Membranfiltration
Projektbearbeiter: DVGW-EBI
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
Die DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut ist eine Forschungseinrichtung des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e. V. am KIT. Die Forschungsschwerpunkte des Bereichs „Wasserchemie und Wassertechnologie“ liegen in den Bereichen Wasserqualität, Wassertechnologie, biologische Abwasserbehandlung und biologische Grenzflächen. Dabei steht immer das Prozessverständnis im Vordergrund. Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten im Bereich „Gastechnologie“ liegt auf der Erzeugung von Methan aus regenerativen Quellen und auf dessen Aufbereitung und Einspeisung ins Gasnetz.
Der Bereich „Gastechnologie“ untersucht in probioLNG den Einfluss von Biogasbegleitstoffe auf die Verflüssigung in einer Laborapparatur. Außerdem wird ein neues Verfahrenskonzept zur energieeffizienten CO2–Abtrennung aus Biogas mit Hilfe von ionischen Flüssigkeiten auf das Druckniveau des Methanreaktors angepasst. Das Biomethan wird anschließend verflüssigt und ergänzt die Demonstration der probioLNG -Prozesskette am Standort „Untere Lindenhöfe“.
Im Bereich „Wasserchemie und Wassertechnologie“ werden Membranverfahren zur Aufbereitung des Prozessstroms aus einem Hydrolysereaktor eingesetzt. Als erster Schritt wird eine Mikrofiltration für die Fest-Flüssig-Trennung gebaut und in die probioLNG-Prozesskette am Standort „Untere Lindenhöfe“ integriert. Als zweiter Schritt wird die Anwendung der Nanofiltration für die Aufkonzentration organischer Säuren untersucht. Die Membranleistung soll mit den klassischen Parametern Flux und Druck charakterisiert werden. OCT (Optical Coherence Tomography) und online Biofilm-Sensoren werden eingesetzt, um das Fouling zu überwachen.
Das charakteristische Merkmal einer Membran ist ihre selektive Durchlässigkeit gegenüber unterschiedlichen Stoffen. Der Einsatz der Membranfiltration in einer zweistufigen Druckfermentation ist ein neuer Forschungsansatz, der helfen soll, eine effizientere Biogasproduktion aus nachwachsenden Rohrstoffen zu erzielen. Dabei wird der Hydrolysereaktor mit einer Membranfiltration, die die Abtrennung der festen Bestandteile der Hydrolyseflüssigkeit ermöglicht, gekoppelt. Die Membranfiltration des Perkolats erfolgt mit Hilfe einer Mikrofiltration wurde bereits im Vorgängerprojekt erfolgreich betrieben1234.
Abbildung 1: Unbenutzte Mikrofiltrationsmembran (links) und nach Ausbau am Ende von Versuch 2 (rechts) mit stark sichtbaren Kapillarverblockungen durch feste Bestandteile der Hydrolyseflüssigkeit
Die Mikrofiltrationsanlage wird durch DVGW-WT für den Technikumsmaßstab geplant und in die probioLNG-Prozesskette integriert. Abbildung 1 zeigt eine Mikrofiltrationsanlage zur Fest-Flüssig-Trennung im Labormaßstab.
Generell kann die Beschaffenheit der Membran sehr stark variieren: Sie können organisch, anorganisch oder metallisch, porös oder dicht, ungeladen, geladen oder mit anderen funktionellen Gruppen ausgestattet, fest oder flüssig sein5. Die Vielfalt der Membranen erlaubt eine ebenso vielfältige Anwendung. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal für die Membranen in der Wassertechnologie ist ihre Trenngrenze, also der mittlere Durchmesser der kleinsten Wasserinhaltsstoffe, die noch von der Membran zurückgehalten werden. Mit ihr verbunden ist die Druckdifferenz, die notwendig ist, damit noch genug Wasser die Membran passiert. Man teilt die druckbetriebenen Membranen nach diesen Eigenschaften in Mikrofiltrations-, Ultrafiltrations-, Nanofiltrations- und Umkehrosmosemembranen ein.
Im Rahmen des ProBioLNG-Projektes werden verschiedene druckbetriebene Membrantechnologien eingesetzt.
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Quellen
K. Bär, W. Merkle, M. Tuczinski, F. Saravia, H. Horn, F. Ortloff, F. Graf, A. Lemmer, T. Kolb, Development of an innovative two-stage fermentation process for high-calorific biogas at elevated pressure, Biomass and Bioenergy, 115 (2018) 186-194.
P.P. Ravi, W. Merkle, M. Tuczinski, F. Saravia, H. Horn, A. Lemmer, Integration of membrane filtration in two-stage anaerobic digestion system: Specific methane yield potentials of hydrolysate and permeate, Bioresource Technology, 275 (2019) 138-144.
M. Tuczinski, F. Saravia, H. Horn, Treatment of thermophilic hydrolysis reactor effluent with ceramic microfiltration membranes, Bioprocess and Biosystems Engineering, (2018).
M. Tuczinski, Applikation von keramischen Mikrofiltrationsmembranen in der zweistufigen Biogasproduktion, in, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2019.
H. Strathmann, Introduction to Membrane Science and Technology, 1. ed., Wiley-VCH, Weinheim, 2011.
Poröse Membranen finden Anwendung bei der Abtrennung suspendierter Partikel und Tropfen. In Abhängigkeit von der Porengröße wird zwischen Mikro- und Ultrafiltration unterschieden. Bei der Mikrofiltration liegt die Porengröße bei ca. 0,08 µm – 10 µm. Das Trennprinzip basiert auf dem Prinzip des einfachen porösen Filters, wonach Teilchen, die die Membran passieren, kleiner als die Porengröße sein müssen. So werden beispielsweise Bakterien von feineren Mikrofiltrationsmembranen sicher zurückgehalten. Im Membranbetrieb lagern sich aber die zurückgehaltenen Stoffe an der Oberfläche ab und bilden einen Filterkuchen aus. Dieser Kuchen hat eine zusätzliche Filtrationswirkung, weshalb sich beobachten lässt, dass die Membran auch kleinere Teilchen als ihre Porengröße zurückhalten kann.
Nachdem das Hydrolysat die Mikrofiltration durchlaufen hat, besteht der Großteil des gelösten organischen Gesamtkohlenstoffs aus organischen Säuren und ist bereits vorfiltriert. In einem kontinuierlichen Prozess sollen die organischen Säuren mittels Nanofiltration/LPRO (Niederdruck Umkehrosmose, engl. Low Pressure Reverse Osmosis) aufkonzentriert werden. Die Aufkonzentrierung der organischen Säuren mittels NF/LPRO Membranen ermöglicht es, das Volumen des Methanreaktors zu reduzieren.
Die dichten Membranen der Nanofiltration und Umkehrosmose (reverse osmosis) besitzen keine sichtbaren Poren. Ihre Struktur lässt es aber zu, dass Stoffe im Nanometerbereich die Membran passieren können. Nanofiltrationsmembranen halten Moleküle mit Molmassen über 200 g/mol zurück und ermöglichen darüber hinaus die Trennung einwertiger von mehrwertigen Ionen. Dies ist durch elektrostatische Wechselwirkung von Ionen mit dem Polymermaterial auf der Membranoberfläche möglich. Die Membrane, die in dieser Studie untersucht werden, sind polymerische Membrane, deren Aktivschicht aus aromatischen Polyamiden besteht.
Die Untersuchungen im Rahmen von probioLNG dienen zur Abschätzung der Leistung beim Betrieb unter Realbedingungen sowie der Dimensionierung zukünftiger Anlagen im Industriemaßstab.