Cross-Flow-Filtration
Die Cross-Flow-Filtration, auch Tangential-Flow- oder Querstromfiltration genannt, ist eine Methode zum Filtrieren von Flüssigkeiten. Sie wird in der chemischen, in der Lebensmittel- und in der Pharmaindustrie angewandt. Querstromfiltration gibt es auch bei planktonfiltrierenden Tieren, z. B. Fischen (Kiemen-Darm: Kiemenreuse).
Prinzip
Bei der Querstromfiltration wird die zu filtrierende Suspension mit einer hohen Geschwindigkeit von etwa 2,5 bis 3 m/s parallel einer Membran oder eines Filtermediums gepumpt und das Permeat quer zur Fließrichtung abgezogen. Die aufgrund der turbulenten Strömung an der Filteroberfläche auftretenden Scherkräfte lassen sich in Abhängigkeit des Volumenstromes variieren. Durch die hohe Geschwindigkeit wird vermieden, dass sich ein Filterkuchen (Deckschicht oder Fouling) aus den abzutrennenden Feststoffpartikeln auf der Membran aufbauen kann. Ein Filterkuchen würde den Filtrationswiderstand und damit den Druckverlust über den Filter erhöhen, was mit einem höheren apparativen und energetischen Aufwand verbunden ist. Während bei gewöhnlichen Filtern die abzuscheidenden Feststoffe als Filterkuchen gewonnen werden, kann in der Querstromfiltration der Feststoff nur soweit aufkonzentriert werden, dass die Suspension noch pumpbar ist. Das Filtrat ist in beiden Fällen frei von Feststoffen.
Bauweisen
Im Gegensatz zu statischen Filtrationstechniken sind Cross-Flow-Filtrationssysteme in der Lage, Flüssigkeiten mit relativ hohen Trubstoffgehalten zu klären. Besonders dafür geeignet sind Hohlfasern (Kapillarmembran oder auch Hohlfäden genannt), deren Leistungsfähigkeit noch durch den sogenannten Pinch-Effekt verstärkt wird. Eine übliche Hohlfaser hat einen Innendurchmesser von ca. 1,5 mm (3,0 mm bis 0,1 µm möglich) und eine Porengröße von 200 bis 5 nm (2 µm bis 1,0 nm) möglich). Je nach Anwendung werden hunderte bis tausende Kapillaren in Modulen zusammengefasst und vergossen (Hohlfasermodule). Mit Hilfe einer Zirkulationspumpe wird das unfiltrierte Produkt solange durch die Kapillaren zirkuliert, bis die Trubstoffe im Retentat so konzentriert sind, dass eine Entleerung und Reinigung erforderlich wird.
Einsatzgebiete
Bevorzugte Einsatzgebiete sind Bereiche, in denen mit hohem Partikelaufkommen oder großen Konzentrationsgradienten gerechnet werden muss. Durch das permanente Abströmen des Retentats, stellt sich bei nicht weiterem Aufkonzentrieren ein Gleichgewichtswert ein, der lange gehalten werden kann. Eine große Bedeutung hat die Cross-Flow-Filtration in der Getränkefiltration und der Dialyse, aber auch in allen anderen Bereichen der Membrantechnik:
Eine Sonderform der Cross-Flow- Filtration stellt die Diafiltration dar.
Wirtschaftlichkeit
Charakteristische Merkmale der Cross-Flow-Filtrationstechnologie sind die weitgehende Eliminierung von Filterhilfsmitteln, d. h. deren Beschaffung, Lagerung, Handhabung und Entsorgung, die rasche, arbeitsextensive sowie die qualitätsschonende Verarbeitung.
Die Cross-Flow-Filtration ist sehr energieaufwändig. Ein großer Teil der in die Förderung des Feeds investierten Energie geht durch das Retentat verloren. Deshalb wird an den Stellen, wo darauf verzichtet werden kann, immer stärker auf die Dead-End-Filtration zurückgegriffen.
Literatur
- Munir Cheryan: Handbuch Ultrafiltration. B. Behr's Verlag GmbH&Co, 1990, ISBN 3-925673-87-3.
- Rautenbach, Robert: Membranverfahren Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung. Springer-Verlag, 1997, ISBN 3-540-61573-3.
- Staude, Eberhard: Membranen und Membranprozesse. VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1992, ISBN 3-527-28041-3.