DE102020122029A1

DE102020122029A1 - Verfahren zur Regelung einer Filtrationseinheit

Info

Publication number: DE102020122029A1
Application number: DE102020122029.4A
Authority: DE
Inventors: Ralph Schneid
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Filtration von Fluiden mit einem Membranfilter (1) zur Verfügung, wobei die Filtration wenigstens einen Filtrationslauf mit einer Vielzahl von durch Zwischenreinigungen des Membranfilters getrennten Filtrationszyklen umfasst, wobei der wenigstens eine Filtrationslauf durch eine Hauptreinigung abgeschlossen wird, und wobei wenigstens ein Filtrationszyklus des wenigstens einen Filtrationslaufs beendet und eine nachfolgende Reinigung eingeleitet werden, wenn eine während des Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge einen Sollwert erreicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Filtrationseinheit einer Membranfilteranlage für die Filtration von Fluiden, insbesondere von Bier, sowie eine Filtrationseinheit zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Bei der Herstellung von Bier wird nach der Gärung/Reifung das Bier filtriert, insbesondere um Hefe aus dem Bier zu entfernen. Die Membranfiltration von Bier ist seit einigen Jahren eine zunehmend eingesetzte Technologie. Dabei kommt insbesondere die Crossflow-Methode zum Einsatz, bei der das ungefilterte Bier, d.h. das Unfiltrat, im Kreislauf durch den Membranfilter geleitet wird und das Filtrat aus dem Membranfilter abgezogen wird. Als Membran werden beispielsweise Kunststoffhohlfasern oder keramische Filterkerzen mit Mikrofiltrationsporen verwendet. Die verwendeten Membranen werden daher auch als Mikrofiltrationsmembranen bezeichnet.
Während des Filterprozesses setzen sich abzufiltrierende Stoffe, beispielsweise Hefen, Proteine, Bitterstoffe, Polysaccharide, Hemicellulose oder dergleichen auf bzw. in der Membran ab, wodurch der Filterwiderstand ansteigt und schließlich die Effizienz des Filterprozesses sinkt. Gleichzeitig nimmt im Unfiltrat die Konzentration der rückgehaltenen Bestandteile, insbesondere die Hefekonzentration, sowie die Konzentration von Proteinen, Bitterstoffen und Polysacchariden, Hemicellulosen, etc., mit der Zeit zu. Im Verlauf der Filtration konzentriert sich das Unfiltrat so stark auf, dass die Filtration schließlich gestoppt werden muss, um das Konzentrat zu entsorgen, wobei der Membranfilter gereinigt werden kann. Durch dieses Membranfouling, d.h. das Anlagern von Verschmutzungen an einer Membran, setzt sich die Membran zusehends zu, sodass eine Reinigung, beispielsweise durch Rückspülen mit Wasser, Bier, Lauge und/oder Säure, erforderlich wird.
Bei der Filtration mit einer Membranfilteranlage wird versucht, die Filterstandzeit möglichst lang zu gestalten, weil dadurch geringe Betriebskosten und eine hohe Anlagenverfügbarkeit erreicht werden können.
Zur Beurteilung der noch zur Verfügung stehenden Filtrationskapazität eines Membranfilters wird häufig der Transmembrandruck (TMD) herangezogen. Je größer dieser Differenzdruck zwischen Filtrat- und Unfiltratseite einer Membran ist, desto stärker sind die Poren und Kanäle in dieser Membran bereits mit Partikeln zugelegt. Eine Filtration wird daher anhand des Verlaufs des Transmembrandrucks bewertet und häufig auch geregelt.
In der Regel wird ein konstanter Volumenstrom an Filtrat während der Filtration eingestellt. Während der Filtration verlegen immer mehr Partikel die freien Poren und Kanäle der Membran, wodurch der Transmembrandruck bei konstantem Volumenstrom stetig ansteigt. Bei Erreichen eines vorher festgelegten maximalen Differenzdrucks wird der Filtrationszyklus beendet, um eine Beschädigung der Filtermembran zu vermeiden.
Die Membran wird dann entgegen der Filtrationsrichtung in einem Rückspülprozess mit Wasser, Reinigungsmedium oder Filtrat gespült, um die blockierenden Partikel aus der Membran auszuspülen. Ist dies in ausreichendem Maße erfolgt, beginnt der nächste Filtrationszyklus. Da aber bei jedem Spülvorgang ein Teil der Partikel innerhalb der Membran verbleibt, werden die Filtrationszyklen immer kürzer. Ist dann ein Rückspülen nicht mehr sinnvoll, da die zu erwartende Zykluslänge nicht mehr effektiv genutzt werden kann, erfolgt eine lange und/oder intensive Reinigung der Membran, meist mit Wirkverstärkern, um eine möglichst vollständige Regeneration der Filtrationskapazität der Membran zu erreichen.
Mit jedem Filtrationszyklus wird es schwieriger, die Membran wieder zu reinigen. Die Partikel dringen immer tiefer in die Membran ein und setzen sich darin fest. Dies geschieht umso mehr, je höher der Grenzwert des Transmembrandrucks für die Beendigung eines Filtrationszyklus gewählt wird. Die ersten Filtrationszyklen mit einer neuen Membran sind bei gleichem Grenzwert für den Transmembrandruck überdurchschnittlich lange, da sich sehr viele Partikel in der komplett sauberen Membran einlagern können, bevor der Transmembrandruck merklich ansteigt. Jedoch nach bereits zwei oder drei weiteren Filtrationsläufen nimmt die Dauer der Filtrationszyklen bis zum Erreichen des Grenzwertes für den Transmembrandruck rapide ab und beträgt dann meist weniger als 50% der entsprechenden Dauer der ersten Filtrationszyklen.
Darüber hinaus sind die Vielzahl von Prozessparametern, die sich auf das Membranfouling und Verblocken der Membranen auswirken, schwer in einem Modell zu erfassen, so dass eine Vorhersage der Dauer der Filtrationszyklen schwierig ist.
Die oben genannten Probleme führen aufgrund der grundsätzlichen Abhängigkeit vom Produktionsplan einer jeden Brauerei dazu, dass zur Erreichung der benötigten Menge Bier eine entsprechend hohe Anzahl an Filtrationseinheiten in der Membranfilteranlage bereitgestellt werden muss. Vergleichbare Problem treten auch bei der Filtration von anderen Fluiden, wie beispielsweise Wasser, auf, bei denen sich die Filtermembranen in ähnlicher Weise zusetzen.
Es liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Filtration von Fluiden zur Verfügung zu stellen, die die oben genannten Nachteile des Stands der Technik überwinden. Insbesondere soll die Standzeit der Membranfilteranlagen bzw. Filtrationseinheiten verlängert, die Reinigung der Membranfilter optimiert und die Steuerung bzw. Regelung des Filterprozesses verbessert werden. Dabei sollen höhere Produktionsmengen an Filtrat erzielt werden.
Beschreibung der Erfindung
Die oben genannten Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Filtration von Fluiden, insbesondere von Bier, mit einem Membranfilter, wobei die Filtration wenigstens einen Filtrationslauf mit einer Vielzahl von durch Zwischenreinigungen des Membranfilters getrennten Filtrationszyklen umfasst, wobei der wenigstens eine Filtrationslauf durch eine Hauptreinigung abgeschlossen wird, und wobei wenigstens ein Filtrationszyklus des wenigstens einen Filtrationslaufs beendet und die nachfolgende Reinigung eingeleitet wird, wenn eine während des Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge einen Sollwert erreicht. Bei der nachfolgenden Reinigung kann es sich um eine Zwischenreinigung oder eine Hauptreinigung handeln, je nachdem, ob ein weiterer Filtrationszyklus durchgeführt oder der jeweilige Filtrationslauf abgeschlossen werden soll.
Ein Filtrationsprozess mit einem Membranfilter ist gemäß der vorliegenden Anmeldung wie folgt aufgebaut: Die Membranfilteranlage, welche eine oder mehrere Filtrationseinheiten umfasst, wird gemäß vorgegebenen Filtrationsblöcken, beispielsweise von der Dauer einer Woche, betrieben, die ihrerseits weiter unterteilt sind. Ein Filtrationsblock ist somit ein zeitlicher Produktionsblock, in dem eine gewünschte Menge an Filtrat produziert werden soll. Ein Filtrationsblock setzt sich dabei aus einem oder mehreren Filtrationsläufen zusammen, die nacheinander durchgeführt werden und voneinander zumindest durch die weiter unten genauer ausgeführte Hauptreinigung getrennt sind. Ein Filtrationslauf umfasst wiederum mehrere Filtrationszyklen, in denen der eigentliche Filtrationsvorgang stattfindet. Die Filtrationszyklen sind dabei durch die weiter unten genauer beschriebenen Zwischenreinigungen voneinander getrennt.
Ein Filtrationslauf ist somit eine zeitliche Abfolge von Filtrationszyklen und Reinigungsprozessen, potentiell unterbrochen durch weitere, bei der Membranfiltration übliche Prozesse. Derartige Prozesse können beispielsweise das Vorspannen des Membranfilters, insbesondere eines Membranfiltermoduls, das Anfahren und Entlüften mit entgastem Wasser, das Abfahren einer gesamten Filtrationseinheit mit mehreren Membranfiltermodulen, einen Sortenwechsel, Standby-Phasen, in denen der Membranfilter nicht betrieben wird, oder dergleichen umfassen. Da sich die vorliegende Anmeldung im Wesentlichen auf die Steuerung und/oder Regelung der Filtrationszyklen bezieht, werden die genannten Prozesse, welche sämtliche nicht eigentliche Filtrationsvorgänge darstellen, ohne Einschränkung summarisch als Reinigungsprozesse bezeichnet.
Hier und im Folgenden ist unter dem Begriff der Filtration ganz allgemein eine Abfolge bzw. Sequenz von Filtrationsläufen, Filtrationszyklen und Reinigungsprozessen der involvierten Membranfilter zu verstehen, wobei die oben erwähnten zusätzlichen Ruhephasen bzw. Pausen zwischen Reinigungsprozessen und Filtrationszyklen vorgesehen sein können, in denen sich das Membranfiltermodul bzw. die gesamte Filtrationseinheit im Standby-Modus befindet. In Abgrenzung zum Begriff der Filtration wird der eigentliche Prozess des Filterns des Unfiltrats hier und im Folgenden als Filtrationsvorgang bezeichnet. Beim Reinigungsprozess, sowohl bei der Zwischenreinigung als auch bei der Hauptreinigung, wird der Membranfilter gereinigt. Dabei können eine Vielzahl unterschiedlicher Reinigungsmethoden zum Einsatz gelangen, die weiter unten genauer beschrieben werden.
Ganz allgemein unterscheiden sich die erwähnten Zwischenreinigungen von der einen Filtrationslauf abschließenden Hauptreinigung durch die Art und/oder Intensität und/oder Dauer der ablaufenden Reinigungsprozesse. Insbesondere kann die Hauptreinigung von einer Art sein, die eine gründlichere Reinigung und insbesondere eine vollständigere Regeneration der Filtermembran als die Zwischenreinigungen bewirkt. Dies kann beispielsweise durch Einsatz eines oder mehrerer geeigneter Reinigungsmedien, wie einer oder mehrerer Laugen oder Säuren, geschehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Intensität der Hauptreinigung höher sein als die Intensität der Zwischenreinigung, beispielsweise indem ein oder mehrere Reinigungsmedien, wie eine oder mehrere Laugen oder Säuren, mit einer höheren Konzentration eingesetzt werden und/oder mit höherem Druck bzw. mit höherer Geschwindigkeit zurückgespült wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Dauer der Hauptreinigung länger sein als die Dauer der Zwischenreinigung. Dabei können die Unterschiede zwischen Hauptreinigung und Zwischenreinigung erheblich sein, indem beispielsweise die Intensität bei der Hauptreinigung wenigstens 50 % höher und/oder die Dauer der Hauptreinigung wenigstens 50 % länger als bei den Zwischenreinigungen ist. Bei einer Zwischenreinigung kann es sich um eine rein mechanische Reinigung handeln, bei der die Filtermembran allein durch den Druck und die Strömung des Rückspülmediums gereinigt wird. Bei einer Hauptreinigung kann zusätzlich auch eine chemische Reinigungswirkung erzielt werden, indem ein oder mehrere geeignete Reinigungsmedien, wie eine oder mehrere Laugen oder Säuren, als Rückspülmedium verwendet werden und diesen optional zusätzlich Wirkverstärker, wie beispielsweise ein oder mehrere Enzyme und/oder Oxidationsmittel, zugesetzt werden, um die in der Filtermembran eingelagerten Partikel zu zersetzen und/oder zu lösen. Die vorliegende Anmeldung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass eine Zwischenreinigung rein mechanisch erfolgt. Auch bei der Zwischenreinigung können chemische Wirkverstärker eingesetzt werden. In diesem Fall können sich Zwischenreinigung und Hauptreinigung durch die Intensität und/oder Dauer und/oder die Art der chemischen Wirkverstärker unterscheiden.
Beim oben erwähnten Vorspannen kann der Membranfilter in der Regel mit Kohlendioxid, auf Betriebsdruck eingestellt und für den Prozessschritt des Filterns, d.h. den nächsten Filtrationszyklus, vorbereitet werden. Abfahren ist im Allgemeinen der Schritt nach dem eigentlichen Filtern. Dabei kann das Membranmodul, zum Beispiel mit entgastem Wasser, von dem aufkonzentrierten Unfiltrat entleert/befreit werden, sowie das Filtrat ausgeschoben werden, wobei die entsprechenden Schritte für die Reinigung eingeleitet werden.
Die zeitliche Abfolge der oben erwähnten Filtrationszyklen und Reinigungsprozesse, d.h. der Zwischenreinigungen und der Hauptreinigung, potentiell unterbrochen durch Sortenwechsel oder Standby-Phasen, wird auch als Belegung des Membranfilters bzw. der Filtrationseinheit bezeichnet. Beispielsweise ergibt sich die Verfügbarkeit eines Membranfilters als Verhältnis der zeitlichen Belegung durch Filtrationszyklen zur gesamten Dauer eines Filtrationslaufs. Hier und im Folgenden umfasst ein Filtrationslauf neben den erwähnten Filtrationszyklen, Zwischenreinigungen und potentiellen weiteren Unterbrechungen auch die Hauptreinigung. Ein Filtrationslauf stellt somit eine in sich geschlossene Einheit der Belegung eines Membranfilters dar. Aufgrund der zunehmenden Verblockung der Filtermembranen sind die Filtrationsbedingungen bei aufeinanderfolgenden Filtrationsläufen, insbesondere im Hinblick auf die Filtrationskapazität der eingesetzten Filtermembranen, jedoch nicht gleich. Dies liegt bei herkömmlichen Membranfilteranlagen wie oben beschrieben daran, dass durch Steuerung und/oder Regelung der Länge der Filtrationszyklen bezüglich eines Grenzwertes des Transmembrandrucks ein unter Verwendung der üblichen Reinigungsprozesse irreversibles Filterfouling stattfindet. Letztendlich kann dieses nur durch aufwändige chemische Reinigung der Membranfilter oder gar den vollständigen Austausch der Membranen rückgängig gemacht werden.
Bei herkömmlichen Membranfilteranlagen ist insbesondere die Gesamtdauer der Filtrationsläufe in einem Filtrationsblock aufgrund des zunehmenden Filterfoulings nicht konstant. Insbesondere werden sowohl die einzelnen Filtrationszyklen als auch der Filtrationslauf selbst mit zunehmender Anzahl durchgeführter Filtrationsläufe immer kürzer, da die Zwischenreinigungen und die Hauptreinigungen das fortschreitende Zulegen der Poren und Kanäle der Filtermembranen nicht rückgängig machen können.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem die Filtrationseinheiten derart gesteuert und/oder geregelt werden, dass der Grenzwert des Transmembrandrucks (TMD) im Allgemeinen in den Filtrationszyklen nicht erreicht wird. Insbesondere erfolgt eine Steuerung und/oder Regelung der Filtration nicht wie üblich mit einem Grenzwert des Transmembrandrucks als hauptsächliches Abbruchkriterium für die Filtrationsvorgänge der Filtrationszyklen, sondern mit einem Sollwert für die während des jeweiligen Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge. Es wird somit wenigstens ein Filtrationszyklus wenigstens eines Filtrationslaufes beendet, sobald ein Sollwert für die während dieses Filtrationszyklus gewonnene Menge an Filtrat erreicht ist. Dieser Sollwert kann insbesondere derart gewählt werden, dass der Transmembrandruck bei Erreichen des Sollwerts unter dem sonst üblichen Grenzwert für den Transmembrandruck liegt, der beispielsweise als Sicherheitsgrenzwert vorgegeben wird, um eine Beschädigung der Filtermembran zu vermeiden. Dadurch wird eine irreversible Verblockung der Filtermembran weitgehend verhindert, da es insbesondere die hohen Transmembrandrücke sind, die die Partikel tief in die Filtermembran hineindrücken.
Erfindungsgemäß wird wie üblich nach Beendigung des Filtrationszyklus der nachfolgende Reinigungsprozess, insbesondere eine nachfolgende Zwischenreinigung, eingeleitet. Bei Beendigung des letzten Filtrationszyklus eines Filtrationslaufes kann anstelle der Zwischenreinigung jedoch die Hauptreinigung eingeleitet werden. Das Einleiten der Zwischenreinigung bzw. Hauptreinigung kann hier und im Folgenden auch das Durchführen der oben erwähnten zusätzlichen Prozesse, wie Abfahren bzw. Vorspannen des Membranfiltermoduls, umfassen.
Unter der Menge an Filtrat bzw. der Filtratmenge ist das Volumen des während des Filtrationszyklus filtrierten Fluides zu verstehen. Der Sollwert für die Filtratmenge kann beispielsweise anhand von Erfahrungswerten vorgegeben werden. Die Steuerung und/oder Regelung der Filtrationseinheit bestimmt somit die während des Filtrationszyklus produzierte Filtratmenge und beendet den Filtrationszyklus, sobald der Sollwert für die Filtratmenge erreicht ist.
Dabei kann die beschriebene Steuerung und/oder Regelung nach Filtratmenge auf einen, einzelne oder alle Filtrationszyklen eines, mehrerer oder aller Filtrationsläufe angewendet werden. Insbesondere kann die Steuerung und/oder Regelung nach Filtratmenge als Hauptsteuerung für den gesamten Filtrationsprozess vorgegeben werden, wobei wie unten genauer beschrieben nachgeordnete Steuerungen und/oder Regelungen bezüglich sekundärer Kriterien vorgesehen sein können.
Beispielsweise kann als sekundäres Abbruchkriterium für den wenigstens einen Filtrationszyklus wie an sich bekannt ein Grenzwert für den Transmembrandruck vorgegeben werden, um eine zusätzliche Sicherheitsbedingung einzuführen. Sollte, insbesondere in den letzten Filtrationsläufen eines Filtrationsblocks, der Grenzwert für den Transmembrandruck überschritten werden, bevor der Sollwert für die Filtratmenge erreicht wird, so verhindert das Beenden des entsprechenden Filtrationszyklus eine Beschädigung der Filtermembran.
Neben Bier können gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auch andere Fluide, beispielsweise Wasser, Milch oder andere flüssige Lebensmittel, filtriert werden. Die Filtration kann dabei als Crossflow-Filtration oder auch Dead-End-Filtration durchgeführt werden. Wie erwähnt wird bei der Crossflow-Filtration das ungefilterte Fluid, insbesondere Bier, d.h. das Unfiltrat, im Allgemeinen in einem Kreislauf durch den Membranfilter geleitet, wobei das Filtrat aus dem Membranfilter abgezogen wird. Die Menge an abgezogenem Filtrat ist somit die Filtratmenge. Das Unfiltrat strömt dabei entlang der Membran, wobei das Filtrat in der Regel senkrecht dazu austritt.
Als Membran werden beispielsweise Kunststoffhohlfasern oder keramische Filterkerzen mit Mikrofiltrationsporen verwendet. Je nach Porengröße spricht man von Mikrofiltration oder Ultrafiltration. Die Porengröße zur Bierfiltration liegt insbesondere in einem Bereich von 0,1 bis 1 µm, insbesondere von 0,4 bis 0,6 µm. Als Werkstoff für eine Hohlfasermembran kann beispielsweise Polyethersulfon gewählt werden.
Bei Membranfiltern können eine Vielzahl von Hohlfasermembranen zu einem Membranfiltermodul gebündelt bzw. zusammengefasst werden, wobei die Hohlfasermembranen in ein Druckrohr aus Edelstahl integriert werden können. Mehrere Membranfiltermodule können in einer Filtrationseinheit kombiniert werden. Dabei können die einzelnen Membranfiltermodule insbesondere in Reihe, oder aber auch teilweise oder vollständig parallel zueinander, durch entsprechend ausgebildete Verbindungsleitungen bzw. Rohre, Steuer- oder Regelventile, Pumpen und weitere an sich bekannte Elemente von Filtrationseinheiten miteinander verbunden werden. Eine Membranfilteranlage umfasst ihrerseits eine oder mehrere Filtrationseinheiten.
Die hier und im Folgenden beschriebenen Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Filtration können insbesondere von einer oder mehreren Steuer- und/oder Regeleinheiten teil- oder vollautomatisch durchgeführt werden, wobei durch Ansteuern entsprechender Regelventile und/oder Pumpen oder dergleichen der jeweilige Filtrationszyklus beendet und die nachfolgende Reinigung eingeleitet werden kann. Eine Vielzahl von Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Filtrations- und Reinigungsprozesse von Filtrationseinheiten sind im Stand der Technik wohlbekannt und werden daher hier nicht ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich vornehmlich auf die Grobsteuerung der Belegung einer Filtrationseinheit, indem sie die Abbruchkriterien für die Filtrationszyklen modifiziert.
Erfindungsgemäß wird die Filtration bezüglich des Abbruchs eines Filtrationszyklus, d.h. eines Filtrationsvorgangs, in Abhängigkeit von einem Sollwert für die Menge an Filtrat des jeweiligen Filtrationszyklus gesteuert und/oder geregelt. Dies schließt weitere, bekannte Steuerungen und/oder Regelungen der Filtration selbst jedoch nicht aus. Beispielsweise kann der Filtrationsvorgang bis zu seinem Abbruch bezüglich der Filtrationsgeschwindigkeit gesteuert und/oder geregelt werden. Hier ist die an sich bekannte Regelung der Filtrationsleistung durch den Membranfilter nach konstantem Filtratfluss und/oder einem vorgegebenen, insbesondere konstanten, Anstieg des Transmembrandruckes und/oder anderen Parametern denkbar. Weitere mögliche Steuer- bzw. Regelparameter umfassen die Flussgeschwindigkeit des Unfiltrats im Kreislauf, insbesondere die Überströmgeschwindigkeit der Filtermembran, den Transmembrandruck, den Grad der Aufkonzentration, die Filtrationstemperatur, und dergleichen.
Prozessparameter, die bei der Steuerung und/oder Regelung der Filtration, und insbesondere der Filtrationseinheit, berücksichtigt werden können, umfassen beispielsweise die Hefezellzahl, die Trübung, High-Gravity-Sude, die Fermentationsdauer, die Lagerdauer, den Einsatz von ober- oder untergäriger Hefe, die Viskosität, die Dichte, die allgemeine Filtrierbarkeit, den pH-Wert und dergleichen. Zu den Prozessparametern gehören auch solche Parameter, die bisher offline, d.h. im Labor, gemessen werden, beispielsweise der Gehalt an Eiweiß, gesamtlöslichem Stickstoff, MgSO₄-fällbarem Stickstoff, freiem Aminostickstoff, Polyphenolen, Anthocyanogenen, Glukanen (α, β, Gel), Stammwürze, Restextrakt, der Vergärungsgrad, der Endvergärungsgrad, die Farbe, Jodwerte, insbesondere photometrische Jodwerte, des Unfiltrats, die Schaumzahl, Bittereinheiten, der Alkoholgehalt oder dergleichen. Derartige Prozessparameter können insbesondere in die Bestimmung der Sollwerte für die Filtratmengen, beispielsweise wie unten beschrieben mittels einer Simulation, einfließen.
Weitere Prozessparameter sind die Parameter: Temperatur des Fluides in einem Filtereinlauf, Druck des Fluides im Filtereinlauf, Druck des Fluides in einem Filterauslauf, Differenzdruck des Fluides zwischen dem Filtereinlauf und dem Filterauslauf, Volumenstrom des im Filtereinlauf zugeführten Fluides, Volumenstrom des Filtrats, Strömungsgeschwindigkeit des im Filtereinlauf zugeführten Fluides, Strömungsgeschwindigkeit des Filtrats, Betriebszeit des Filters, Standzeit des Filters, Laufzeit des Filters, Trübung des Fluides im Filtereinlauf, Konzentrationsgradient eines abzutrennenden Partikels im Filtereinlauf, Dicke einer Deckschicht auf der Membran, Dichte der Deckschicht auf der Membran, Adsorption von Partikeln in der Membran, Filtrationswiderstand der Membran, Filterdurchsatz, Ausschlussgrenze des Filters, Härtegrad des Fluides im Filtereinlauf, Härtegrad des Filtrats, elektrische Leitfähigkeit des Fluides im Filtereinlauf, elektrische Leitfähigkeit des Filtrats, Konzentration eines Salzes im Fluid im Filtereinlauf, Konzentration des Salzes im Filtrat, Konzentration eines für ein Membranfouling entscheidenden Ions im Filtereinlauf, Konzentration des für das Membranfouling entscheidenden Ions im Filtrat, Nummer eines Filtrationszyklus, und dergleichen.
Erfindungsgemäß wird wenigstens ein Filtrationszyklus wenigstens eines Filtrationslaufes beendet, wenn die während des Filtrationszyklus gewonnene Menge an Filtrat den Sollwert erreicht hat. Gemäß einer Weiterbildung kann diese Art der Steuerung und/oder Regelung auf jeden Filtrationszyklus eines oder mehrerer Filtrationsläufe angewendet werden.
Insbesondere kann jeder Filtrationszyklus eines Filtrationslaufs beendet werden, wenn die während des jeweiligen Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge einen entsprechenden Sollwert für die Filtratmenge erreicht hat. Dabei kann der Sollwert für alle Filtrationszyklen eines Filtrationslaufs einheitlich vorgegeben werden oder aber individuell für jeden einzelnen Filtrationszyklus. Anders ausgedrückt kann der jeweilige Sollwert für die Filtratmenge separat für jeden einzelnen Filtrationszyklus vorgegeben werden. Dadurch kann dem während eines Filtrationslaufs zunehmendem Filterfouling der Filtermembran dahingehend Rechnung getragen werden, dass der vorgegebene Sollwert für die Filtratmenge in Abhängigkeit von einer fortlaufenden Nummer des jeweiligen Filtrationszyklus in dem Filtrationslauf vorgegeben wird, und insbesondere mit steigender fortlaufender Nummer des Filtrationszyklus abnimmt.
Beispielsweise kann der Sollwert für die Filtratmenge für die späteren Filtrationszyklen eines Filtrationslaufs geringer angesetzt werden als für die ersten Filtrationszyklen dieses Filtrationslaufs, um der zunehmenden Verblockung der Filtermembran, welche nicht durch die Zwischenreinigungen rückgängig gemacht werden kann, Rechnung zu tragen. Dadurch wird verhindert, dass in den späteren Filtrationszyklen der Grenzwert für den Transmembrandruck erreicht bzw. überschritten wird.
Der Sollwert bzw. die Sollwerte für die Filtratmengen der Filtrationszyklen der Filtrationsläufe können unabhängig von der fortlaufenden Nummer des Filtrationslaufs in einem Filtrationsblock vorgegeben werden. In anderen Worten kann der Sollwert für einen Filtrationszyklus an einer bestimmten Position innerhalb eines Filtrationslaufs unabhängig von dem jeweiligen Filtrationslauf vorgegeben werden. Im Idealfall führt die erfindungsgemäße Steuerung und/oder Regelung der Filtrationseinheit dazu, dass die Verblockung der Filtermembran mit Partikeln durch die Zwischenreinigungen und die Hauptreinigung jedes Filtrationslaufs vollständig rückgängig gemacht werden kann. Da dies in der Regel jedoch nicht möglich ist, können die Sollwerte für die Filtratmengen sich entsprechender Filtrationszyklen der Filtrationsläufe jedoch alternativ voneinander abweichen. Insbesondere können, spätestens nach Durchführung einer bestimmten Zahl an Filtrationsläufen, die Sollwerte für die Filtratmengen stufenweise oder kontinuierlich reduziert werden, um dem trotz Hauptreinigung irreversiblen Filterfouling Rechnung zu tragen. Alternativ kann eine Reduzierung der Sollwerte für die Filtratmengen auch adaptiv erfolgen, indem z.B. ein Grenzwert für den Transmembrandruck überwacht wird, der im Vergleich zum für den Abbruch der Filtrationszyklen vorgegebenen Grenzwert reduziert ist, wobei bei Überschreiten dieses reduzierten Grenzwertes eine Anpassung der Sollwerte der Filtratmengen zu kleineren Filtratmengen erfolgt.
Erfindungsgemäß wird der wenigstens eine Filtrationszyklus beendet, wenn die während des Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge den entsprechenden Sollwert erreicht, selbst wenn der Grenzwert für den Transmembrandruck nicht erreicht ist. Hierdurch kann das besonders schädliche Zulegen der Poren und Kanäle der Filtermembran in der Tiefe deutlich reduziert werden. Als Resultat wird die Wirksamkeit der die Filtrationsläufe abschließenden Hauptreinigungen erhöht, wodurch die Dauer der Filtrationszyklen, und insbesondere die zugehörigen Filtratmengen, länger konstant gehalten werden können. Im Mittel ergibt sich dadurch, trotz anfänglich geringerer Dauer der Filtrationszyklen, eine Verbesserung der Standzeit des Membranfilters und damit eine insgesamt verbesserte Produktivität der Membranfilteranlage.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Sollwert für die Filtratmenge des wenigstens einen Filtrationszyklus in Abhängigkeit von einem Sollwert für eine Gesamtfiltratmenge, die während des wenigstens einen Filtrationslaufs gewonnen wird, bestimmt werden. Unter der Gesamtfiltratmenge kann insbesondere die gesamte während eines Filtrationsblocks gewonnene Menge an Filtrat verstanden werden. Diese wird typischerweise aufgrund von wirtschaftlichen Überlegungen des Betreibers, beispielsweise der Brauerei, für einen festen Zeitrahmen, beispielsweise eine Woche, vorgegeben. Die Sollwerte für die Filtratmengen der Filtrationszyklen des wenigstens einen Filtrationslaufs sollen sich somit zu dem Sollwert für die Gesamtfiltratmenge aufaddieren.
Die Bestimmung des oder der Sollwerte für die Filtratmengen des wenigstens einen Filtrationszyklus kann dabei aufgrund von Erfahrungswerten und/oder Expertenwissen erfolgen. Der oder die Sollwerte können insbesondere anhand einer Belegungssimulation, d.h. einer Simulation der Abfolge von Filtrationszyklen und Reinigungen, basierend auf validierten Ergebnissen bestehender Membranfilteranlagen, bestimmt und überprüft werden. Anders ausgedrückt können in Abhängigkeit von dem eingesetzten Membranfilter bekannte Erfahrungswerte für das Filterfouling und die Kapazität bzw. das Produktionsvolumen der Filtermembranen verwendet werden, um durch Berechnung, insbesondere Simulation, die Sollwerte für die Filtratmengen der Filtrationszyklen gemäß der vorliegenden Erfindung festzulegen.
Dabei kann im Falle mehrerer Filtrationsläufe bei der Bestimmung des oder der Sollwerte für die Filtratmengen der Filtrationszyklen des ersten Filtrationslaufs ein Verschmutzungsgrad des Membranfilters zu Grunde gelegt werden, der erst bei einem späteren Filtrationslauf, beispielsweise am Ende des fünften Filtrationslaufs, erreicht wird. Auch dieser zu Grunde gelegte Verschmutzungsgrad kann aus den Erfahrungswerten bestehender Membranfilteranlagen abgeleitet werden. Entscheidend ist lediglich, dass für die Bestimmung der Sollwerte für die Filtratmengen der Filtrationszyklen bereits des ersten Filtrationslaufs ein Verschmutzungsgrad des Membranfilters, beispielsweise in Form einer Reduktion der Filtrationskapazität, angenommen wird, der höher ist, als er für den ersten Filtrationslauf zu erwarten ist. Auf diese Weise kann ein Überschätzen der Filtrationskapazität des Membranfilters in späteren Filtrationsläufen, was zum Abbruch von Filtrationszyklen durch Überschreiten des Grenzwertes für den Transmembrandruck führen könnte, vermieden werden.
Gemäß einer Weiterbildung können die Zwischenreinigungen des Membranfilters ein Rückspülen des Membranfilters, insbesondere mit Lauge oder Säure, umfassen. Unter Rückspülen versteht man, dass ein Rückspülfluid gegen die Filtrationsrichtung, d.h. von der Filtratseite durch die Membran zur Unfiltratseite geführt wird. Als Rückspülfluid können das Filtrat selbst, Wasser und/oder Luft und/oder ein Produktionsgas (zum Beispiel Kohlendioxid oder ein Inertgas) und/oder Reinigungsmittel wie etwa Lauge oder Säure verwendet werden. Wird nur mit dem Filtrat rückgespült, so muss hierzu der Filtrationsvorgang nicht unterbrochen werden. Ein solches Rückspülen mit Filtrat kann das Zusetzen der Membran hinauszögern, wodurch die Restprozessdauer des Filtrationsvorgangs verlängert wird. Wird jedoch mit einem anderen Rückspülfluid rückgespült, so ist im Allgemeinen eine Unterbrechung des Filtrationsvorgangs erforderlich, beispielsweise um das Rückspülfluid vor Wiederaufnahme des Filtrationsvorgangs vollständig aus dem Membranfilter zu entfernen. Dies ist z.B. beim Rückspülen mit sauerstoffhaltigem Wasser bei der Bierfiltration erforderlich.
Hier und im Folgenden kann eine Zwischenreinigung durch Rückspülen insbesondere ein Rückspülen umfassen, bei dem der Filtrationsvorgang unterbrochen, d.h. der Filtrationszyklus beendet wird, wobei insbesondere die oben erwähnten Schritte des Abfahrens und Vorspannens und/oder Entlüften für den nächsten Filtrationszyklus erforderlich sein können. Bei der Reinigung durch Rückspülen erfolgt das Rückspülen somit (auch) mit anderen Rückspülfluiden als dem Filtrat. Eine Reinigung mittels Rückspülens kann zudem mehrere Rückspülschritte, insbesondere mit unterschiedlichen Rückspülmedien, umfassen.
Zwischenreinigungen können insbesondere kurze Reinigungen des Membranfilters mit Lauge und optional Additiven sein. Bei den Zwischenreinigungen kann es sich um kurze Cleaning-In-Place (CIP)-Reinigungen handeln. Der Reinigungsprozess durch Rückspülen kann von einer Steuer- und/oder Regeleinheit der Filtrationseinheit bzw. der Membranfilteranlage gesteuert und/oder geregelt werden. Beispielsweise können der Volumenstrom einer Rezirkulation, die Spülmengen, sowie die Konzentration und Art von eingesetzten CIP-Medien angepasst werden. Die Steuerung und/oder Regelung der Zwischenreinigung kann in Abhängigkeit von einem Transmembrandruck bei Beendigung des vorhergehenden Filtrationszyklus, einer fortlaufenden Nummer des Filtrationszyklus im Filtrationslauf, einer fortlaufenden Nummer des Filtrationslaufs im Filtrationsblock und/oder dem Sollwert für die Filtratmenge des vorhergehenden Filtrationszyklus erfolgen. Weitere Prozessparameter, die in die Steuerung und/oder Regelung der Zwischenreinigung einfließen können, sind ein Rückspülwiderstand des Membranfilters und/oder einzelner Membranmodule, ein Volumenstrom eines Rückspülfluides, eine Strömungsgeschwindigkeit des Rückspülfluides in einem Rückspüleinlauf, eine Trübung des Rückspülfluides in einem Rückspülauslauf, ein Differenzdruck des Rückspülfluides zwischen dem Rückspüleinlauf und dem Rückspülauslauf, eine Dauer eines Rückspülprozesses und die Lebenszeit der Membran, sowie deren Abweichungen von vorbestimmten Referenzkurven.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Hauptreinigung eine Regeneration des Membranfilters, insbesondere mit Lauge, Säure und/oder Wirkverstärkern, umfassen. Auch die Hauptreinigung kann eine Reinigung durch Rückspülen wie oben im Zusammenhang mit den Zwischenreinigungen beschrieben umfassen. Die Hauptreinigung kann insbesondere eine CIP-Reinigung sein. Die Hauptreinigung unterscheidet sich jedoch von den Zwischenreinigungen dadurch, dass sie einer möglichst vollständigen Regeneration der Filtrationskapazität der Filtermembran dient. Die Hauptreinigung kann sich daher von den Zwischenreinigungen grundsätzlich durch die Art der Reinigung unterscheiden, indem z.B. mit anderen Rückspülmedien wie Säuren und/oder Wirkverstärkern, d.h. einem oder mehreren speziellen Reinigungsmedien, rückgespült wird. Auch kann die Hauptreinigung durch Anpassen der jeweiligen Intensität und/oder Dauer einzelner Rückspülschritte intensiver als die Zwischenreinigungen sein. Zur Intensivierung eines CIP-Reinigungsprozesses kann die Art und/oder Menge eines oder mehrerer eingesetzter Reinigungsmedien (Säuren, Laugen, Additive, Oxidationsmittel, Enzyme, und dergleichen) angepasst werden. Beispielsweise können sich die Zwischen-CIP-Reinigungen und die Haupt-CIP-Reinigung durch die Art, Menge, Temperatur und/oder Konzentration eines oder mehrerer Reinigungsmedien, die verwendet werden, unterscheiden. Beispielsweise kann bei einer Hauptreinigung ein Reinigungsmedium erhitzt werden, während dies bei einer Zwischenreinigung nicht erfolgt. Somit kann sich eine Hauptreinigung von einer Zwischenreinigung durch Dauer, Intensität und Art, Menge und Konzentration sowie die Temperatur eines oder mehrerer eingesetzter Reinigungsmedien unterscheiden.
Die oben genannten Aufgaben werden auch durch eine Filtrationseinheit zur Durchführung des Verfahrens nach den oben beschriebenen Weiterbildungen gelöst, wobei die Filtrationseinheit wenigstens ein Membranfiltermodul und eine Steuer- und/oder Regeleinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, die Filtration mit dem wenigstens einen Membranfiltermodul in Abhängigkeit von dem Sollwert für die Filtratmenge des wenigstens einen Filtrationszyklus zu steuern und/oder zu regeln.
Hierbei können dieselben Variationen und Weiterbildungen, die oben im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Filtration von Fluiden mit einem Membranfilter beschrieben wurden, auch auf die Filtrationseinheit angewendet werden.
Eine Membranfilteranlage kann eine oder mehrere derartige Filtrationseinheiten umfassen, welche ihrerseits jeweils ein oder mehrere Membranfiltermodule aufweisen können, so wie sie oben beschrieben wurden. Die Membranfiltermodule, zumindest aber die Filtrationseinheiten, können derart ausgebildet sein, dass sie separat und unabhängig voneinander gesteuert und/oder geregelt werden können. Hierzu können die Filtrationseinheiten an sich bekannte Elemente, wie steuerbare Ventile und Pumpen, aufweisen, welche eine unabhängige Steuerung und/oder Regelung der Filtration mit der jeweiligen Filtrationseinheit gestatten. In einer Variante kann jede Filtrationseinheit hierzu eine eigene Steuer- und/oder Regeleinheit aufweisen, die beispielsweise in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgebildet sein kann. Alternativ kann eine zentrale Steuer- und/oder Regeleinheit zur Steuerung und/oder Regelung der jeweiligen Filtrationseinheiten vorgesehen sein. Weitere an sich bekannte Elemente einer Membranfilteranlage, wie beispielsweise ein Puffertank für das Unfiltrat, ein Puffertank für das Filtrat sowie ein oder mehrere integrierte CIP-Module und/oder Rückspülleitungen, können als Teil der Membranfilteranlage vorgesehen sein.
Die Steuer- und/oder Regeleinheit kann als speicherprogrammierbare Steuerung ausgebildet sein und insbesondere neben einer Prozesseinheit und einer Speichereinheit einen oder mehrere Sensoren zur Bestimmung wenigstens eines Prozessparameters einer Filtration mit dem jeweiligen Membranfilter aufweisen. Die Steuer- und/oder Regeleinheit kann als übergeordnete Steuer- und/oder Regeleinheit der Membranfilteranlage vorgesehen sein, die Daten von separaten Steuer- und/oder Regeleinheiten der Filtrationseinheiten empfängt, diese verarbeitet und verarbeitete Daten an eine oder mehrere der separaten Steuer- und/oder Regeleinheiten übergibt.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Filtrationseinheit, insbesondere für jedes Membranfiltermodul, weiterhin einen Sensor umfassen, der dazu ausgebildet ist, einen Istwert der Filtratmenge des wenigstens einen Filtrationszyklus zu bestimmen. Der Sensor kann beispielsweise in Form eines Durchflusssmessers auf der Filtratseite des jeweiligen Membranfiltermoduls vorgesehen sein. Die erfasste Filtratmenge kann von der Steuer- und/oder Regeleinheit wie oben beschrieben dazu verwendet werden, den jeweiligen Filtrationszyklus bei Erreichen eines Sollwertes für die Filtratmenge zu beenden.
Weitere denkbare Sensoren, deren Messsignale bei der Steuerung und/oder Regelung der Filtration berücksichtigt werden können, umfassen einen Viskositätssensor und/oder einen Dichtesensor, der die Viskosität des Unfiltrats bzw. die Dichte des Unfiltrats misst, einen Sensor zur Messung der Trübung des Unfiltrats, einen Sensor zur Messung der Farbe des Unfiltrats und/oder des Filtrats, mehrere Sensoren zur Messung des Druckniveaus für Unfiltrat und Filtrat zur Ermittlung des Transmembrandrucks, einen Sensor zur Messung des Filtratflusses, einen Sensor zur Messung der Überströmgeschwindigkeit, einen Sensor zur Messung des Massendurchflusses durch den Membranfilter, einen Temperatursensor für das Unfiltrat, einen Sensor zur Messung eines Rückspülvolumenstroms, einen Sensor zur Messung einer Rückspülgeschwindigkeit, einen Sensor zur Messung eines Rückspüldrucks und dergleichen.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren verhindern das übermäßige Verblocken der Filtermembranen in Bereichen hoher Transmembrandrücke. Dadurch erreichen sie eine Belegungs- und Gesamtprozessoptimierung, die zu optimal ausgelasteten Membranfiltern mit optimaler Reinigung und effizienten Gesamtbetriebskosten führen.
Speziell in den ersten Filtrationsläufen kann erreicht werden, dass die Filtermembran nicht mehr als nötig beansprucht wird. Die Partikel dringen weit weniger tief in die Filtermembran ein und können daher auch viel effektiver wieder herausgelöst werden. So kann eine anfängliche Überbeanspruchung der Membran vermieden werden, und die Anlagenverfügbarkeit wird gesteigert.
Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.

1 zeigt grob schematisch den Aufbau einer Filtrationseinheit mit einem Puffertank für Unfiltrat und mit einem Membranfiltermodul.
2 zeigt die Entwicklung des Transmembrandrucks bei einer herkömmlichen Steuerung der Filtration.
3 zeigt die Belegung der Filtrationseinheit bei der herkömmlichen Steuerung der Filtration.
4 zeigt die Entwicklung des Transmembrandrucks bei einer Steuerung der Filtration gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt die Belegung der Filtrationseinheit bei der Steuerung der Filtration gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung.

In den im Folgenden beschriebenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Zur besseren Übersichtlichkeit werden gleiche Elemente nur bei ihrem ersten Auftreten beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die mit Bezug auf eine der Figuren beschriebenen Varianten und Ausführungsformen eines Elements auch auf die entsprechenden Elemente in den übrigen Figuren angewendet werden können.
1 zeigt grob schematisch einen exemplarischen Aufbau einer steuerbaren und/oder regelbaren Filtrationseinheit mit einem Membranfiltermodul. Die hier dargestellte Filtrationseinheit führt eine Filtration nach der Crossflow-Methode durch. Es versteht sich jedoch, dass die im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen durch einfache Anpassungen auch für Filtrationen nach der Dead-End-Methode eingesetzt werden können.
Die in der 1 dargestellte Filtrationseinheit umfasst wenigstens ein Membranfiltermodul 1, beispielsweise ein Crossflow-Membranfiltermodul, durch das das Unfiltrat, beispielsweise ungefiltertes Bier, im Kreislauf geführt werden kann (angedeutet durch den Pfeil K). Selbstverständlich können auch mehrere Membranfiltermodule vorgesehen sein, die in Reihe oder parallel zueinander angeordnet sein können. Bei der Crossflow-Filtration wird das Unfiltrat entlang der Membran der Membranfiltermodule geströmt und tritt senkrecht aus der Membran als Filtrat aus. Hierzu ist eine Filtratleitung 18 mit einem Stell- bzw. Regelventil 17 vorgesehen, über die das Filtrat aus dem Membranfiltermodul 1 abgeleitet wird. Das Regelventil 17 kann dabei von der Steuer- und/oder Regeleinheit 8 der Filtrationseinheit oder einer übergeordneten Steuer- und/oder Regeleinheit der Membranfilteranlage, zu der die Filtrationseinheit gehört, gesteuert bzw. geregelt werden, beispielsweise um die Filtrationsleistung einzustellen. Die Stellung des Regelventils 17 ist somit eine Stellgröße der Steuerung und/oder Regelung eines Filtrationsvorgangs der Filtrationseinheit, über die beispielsweise eine Dauer des Filtrationszyklus gesteuert bzw. geregelt werden kann. Entsprechend ist beispielsweise der Transmembrandruck ein Steuer- bzw. Regelparameter der Steuer- und/oder Regeleinheit 8.
In der Filtratleitung 18 ist in der dargestellten Weiterbildung ein Sensor 20 vorgesehen, um die Filtratmenge jedes Filtrationszyklus zu bestimmen. Beispielsweise kann der Sensor 20 dazu ausgebildet sein, einen Filtratfluss durch die Filtratleitung 18 zu messen, wobei es sich zum Beispiel um einen Massendurchflussmesser handeln kann. Alternativ kann ein Sensor 20, wie zum Beispiel ein Massendurchflussmesser, an dem Membranfiltermodul angeordnet sein. Eine Vielzahl alternativer Weiterbildungen und Anordnungen eines Sensors zur Bestimmung des Istwertes der Filtratmenge der Filtrationszyklen ist denkbar. Der Sensor 20 übermittelt die Filtratmenge betreffende Signale über Kabel oder kabellos an die Steuer- und/oder Regeleinheit 8, welche aus den Signalen die während des jeweiligen Filtrationszyklus angefallene Filtratmenge bestimmt. Durch Vergleich der angefallenen Filtratmenge mit dem jeweiligen Sollwert entscheidet die Steuer- und/oder Regeleinheit 8, ob der aktuelle Filtrationszyklus beendet und eine Zwischenreinigung bzw. die Hauptreinigung eingeleitet werden soll.
Die Filtrationseinheit weist weiterhin eine Zulaufleitung 3 auf, über die beispielsweise ungefiltertes Bier in Richtung Membranfiltermodul 1, beispielsweise über eine, insbesondere regelbare, Pumpe, gepumpt wird. Diese Pumpe kann wie die in der 1 gezeigte Pumpe 7 insbesondere an dem Teilstück der Zulaufleitung 3 zwischen Einmündung der Leitung 13 und dem Punkt 16 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann eine Pumpe (nicht dargestellt) in der Zulaufleitung 3 vor der Einmündung der Leitung 13 vorgesehen sein. Ferner umfasst die Filtrationseinheit eine Zirkulationsleitung 5, in die die Zulaufleitung 3 am Punkt 16 mündet, und durch die das aufkonzentrierte Unfiltrat, d.h. das Retentat, im Kreislauf K zirkulieren kann. Schließlich weist die Filtrationseinheit weiterhin eine Rücklaufleitung 6 auf, über die Retentat aus der Zirkulationsleitung 5 abgeleitet werden kann. Dazu ist ein Regelventil 9 in der Rücklaufleitung 6 vorgesehen, über das der Fluss des abgeleiteten Retentats eingestellt werden kann. Des Weiteren ist in der Zirkulationsleitung 5 ein Regelventil 19 vorgesehen, über das der Fluss des zirkulierenden Retentats eingestellt werden kann. Zusätzlich ist in der Zirkulationsleitung 5 eine, insbesondere regelbare, Pumpe 15 vorgesehen, mittels derer beispielsweise eine Überströmgeschwindigkeit des Retentats auf der Filtermembran eingestellt werden kann. Durch eine Veränderung (je nach Filterzustand kann eine Erhöhung oder Absenkung sinnvoll sein) der Überströmgeschwindigkeit kann beispielsweise der Transmembrandruck (TMD) reduziert werden. Von der Rücklaufleitung 6 zweigt eine Ablaufleitung 12 ab, über die über ein weiteres (Regel)Ventil 11 das Retentat aus der Rücklaufleitung 6 einem Kanal 10 zugeführt werden kann. Über das (Regel)Ventil 11 kann der Fluss des Retentats zu dem Kanal 10 eingestellt und das Retentat abgeleitet werden. Die Rücklaufleitung 6 mündet in einen Puffertank 2 für Unfiltrat, der hier zum Beispiel als zylindrokonischer Tank ausgebildet ist und im Allgemeinen separat von der Filtrationseinheit vorgesehen ist, und der über eine Leitung 13 und ein Regelventil 14 mit der Zulaufleitung 3 verbunden ist. Somit kann aufkonzentriertes Unfiltrat (=Retentat) aus dem Puffertank 2 erneut der Zuleitung 3 zugeführt werden.
Des Weiteren sind in der nicht limitierenden Weiterbildung der 1 Sensoren 4a und 4b in der Zirkulationsleitung 5 bzw. der Rücklaufleitung 6 angeordnet. Mittels dieser Sensoren können Prozessparameter, wie beispielsweise die Trübung, Hefezellzahl, Viskosität oder Dichte des Retentats, in situ während der Filtration gemessen werden. Als Sensoren können beispielsweise ein Trübungssensor, Zellzahlsensor, Viskositätssensor und/oder ein Dichtesensor eingesetzt werden. Die gemessenen Prozessparameter werden von den Sensoren 4a und 4b an die Steuer- und/oder Regeleinheit 8 über nicht dargestellte Leitungen oder kabellos übermittelt, wo sie zur Steuerung und/oder Regelung der Filtration mit der Filtrationseinheit verarbeitet werden. Es versteht sich, dass die spezifische Anordnung der Sensoren 4a und 4b in der 1 nicht limitierend, sondern lediglich illustrativ ist. Es können weniger oder mehr Sensoren vorgesehen sein, die an verschiedenen Stellen der Filtrationseinheit angeordnet sein können. Die Sensoren können die gemessenen Prozessparameter auch an eine übergeordnete Steuer- und/oder Regeleinheit übermitteln, die sie zur Regelung einer Belegung wenigstens einer weiteren Filtrationseinheit verwendet.
Die Regelventile 9, 11, 14, 17 und 19 sowie die Pumpen 7 und 15 können von der Steuer- und/oder Regeleinheit 8 zur Steuerung bzw. Regelung der Filtration eingesetzt werden. Beispielweise lässt sich über Ansteuern der Pumpe 15 eine Strömungsgeschwindigkeit bzw. Überströmgeschwindigkeit des Retentats im Membranfiltermodul 1 einstellen. Mittels Ansteuern der Pumpe 7 an dem Teilstück der Zulaufleitung 3 zwischen der Einmündung der Leitung 13 und dem Punkt 16 lässt sich das Druckniveau auf der Unfiltratseite beeinflussen. Mittels Ansteuern des Regelventils 17 hingegen lässt sich die Filtrationsleistung beeinflussen. Durch Ansteuern der Pumpe 7 und/oder Ansteuern des Regelventils 17 sowie Ansteuern der Pumpe 15 kann somit der Transmembrandruck und dessen Gradient über die Filtermembran des Membranfiltermoduls 1 direkt beeinflusst werden. Bei der dargestellten Filtrationseinheit übernimmt die Steuer- und/oder Regeleinheit 8 die Steuerung bzw. Regelung der oben genannten Stell- bzw. Regelventile und Pumpen über entsprechende Steuer- bzw. Regelparameter. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine übergeordnete Regeleinheit einzelne oder alle der oben genannten Regelventile und Pumpen einer Filtrationseinheit direkt ansteuert, um beispielsweise einen Filtrationsvorgang zu verlängern.
Über die Regelventile 9, 11, 14, 17 und 19 sowie die Pumpen 7 und 15 kann die Steuer- und/oder Regeleinheit 8 insbesondere einen Filtrationszyklus gezielt beenden, wenn der Sollwert für die Filtratmenge des Filtrationszyklus erreicht ist. Hierzu kann die Steuer- und/oder Regeleinheit 8 die Signale des an der Filtratleitung 18 angeordneten Sensors 20 empfangen und verarbeiten.
Die Filtrationseinheit kann darüber hinaus über nicht dargestellte Reinigungsvorrichtungen für einen Reinigungsprozess mittels Rückspülens sowie eine CIP-Anlage verfügen. Auch die Reinigungsvorrichtungen können von der Steuer- und/oder Regeleinheit 8 und/oder direkt von einer übergeordneten Steuer- und/oder Regeleinheit gesteuert bzw. geregelt werden. Beispielsweise kann die Steuer- und/oder Regeleinheit 8 bei Beendigung eines Filtrationszyklus eine Zwischenreinigung einleiten, indem beispielsweise eine für das Rückspülen verwendete steuerbare Pumpe angesteuert wird. Des Weiteren kann die Steuer- und/oder Regeleinheit 8 bei Beendigung des letzten Filtrationszyklus eines Filtrationslaufs die oben beschriebene Hauptreinigung einleiten. Insbesondere kann die Steuer- und/oder Regeleinheit 8 die Reinigungsprozesse der Zwischenreinigungen und Hauptreinigungen steuern, beispielsweise in Hinblick auf eine Rückspüldauer und/oder -intensität sowie die Art und Menge eines oder mehrerer eingesetzter Reinigungsmedien einer CIP-Reinigung.
2 zeigt die Entwicklung des Transmembrandrucks (TMD) bei einer herkömmlichen Steuerung der Filtration. Wie oben beschrieben wird bei herkömmlichen Steuerungen der Filtration mit einem Membranfilter ein Grenzwert für den Transmembrandruck (TMD) als Abbruchbedingung für den jeweiligen Filtrationszyklus verwendet. Dies ist in der 2 anhand des Verlaufs der gestrichelten Kurve zu erkennen, welche den Transmembrandruck in bar angibt. Jeder Filtrationszyklus des in der 2 dargestellten exemplarischen Filtrationslaufs wird daher beendet, wenn der Transmembrandruck diesen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Exemplarisch sind in der Figur sechs Filtrationszyklen dargestellt.
Durch zunehmende Verblockung der Filtermembran kehrt der Membranfilter nach den zwischengeschalteten Zwischenreinigungen nicht vollständig zu der ursprünglichen Filtrationskapazität zurück, was in der 2 an dem höheren Ausgangsniveau des Transmembrandrucks der nachfolgenden Filtrationszyklen zu erkennen ist. Dadurch reduziert sich gleichzeitig die pro Filtrationszyklus produzierte Filtratmenge, was in der 2 durch die strichpunktierte Kurve dargestellt ist. Die pro Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge nimmt somit während eines Filtrationslaufs kontinuierlich ab, was auch an der durchgezogenen Kurve, die die gesamte, während des Filtrationslaufs gewonnene Filtratmenge darstellt, erkennbar ist.
Ist eine Filtration aufgrund des zunehmenden Zulegens der Poren und Kanäle der Filtermembran nicht mehr sinnvoll möglich, wird der Filtrationslauf durch das Einleiten einer Hauptreinigung beendet. Die Hauptreinigung ist in der 2 durch die Angabe „CIP lang“ angedeutet, während die Zwischenreinigungen durch die Angabe „CIP kurz“ dargestellt sind. Bis auf den letzten Filtrationszyklus (Zyklus 6), werden zwei benachbarte Filtrationszyklen stets durch eine Zwischenreinigung voneinander getrennt. Wie oben beschrieben unterscheidet sich die Hauptreinigung durch die Art der Reinigung, die Dauer, die Intensität und/oder eines oder mehrere eingesetzte Reinigungsmedien von den Zwischenreinigungen, die beispielsweise durch Rückspülen mit Filtrat oder Lauge durchgeführt werden können. Durch die Hauptreinigung soll auch bei der herkömmlichen Steuerung eine möglichst vollständige Regeneration der Filtrationskapazität der Filtermembran erreicht werden. Da sich wie anfänglich beschrieben bei der Regelung nach einem Grenzwert des Transmembrandrucks jedoch auch in der Tiefe der Filtermembran Partikel einlagern, ist eine vollständige Regeneration der Filtrationskapazität auch mit der Hauptreinigung nicht möglich. Bei einem nachfolgenden Filtrationslauf wird daher bei der herkömmlichen Steuerung der Transmembrandruck bereits im ersten Filtrationszyklus mit einem höheren Anfangsniveau einsetzen.
Dies ist beispielsweise in der 3 erkennbar, die die Belegung der Filtrationseinheit bei der herkömmlichen Steuerung der Filtration zeigt. Die 3 zeigt einen Filtrationsblock, d.h. einen Produktionsblock, der eine Vielzahl von Filtrationsläufen 1 bis N umfasst, wobei i den i-ten Filtrationslauf kennzeichnet. Der Übersichtlichkeit halber sind hier lediglich die Filtrationszyklen in ihrer Dauer dargestellt, wobei bei der herkömmlichen Steuerung der Filtration wie in der 3 erkennbar die Länge der Filtrationszyklen bereits nach dem ersten Filtrationslauf erheblich reduziert ist. Dies ist ein direktes Resultat aus der Tiefenverblockung der Filtermembran aufgrund der im vorhergehenden Filtrationslauf auftretenden hohen Transmembrandrücke. Sowohl innerhalb eines Filtrationslaufs als auch zwischen den Filtrationsläufen nimmt die Dauer der Filtrationszyklen und damit die pro Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge kontinuierlich ab, bis sie, in der 3 bereits beim dritten Filtrationslauf, ein wenig produktives Endniveau erreicht hat. Aufgrund der hohen Transmembrandrücke ist auch eine dauerhafte Beschädigung der Filtermembran nicht ausgeschlossen.
Die Steuerung der Filtration gemäß den Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung verwendet daher vorgegebene Sollwerte für die pro Filtrationszyklus zu gewinnende Filtratmenge als Abbruchbedingung für den jeweiligen Filtrationszyklus. Dies ist exemplarisch in der 4 dargestellt, die die Entwicklung des Transmembrandrucks bei einer Steuerung der Filtration gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Vergleich zur herkömmlichen Steuerung ist an der gestrichelten Kurve zu erkennen, dass der Filtrationszyklus, insbesondere bei den ersten Filtrationszyklen, bereits bei Erreichen eines deutlich geringeren Transmembrandrucks (TMD) beendet wird, wodurch eine Tiefenverblockung der Filtermembran weitgehend vermieden wird. Wie bei der herkömmlichen Filtration auch, können die Zwischenreinigungen auch bei der erfindungsgemäßen Steuerung die zunehmende Verblockung der Filtermembran nicht vollständig rückgängig machen, sodass auch in der 4 das Ausgangsniveau des Transmembrandrucks während des Filtrationslaufs kontinuierlich ansteigt. Schließlich erreicht auch bei der erfindungsgemäßen Steuerung der Transmembrandruck ein Niveau, das das Einleiten einer Hauptreinigung erforderlich macht. Der kumulative Effekt der Tiefenverblockung ist bei der erfindungsgemäßen Steuerung jedoch deutlich geringer als bei der herkömmlichen Steuerung, sodass die Regeneration der Filtrationskapazität durch die Hauptreinigung am Ende des Filtrationslaufs bei der erfindungsgemäßen Steuerung erheblich besser gelingt als bei der herkömmlichen Steuerung.
Trotz der Regelung auf Sollfitratmengen ist der Einfluss auf die gesamte, während des Filtrationslaufs erzielbare Filtratmenge relativ gering, wie aus der durchgezogenen Kurve in der 4 erkennbar ist. Wie oben beschrieben wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung der Membranfiltration für die Filtrationszyklen ein jeweiliger Sollwert für die während des Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge als Abbruchbedingung für den Filtrationszyklus vorgegeben. Wie anhand der strichpunktierten Kurve der 4 erkennbar, kann dieser Sollwert separat für jeden Filtrationszyklus vorgegeben werden, wobei insbesondere mit zunehmender Nummer des Filtrationszyklus im jeweiligen Filtrationslauf abnehmende Sollwerte für die Filtratmengen vorgegeben werden können. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Transmembrandruck frühzeitig einen Grenzwert überschreitet, bei dem ein Abbruch des jeweiligen Filtrationszyklus zur Vermeidung von Beschädigungen der Filtermembran erforderlich sein kann.
Da nach der erfindungsgemäßen Steuerung schon für die ersten Filtrationsläufe eines Filtrationsblocks bewusst geringere Sollwerte für die Filtratmengen der einzelnen Filtrationszyklen vorgegeben werden, wird einer frühzeitigen Tiefenverblockung der Filtermembran, welche auch durch die Hauptreinigung am Ende des Filtrationslaufs nicht mehr rückgängig gemacht werden kann, weitgehend entgegengewirkt. Dies führt unter anderem dazu, dass die Sollwerte für die Filtratmengen der Filtrationszyklen über mehrere Filtrationsläufe hinweg konstant gehalten werden können. Dies ist schematisch aus der 5 erkennbar, welche die Belegung der Filtrationseinheit bei der Steuerung der Filtration gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Filtration der 3 bleibt die Dauer der Filtrationszyklen bei der erfindungsgemäßen Steuerung über mehrere Filtrationsläufe im Wesentlichen konstant, sodass auch unveränderte Sollwerte für die Filtratmengen verwendet werden können. Erst gegen Ende des hier dargestellten exemplarischen, nicht limitierenden Filtrationsblocks, beim Filtrationslaufs N, ist auch bei der erfindungsgemäßen Steuerung die Tiefenverblockung der Filtermembran derart weit fortgeschritten, dass die ursprünglichen Sollwerte für die Filtratmengen nicht mehr erreicht werden können, sondern vielmehr ein Abbruch der Filtrationszyklen durch Überschreiten des Grenzwertes für den Transmembrandruck erfolgt. Bis zu diesem Zeitpunkt können die Filtrationsläufe unter annähernd gleichen Bedingungen und mit annähernd gleicher Laufzeit durchgeführt werden, was die Planungssicherheit des Betreibers erhöht.
In Summe zahlt sich der frühzeitige Abbruch der Filtrationszyklen in den ersten Filtrationsläufen dadurch aus, dass die Gesamtmenge an produziertem Filtrat bei der erfindungsgemäßen Steuerung der Filtration höher ist als bei der herkömmlichen Filtration, da die Standzeiten der Filtrationseinheiten im Mittel erhöht werden. Des Weiteren führt die erfindungsgemäße Steuerung der Filtration insgesamt zu geringeren Schäden an den Filtermembranen und ermöglicht eine Reduktion des Einsatzes an Chemikalien während der Zwischenreinigungen und der die Filtrationsläufe abschließenden Hauptreinigungen. Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen zur Filtration mit Membranfiltern ermöglichen somit gleichzeitig zur Verbesserung der Produktivität eine Reduktion der eingesetzten Reinigungsmedien und tragen damit zur weiteren Reduktion der Produktionskosten und Verbesserung der Umweltbilanz bei.

Claims

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung der Filtration von Fluiden, insbesondere von Bier, mit einem Membranfilter (1), wobei die Filtration wenigstens einen Filtrationslauf mit einer Vielzahl von durch Zwischenreinigungen des Membranfilters getrennten Filtrationszyklen umfasst, und wobei der wenigstens eine Filtrationslauf durch eine Hauptreinigung abgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Filtrationszyklus des wenigstens einen Filtrationslaufs beendet und eine nachfolgende Reinigung eingeleitet werden, wenn eine während des Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge einen Sollwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder Filtrationszyklus des wenigstens einen Filtrationslaufs beendet wird, wenn die während des Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge einen jeweiligen Sollwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sollwert für jeden Filtrationszyklus separat vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Sollwert in Abhängigkeit von einer fortlaufenden Nummer des jeweiligen Filtrationszyklus in dem Filtrationslauf vorgegeben wird, und insbesondere mit steigender fortlaufender Nummer des Filtrationszyklus abnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filtration mehrere Filtrationsläufe umfasst, und wobei der Sollwert unabhängig von dem Filtrationslauf vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als zusätzliche Abbruchbedingung für den wenigstens einen Filtrationszyklus ein Grenzwert für einen Transmembrandruck, TMD, eines Filtrationsvorgangs vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der wenigstens eine Filtrationszyklus beendet wird, wenn die während des Filtrationszyklus gewonnene Filtratmenge einen Sollwert erreicht, selbst wenn der Grenzwert für den Transmembrandruck nicht erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sollwert für die Filtratmenge des wenigstens einen Filtrationszyklus in Abhängigkeit von einem Sollwert für eine Gesamtfiltratmenge, die während des wenigstens einen Filtrationslaufs gewonnen wird, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Falle mehrerer Filtrationsläufe bei der Bestimmung des Sollwertes für die Filtratmenge des wenigstens einen Filtrationszyklus des ersten Filtrationslaufs ein Verschmutzungsgrad des Membranfilters zu Grund gelegt wird, der erst bei einem späteren Filtrationslauf erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Sollwert für die Filtratmenge des wenigstens einen Filtrationszyklus über eine Belegungssimulation des Membranfilters bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenreinigungen des Membranfilters ein Rückspülen des Membranfilters, insbesondere mit Lauge, umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hauptreinigung eine Regeneration des Membranfilters, insbesondere mit Lauge, Säure und/oder Wirkverstärkern, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Filtrationsleistung durch den Membranfilter nach konstantem Filtratfluss und/oder einem vorgegebenen Anstieg des Transmembrandrucks geregelt wird.
Filtrationseinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: wenigstens ein Membranfiltermodul (1); und eine Steuer- und/oder Regeleinheit (8), die dazu ausgebildet ist, die Filtration mit dem wenigstens einen Membranfiltermodul (1) in Abhängigkeit von dem Sollwert für die Filtratmenge des wenigstens einen Filtrationszyklus zu steuern und/oder zu regeln.
Filtrationseinheit nach Anspruch 14, weiterhin einen Sensor (20) umfassend, der dazu ausgebildet ist, einen Istwert der Filtratmenge des wenigstens einen Filtrationszyklus zu bestimmen.