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Membrantechnologie

Membrantechnologie ersetzt zunehmend herkömmliche Trennverfahren

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Die Wahl der richtigen Trenntechnik ist das A und O in den Prozessindustrien, um die gewünschte Produktqualität zu gewährleisten und um Kosten zu sparen. Immer häufiger erweisen sich Membrantechnologien als „State of the art“.

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Membrantechnische Verfahren zählen in der Wasseraufbereitung bereits seit Jahrzehnten zum Stand der Technik – hier eine von der Siemens-Gesellschaft Wallace & Tiernan entwickelte Chlor-Membranelektrolyseanlage.
Membrantechnische Verfahren zählen in der Wasseraufbereitung bereits seit Jahrzehnten zum Stand der Technik – hier eine von der Siemens-Gesellschaft Wallace & Tiernan entwickelte Chlor-Membranelektrolyseanlage.
( Bild: Siemens )

Membrantechnische Verfahren in der Wasseraufbereitung zählen bereits seit Jahren zum Stand der Technik – und dies mittlerweile auch in großen Dimensionen, wie ein aktuelles Beispiel zeigt: Siemens Water Technologies hat von der Gippsland Water Factory Alliance (GWFA, Australien) einen Auftrag über 2,6 Millionen Euro erhalten. Siemens liefert Membranen und dazu gehörende Systemkomponenten für ein Membran-Bioreaktorsystem (MBR), das bis zu 35 Millionen Liter pro Tag Haushalts- und Industrieabwasser aufbereiten soll. Die Filtration besteht aus zwölf Zellen mit jeweils 216 Membranmodulen. Die Aufbereitung über Membranen dient auch als Vorstufe eines Umkehrosmosesystems, um etwa acht Millionen Liter pro Tag aufbereitetes Wasser für lokale Industrieanwendungen bereitzustellen. Das Projekt soll Ende 2008 abgeschlossen werden.

Erst in den letzten Jahren hat die Membrantechnologie auch Einzug in die Welt der Prozessindustrie gefunden. Das reicht von der Nahrungsmittel-, Pharma-, Bio- und Chemieindustrie bis hin zur Brennstoffzelle. Insbesondere durch speziell auf die industrielle Nutzung angepasste Membranmaterialien und Modulausführungen erfüllt die Membrantechnik die oft weitreichenden Anforderungen kontinuierlich arbeitender Produktionsprozesse. Sie bietet dabei häufig Vorteile gegenüber klassischen Trennverfahren wie Extraktion, Verdampfung, Ionenaustausch und Adsorption [1].

Membranen in der Prozesstechnik

Interessante Anwendungen finden sich beispielsweise bei der Aufbereitung von Säuren und Laugen [2], die u.a. als Beiz- und Reinigungschemikalien eingesetzt werden, oder auch zur Steuerung des pH-Werts bei chemischen Reaktionen. Lange Zeit wurden anfallende Säuren und Laugen neutralisiert und als verdünnte Salzlösung dem Abwasser zugeführt.

Mithilfe der Mikro- und Ultrafiltration können partikuläre Bestandteile und Makromoleküle abgetrennt werden. Durch eine geschickte Membranauswahl ist es möglich, Reinigungslaugen so aufzuarbeiten, dass die waschaktiven Substanzen in der Lösung enthalten bleiben, die Schmutzstoffe jedoch weitgehend abgetrennt werden. Die Nanofiltration bietet die Möglichkeit, mehrwertige Ionen abzuscheiden und somit Säuren und Laugen aufzubereiten. Auch Membranen zur Elektrodialyse bieten aufgrund ihres Potenzials, zielgerichtet Anionen bzw. Kationen abzutrennen, vielfältige Möglichkeiten, Säuren und Laugen gezielt aufzubereiten.

Einsatzschwerpunkte in der Chemie- und Pharmaindustrie

Einsatzschwerpunkte für Membranverfahren in der chemischen und pharmazeutischen Industrie sind laut Microdyn-Nadir:

Aufkonzentrierung von ein- und zweiwertigen Salzen, kleinen Molekülen, Polymeren, Proteinen, Viren, bis hin zu Partikeln und Zellen;

Hybridverfahren Destillation/Dampfpermeation;

Ausbeutesteigerung von Gleichgewichtsreaktionen im Membranreaktor;

Abtrennung homogener und heterogener Katalysatoren und Nanopartikel;

Konzentration und Aufreinigung von Proteinen;

scherarme Herstellung von Emulsionen (z.B. biologische Einsatzstoffe).

Das Unternehmen beschreibt sehr konkret die Einsatzmöglichkeiten anhand eigener Projekte: In der chemische Industrie werden Membranen demnach u.a. zur Diafiltration von optischen Aufhellern und von Farbstoffen eingesetzt. Membranen filtrieren auch Zuckerrohrsaft für die Vergärung zu Alkohol oder konzentrieren Kunststoffsuspension zur Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe (z.B. für die Automobil- und Verpackungsindustrie).

FuMA-Tech hat zudem Erfahrungen mit der Membrantechnologie bei der Produktaufbereitung von Diagnostika mittels Diafiltration und Nanofiltration, beim Aufkonzentrieren von Antibiotika und pharmazeutischen Zwischenprodukten, der Entsalzung von Reaktionslösungen der pharmazeutischen Produktion sowie beim Konzentrieren von Lösungen aus einer Chromatographie. Ein wesentlicher Vorteil von Membrananlagen, so das Unternehmen, ergebe sich aus deren kompakter und häufig modularer Bauweise.

Membranen in der Umwelttechnik

Gemäß einer Studie [3] der Roland Berger Strategy Consultants im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA) bestehen mehr als drei Viertel der heute eingesetzten Membranen aus Kunststoff, gefolgt von solchen aus Keramik. Polymermembranen haben gegenüber Membranen aus Keramik den Vorteil einer höheren Flächeneffizienz, d.h. dieselbe Reinigungsleistung lässt sich mit kleineren Systemen erreichen. Außerdem sind sie kostengünstiger herzustellen und für jede Trenngrenze verfügbar. Es gibt also Polymermembranen für alle Anwendungen der Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie der Umkehrosmose. Sie sind jedoch unter Umständen weniger bruchfest und stabil und haben eine insgesamt kürzere Lebensdauer.

Keramikmembranen hingegen sind auch unter chemischer und/oder thermischer Belastung, etwa durch aggressive Lösungen oder sehr hohe Temperaturen, sehr beständig. Nach Expertenmeinung haben Keramikmembranen im Dauerbetrieb eine Lebensdauer von etwa acht Jahren. Nach Aussagen der Unternehmen wurden aber in den letzten Jahren zahlreiche Fortschritte bei der Anwendungsbandbreite von Polymermembranen erzielt, die damit zu den Keramikmembranen aufschließen. Einige Unternehmensvertreter zeigten sich überzeugt, dass die Leistungen und Funktionen von Polymermembranen mit denen aus Keramik vergleichbar sind oder es in naher Zukunft sein werden. Ein von vielen Unternehmen bestätigter Trend in der Membrantechnologie ist ihr zunehmender Einsatz auch zur Abwasserbehandlung in zentralen und dezentralen Anlagen.

Ein Beispiel aus der Praxis: Mittels Membrantechniken und biologischer Verfahren reinigt Haase Energietechnik vor allem hoch belastete Deponiesickerwässer und Abwässer aus Biogasanlagen – bis zur Direkteinleiter-Qualität. Überwiegend liefert das Unternehmen die komplette Technik in kompakten Containern. Die sind mobil, flexibel und sofort betriebsbereit – morgens aufgestellt, ist die Anlagentechnik kurzfristig verfügbar, wo immer sie gebraucht wird.

Membrantechnik für die Mikrochemie

Während eine typische chemische Synthese meist in mehreren Reaktionsstufen mit zwischengeschalteten Trenn- oder Reinigungsschritten verläuft, beschränkte sich die Mikrochemie bisher fast immer zwangsläufig auf einstufige Reaktionen oder Reaktionsfolgen, die keine Trennschritte benötigen. Forscher vom Massachusetts Institute of Technolgy (MIT) haben nun eine integrierte mehrstufige Prozesskette im Mikromaßstab realisiert: Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, umfasst ihr Prozess drei Reaktionsstufen sowie zwei Trennschritte (eine Gas/Flüssig- und eine Flüssig/Flüssig-Trennung). In Form eines Mikroreaktor-Netzwerkes lässt sich dieser Prozess sogar so gestalten, dass verwandte Verbindungen in einer Parallelsynthese gleichzeitig hergestellt werden.

Und so funktioniert die Mikro-Flüssig/Flüssig-Trennung: Eine poröse Trenn-Membran aus einem Fluorpolymer wird von der organische Phase benetzt, diese kann durch die feinen Poren durchkriechen. Die abzutrennende wässrige Phase kann die von der organischen Phase bereits benetzten Poren selbst nicht mehr benetzen, da die beiden Flüssigkeiten nicht mischbar sind – und kann daher die Poren nicht passieren. Die zweite Trennung, eine Gas/Flüssig-Trennung, basiert auf demselben Prinzip: Hier benetzt die Flüssigkeit, die das Zwischenprodukt enthält, die Membran und durchquert die Poren. Für den während der Reaktion freigewordenen Stickstoff wirkt die benetzte Membran dagegen als Sperre.

Fazit

Weil es sich bei der Membrantechnik um eine physikalische Trennung handelt, werden die Produkte weder thermisch belastet noch chemisch verändert. Je nach Membran können so Partikel, Kolloide, Makromoleküle, Moleküle und auch Ionen in einer flüssigen Phase aufkonzentriert und abgetrennt werden. Die Branche ist sicher, dass Membrantechnologien noch kräftig an Bedeutung gewinnen werden.

Hintergrund: Membrantechnologie – ein Wachstumsmarkt

Die von Roland Berger Strategy Consultants befragten Unternehmen [3] bezifferten das weltweite Marktvolumen für Membranen und Membranmodule 2005 auf jährlich etwa 760 Millionen Euro. Laut Expertenmeinung steigt dieser Wert um das Vier- bis Fünffache, wenn die kompletten Systeme, also zum Beispiel auch ein Membranbioreaktor, einbezogen werden. Die Unternehmen rechnen damit, dass der Markt für Membranen und Membranmodule bis zum Jahr 2010 auf über eine Milliarde Euro wächst, was einem durchschnittlichen Wachstum von rund zehn Prozent entspricht. Im Jahr 2015 wird für die Membrantechnologie ein weltweites Marktvolumen von etwa zwei Milliarden Euro erwartet, 2020 sollen es 3,3 Milliarden Euro sein.

Interview zum Thema: „Der Teufel steckt oft im Detail“

Dipl.-Ing. Martin Zimmermann, Vorstandsvorsitzender der DGMT (Deutsche Gesellschaft für Membrantechnik), die den Einsatz der Membrantechnik in Deutschland fördert, sieht auch in der Chemie neue Einsatzmöglichkeiten.

PROCESS: Herr Zimmermann, welche Entwicklungen sehen Sie derzeit in der Membrantechnik?

Zimmermann:Mit steigender Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit wird die Membrantechnik in der Zukunft herkömmliche Verfahren in der Prozesstechnik ersetzen. Dabei spielt u.a. die Vielfalt der heute verfügbaren Membranwerkstoffe eine Rolle. In der Membrantechnik gibt es zur Zeit viele interessante Entwicklungen – sowohl im Bereich der Membran- und Modulentwicklung, als auch im apparativen Bereich. Als Beispiel seien hier nur folgende Stichworte genannt: neue, funktionale Membranwerkstoffe, getauchte Module in der kommunalen Abwassertechnik, Trinkwassergewinnung oder Nanofiltration.

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

Zimmermann: Mit jedem neu entwickeltem Membranwerkstoff ergibt sich ein neues Anwendungsfeld für die Membrantechnik. Gerade in der Chemie oder Pharmazie steigen die Anforderungen an die chemische oder thermische Beständigkeit bzw. Selektivität von Membranen. Hier gibt es noch viele Chancen besonders auch für die Nischen-Anbieter.

PROCESS: Nach welchen Kriterien sollte ein Anwender seinen Lieferanten auswählen?

Zimmermann: In der Regel wird der meist fachfremde Anwender sinnvollerweise eine Komplettlösung bei einem Anlagenbauer beziehen. Bei Membrananwendungen steckt der Teufel oft im Detail. Deshalb sollte der Anwender unbedingt auf die Erfahrung, die Referenzen aber auch auf die technische Ausstattung des Anbieters schauen. In der Regel sind Laborversuche und Pilotbetriebe nötig.

Literatur

[1] Membrantechnik in der Prozessindustrie, VDI Wissensforum, 28./29. November 2007.

[2] „Praxisforum Membrantechnik“ der Dechema/DGMT im Juni 2007.

[3] Umweltpolitische Innovations- und Wachstumsmärkte aus Sicht der Unternehmen. Forschungsprojekt im Auftrag des Umweltbundesamtes, durchgeführt von Roland Berger Strategy Consultants.

Der Autor ist redaktioneller Mitarbeiter bei PROCESS.

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