumindest Teile des Fluids das Membranmodul wieder verlassen.
Bevorzugt ist die Membranmodulanordnung derart ausgestaltet, dass die Schwingungsquelle Druckimpulse erzeugt, welche direkt auf den Energiespeicher ausgeübt werden. Der Energiespeicher kann die auf ihn ausgeübten Druckimpulse dann auf das Fluid, mit dem der Energiespeicher das Schwingungssystem bildet, weiter leiten.
Um die Verwendung einer zusätzlichen Schwingungsquelle zu umgehen, kann auch ein rotierendes Einlassventil als Schwingungsquelle verwandt werden. In diesem Fall wird die Schwingung nicht im Energiespeicher, sondern direkt und unmittelbar im Fluid erzeugt.
Das Membranmodul weist vorzugsweise einen ersten Bereich auf, in den das Fluid, an welchem das Membranverfahren durchgeführt werden soll, als Zufluss eingebracht wird, und einen zweiten Bereich, aus welchem zumindest ein Teil des Fluids, an dem das Membranverfahren durchgeführt wurde, als Permeat austritt.
Das Membranmodul der erfindungsgemäßen Membranmodulanordnung ist dabei vorzugsweise ein Rohr-/Hohlfasermodul oder ein Kissenmodul. In diesem Fall ist der erste Bereich ein Lumen des Membranmoduls und der zweite Bereich ein Mantelraum des Membranmoduls. Das heißt, dass das zu behandelnde Fluid in das Lumen des Moduls eingebracht wird und als Permeat aus dem Mantelraum des Moduls austritt. In dem Membranmodul ist mindestens eine Membran angeordnet, die aus den standardmäßig verwendeten Membranen ausgewählt ist. Das Membranmodul gibt keine Einschränkungen des zu verwendenden Membranmaterials vor. So können beispielsweise Membranen aus den verschiedensten anorganischen oder organischen Materialien Anwendung finden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Membranmodulanordnung derart ausgestaltet, dass die Schwingung durch die Schwingungsquelle im Zufluss und/oder im Permeat erzeugt wird. Dabei ist sowohl eine direkte, unmittelbare als auch eine indirekte, mittelbare Schwingungserzeugung denkbar. Eine direkte Schwingungserzeugung wäre dabei eine Erzeugung der Schwingung im zu behandelnden oder bereits behandelten Fluid, eine indirekte Schwingungserzeugung eine Erzeugung in dem an das Fluid angekoppelten Energiespeicher.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Membranmodulanordnung eine Vorrichtung auf, die dazu geeignet ist, den Zufluss und/oder das Permeat in einen Haupt- und einen Nebenanteil aufzutrennen. Diese Auftrennung findet außerhalb des Membranmoduls statt. Wird der Zufluss aufgetrennt, findet die Auftrennung folglich vor dem Membranmodul statt, wird hingegen das Permeat aufgetrennt, findet diese Auftrennung nach dem Membranmodul statt. Bei einer Auftrennung des Fluids in einen Haupt- und einen Nebenanteil wird die Schwingung vorzugsweise in dem Nebenanteil des Fluids erzeugt.
Als Vorrichtung zur Auftrennung des Fluids und/oder des Permeats kann beispielsweise eine rotierende Armatur in Form eines Küken- oder Kugelhahns verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass mit einer solchen rotierenden Armatur gleichzeitig ein pulsierender Fluidstrom realisiert werden kann.
Der Hauptanteil umfasst dabei vorzugsweise 70-80 % des gesamten Zuflusses bzw. des gesamten Permeats und der Nebenanteil dementsprechend 30-20 % des Zuflusses und/oder des Permeats.
Um eine Abweichung der Schwingungsfrequenz des Schwingungssystems von der Resonanzfrequenz zu vermeiden, weist die Membranmodulanordnung vorzugsweise einen Sensor und eine Steuerungseinheit auf, die so miteinander zusammenwirken, dass eine Frequenzabweichung von der Resonanzfrequenz im Schwingungssystem möglichst gering gehalten wird. Die Steuerungseinheit wirkt dabei direkt auf die Schwingungsquelle, welche für die Erzeugung der Schwingung verantwortlich ist, ein. Durch die Verwendung eines solchen Sensors und einer solchen Steuerungseinheit kann ein unnötiger Energieeintrag in das Schwingungssystem vermieden werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Membranverfahren, das an oder mit mindestens einem Fluid durchgeführt wird, mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Demnach weist eine Schwingung, welche in einem Schwingungssystem, das aus mindestens einem Energiespeicher und dem Fluid gebildet wird, erzeugt wird, eine Frequenz auf, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems entspricht. Diese Schwingung wird erfindungsgemäß dazu eingesetzt, die Bildung von Deckschichten auf einer Membran, die von dem Fluid durchströmt werden soll, zu vermeiden oder zu verringern. Die Deckschichten können dabei aus Stoffen, die im zu behandelnden Fluid enthalten sind, bestehen. Ohne gesonderte Maßnahmen lagern sich solche Stoffe regelmäßig auf einer Membran, die in einem Membranverfahren eingesetzt wird, ab.
Vorzugsweise wird das Membranverfahren so ausgestaltet, dass die Schwingung nicht nur zur Vermeidung oder zur Verringerung von Ablagerungen eingesetzt wird, sondern auch zur Reduktion und/oder Vermeidung einer Konzentrationspolarisation im Zufluss und/oder im Permeat. Solche Konzentrationspolarisationen können mit dafür verantwortlich sein, dass der Permeatfluss im Laufe eines Membranverfahrens immer niedriger wird.
Durch die erfindungsgemäße Schwingung mit der Resonanzfrequenz des Systems wird eine Temperaturpolarisation gemindert oder unterbunden. Dies kann dazu genutzt werden, den Wärmeübergang an den Membranen, die im Membranmodul angeordnet sind, zu erhöhen. Dies ist insbesondere bei den Verfahren der Pervaporation und der Gaspermeation von Vorteil.
Als besonders bevorzugte erfindungsgemäße Membranverfahren kommen die Verfahren der Filtration, insbesondere eine Ultrafiltration, eine Nanofiltration, eine Mikrofiltration und/oder eine Umkehrosmose, der Pervaporation und der Gaspermeation sowie ein Einsatz bei der Verwendung von Membrankontaktoren in Betracht.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membranmodulanordnung.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Membranmodulanordnung mit einem Hohlfasermodul 1 als Membranmodul, welches eine Mantelseite und eine Lumenseite aufweist. An die Mantelseite des Hohlfasermoduls 1 ist ein erster Fluidkreislauf 2 angeschlossen. An die Lumenseite des Hohlfasermoduls 1 ist ein zweiter Fluidkreislauf 3 angeschlossen. Der erste Fluidkreislauf 2 weist einen ersten Fluidbehälter 20 auf, in dem das Fluid, welches einem Membranverfahren unterzogen werden soll, enthalten ist. Eine erste Pumpe 21 pumpt das Fluid aus dem ersten Fluidbehälter 20 durch den ersten Fluidkreislauf 2 in den Mantelraum des Hohlfasermoduls 1. Dabei überwachen ein erster Drucksensor 22 und ein zweiter Drucksensor 23 den Druck im ersten Fluidkreislauf 2 sowohl vor Eintritt des Fluids in den Mantelraum des Hohlfasermoduls 1 als auch nach Austritt des Fluids aus dem Mantelraum des Hohlfasermoduls 1.
Im zweiten Fluidkreislauf 3 ist ein zweiter Fluidbehälter 30 zur Aufnahme eines zweiten Fluids angeordnet. Mittels einer zweiten Pumpe 31 kann das zweite Fluid dabei aus dem zweiten Fluidbehälter 30 heraus durch das Lumen des Hohlfasermoduls 1 gepumpt werden. Mittels eines dritten Drucksensors 32 kann der Druck im zweiten Fluidkreislauf 3 dabei vor Eintritt des zweiten Fluids in das Lumen des Hohlfasermoduls 1 bestimmt werden. Ein vierter Drucksensor kann zur Bestimmung des Drucks in dem zweiten Fluidkreislauf 3 nach Austritt des zweiten Fluids aus dem Lumen des Hohlfasermoduls 1 herangezogen werden. An dem zweiten Fluidbehälter 30 sind ein pH-Sensor 34 und ein Temperatursensor 35 angeschlossen, um den pH-Wert und die Temperatur des zweiten Fluids in dem zweiten Fluidbehälter 30 zu bestimmen.
Mit dem zweiten Fluidbehälter 30 steht eine weitere Leitung 4 in Strömungsverbindung, über die mittels einer dritten Pumpe 41 eine Probe aus dem zweiten Fluidbehälter 30 entnommen werden kann. Diese Probe wird über die weitere Leitung 4 zu einer HPLC-Anlage 42 transportiert, mittels derer sie nach Bedarf analysiert werden kann. Statt einer HPLC-Anlage 42 kann auch eine andere Analysenvorrichtung verwendet werden.
In den zweiten Fluidkreislauf 3 sind über ein erstes Ventil 36 und ein zweites Ventil 37 ein erstes Pulsationsgefäß 38 und ein zweites Pulsationsgefäß 39 eingekoppelt. Dabei befindet sich das erste Pulsationsgefäß 38 am Eingang des Hohlfasermoduls 1 und das zweite Pulsationsgefäß 39 am Ausgang des Hohlfasermoduls 1. Durch diese Anordnung der Pulsationsgefäße 38, 39 nahe am Eingang bzw. am Ausgang des Hohlfasermoduls 1 werden zusätzlich entstehende Druckverluste, wie sie etwa bei der Verwendung langer Zuführungsleitungen beobachtet werden, vermieden. Ebenfalls zur Vermeidung von Druckverlusten weisen die Pulsationsgefäße 38, 39 einen hinreichend großen Rohrleitungsdurchmesser auf.
Die Einkopplung des ersten Pulsationsgefäßes in den zweiten Fluidkreislauf 3 erfolgt mit Hilfe einer ersten Verbindungsleitung 380, die mit dem zweiten Fluidkreislauf 3 in Strömungsverbindung steht. Die Einkopplung des zweiten Pulsationsgefäßes 39 erfolgt gleichermaßen über eine zweite Verbindungsleitung 390, die ebenfalls mit dem zweiten Fluidkreislauf 3 in Strömungsverbindung steht.
An dem ersten Pulsationsgefäß 38 ist ferner ein Pulsator 381, der beispielsweise als beweglicher Kolben oder als Vorrichtung zur Erzeugung eines kurzzeitigen Druckluftimpulses ausgeführt sein kann, angeordnet.
Wird der Pulsator 381 nun in Aktion versetzt, komprimiert er entsprechend seiner Bewegung oder entsprechend dem von ihm aufgebrachten Druckluftimplus das in dem ersten Pulsationsgefäß 38 enthaltene Gas. Sofern das erste Ventil 36 und das zweite Ventil 37 derart geschaltet sind, dass die erste Verbindungsleitung 380 und die zweite Verbindungsleitung 390 in Strömungsverbindung mit dem zweiten Fluidkreislauf 3 stehen, überträgt sich die Schwingung des Gases in dem ersten Pulsationsgefäß 38 auf das Fluid, das im zweiten Fluidkreislauf 3 zirkuliert, und auf das Gas, welches im zweiten Pulsationsgefäß 39 enthalten ist.
Durch die Einstellung einer geeigneten Pulsationsfrequenz des Pulsators 381 wird nun im Schwingungssystem bestehend aus dem Fluid im zweiten Fluidkreislauf und dem Gas im ersten Pulsationsgefäß 38 und im zweiten Pulsationsgefäß 39 eine Schwingung erzeugt, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz dieses Schwingungssystems entspricht.
Während der Schwingung wird ein Großteil der kinetischen Energie des schwingenden Fluids bei jeder Halbschwingung im Gaspolster jeweils eines Pulsationsgefäßes 38 oder 39 als Druckanstieg gespeichert und anschließend wieder durch Expansion des Gases als Impuls an das Fluid abgegeben.
Mit dieser resonanten Schwingung werden Ablagerungen von Substanzen, die im Fluid des zweiten Fluidkreislaufs 3 enthalten sind, auf der Lumenseite des Hohlfasermoduls 1 verhindert oder verringert. Dadurch kann das erste Fluid aus dem ersten Fluidkreislauf 2 einfacher und schneller aus dem Mantelraum des Hohlfasermoduls 1 durch die im Hohlfasermodul 1 enthaltenen Membranen in den Lumenraum des Hohlfasermoduls 1 eindringen und auch wieder zurück in den Mantelraum gelangen.
Im Vergleich zu einer Membranmodulanordnung, bei der keine Schwingungen im Fluid ausgeübt werden, wird bei der Durchführung eines Membranextraktionsverfahrens in einer erfindungsgemäßen Membranmodulanordnung bis zum Erreichen des Verteilungsgleichgewichts im Membranextraktionssystem nur ca. ein Drittel der Zeit benötigt.
Die in der 1 dargestellte Ausführungsvariante der Erfindung eignet sich besonders dazu, eine Substanz, welche im zweiten Fluid enthalten ist, durch Extraktion in das erste Fluid zu überführen. Die Konzentration der zu überführenden Substanz verringert sich dabei im zweiten Fluid kontinuierlich, während sie im ersten Fluid kontinuierlich ansteigt.
Durch die Auswahl geeigneter Membranen im Hohlfasermodul 1 kann dabei der Übergang von unerwünschten Substanzen aus dem zweiten Fluid in das erste Fluid vermieden werden. Die Konzentration der zu überführenden Substanz sowie auch der anderer Substanzen kann im zweiten Fluid durch eine analytische Kontrolle mittels der HPLC-Anlage 42 in beliebigen Zeitintervallen erfolgen.
Die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden. So können das erste Ventil 36 und das zweite Ventil 37 den maximal möglichen Stoffaustausch zwischen dem zweiten Fluidkreislauf 3 und der ersten Verbindungsleitung 380 bzw. der zweiten Verbindungsleitung 390 begrenzen. Auch ist es möglich, das Volumen des ersten Pulsationsgefäßes 38 bzw. des zweiten Pulsationsgefäßes 39 zu verändern. Schließlich kann das zweite Pulsationsgefäß 39 durch ein Schließen des zweiten Ventils 37 vollständig vom Schwingungssystem abgetrennt werden. Letztlich können auch das erste Pulsationsgefäß 38 und das zweite Pulsationsgefäß 39 mit Gasen befüllt werden, welche unterschiedliche physikalische Parameter aufweisen.
Durch die Variation der zuvor genannten Parameter ist es möglich, die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems derart einzustellen, dass der Pulsator 381 mit möglichst niedriger Energie betrieben werden kann, um eine Resonanzfrequenz im Schwingungssystem zu erzeugen.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Pulsator 381 am ersten Pulsationsgefäß 38 angeordnet. Es ist auch denkbar, den Pulsator 381 am zweiten Pulsationsgefäß 39 anzuordnen oder ihn in eine der Pumpen 21 bzw. 31 zu integrieren. Ebenso ist es denkbar, die Anordnung aus Pulsationsgefäßen und Pulsator nicht im zweiten Fluidkreislauf 3, sondern im ersten Fluidkreislauf 2 zu realisieren.
Sollen zusätzliche Membranmodule in die Membranmodulanordnung der 1 integriert werden, können die jeweiligen Pulsationsgefäße und damit die als Energiespeicher dienenden Gaspolster in den Pulsationsgefäßen miteinander verschaltet werden, so dass nur ein einziger Pulsator zur Erzeugung einer Schwingung im gesamten System notwendig ist.
Das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membranmodulanordnung eignet sich beispielsweise bei der membrangestützten flüssig/flüssig-Extraktion. Dies soll in den nachfolgenden Beispielen 1 und 2 näher dargelegt werden.
Beispiel 1
Der zweite Fluidbehälter 30 ist mit einem Puffer, welcher neben anderen Stoffen Baccatin III enthält, gefüllt. Der erste Fluidbehälter 20 ist mit Diisopropylether gefüllt. In diesem Beispiel soll das Baccatin III mittels membrangestützter flüssig/flüssig-Extraktion in einem Membrankontaktor extrahiert und in die Diisopropyletherphase überführt und aufkonzentriert werden.
In beiden Fluidkreisläufen 2 und 3 wird ein Volumenstrom von 1 Liter pro Stunde eingestellt. Das Baccatin III weist eine Konzentration von 200 mg pro Liter im Puffer auf. Das Hohlfasermodul 1 ist mit einer bzw. mit mehreren PS-Membranen bestückt, die eine Fläche von 620 cm² bei einem Cut-Off von 10 kD aufweisen.
Die erste Verbindungsleitung 380 und die zweite Verbindungsleitung 390 weisen jeweils einen inneren Durchmesser von 4,8 mm auf. Das Gaspolster im ersten Pulsationsgefäß 38 weist ein Volumen von 100 ml bis 1 Liter auf. Es ist mit dem Pulsator, der ein Kolben mit einem Hubvolumen von 40 cm³ ist, verbunden. Innerhalb des zweiten Pulsationsgefäßes 39 ist ein Gaspolster mit einem Volumen von 10 ml angeordnet.
Durch eine Variation des Gaspolstervolumens im ersten Pulsationsgefäß 38 und einer Variation der Frequenz der vom Pulsator 381 aufgebrachten Schwingung im Bereich von 0 bis 4,5 Hertz wird eine im statistischen Mittel um den Faktor 2 verbesserte Extraktion von Baccatin III bei einer Frequenz von 4,5 Hertz und einem Gasvolumen des Gaspolsters im ersten Pulsationsgefäß 38 von 100 ml erreicht. Die größte Amplitude mit ca. 4 cm wird bei einer Frequenz von 4,5 Hertz im zweiten Fluidkreislauf 3 bestimmt. Diese Frequenz liegt der Eigenschwingfrequenz des Schwingungssystems, bestehend aus dem zweiten Fluidkreislauf 3 und den Gaspolstern in den Pulsationsgefäßen 38 und 39 sowie der ersten Verbindungsleitung 380 und der zweiten Verbindungsleitung 390, am nächsten. Das heißt, die Resonanzfrequenz ist erreicht.
Beispiel 2
Im Gegensatz zum Beispiel 1 wird in diesem Beispiel der zweite Fluidbehälter 30 nicht mit einem Baccatin-III-haltigen Puffer befüllt, sondern mit dem Substrat 10-Deacetylbaccatin III, dem Enzym Acetyltransferase sowie einem Cofaktor. Die Membranmodulanordnung dient in diesem Beispiel der enzymatischen Herstellung von Baccatin III aus dem Substrat 10-Deacetylbaccatin III. Die Membranmodulanordnung wird somit als Enzym-Membran-Reaktor eingesetzt.
Das bei der enzymatischen Reaktion entstehende Baccatin III wird analog zu Beispiel 1 aus der wässrigen Phase durch eine flüssig/flüssig-Extraktion in die Etherphase überführt.
Sowohl in Beispiel 1 als auch in Beispiel 2 wird durch die angeregte Schwingung bzw. Pulsation der Stoffübergang des Baccatin III bzw. anderer Substanzen aus der wässrigen Phase im luminalen Bereich des Hohlfasermoduls 1 verbessert. Die Membranmodulanordnung kann durch eine Heizung 5 beheizt werden, so dass enzymatische Reaktionen bei geeigneten Reaktionsbedingungen (beispielsweise bei 37 °C) durchgeführt werden können.

1: Hohlfasermodul
2: erster Fluidkreislauf
3: zweiter Fluidkreislauf
4: weitere Leitung
5: Heizelement
20: erster Fluidbehälter
21: erste Pumpe
22: erster Drucksensor
23: zweiter Drucksensor
30: zweiter Fluidbehälter
31: zweite Pumpe
32: dritter Drucksensor
33: vierter Drucksensor
34: pH-Sensor
35: Temperatursensor
36: erstes Ventil
37: zweites Ventil
38: erstes Pulsationsgefäß
39: zweites Pulsationsgefäß
41: dritte Pumpe
42: HPLC-Anlage
380: erste Verbindungsleitung
381: Pulsator
390: zweite Verbindungsleitung

Claims

Membranmodulanordnung mit mindestens einem Membranmodul (1), durch das mindestens ein Fluid während eines Membranverfahrens strömt, mindestens einem Energiespeicher (38, 39), der mit dem Fluid ein Schwingungssystem bildet, und mindestens einer Schwingungsquelle (381) zur Erzeugung einer Schwingung in dem Schwingungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Schwingungsquelle erzeugte Schwingung eine Frequenz aufweist, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems entspricht.
Membranmodulanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (38, 39) durch ein Gas gebildet ist.
Membranmodulanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer Einlassseite des Membranmoduls (1) mindestens ein erster Energiespeicher (38), angeordnet ist, und auf der Auslassseite des Membranmoduls (1) mindestens ein zweiter Energiespeicher (39) angeordnet ist.
Membranmodulanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsquelle (381) zur Erzeugung von Druckimpulsen in mindestens einem Energiespeicher (38, 39) ausgebildet ist.
Membranmodulanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsquelle (381) ein rotierendes Einlassventil aufweist und die Schwingung direkt in das Fluid einträgt.
Membranmodulanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranmodul (1) einen ersten Bereich aufweist, in welchen das Fluid als Zufluss eingebracht wird, und einen zweiten Bereich aufweist, aus welchem mindestens ein Teil des Fluids als Permeat austritt.
Membranmodulanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranmodul (1) ein Rohr-/Hohlfasermodul oder ein Kissenmodul ist und dass der erste Bereich ein Lumen des Moduls und der zweite Bereich ein Mantelraum ist.
Membranmodulanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsquelle (381) dazu eingerichtet ist, die Schwingung im Zufluss und/oder im Permeat zu erzeugen.
Membranmodulanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Aufteilung des Zuflusses und/oder des Permeats außerhalb des Membranmoduls (1) in einen Haupt- und einen Nebenanteil, wobei Schwingungsquelle (381) dazu eingerichtet ist, die Schwingung in dem Nebenanteil des Zuflusses und/oder des Permeats zu erzeugen.
Membranmodulanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptanteil 70 bis 80 Prozent und der Nebenanteil 30 bis 20 Prozent des gesamten Zuflusses und/oder Permeats sind.
Membranmodulanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sensor und eine Steuerungseinheit, die zur Steuerung der Schwingungsquelle (381) zusammenwirken, wobei durch diese Steuerung eine Ausbildung einer erzwungenen Schwingung im Schwingungssystem vermieden wird.
Membranverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingung, die in einem Schwingungssystem erzeugt wird, eine Frequenz aufweist, die im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems entspricht, wobei das Schwingungssystem aus mindestens einem Fluid, an und/oder mit welchem das Membranverfahren durchgeführt wird, und mindestens einem Energiespeicher (38, 39) gebildet wird, und dass die Schwingung zumindest zur Vermeidung oder Reduktion von Ablagerungen an mindestens einer Membran dient.
Membranverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung zur Reduktion und/oder Vermeidung einer Konzentrationspolarisation im Zufluss und/oder im Permeat eingesetzt wird.
Membranverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung zur Erhöhung des Wärmeübergangs beziehungsweise zur Reduktion und/oder Vermeidung einer Temperaturpolarisation an der mindestens einen Membran eingesetzt wird.
Membranverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranverfahren eine Filtration, insbesondere eine Ultrafiltration, eine Nanofiltration, eine Mikrofiltration und/oder eine Umkehrosmose, ist.
Membranverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranverfahren eine Pervaporation ist.
Membranverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranverfahren eine Gaspermeation ist.