Die Vorteile von Membranverfahren in der Trenntechnik

Inhalt des Artikels:

Seite 1: Die Vorteile von Membranverfahren in der Trenntechnik
Seite 2: Lesen Sie auf Seite 2, wie sich Membranverfahren zu Hybrid-Lösungen kombinieren lassen.
Seite 3: Lesen Sie auf Seite 3, wie Membranen in der Biogas-Aufbereitung eingesetzt werden, und wie Prozessintensivierung mit Membranen möglich ist.

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Membranen in der Biogas-Aufarbeitung

Membran-Trennverfahren kommen auch zur Biogasreinigung in Frage, wie die B.I.G. Biogas berichtet. Dabei macht man sich die unterschiedliche Molekulargröße von CO₂ und Methan zunutze. Die qualitativ unterschiedliche Permeabilität ermöglicht die Abtrennung von CO₂ unter hohem Überdruck in einem Molekularmodul. Da CO₂ wesentlich schneller als Methan durch Membranen dringt, fällt der Produktstrom (Methan) hochdruckseitig als Retentat an. Bei nassen Verfahren wird das CO₂ an der Membran abgetrennt und anschließend von einer Absorptionsflüssigkeit aufgenommen; trockene Verfahren setzen ausschließlich auf den Membrantrenneffekt. Hohe Methanerträge setzen den zweistufigen Prozess eines nassen Trennverfahrens voraus, erfordern jedoch höhere Investitionskosten.

Air Liquide setzt Membranen in der Luftzerlegung ein: Durch in Modulen zusammengefasste Hohlfasermembranen wird Druckluft geleitet. Dabei dringen Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid durch die Membran hindurch; sie werden als Restgas abgeleitet. Am Modulausgang tritt der trockene Stickstoff als Produkt aus. Die Einstellung des Drucks im Modul reguliert die Stickstoffreinheit.

Solche Membransysteme produzieren Stickstoff in Mengen von 40 bis 1000 m³ pro Stunde bei variierender Reinheit von 90 bis 99,5 Prozent. Aktuell betreibt Air Liquide in Deutschland über 90 Membrananlagen. Die Technik könne bei Veränderung der Versorgungssituation kurzfristig angepasst werden, sagt das Unternehmen.

Prozessintensivierung mit Membranen

Am Institut für Biopharmazeutische Technologie IBPT der Fachhochschule Gießen-Friedberg finden Membranen Einsatz bei Verfahrensentwicklungen zur Virusanreicherung und Virusentfernung bei biopharmazeutischen Produkten, bei der Entwicklung integrierter Verfahren zur Gewinnung retroviraler Partikel für die Gentherapie sowie bei der Verfahrensentwicklung zur Gewinnung von Produkten aus natürlichen Ressourcen und der Entwicklung innovativer Reaktionssysteme für die enzymatische Synthese von funktionellen Lebensmittelzusatzstoffen. Darüber hinaus werden am IBPT Membranverfahren auch genutzt, um Wasser aufzubereiten und biologisch schwer abbaubare organische Substanzen abzutrennen.

Aktuelle Projekte dort sind:

biokatalytische Membran-Reaktor-Systeme: kontinuierliche Synthese von Galacto- und Fructo-Oligosacchariden (GOS und FOS);

die energieeffiziente Herstellung von Micro-/Nano-Emulsionen sowie von Solid Lipid Nanoparticles (SLN) mit Membranen;

Charakterisierung und Validierung der Virusabreicherung und Viruskonzentrierung durch Membranfiltration und Membranchromatographie;

Entwicklung eines Membranbioreaktor-Systems mit getauchten keramischen Flachmembranen für die kontinuierliche Herstellung organischer Säuren.

Ergänzendes zum Thema

Interview zum Thema: Trends im Markt der Membranverfahren

Als Spezialist in der Wasser- und Abwassertechnik realisiert Envirochemie maßgeschneiderte Lösungen – mehr als 25 000 Anlagen hat das Unternehmen in den vergangenen 30 Jahren konzipiert und installiert. PROCESS sprach mit Dr. Volker Oles, Geschäftsführer Vertrieb, über Trends im Markt der Membranverfahren.

PROCESS: Welche Entwicklungen sehen Sie derzeit in der Membrantechnik?

Oles: Aus unserer Sicht in der Wassertechnik ist die Entwicklung vor allem geprägt durch Nischenanwendungen mit kleinem Wiederholungspotenzial auf der einen Seite und den großen Trends mit hohem Flächenbedarf auf der anderen Seite. Zu letzteren zählt sicherlich die Wasseraufbereitung – vor allem mit der Umkehrosmose, aber auch der Ultrafiltration zur Vorbehandlung. Zu den Nischenanwendungen zählen bis heute die produktionsintegrierten Verfahren, bei denen die Membrantechnik in den Produktionsprozess integriert ist und die so höhere Ausbeuten oder einen geringeren Ressourcenverbrauch ermöglichen. Der Vorteil liegt bei diesen Anwendungen darin, dass der Zulauf zur Membrananlage aufgrund des Produktionsprozesses gut definiert ist. Die Membrantechnologie kann – da sie durchaus sensibel ist – ihre Vorteile besonders dann nutzen, wenn die Prozessbedingungen gut definiert sind. Dann können neue Werkstoffe, Modulbauformen oder Prozessführungen optimal angewendet werden. Ein Beispiel ist die Integration einer Nanofiltration in einen heißen Färbeprozess, was nur durch die besonderen, wärmebeständigen Werkstoffe möglich ist.

PROCESS: Mit Blick auf Chemie, Petrochemie und Pharmazie: Wo ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten für Membrantrennverfahren?

Oles: In der Oberflächentechnik beispielsweise ist die prozessintegrierte Nutzung von Wasser durch Mehrfachnutzung und Kreislaufführung weiter verbreitet als in der chemischen und verwandten Industrie. Die Betrachtung von Teilströmen, die dem zugrunde liegt, beinhaltet auch für die chemische Industrie Einsatzmöglichkeiten für die Membrantechnik. In der Regel ist die Trennung und separate Aufbereitung von Teilströmen jedoch mit einem neuen Konzept für die ‚Wasser-Logistik‘ im Betrieb verbunden und deshalb aufwändig. In der Abwassertechnik hat sich seit einigen Jahren der Membran-Bioreaktor (MBR) einen festen Platz erobert, gerade in der pharmazeutischen Industrie. Die Reinigungsleistung ist sehr gut – und eine notwendige Voraussetzung z.B. für den Einsatz von Umkehrosmosen für echtes Wasser-Recycling.

Fazit

Membran-Trennverfahren zeichnen sich durch vergleichsweise niedrige Energiekosten, einen produktschonenden Betrieb und nicht zuletzt durch eine hohe Reinheit bei guter Ausbeute aus. Ein wesentlicher Vorteil von Membrananlagen ergibt sich auch aus deren kompakter und häufig modularer Bauweise. Stand der Technik sind Membran-Trennverfahren in allen Bereichen der Wasser- und Abwasseraufbereitung. Sie eignen sich zudem in besonderer Weise für die biotechnologische Verfahrenstechnik: Die Produkte liegen dort in der Regel stark verdünnt vor; häufig handelt es sich um sehr komplexe Produktgemische.

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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