Mikrofiltration und Ultrafiltration

Mikrofiltration und Ultrafiltration unterscheiden sich vor allem in der Porengröße ihrer Membrane: Die Poren bei der Mikrofiltration sind größer (0,1 bis 10 Mikrometer), während die Ultrafiltration kleinere Poren aufweist (0,01 bis 0,1 Mikrometer). Beide Verfahren - Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF) - sind membranbasierte Filtrationstechnologien, die zur Abtrennung von Partikeln aus Flüssigkeiten eingesetzt werden, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihren Möglichkeiten und Anwendungsbereichen. 
Die Mikrofiltration wird hauptsächlich zur Entfernung größerer Partikel wie Bakterien und suspendierter Feststoffe eingesetzt. Die Ultrafiltration hingegen kann aufgrund ihrer feinen Poren nicht nur Bakterien, sondern auch Viren, Proteine und andere hochmolekulare Substanzen zurückhalten. Dadurch eigentlich sich UF für Anwendungen, die ein höheres Maß an Reinheit erfordern. Im Vergleich dazu arbeiten andere Filtrationssysteme wie z.B. Medienfilter weniger präzise. Sie sind vor allem auf die Abtrennung grober Partikel ausgelegt und werden häufig als erste Filtrationsstufe eingesetzt (10-100+ Mikrometer).

Mikrofiltration und Ultrafiltration ermöglichen eine effektive Entfernung von Bakterien, suspendierten Feststoffen, Viren und weiteren pathogenen Mikroorganismen. Die Ultrafiltration erreicht dabei eine höhere Reinheit, da sie zusätzlich Viren und organische Verbindungen mit hohem Molekulargewicht zurückhalten kann. Beide Verfahren liefern eine hohe Wasserqualität - ganz ohne den Einsatz von Chemikalien oder energieintensiven Prozessen.
Sie sind äußerst vielseitig einsetzbar, unter anderem in der Wasseraufbereitung, der Lebensmittelindustrie sowie in der Pharmazeutik, und eignen sich zudem hervorragend als Vorbehandlung für weiterführende Filtrationstechnologien wie Umkehrosmose. Darüber hinaus sind Mikro- und Ultrafiltration kosteneffizient, umweltfreundlich und tragen dazu bei, die Systemleistung zu verbessern sowie die Lebensdauer nachgeschalteter Membranen zu verlängern.

Die Tangentialflussfiltration (TFF) bietet gegenüber der Dead-End-Filtration mehrere Vorteile. Da das Medium tangential zur Membran strömt, wird die Bildung eines Filterkuchens verhindert. Dadurch kommt es zu einer geringeren Membranverschmutzung und einer längeren Lebensdauer der Membran. Zudem ermöglicht die TFF die gleichzeitige Durchführung von Konzentration und Diafiltration, arbeitet kontinuierlich für schnellere Ergebnisse und lässt sich problemlos vom Labormaßstab bis hin zur Produktion skalieren. Darüber hinaus ist die Tangentialflussfiltration besonders geeignet für die Aufbereitung von Lösungen mit hohem Feststoffgehalt oder hoher Viskosität und zeichnet sich durch eine schonende Filtration mit geringerem Verstopfungsrisiko aus. 

Die wichtigsten industriellen Einsatzbereiche von Tangentialflussfiltrationssystemen (TFF), die Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen nutzen, umfassen:

- Biopharmazeutische Produktion: Konzentration und Aufreinigung von Proteinen, monoklonalen Antikörpern, Plasmid-DNA und weiteren Biomolekülen im Downstream Processing.

- Bioprozesse und Fermentation: Klärung von Zellysaten, Fermentationsbrühen und Zellernte zur Abtrennung von Zellen und Zelltrümmern von den Zielprodukten.

- Virusentfernung und Sterilisation: Effiziente Abtrennung und Konzentration von Viren und anderen Pathogenen, um Produktsicherheit zu gewährleisten, ohne scherempfindliche Biomoleküle zu schädigen. 

- Pufferwechsel und Diafiltration: Austausch oder Entfernung von Lösungsmitteln und Salzen während Formulierungs- oder Reinigungsschritten.

- Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Filtration und Konzentration von Enzymen, Proteinen und anderen Inhaltsstoffen, insbesondere dort, wo eine schonende Verarbeitung zur Erhaltung der Produktqualität erforderlich ist. 

- Wasser- und Wasseraufbereitung: Entfernung von suspendierten Feststoffen und Mikroorganismen aus Industrieabwässern, häufig als Vorbehandlungsschritt. 

Zusätzlich bietet die TFF wesentliche Vorteile wie eine geringere Membranverschmutzung durch Cross-Flow-Betrieb, Skalierbarkeit vom Labor- hin zum Industriemaßstab, hohe Produktausbeuten sowie die Einhaltung regulatorischer Standards (z.B. GMP, PED). Sie wird daher in Branchen eingesetzt, die eine präzise, schonende und effiziente Abtrennung und Konzentration von Biomolekülen und Partikeln erfordern.

Mikrofiltrations- (MF) und Ultrafiltrationsmembranen (UF) werden in der Regel aus organischen Polymeren oder anorganischen Materialien hergestellt.

• Polymermembranen: Häufig eingesetzte Polymere sind Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polypropylen (PP). Diese Materialien zeichnen sich durch ihre chemische Beständigkeit, mechanische Festigkeit sowie durch hydrophobe oder hydrophile Eigenschaften aus, die je nach Anwendung angepasst werden können. Polymerkonstruktionen werden vor allem in Spiralwickel- oder Flachmembrankonfigurationen verwendet, da sie ein ausgewogenes Verhältnis von Kosten, Beständigkeit und Membranfläche bieten.
• Anorganische Membranen: Diese bestehen in der Regel aus einem porösen keramischen oder metallischen Träger, auf den eine aktive keramische Schicht aufgebracht und bei hohen Temperaturen gesintert wird. Die Beschichtung aus keramischen Oxiden wie Aluminiumoxid (Alumina), Titandioxid (Titania), Zirkoniumdioxid (Zirkonia) oder Siliciumcarbid bestimmt die Porengröße und Filtrationseigenschaften der Membran. Materialien wie Keramik und Edelstahl werden insbesondere dort eingesetzt, wo hohe Beständigkeit, Temperaturfestigkeit und chemische Stabilität erforderlich sind.

Keramische Membranen sind in anspruchsvollen industriellen Umgebungen aufgrund ihrer Robustheit bevorzugt, während polymere Membranen in weniger aggressiven Anwendungen weit verbreitet sind.

Mikrofiltrations- (MF) und Ultrafiltrationssysteme (UF) fungieren bereits selbst als äußerst wirksame Vorbehandlungsschritte, da sie suspendierte Feststoffe, Bakterien, Viren und großmolekulare organische Substanzen effizient entfernen, die in nachgeschalteten Prozessen wie der Umkehrosmose (RO) zu Fouling führen können.

Aufgrund ihrer hohen Abtrennleistung verringern MF- und UF-Membranen den Bedarf an aufwendigen chemischen oder physikalischen Vorbehandlungen erheblich. In der Regel ist lediglich ein einfacher Vorfilter (z. B. Grobsieb oder Kerzenfilter) erforderlich, um die Membranen vor größeren Partikeln und Ablagerungen zu schützen, die zu mechanischen Schäden oder Verstopfungen führen könnten.

Mit anderen Worten: MF- und UF-Membranen klären das Rohwasser in einem Maße, das Fouling in nachfolgenden Aufbereitungsstufen effektiv verhindert und deren Lebensdauer verlängert. Dadurch entfällt weitgehend die Notwendigkeit komplexer Verfahren wie Koagulation oder chemische Konditionierung vor der Membranfiltration. Dieser vereinfachte Ansatz reduziert die Betriebskomplexität, den Chemikalieneinsatz und die Kosten, während gleichzeitig eine hohe Filtrationsleistung gewährleistet bleibt.

Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF) sind hervorragende Vorbehandlungstechnologien für die Umkehrosmose (RO) in der Abwasseraufbereitung. Sie entfernen effizient suspendierte Feststoffe, Bakterien, Viren und kolloidale Partikel, die zu Fouling oder Schäden an RO-Membranen führen können.

Durch die Bereitstellung eines qualitativ hochwertigem Zulaufwassers mit deutlich reduziertem Schadstoffgehalt verlängern MF und UF die Lebensdauer der RO-Membranen, reduzieren die Häufigkeit chemischer Reinigungen und verbessern die Zuverlässigkeit sowie die Effizienz des Gesamtsystems.

Im Gegensatz zu anderen Vorbehandlungsmethoden, die eine umfangreiche Chemikaliendosierung oder komplexe Prozesse erfordern, arbeiten MF und UF rein physikalisch mittels Membranfiltration. Dies macht sie einfacher in der Anwendung und umweltfreundlicher. Üblicherweise ist lediglich ein Grobvorfilter erforderlich, um die Membranen vor größeren Partikeln und Ablagerungen zu schützen.

MF und UF stellen daher die optimale Vorbehandlung für RO-Systeme in der industriellen Abwasserbehandlung dar. Sie gewährleisten eine konstante Wasserqualität, eine zuverlässige RO-Performance und niedrigere Betriebskosten.

Mikrofiltrations- (MF) und Ultrafiltrationsmembranen (UF) eignen sich hervorragend zur Reinigung von Flüssigkeiten wie Fermentationsbrühen. Sie arbeiten nach dem Prinzip der größenbasierten Siebung: Der Wirkstoff (z. B. Proteine, Milchsäure oder andere Zielmoleküle) kann die Membran als Permeat passieren, während Zellen, Zelltrümmer, große Proteine und weitere Verunreinigungen im Konzentrat zurückgehalten werden. Diese selektive Trennung macht MF und UF ideal für die Rückgewinnung wertvoller Biomoleküle aus komplexen Fermentationsgemischen.

Darüber hinaus bieten MF- und UF-Systeme wesentliche Vorteile wie Skalierbarkeit, eine schonende Verarbeitung, die die Produktaktivität erhält, sowie einen geringeren Chemikalieneinsatz im Vergleich zu traditionellen Verfahren. Allerdings erfordert die mögliche Membranbelegung durch Biomasse und Proteine geeignete Reinigungsprotokolle, um die Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten.

Zusammenfassend sind MF- und UF-Membranen ausgezeichnete Technologien zur Reinigung von Fermentationsbrühen. Sie ermöglichen es, den Wirkstoff gezielt passieren zu lassen, während unerwünschte Feststoffe konzentriert werden – und tragen so zu einer effizienten Weiterverarbeitung und Produktgewinnung bei.

Die Häufigkeit der Reinigung und des Austauschs von Mikrofiltrations- (MF) und Ultrafiltrationsmembranen (UF) hängt von zahlreichen Faktoren ab, darunter die jeweilige Anwendung, die Qualität des Rohwassers, das Membranmaterial, die Systemkonfiguration sowie die Betriebsbedingungen. Da Fouling-Mechanismen stark variieren – beeinflusst durch Partikelgröße, Membraneigenschaften und die Wechselwirkungen zwischen Verunreinigungen und Membran – gibt es keinen universell gültigen Reinigungsplan.

Die optimale Reinigungsfrequenz und -strategie hängt maßgeblich von den Eigenschaften des Rohwassers und dem jeweiligen Betriebsregime ab. Beispielsweise erfordern Membranen, die Sickerwasser mit hoher organischer oder biologischer Belastung behandeln, häufigere oder intensivere Reinigungen als Membranen, die vergleichsweise sauberes Wasser aufbereiten.

Aufgrund dieser Komplexität sind Betriebserfahrung und Pilotversuche entscheidend, um die besten Reinigungsstrategien zu entwickeln, geeignete Reinigungschemikalien, deren Konzentrationen, Temperaturen und Einwirkzeiten zu bestimmen und gleichzeitig eine lange Membranlebensdauer sowie stabile Performance sicherzustellen. Pilotstudien helfen dabei, CIP-Protokolle spezifisch auf den jeweiligen Prozess und Membrantyp abzustimmen, sodass eine Balance zwischen Reinigungswirksamkeit, Minimierung der Membranalterung und Betriebskosten erreicht wird.

Zusammenfassend gilt: Die Reinigungsintervalle und die Lebensdauer von MF- und UF-Membranen sind stark anwendungsabhängig. Pilotversuche und/oder direkte Betriebserfahrung sind notwendig, um optimierte, standortspezifische CIP-Protokolle zu entwickeln, die sowohl die Membranlebensdauer maximieren als auch die Prozesseffizienz sichern.

Die Leistung der Ultrafiltration (UF) – ebenso wie der Mikrofiltration (MF) – wird im Wesentlichen durch physikalische Betriebsbedingungen bestimmt. Zu den wichtigsten Parametern zählen:

- Transmembrandruck (TMP): Bestimmt die treibende Kraft der Filtration. Ein zu hoher Druck kann jedoch zur Kompaktierung der Membran führen, wodurch sich die Porengröße und Permeabilität verringern und der Fluss abnimmt.

- Crossflow-Geschwindigkeit: Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit entlang der Membran reduziert Fouling, da zurückgehaltene Partikel von der Membranoberfläche weggespült werden. Dadurch bleiben höhere Flussraten erhalten und die Membranlebensdauer verlängert sich.

- Temperatur: Beeinflusst sowohl die Viskosität der Flüssigkeit als auch die Permeabilität der Membran. Höhere Temperaturen senken in der Regel die Viskosität und erhöhen den Fluss, müssen jedoch innerhalb der materialbedingten Temperaturgrenzen der Membran bleiben.

- pH-Wert: Membranmaterialien besitzen spezifische pH-Bereiche, in denen sie optimal arbeiten. Starke Säure- oder Laugenbelastungen können die Membran angreifen oder die Leistung reduzieren.

- Viskosität des Rohwassers: Höhere Viskosität führt zu einem reduzierten Permeatfluss, da der Strömungswiderstand durch die Membran zunimmt.

Weitere Einflussgrößen sind die Rohwasserqualität (z. B. Gehalt an suspendierten Feststoffen, Trübung, Fouling-Potenzial), die Porengröße und Porosität der Membran sowie deren Oberflächeneigenschaften (Hydrophilie, Rauigkeit).

Die Optimierung dieser Parameter im Rahmen von Pilotversuchen ist entscheidend, um Flussleistung, Rückhalterate und Fouling-Kontrolle in ein stabiles Gleichgewicht zu bringen und so eine effiziente UF-Betriebsweise sicherzustellen.
 

Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF) gelten als die besten Vorbehandlungstechnologien für die Umkehrosmose (RO) in der Wasseraufbereitung und Wasserwiederverwendung. Sie entfernen effizient suspendierte Feststoffe, Bakterien, Viren, organische Verbindungen sowie zahlreiche chemische Verunreinigungen – und das, ohne die essenziellen Mineralien im Wasser zu verändern.

Durch dieses hohe Maß an Filtration werden RO-Membranen wirksam vor Fouling und Schäden geschützt, was ihre Lebensdauer deutlich verlängert und den Aufwand für Wartung und chemische Reinigung reduziert. Im Gegensatz zu anderen Vorbehandlungen liefern MF- und UF-Membranen kontinuierlich eine gleichbleibend hohe Rohwasserqualität, indem sie Partikel bis zu 0,01 Mikrometer (UF) zuverlässig zurückhalten, darunter auch Krankheitserreger und Schwermetalle, die besonders kritisch für die empfindlichen RO-Membranen sind.

Darüber hinaus zeichnen sich MF und UF durch einen geringen Energiebedarf und einen reduzierten Chemikalieneinsatz aus, wodurch der gesamte Aufbereitungsprozess nachhaltiger und kosteneffizienter wird. Durch die Bereitstellung eines saubereren Zulaufwassers optimieren sie die RO-Leistung, erhöhen die Wasserwiedergewinnungsraten und senken die Betriebskosten. Damit stellen MF und UF die zuverlässigsten und effizientesten Vorbehandlungstechnologien für die moderne Wasseraufbereitung und -wiederverwendung dar.