Membranfiltration – Anwendung und Bedeutung

Viele Industriezweige setzen die Filtration als wichtige Trenntechnik ein. ­Werden Partikel und Substanzen aus Flüssigkeiten und Gasen mittels einer Membran abgetrennt, spielt die Membranfiltration – je nach Porengröße – mit ihren ­Varianten Mikro-, Ultra- und Nanofiltration ihre Potenziale aus. Die Vorteile für Anwender zeigt dieser Beitrag ebenso auf wie die limitierenden Aspekte der Filtrationstechnik.

In der Natur findet Filtration überall statt. Wasser wird durch verschiedene Gesteinsschichten gereinigt, weshalb an einer Quelle sehr sauberes Trinkwasser entnommen werden kann. Insbesondere natürliche Bodenschichten wie Sand, Kies und Ton, aber auch Mikroorganismen wirken als natürliche Filter im Boden und bereiten unser Trinkwasser dadurch auf.

Funktionsweise der Membranfiltration

Im Bereich der Technik ist Filtration ein Überbegriff für zahlreiche Verfahren, wobei in der Chemietechnik insbesondere die Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie Umkehrosmose relevant sind. Übergreifend werden diese Techniken als Membranfiltration bezeichnet, die 1916 von den Chemikern Richard Zsigmondy (1865 – 1929) und Wilhelm Bachmann (1885 – 1933) in Deutschland erfunden wurde.

Als Folge werden einige Partikel im Retentat zurückgehalten, während Wasser und übrige Stoffe durch die Membran gelangen und das Permeat bilden. Angewandt wird die Membrantechnologie vor allem in Bereichen wie der Chemie, Biologie, Umwelttechnik, Lebensmittelindustrie und Pharmazie.

Wenn wie bei der Membranfiltration eine Membran dazu dient, zwei Räume oder Substanzen voneinander zu trennen und Stoffe anhand bestimmter Eigenschaften zu selektieren, braucht es dafür eine treibende Kraft. Diese Kraft ist der Druckunterschied zwischen Zu- und Ablauf, der 0,1 bis 10 bar betragen kann und durch den ein Medium durch den Filter befördert wird. In diesem Zusammenhang spricht man auch vom Flow, also der Fließgeschwindigkeit des Mediums durch die Filtermembran. Um effektiv Stoffe abzuscheiden und die Filtermembran nicht zu beschädigen, ist ein kontrollierter Flow entscheidend.

Die Techniken der Membranfiltration unterscheiden sich in Bezug auf die Porengröße der eingesetzten Filtermembran. Die Porengröße variiert zwischen:

• < 1 nm (Nanofiltration)
• 0,001 bis 0,1 µm (Ultrafiltration)
• >0,1 µm (Mikrofiltration)

Die Porengröße entscheidet darüber, welche Stoffe mittels der Filtermembran zurückgehalten werden können. In diesem Sinne ähneln Membranfilter einem Sieb oder Siebgewebe, das abhängig von seiner Maschenweite Stoffe einer bestimmten Korngröße zurückhält.

Besonders vorteilhaft an der Membranfiltration ist, dass durch mehrere aufeinanderfolgende Filtriervorgänge fraktioniert werden kann, wodurch sich mehrere Fraktionen des Retentats mit Teilchen bestimmter Größe zurückgewinnen lassen. Als Membranfiltermaterialien nutzt man klassischerweise Cellulosenitrat und Celluloseacetat, insbesondere für Membranfilterscheiben. Andere Ausführungen wie Filterkerzen, Filter in Zentrifugenröhrchen oder Membrankartuschen, Vorfilter und Filterhalter werden für andere Filtrationstechniken verwendet und bestehen aus Borosilikatglas, (gesinterten) Kunststoffen und anderen Materialien.

Die Mikrofiltration

Die Porengröße der Membranfilter in der Mikrofiltration liegt für gewöhnlich bei einem Durchmesser von 0,1 bis 10 µm. Dieses Verfahren wird beispielsweise in der Lebensmittelbranche, dem Pharmasektor, der Öl- und Gasindustrie sowie der Wasserreinigung angewandt. Dabei dient die Mikrofiltration meist der Klärung von Flüssigkeiten, wobei gröbere Partikel und Schwebstoffe geklärt und abfiltriert werden. Dazu zählen auch Trübstoffe, die andernfalls das jeweilige Produkt unbrauchbar machen würden. Bakterien, Algen und sonstige lebende Bestandteile können ebenfalls vom Medium abgetrennt werden. Somit ermöglicht die Mikrofiltration auch das Dekontaminieren eines Mediums.

Das wohl wichtigste Anwendungsfeld der Mikrofiltration betrifft die Aufbereitung von Trinkwasserquellen. Die Membranen sind entscheidend bei der primären Desinfektion des Trinkwassers, das Pathogene enthalten kann. Vorteilhaft daran ist, dass Pathogene keine Resistenz aufbauen können, wie das etwa gegenüber traditionellen Desinfektionsmitteln wie Chlor der Fall ist. In diesem Sinne erfolgen sowohl Klärung als auch Desinfektion in einem einzigen Schritt, wodurch Kosten gesenkt werden können.

Zusätzlich stellt Mikrofiltration eine Verbesserung zur klassischen Sterilisierung dar, da keine Gefahr besteht, die Produktqualität durch den Einsatz von Hitze zu verschlechtern. Diesen Vorteil nutzt vor allem die Pharma- und Lebensmittelindustrie. Auch beim Verarbeiten von Milchprodukten wird Mikrofiltration eingesetzt, um zunächst Pilzsporen und Bakterien zu entfernen, bevor die Milch im nächsten Schritt pasteurisiert wird. Dekontaminieren durch Mikrofiltration wird wegen der Abwesenheit von Hitze auch als kalte Sterilisierung bezeichnet. Membranfiltration ist also auch ein essentieller Bestandteil der Mikrobiologie.

Die Ultrafiltration

Membranfilter in der Ultrafiltration haben einen Durchmesser von 0,001 bis 0,1 µm und sind in der Lage, Proteine, Endotoxine, Viren und Silikate zurückzuhalten. Ultrafiltration folgt demselben Prinzip wie Mikrofiltration und unterscheidet sich lediglich in Bezug auf die Porengröße. Unverzichtbar ist diese Filtrationsform in der Medizin, der Biotechnologie und beim Vorbereiten analytischer Verfahren wie der Flüssigchromatographie.

In der Hämodialyse wird Blut durch Diffusion über eine semipermeable Membran „filtriert“, wobei die Membran den Filter darstellt. Durch sie werden Proteine und Blutzellen zurückgehalten, während kleine Moleküle wie Wasser, Elektrolyte und harnpflichtige Substanzen frei diffundieren können. Aufgrund eines Konzentrationsgefälles zwischen Dialyseflüssigkeit und Blut wird das Blut gereinigt. Dabei werden die beiden Flüssigkeiten im Gegenstromprinzip aneinander vorbeigeführt. Klassischerweise handelt es sich bei der Hämodialyse um ein zweistufiges Verfahren mit einer Vorbehandlung und folgender Ultrafiltration des Blutes. Modernere Anwendungen nutzen Hohlfaserbündel mit einer hochporösen, bioaktiven Oberfläche für eine einstufige Mikrodialyse, wodurch das Blut gereinigt werden kann.

Die Nanofiltration

Die Nanofiltration verwendet Filterwerkstoffe mit einer Porengröße im Nanometerbereich. Diese Poren sind klein genug, um gelöste Ionen, organische Verbindungen und bestimmte Moleküle selektiv abzutrennen. Dadurch ist es beispielsweise in der Wasseraufbereitung möglich, überschüssige Salze zu entfernen und somit den Härtegrad zu beeinflussen. Die pharmazeutische Industrie nutzt Nanofiltration, um Chemikalien voneinander zu trennen und die Reinheit von hergestellten Produkten zu beeinflussen.

Auf welche Weise ist die Membranfiltration limitiert?

Hier bildet sich häufig und insbesondere bei stark verunreinigten Flüssigkeiten ein Filterkuchen, was auch als „Fouling“ bezeichnet wird. Durch diesen Prozess kann aus einer Mikrofiltration eine Ultrafiltration werden, auch Pinch-Effekt genannt.

Aus diesem Grund wird die Frontalfiltration eher in kleineren Laboranwendungen genutzt, während industrielle Verfahren die energieintensivere Querstromfiltration, auch Tangentialflussfiltration genannt, anwenden. Hier fließt die zu filtrierende Suspension parallel zur Oberfläche der Membran, wodurch Verunreinigungen entfernt werden. Gleichzeitig verhindert dies, dass sich ein Filterkuchen bildet. Somit lässt sich auch die Membranoberfläche effizient reinigen.

Eine direkte Möglichkeit, die Filterkuchenbildung und den damit verbundenen Pinch-Effekt in der Frontalfiltration zu umgehen, ist eine mehrstufige Filtration mittels Membranfiltern unterschiedlicher Porengrößen. Solch ein mehrstufiges Verfahren bietet zudem den Vorteil des Fraktionierens, was wiederum ein Rückgewinnen der abgefilterten Stoffe ermöglicht. Je nach Anwendungsfall sollte also darüber entschieden werden, welche Technik eingesetzt wird.

Limitiert ist die Membranfiltration auch im Hinblick auf die Selektivität der filterbaren Stoffe, da bestimmte Substanzen möglicherweise nicht vollständig zurückgehalten werden können. Zudem kann eine Fraktionierung von Molekülen ähnlicher Größe nicht zuverlässig gewährleistet werden. Daher existieren zusätzlich nichtmechanische Ergänzungen: Zum Beispiel kann eine Membran selektiv permeabel für bestimmte Ionen oder chemisch affin für gewisse Moleküle sein. So existieren etwa Adsorptionsfilter mit Aktivkohlegranulat, die lediglich die adsorbierbaren Bestandteile aus einer Flüssigkeit filtern.

Membranfiltration und weitere Trennverfahren

Obwohl die Membranfiltration ein enorm breites Anwendungsfeld hat, sollte stets überprüft werden, welche anderen Trennverfahren zur Verfügung stehen und dem jeweiligen Zweck dienen können. In der Umweltanalytik ist die Membranfiltration eher als Vorstufe zur Chromatographie zu verstehen, da aussagekräftige Umweltanalysen das Auftrennen einer Suspension in einer Chromatographiesäule verlangen.

Um Abwässer aufzubereiten, kann die Membranfiltration zum Einsatz kommen. In einigen abgelegenen Regionen wird Ultrafiltration sogar bereits als alleinige Lösung zur Wasseraufbereitung genutzt. Im großen Stil einer Kläranlage werden jedoch weiterhin Trennverfahren wie die Flotation und Sedimentation eingesetzt, da sie deutlich weniger energieintensiv und anwendungsfreundlicher sind. Optional lässt sich in einer Kläranlage eine Membranfiltration ergänzen, um die Qualität oder Zusammensetzung des gereinigten Wassers weiter zu verbessern.

Umweltrelevante Aspekte

Indem Partikel in einem Filter aufgefangen werden, lassen sich Umweltanalysen über eine filtrierte Suspension durchführen. Die Inhaltsstoffe im Retentat werden erfasst und analysiert, wodurch geprüft werden kann, wie stark eine Probe mit umweltrelevanten Stoffen und Organismen kontaminiert ist. Damit kann die Membranfiltration ein essenzieller Bestandteil eines Umweltgutachtens sein.

Bei der Querstromfiltration können Verunreinigungen konzentriert entstehen. Dadurch angefallene konzentrierte Abfallströme müssen ordnungsgemäß entsorgt werden, da sie andernfalls die Umwelt belasten würden. Auch kann dies zu Umweltauflagen und zusätzlichen Kosten führen. Da die Querstromfiltration besonders energieintensiv ist, sollte möglichst die Filtrationsmethode mit dem geringsten Ressourcenverbrauch genutzt oder gänzlich darauf verzichtet werden. Insgesamt ist die Membranfiltration jedoch ein zurecht etabliertes Verfahren, das zuverlässig und vielseitig einsetzbar ist.

Bild-Quellen:
Beitragsbild | © ydfotograf – stock.adobe.com
Übersicht verschiedener druckgetriebener Membranfiltrationsverfahren | © Die Autorenschaft wurde nicht in einer maschinell lesbaren Form angegeben. Es wird Lotron als Autor angenommen (basierend auf den Rechteinhaber-Angaben)., CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons
Anlage zur Ultrafiltration von Wasser | © ommbeu – stock.adobe.com