Ultrafiltration

Die Ultrafiltration ist ein Filtrationsverfahren aus dem Bereich der Membrantechnik, mit der sich makromolekulare Substanzen und kleine Partikel aus einem Medium abtrennen und aufkonzentrieren lassen.

Einordnung

Man unterscheidet Mikrofiltration, Nanofiltration und Ultrafiltration über den Grad der Abtrennung. Werden Partikel mit der Größe 0,5–0,1 µm abgetrennt, spricht man von Mikrofiltration, sind die Partikel 0,1–0,01 µm groß, dann bezeichnet man es als Ultrafiltration.

Die Ausschlussgrenze oder auch „Cut-off“ der Ultrafiltration wird üblicherweise in Form des NMWC (englisch: Nominal Molecular Weight Cut-Off, auch MWCO, Molecular Weight Cut Off, Einheit: Dalton) angegeben. Er wird definiert als die minimale Molekülmasse eines globulären Moleküls, welches durch die Membran zurückgehalten wird. In der Praxis sollte der NMWC mindestens 20% niedriger sein als die Molmasse des abzutrennenden Moleküls.

Weitere qualitative Aussagen über die Filtration lassen sich anhand des Flux (Wasserwert) (Transmembranfluss oder Durchtrittsrate) machen. Dieser verhält sich proportional zum Transmembrandruck und antiproportional zum Membranwiderstand. Diese Größen werden sowohl von den Eigenschaften der verwendeten Membran als auch durch Konzentrationspolarisation und eventuell auftretendes Fouling bestimmt. Die Durchtrittsrate wird auf 1 m² Membranfläche bezogen. Ihre Einheit ist l/(m²h bar).

Anwendungen

Diafiltration

Eine Anwendung der Ultrafiltration ist die Diafiltration. Durch dieses Verfahren kann bei einer Suspension der Puffer ausgetauscht oder die Salzkonzentration geändert werden. Es verbindet die Eigenschaften der Dialyse mit denen der Ultrafiltration. Während des Vorgangs wird dem Retentat kontinuierlich Lösungsmittel zugeführt, bis das alte Lösungsmittel vollständig über die Membran ausgetauscht ist. Sind Zu- und Abfluss angeglichen, so wird das Suspensionsvolumen nicht verändert. Dieses Verfahren wird in der Industrie, aber auch in der Medizin (Hämodiafiltration) angewendet.

Trinkwasseraufbereitung

Seit Einführung der neuen Trinkwasserverordnung und der damit verbundenen Grenzwerte für den Parameter Trübung findet die Ultrafiltration immer mehr Anwendung bei der kommunalen Trinkwasseraufbereitung. Dabei wird diese Methode als Dead-End-Technik betrieben, wobei die Membran die gesamte Menge an Rohwasser in Filtrat umsetzt. Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist die Keimfreiheit des erzeugten Filtrats, wodurch auch belastete Grundwässer nach Starkregeneinflüssen sicher aufbereitet werden können.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Ultrafiltration ist die Aufbereitung des Kreislaufwassers in Schwimmbädern im Dead-End-Betrieb. Ende 2002 wurde die erste Anlage mit 40 m³/h in Bad Steben in Betrieb genommen, inzwischen sind über 75 (Stand 03/2009) Kreisläufe mit dem neuen Verfahren ausgestattet. Die derzeit größten Anlagen stehen in der Therme Bad Aibling mit 5 Kreisläufen mit insgesamt 800 m³/h Umwälzleistung.

Abwasserbehandlung

Unter anderem wird die Ultrafiltration immer öfter in der Abwasserbehandlung eingesetzt. Dies ist auf verschiedenste Weise möglich. Sie kann als sogenannter "polishing step" verwendet werden (1), also der herkömmlichen Abwasseraufbereitungsverfahren hinterhergeschaltet. Die Ultrafiltration kann aber auch direkt im Belebungsbecken eingesetzt werden (2), wo sie andere nachgeschaltete Verfahrensschritte ersetzen kann. (1) Dieses Verfahren wird in der Regel angewendet, wenn ältere Anlagen aufgerüstet werden sollen, um das Abwasser weitergehend zu behandeln. (2) Membranbelebungsreaktoren werden in der Regel dort eingesetzt, wo wenig Raum zur Verfügung steht oder durch die Aufkonzentration der Biomasse im Reaktorschlamm zusätzliche Abbauleistungen erreicht werden können. Dies gilt vor allem für schwer biologisch abbaubare Substanzen, wie z.B. Medikamentenrückstände. Ein weiterer Vorteil ist die nahezu Sterilfiltration durch die gewählte Porenweite und die dadurch bedingte Abscheidung pathogener Keime.

Weitere Anwendungen

• Abtrennung von Proteinen (z.B. aus Milch)
• kalte Sterilisation in der Pharmazie (Antibiotikaproduktion)
• Metall-Rückgewinnung und Abwasserreinigung in der Metallurgie
• Lebensmittelbehandlung (z.B. Produktion von "PRO-CAL" einem Milchprodukt, das wenig Fett, aber viel Protein und Calcium enthält)
• Dialyse und andere Blut-Behandlungen
• Konzentration von Milch vor der Herstellung von Käse
• Fraktionierung von Proteinen
• Klärung von Fruchtsäften
• Abtrennung von Impfstoffen und Antibiotika aus Fermentationsbrühen

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.

Weblinks

• Einführung in die Ultrafiltration (PDF-Datei; 907 kB)
• Die Bedeutung des Membranpolymers bei der Ultrafiltration von Flusswasser (PDF-Datei; 522 kB)
• Trinkwasseraufbereitung mit Ultrafiltration nach neuestem Regelwerk und Stand der Technik (PDF-Datei; 434 kB)
• Handbuch der Ultrafiltration(PDF-Datei; 517 kB)