DE102015213932A1

DE102015213932A1 - Verfahren zum Herstellen eines Membranfilterelements, insbesondere Crossflow-Membranfilterelements insbesondere zur Bierfiltration

Info

Publication number: DE102015213932A1
Application number: DE102015213932.8A
Authority: DE
Inventors: Ralph Schneid
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Membranfilterelements, insbesondere zur Bierfiltration, wobei das Membranfilterelement schichtweise mittels 3D-Druckverfahren hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Anpassen eines Membranfilterelements, insbesondere zur Bierfiltration oder zur Filtration von anderen mit Proteinen oder Polysacchariden beladenen Flüssigkeiten (z. B. Saft, Wein, Milch etc.) und ein Crossflow-Membranfiltersystem, insbesondere Crossflow-Membranfiltersystem.
Bier wird in einem letzten Verfahrensschritt vor dem Abfüllen filtriert, um die Erwartungen des Verbrauchers an ein qualitativ hochwertiges Produkt zu erfüllen. Dabei kommen hauptsächlich zwei Verfahren zum Einsatz: die Anschwemmfiltration oder die Crossflow-Membranfiltration.
Bei der Anschwemmfiltration wird ein Filterhilfsmittel, z. B. Kieselgur, kuchenförmig auf eine Stützschicht, z. B. Filterkerze, angeschwemmt. Die Filtration ist eine Tiefenfiltration und findet im Inneren des Kuchens statt. In den Poren und Kanälen der sich kontinuierlich aufbauenden Filterschicht werden die Hefezellen und Trubstoffe des Bieres zurückgehalten. Als Filterhilfsmittel hat sich Kieselgur bewährt, weil es wegen seiner hohen inneren Oberflächen hervorragende klärende Eigenschaften bei geringem Druckverlust aufweist. Allerdings steht Kieselgur seit geraumer Zeit im Verdacht, bei Menschen Krebs zu verursachen. Auch wird die Entsorgung der verbrauchten Gur nach der Filtration immer schwieriger, weshalb sich immer mehr Brauereien für die Membranfiltration entscheiden.
Bei der Membranfiltration erfolgt die Abtrennung der Trubstoffe und Hefezellen an der Oberfläche der Membran. Da diese schnell durch die Partikel verblocken würde, kommt ein Crossflow-Prinzip zum Einsatz, bei dem beispielsweise Unfiltrat im Kreislauf durch ein Membranmodul geleitet wird. Das Unfiltrat überströmt dabei die Membranfilterkerze in Längsrichtung, wobei quer zum Unfiltratstrom das Filtrat durch die Membranfilterkerze permeiert. Durch gezieltes Überströmen der Membran im Kreislauf wird die sich bildende Deckschicht kontrolliert und kontinuierlich abgetragen und so die Filterleistung aufrecht erhalten. Die Membranen werden aus Kunststoff oder Keramik hergestellt. Membranen aus Metall spielen derzeit bei der Filtration von Bier eine untergeordnete Rolle. Die Porenweite der handelsüblichen Membranen liegt bei 0,45 μm. Somit ist die Trennschärfe bzw. das Rückhaltevermögen bei der Filtration definiert. Während des Betriebs steigt deshalb mit zunehmender Partikelfracht der Transmembrandruck bis zu einem maximal definierten Wert. Nun ist auch die Deckschicht maximal bzw. die rückgehaltene Feststoffmenge nicht weiter zu steigern. Die Membran muss rückwärts mit Wasser freigespült werden und kann danach erneut zur Filtration verwendet werden. Nach vier bis fünf dieser Zyklen sind jedoch so viele Feinstoffe in die Poren und Kanäle der Membran eingedrungen, dass trotz der Rückspülung keine vernünftige Filtrationsleistung mehr erreicht werden kann. Nun ist eine intensive Reinigung mit Chemikalien notwendig. Danach beginnen die Zyklen von neuem.
Bier hat je nach Sorte, Stammwürzegehalt, verwendetem Hefestamm und vielen anderen Einflussfaktoren eine sehr unterschiedliche Filtrierbarkeit. Diese schwankt auch jahrgangsbedingt mit der Qualität der verwendeten Rohstoffe. Bei der Anschwemmfiltration kann durch Menge und Mischung verschiedener Kieselgurarten darauf reagiert werden. Bei der Membranfiltration ist die Trennschärfe durch die Porenweite der Membran definiert. Somit schwankt die Filterleistung unbeeinflussbar mit der Filtrierbarkeit des Bieres. Verlängerte Filtrationsprozesse, vermehrte Rückspül- und Reinigungsprozesse sowie Verringerung der Filtrationsmenge sind die Folge, alle verbunden mit steigenden Produktionskosten. Um die Kosten so gut es geht zu kontrollieren, verändern die Brauereien ihren Brauprozess, um die Filtrationsleistung zu verbessern. Dies ist jedoch aufwendig und mit der Anpassung des Brauprozesses an die Filtrationsleistung müssen oft andere Nachteile in Kauf genommen werden, wie beispielsweise verringerte Schaumstabilität, erhöhter Endvergärungsgrad, geringere Vollmundigkeit, ungünstigere Geschmacksstabilität, uvm..
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen und Anpassen eines Membranfilterelements für ein Filtermodul bereitzustellen, sowie ein entsprechendes Membranfiltermodulsystem, die es ermöglichen, die Filtrationsleistung bei schwankender Filtrierbarkeit des Bieres zu verbessern, ohne dass der Brauprozess umgestellt werden muss.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 10 und 12 gelöst.
Erfindungsgemäß wird nun das Membranfilterelement, insbesondere Crossflow-Membranfilterelement eines Moduls schichtweise mittels 3D-Druckverfahren hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, dass die Membran an die Filtrierbarkeit der verschiedenen Biere angepasst werden kann und nicht das Bier bzw. der entsprechende Brauprozess an eine Membran mit vorgegebener Porenweite angepasst werden muss. Durch beispielsweise Variation der Porenweite aber auch zusätzlich oder alternativ der Porenform, Porosität des Materials etc. kann für verschiedene Biere mit unterschiedlicher Filtrierbarkeit eine entsprechende Membranstruktur hergestellt werden. Unter Porenweite bei diesem Membrantyp versteht man den mittleren Durchmesser der Kanäle und Öffnungen der Membran, der die Größe der Partikel, welche die Membran gerade noch durchdringen können, definiert (Trennschärfe). Ein weiterer Vorteil liegt bei den erfindungsgemäßen Verfahren darin, dass die Produktion dezentral, beispielsweise in der Brauerei, durchgeführt werden kann mit zentralisiertem Engineering beim Hersteller. Auch durch Auswertung von entsprechenden Filtrationsergebnissen, beispielsweise per Fernwartung, kann gegebenenfalls die Membranstruktur nachgebessert werden. Entsprechende Konstruktionsdaten können vom Hersteller zum Kunden, d. h. in die Brauerei, online geschickt werden. Somit können die Brauereien ihre Brauprozesse unverändert durchführen und bei Schwankungen der Filtrierbarkeit die Membran entsprechend modifizieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Filtrationsleistung durch individuelles Membrandesign erhöht werden. Ein geringerer Verbrauch an Membranen ist die Folge und eine größere Flexibilität ist bei schwankender Filtrierbarkeit des Bieres gegeben.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Crossflow-Membranfilterelement gedruckt, das mindestens einen Unfiltratkanal aufweist, durch den Unfiltrat strömen kann, wobei Filtrat quer zum Unfiltratstrom durch die Membranfilterkerze abgezogen wird.
Es können auch mehrere Membranfilterelemente, insbesondere Crossflowmembranfilterelemente z. B. scheibenweise, in Strömungsrichtung des Unfiltrats betrachtet, aneinandergereiht werden. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass nur Membranfilterelemente mit relativ kurzer Länge gefertigt werden müssen, was wiederum den Vorteil einer geringeren Datenmenge beim 3D-Druck mit sich bringt.
Das mindestens eine Membranfilterelement, insbesondere Crossflow-Membranfilterelement wird in ein Gehäuse eingebracht bzw. eingepottet, das einen Unfiltratzulauf, einen Unfiltratablauf sowie einen Filtratablauf aufweist. Das Gehäuse ist als Druckgehäuse ausgebildet und kann derart geöffnet und wieder verschlossen werden, dass das Membranfilterelement ausgetauscht werden kann. Es können auch mehrere Membranfilterelemente parallel in dem Gehäuse angeordnet sein.
Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise ein Membranfilterelement gedruckt, das einen schichtartigen Aufbau aufweist, wobei die Schichten Öffnungen aufweisen, die mit Öffnungen nachfolgender Schichten verbunden sind, derart, dass sich Filtrationskanäle zwischen einer Unfiltratseite und einer Filtratseite ausbilden. Dabei werden als Schichten vorzugsweise gitterförmige Strukturen, die in einer Ebene liegen, gedruckt, die insbesondere wabenartig ausgebildet sind. Die einzelnen Waben können vorzugsweise als Hexagone gebildet sein.
Die gitterförmigen Strukturen weisen entsprechende Öffnungen auf, wobei die Öffnungen von aufeinanderfolgenden Schichten um eine Strecke s zueinander versetzt angeordnet sind. Das bedeutet, dass dann durch Überlagerung der gitterförmigen Strukturen die Porenweite verkleinert wird. Vorzugsweise können n-Schichten (n ∈ N) mit jeweils zueinander versetzten Öffnungen aufeinander angeordnet werden, wobei dieser Vorgang wiederholt werden kann, bis eine vorbestimmte Höhe erreicht ist. Vorzugsweise liegt n in einem Bereich von 2–20 Schichten. Durch das Versetzen von mehreren wabenförmigen Strukturen bzw. Schichten übereinander kann eine relativ kleine Porenweite erzeugt werden, die ansonsten durch 3D-Druck nur schwer herzustellen wäre. Durch Änderung der Strecke, durch die die aufeinanderfolgenden Strukturen zueinander versetzt werden und durch die Anzahl an Strukturen bzw. Schichten, die zueinander versetzt angeordnet werden, bevor das Schema wiederholt wird, kann die Porenweite und die Filterleistung ideal an die Filtrierbarkeit eines bestimmten Unfiltrats angepasst werden. Auch durch die Höhe der einzelnen Schichten oder den Abstand zwischen den Schichten kann die Trennschärfe der Membran beeinflusst werden. Durch einen entsprechenden Aufbau kann die Stabilität und das Rückhaltevermögen der Membran variiert werden. Die einzelnen Schichten weisen an bestimmten Punkten Verbindungen zur nächsthöheren Schicht auf. Die einzelnen Schichten, die eine bestimmte laterale Ausrichtung haben, können auch mehrere Unterschichten in gleicher Lage umfassen, derart, dass die Höhe der Schicht vergrößert werden kann.
Vorteilhafterweise sind die einzelnen Schichten der gitterförmigen Strukturen des Membranfilterelements in einer Richtung aufeinander angeordnet, die unter einem Winkel zur Strömungsrichtung des Unfiltrats im Unfiltratkanal, vorzugsweise senkrecht dazu, verläuft. Wenn z. B. also in dem hergestellten Material die Strukturen in einer Richtung übereinander angeordnet sind, in der dann das Filtrat abgezogen werden kann, kann durch den 3D-Druck auf einfache Art und Weise die Porenweite eingestellt werden. Die Richtung, in der der Druck erfolgt, d. h. in der das Material schichtweise vom 3D-Drucker aufgebracht wird ist beliebig und muss nicht der Richtung entsprechen, in der die Schichten der gitterförmigen Strukturen übereinander angeordnet sind, weil der o. g. Winkel in den Konstruktionsdaten entsprechend berücksichtigt sein kann.
Die Porenweite, d. h. Trennschärfe des Membranfilterelements kann über die Größe der Öffnungen und/oder die jeweilige Strecke s um welche die Öffnungen aufeinanderfolgender gitterförmiger Strukturen zueinander versetzt sind und/oder der Höhe der gitterförmigen Strukturen und/oder dem Abstand der gitterförmigen Strukturen eingestellt werden.
Vorteilhafterweise weisen die Öffnungen einen Durchmesser d in einem Bereich von 0,4 μm bis 10 μm auf, wobei unter dem Durchmesser d beispielsweise der größte Durchmesser einer Öffnung verstanden werden kann.
Die Stärke b der Gitterwände liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 μm bis 500 μm Die Strecke s, um die übereinander angeordnete Schichten versetzt werden, liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,5 μm bis 1,0 mm
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Anpassen eines Membranfilterelements, insbesondere Crossflow-Membranfilterelements an die Filtrierbarkeit eines Unfiltrats mit folgenden Schritten:

– Filtern, insbesondere von Bier, mit mindestens einem ersten Membranfilterelement mit einer bestimmten Porenweite bzw. Porengröße, das in einem Gehäuse eingepottet ist,
– Bestimmen der Filtrierbarkeit des zu filtrierenden Unfiltrats,
– Herstellen eines zweiten Membranfilterelements gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer zweiten Porenweite in Abhängigkeit der bestimmten Filtrierbarkeit, und
– Austauschen des mindestens einen ersten Membranfilterelements durch das mindestens eine zweite Membranfilterelement.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, die Membran an die Filtrierbarkeit der unterschiedlichen Unfiltrate bzw. verschiedenen Biere anzupassen, ohne den Prozess anpassen zu müssen. Vorteilhafterweise kann das Membranfilterelement dann direkt vor Ort gedruckt werden, auch wenn der Datensatz an anderer Stelle erzeugt und übermittelt wird.
Die Filtrierbarkeit des zu filtrierenden Unfiltrats wird mit dem ersten Membranfilterelement bestimmt. Hier kann insbesondere die Standzeit des mindestens einen ersten Membranfilterelements ermittelt werden, der transmembrane Druck, der Anstieg des transmembranen Drucks pro Zeit, die Filtermenge pro Zeit, ein entsprechend proportionaler Wert. Es kann auch die Beschaffenheit des Unfiltrats bestimmt werden.
Es kann auch die Filtrierbarkeit des Unfiltrats im Labor analysiert werden, insbesondere mittels Raible-Test oder Esser-Test oder Bestimmung des Beta-Glucan-Gels.
Es wird dann bestimmt, ob der ermittelte Wert in einem bestimmten Parameterbereich liegt bzw. größer oder kleiner als ein bestimmter Grenzwert ist und entsprechend diesem Wert kann dann die Porenweite des zweiten Membranfilterelements angepasst werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Membranfiltermodulsystem, insbesondere Crossflow-Membranfiltermodulsystem mit mindestens einem ersten Membranfilterelement mit einer ersten Porenweite und mit mindestens einem zweiten Membranfilterelement mit einer zweiten Porenweite und einem Gehäuse zur Aufnahme des mindestens einen ersten oder mindestens einen zweiten Membranfilterelements, wobei das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Membranfilterelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 gefertigt wurde.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme folgender Figuren näher erläutert.
1 zeigt grobschematisch einen Längsschnitt durch ein Crossflow-Membranfiltermodul.
2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie I-I der 1.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung aneinander gereihte Membranfilterelementscheiben.
4 zeigt eine teilweise aufgerissene perspektivische Darstellung eines Membranfilterelements.
5 zeigt einen Querschnitt durch ein Crossflow-Membranfiltermodul gemäß der vorliegenden Erfindung mit mehreren parallel angeordneten Membranfilterelementen.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine erste gitterförmige Struktur.
7 zeigt eine Draufsicht auf eine erste und zweite gitterförmige Struktur.
8 zeigt eine Draufsicht auf eine erste, zweite und dritte gitterförmige Struktur.
9 zeigt eine Explosionsdarstellung der drei übereinander angeordneten Strukturen.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit einem Crossflow-Membranfiltermodul 10 beschrieben. Die Erfindung ist jedoch genauso für ein Membranfilterelement, beispielsweise zur Dead End-Filtration geeignet.
1–4 zeigen schematisch ein Crossflow-Membranfiltermodul 10 bzw. entsprechende Crossflow-Membranfilterelemente 1. Das Filtermodul in 1 weist beispielsweise ein Druckgehäuse 2 auf, das ein Membranfilterelement 1 umfasst, das im Crossflow von dem Unfiltrat U, d. h. hier von ungefiltertem Bier oder aber auch anderen mit Proteinen oder Polysacchariden beladenen Flüssigkeiten (Saft, Wein, Milch) durchströmt wird. Zwischen dem hier als Membranfilterkerze ausgebildeten Membranfilterelement 1 und dem Druckgehäuse 2 bildet sich ein Filtratraum 11 aus. Das Crossflow-Membranfilterelement 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise mehrere Kanäle 3 auf, die sich in Längsrichtung durch das Membranfilterelement 1 erstrecken, und durch die das Unfiltrat geleitet wird. Der Kanaldurchmesser liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 10 mm. Der Durchmesser des Crossflow-Membranfilterelements 1 liegt beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 150 mm.
Das Crossflow-Membranfilterelement 1 kann aus Kunststoff ausgebildet sein, beispielsweise aus Polyethersulfon, Polypropylen, Polyethylen, Polysulfon, Polysulfonamiden, Polyurethan oder vergleichbaren Polymeren. Die Filterkerze kann jedoch auch aus keramischem Material, wie beispielsweise Al₂O₃ ausgebildet sein. Weiter kann beispielsweise auch ZrO₂, TeO₂ als Keramik verwendet werden. Die Porenweite zur Filtration liegt in einem Bereich von 0,4 bis 10 μm. Die Gesamtlänge eines Membranfilterelements liegt in einem Bereich von 500 bis 1.200 mm.
Es ist auch möglich, dass das Crossflow-Membranfilterelement 1 nicht wie in 1 als Filterkerze ausgebildet ist, sondern, dass mehrere einzelne Crossflow-Membranfilterelemente 1 in Strömungsrichtung des Unfiltrats aneinandergefügt werden. Dabei kann die Höhe C des Crossflow-Membranfilterelements 1 beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 200 mm liegen, wobei die Membranfilterelemente dann scheibenweise übereinandergelegt werden, derart, dass sich die Unfiltratkanäle 3 aneinander anschließen. Die einzelnen Elemente können dabei beispielsweise mittels einer Verbindungseinrichtung, insbesondere Nut und Feder miteinander verbunden werden.
Bei der Filtration wird Unfiltrat U in die Kanäle 3 der Crossflow-Membranfilterelemente 1 durch den Unfiltratzulauf 4 gepumpt, tritt quer durch das Crossflow-Membranfilterelement und verlässt die Oberfläche des Membranfilterelements 1 als Filtrat und tritt in den Filtratraum 11 wo das Filtrat F über den Filtratablauf 6 abläuft. Das über den Unfiltratablauf 5 abgeführte Unfiltrat kann, wenn auch nicht dargestellt, durch eine Pumpe im Kreislauf gepumpt werden. Auch wenn in 1 und 2 nicht explizit dargestellt ist und wenn hier einfachheitshalber nur ein Crowssflow-Membranfilterelement gezeigt ist, können selbstverständlich mehrere Membranfilterelemente 1 parallel zueinander angeordnet sein, wie insbesondere aus 5 hervorgeht. Dabei können auch in Längsrichtung, d. h. in Richtung des Unfiltratstroms, mehrere Membranfilterelemente aneinandergereiht werden, wie zuvor im Zusammenhang mit 3 beschrieben ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Crossflow-Membranfilterelement schichtweise mittels 3D-Druckverfahren hergestellt. Ein Beispiel für ein besonders geeignetes 3D-Druckverfahren ist das 3D-Siebdruckverfahren oder aber auch z. B. das Pulverbett basierte 3D-Druckverfahren für Keramik bzw. FDM Verfahren, das Selektive Lasersintern oder das Photopolymeracrylharzdruckverfahren für Kunststoffe.
Gemäß der Erfindung kann dann also das Crossflow-Membranfilterelement individuell gefertigt werden. Das Crossflow-Membranfilterelement wird durch den 3D-Drucker schichtweise erzeugt. Im Zusammenhang mit 6–8 wird eine Membranstruktur beschrieben, bei der n, hier drei Schichten, übereinander angeordnet sind. Die Richtung, in der die n-Schichten im gefertigten Material übereinander angeordnet sind, muss nicht der Richtung entsprechen, in der ein 3D-Drucker die Membran schichtweise erzeugt, da die Konstruktionsdaten einen entsprechenden Winkel berücksichtigen können, unter dem beispielsweise die einzelnen Schichten 9a, b, c, d. h. hier die gitterförmigen Strukturen, zu den Schichten oder Ebenen, die mittels 3D-Drucker übereinander angeordnet werden, ausgerichtet sind.
6 zeigt die gitterförmige Struktur 7 einer ersten Schicht. In diesem konkreten Ausführungsbeispiel ist die gitterförmige Struktur 7 wabenartig ausgebildet, wobei die Waben vorzugsweise aus Hexagonen gebildet sind. Die Wabenwände haben eine Stärke b von 0,5 μm bis 500 μm und der Durchmesser d einer entsprechenden Öffnung 8a der Wabe, hier die Diagonale, liegt vorzugsweise in einem Bereich von d = 0,4 μm bis 10 μm, insbesondere hier z. B. 5 μm. An den markierten Punkten 15a ist die Verbindung zur nächsthöheren Schicht bzw. Ebene. Die Höhe r der entsprechenden Struktur, d. h. einer Schicht, also hier senkrecht zur Bildebene, liegt in einem Bereich von 0,5 μm bis 1,0 mm Eine Schicht kann jedoch auch aus mehreren Unterschichten ausgebildet sein, die unversetzt zueinander übereinander liegen. Die Schichten können auch an den Verbindungsstellen über Stege einer bestimmten Höhe h voneinander beabstandet sein, so das die Schichten einen Abstand von 0,5 μm bis 1,0 mm zueinander aufweisen.
Während die erste Schicht 9a gepunktet dargestellt ist, ist die nächste darüber liegende Schicht 9b, wie in 7 dargestellt, gestrichelt dargestellt. Die darüber liegende Schicht 9b weist ebenfalls eine Gitterstruktur auf, die im Hinblick auf ihre Form vorzugsweise identisch zur ersten Gitterstruktur ist. Die nächste Schicht 9b ist jedoch derart zur ersten Schicht verschoben bzw. versetzt, dass die Öffnungen 8b zu den Öffnungen 8a der ersten Schicht zu den Öffnungen 8b der zweiten Schicht 9b um eine Strecke s in eine vorbestimmte Richtung versetzt bzw. verschoben sind. Vorteilhafterweise wird die zweite Struktur in einer Horizontalrichtung in Richtung einer der Seitenwände der Öffnung 8a hier entlang der Wabenwand verschoben. Durch das Überlagern der zwei Schichten 9a, b ergeben sich insgesamt kleinere resultierende Öffnungen das heißt Porenweiten als Schnittmenge der Öffnungen 8a, b. Hier wurde bei diesem konkreten Ausführungsbeispiel die zweite gitterförmige Struktur um eine Seitenlänge des Sechsecks verschoben.
8 zeigt jetzt eine dritte durch eine dünne durchgehende Linie dargestellte Schicht 9c, die über der zweiten Schicht 9b erzeugt worden ist, wobei die dritte gitterförmige Struktur im Hinblick auf ihre Form hier ebenfalls so ausgebildet ist wie die erste und zweite Struktur, jedoch um eine weitere Strecke s in die gleiche Richtung wie die zweite Schicht 9b verschoben wurde. Die dritte gitterförmige Struktur ist an den Punkten 15b mit der zweiten Schicht 9b verbunden. Durch Überschneiden der Öffnungen 8a, b, c der unmittelbar übereinander angeordneten Schichten ergeben sich entsprechend kleinere Durchgangsflächen, wobei eine entsprechende Durchgangsfläche z. B. hier gestrichelt dargestellt ist. Somit ergibt sich die Porengröße aus der Schnittmenge der sich überlagernden Öffnungen.
Durch Wahl der Größe der Öffnungen 8 sowie der Größe des Versatzes s kann eine bestimmte Porengröße eingestellt werden. In diesem konkreten Ausführungsbeispiel werden also Wabenschichten verwendet, wobei der Durchmesser d der Öffnungen (hier der Hexagone) angepasst werden kann und wobei auch der Versatz s, die Versatzrichtung und auch die Höhe der wabenförmigen Strukturen r (in Stapelrichtung betrachtet) sowie der Abstand h der Schichten zueinander beeinflusst werden kann. Die Schichten 9a, b, c können eine entsprechende Höhe r aufweisen oder aber über Stege 150 an den Anschlusspunkten 15a, b, c miteinander verbunden werden, derart, dass sich ein bestimmter Abstand h ergibt (siehe 9).
Das zuvor beschriebene Schema wird ständig fortgesetzt, wobei man bei weiterem Versatz der Schicht 9c wieder bei einer Schicht ankommt, die in der Lage der Schicht 9a entspricht. Das bedeutet allgemein, dass vorzugsweise n-Schichten (hier drei Schichten) mit jeweils zueinander versetzter Öffnung 8a, b, c aufeinander angeordnet werden wobei die n + 1. Schicht die gleiche Lage in Bezug auf den horizontalen Versatz wie die erste Lage haben kann und dieser Vorgang wiederholt wird, bis eine vorbestimmte Höhe erreicht wird.
Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Herstellverfahren, dass bei unterschiedlicher Filtrierbarkeit des Unfiltrats, beispielsweise von Bier, nicht der Brauprozess an den Filter angepasst werden muss, sondern auf einfache Art und Weise die Porenweite der Membran angepasst werden kann.
So ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass zunächst Bier mit einem ersten Crossflow-Membranfilterelement 1 mit einer bestimmten ersten Porenweite gefiltert wird. Dabei ist das mindestens eine Crossflow-Membranfilterelement in das Gehäuse 2 eingepottet. Das Unfiltrat wird gefiltert und dabei wird die Filtrierbarkeit bestimmt. Die Filtrierbarkeit kann z. B. bestimmt werden, indem die Standzeit des mindestens einen ersten Crossflow-Membranfilterelements 1 bestimmt wird, d. h. die Zeit, die bis zur nächsten Reinigung notwendig ist. Es kann auch der transmembrane Druck, insbesondere der Anstieg des transmembranen Drucks in Abhängigkeit der Zeit gemessen werden. Auch die Filtermenge pro Zeit, d. h. die Menge an Filtrat, die pro Zeit gewonnen werden kann, kann gemessen werden. Diese oder entsprechende Parameter werden dann mit einem Sollwert oder Sollwertebereich verglichen und es wird daraufhin bestimmt, ob beispielsweise die Porenweite vergrößert werden soll oder verkleinert werden soll. Beim Vergrößern der Porenweite kann beispielsweise, wie zuvor beschrieben, der Durchmesser d der Öffnungen 8 der einzelnen Schichten 9 vergrößert werden oder aber der Abstand h zueinander oder die Strecke s im Versatz oder die Höhe r der Schichten. Somit kann das Membranfilterelement 1 an die Filtrierbarkeit des Unfiltrats in idealer Weise angepasst werden.
Dem Kunden, z. B. der Brauerei, steht dann ein Crossflow-Membranfiltermodulsystem 10 zur Verfügung mit mindestens einem ersten Crossflow-Membranfilterelement 1 mit einer ersten Porenweite und mit mindestens einem zweiten Crossflow-Membranfilterelement 1 mit einer zweiten Porenweite und einem Gehäuse zu Aufnahme des mindestens einen ersten oder mindestens einen zweiten Crossflow-Membranfilterelements, wobei die Crossflow-Membranfilterelemente durch 3D-Druck erzeugt wurden.
Wenn dann das Filterverfahren für das Unfiltrat mit dem zweiten angepassten Crossflow-Membranfilterelement durchgeführt wird, werden erneut Parameter, die die Filtrierbarkeit betreffen, erfasst und bei Abweichungen von einem Sollwertbereich wird erneut festgestellt, ob das Crossflow-Membranfilterelement angepasst werden muss und es kann ein weiteres Crossflow-Membranfilterelement erzeugt werden. Dazu können entsprechende Filtrationsergebnisse entweder direkt in der Brauerei ausgewertet werden oder per Fernwartung, wobei dann ein neuer Datensatz erstellt wird, so dass die Membranstruktur insbesondere im Hinblick auf Porenweite, Porenform, Porosität des Materials etc. modifiziert wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Membranfilterelements (1), insbesondere zur Bierfiltration, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranfilterelement (1) mittels 3D-Druckverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Membranfilterelement ein Crossflow-Membranfilterelement (1) ist und derart gedruckt wird, dass es mindestens einen Unfiltratkanal (3) aufweist, durch den Unfiltrat (U) strömen kann, wobei Filtrat (F) quer zum Unfiltratstrom durch das Membranfilterelement abgezogen werden kann und vorteilhafterweise mehrere Membranfilterelemente (1a, b, c, d) in Strömungsrichtung des Unfiltrats (U) aneinandergefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Membranfilterelement (1) in ein Gehäuse (2) eingebracht wird, das einen Unfiltratzulauf (4), einen Unfiltratablauf (5) sowie einen Filtratablauf (6) aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten (9a, b, c) aufeinanderfolgender gitterförmige Strukturen (7) gedruckt werden, die insbesondere wabenartig ausgebildet sind, wobei die Waben vorzugsweise aus Hexagonen gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterförmigen Strukturen (7) Öffnungen (8) aufweisen, wobei die Öffnungen (8b) einer Schicht (9b, c), die einer ersten Schicht (9a) nachfolgt, um eine Strecke (s) zu den Öffnungen (8a) der ersten Schicht (9a) versetzt angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise n-Schichten mit jeweils zueinander versetzten Öffnungen (8a, b, c) aufeinander angeordnet werden, und dieser Vorgang wiederholt wird, bis eine vorbestimmte Höhe erreicht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenweite des Membranfilterelements über die Größe der Öffnungen (8a, b, c) und/oder die jeweilige Strecke s um die Öffnungen (8a, b, c) aufeinanderfolgender gitterförmiger Strukturen zueinander versetzt sind und/oder der Höhe (r) der gitterförmigen Strukturen und/oder dem Abstand (h) der gitterförmigen Strukturen eingestellt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8a, b, c) einen Durchmesser d in einem Bereich von 0,4 μm bis 10 μm aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke b der Gitterwände in einem Bereich von 0,5 μm bis 500 μm liegt und vorzugsweise die Höhe (r) der Gitterwände in einem Bereich von 0,5 μm–1,0 mm liegt.
Verfahren zum Anpassen eines Membranfilterelements, insbesondere Crossflow-Membranfilterelements (1) an die Filtrierbarkeit eines Unfiltrats mit folgenden Schritten: – Filtern, insbesondere von Bier, mit mindestens einem ersten Membranfilterelement (1) mit einer bestimmten Porenweite, das in einem Gehäuse (2) eingepottet ist, – Bestimmen der Filtrierbarkeit des zu filtrierenden Unfiltrats (U), – Herstellen eines zweiten Membranfilterelements (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer zweiten Porenweite in Abhängigkeit der bestimmten Filtrierbarkeit, und – Austauschen des mindestens einen ersten Membranfilterelements (1) durch das mindestens eine zweite Membranfilterelement (1).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Filtrierbarkeit mindestens einer der folgenden Parameter bestimmt wird: – Standzeit des mindestens einen ersten Membranfilterelements (1), – transmembraner Druck, insbesondere Anstieg des transmembranen Drucks in Abhängigkeit der Zeit, – Filtermenge pro Zeit, – Beschaffenheit des Unfiltrats, insbesondere Trübung und/oder Partikelgrößen und/oder Partikelkonzentration und/oder die – Filtrierbarkeit anhand von Raible-Test oder Esser-Test oder durch Bestimmung des Beta-Glucan-Gels ermittelt wird.
Membranfiltermodulsystem, insbesondere Crossflow-Membranfiltermodulsystem mit mindestens einem ersten Membranfilterelement (1) mit einer ersten Porenweite und mit mindestens einem zweiten Membranfilterelement (1) mit einer zweiten Porenweite, und einem Gehäuse (2) zur Aufnahme des mindestens einen ersten oder mindestens einen zweiten Membranfilterelements (1), wobei das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Membranfilterelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 gefertigt wurden.