Mikro- und Ultrafiltration mit Membranen

Siegfried Ripperger studierte Maschinenbau an der Universitüt Kaiserslautern und schloss sein Studium in der Vertiefungsrichtung Verfahrenstechnik ab. Danach war er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Funktion des Oberingenieurs am Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik / Chemieingenieurwesen an der Universität Kaiserslautern, wo er mit einem Thema zur Adsorption organischer Stoffe an Aktivkohle promovierte. 1983 trat er in den niederländischen Chemiekonzern (AKZO) als Entwicklungsingenieur und Leiter eines Anwendungstechnikums ein. Er stieg innerhalb der Produktgruppe “Membrana” zum Leiter der Hauptabteilung “Entwicklung und Anwendungstechnik Technische Membranen” auf. 1989 übernahm er eine C3-Professur für “Verfahrenstechnik” im Fachbereich Lebensmitteltechnologie der Fachhochschule Fulda. Er baute als Dekan den Fachbereich mit auf und folgte 1993 dem Ruf auf eine C4-Professur “Mechanische Verfahrenstechnik” an die TU Dresden. Ab 1997 war er geschäftsführender Direktor des Instituts für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik. 2004 wechselte er an die TU Kaiserslautern und übernahm dort den Lehrstuhl “Mechanische Verfahrenstechnik”. Von 2005 bis 2008 war er Dekan des Fachbereiches Maschinenbau und Verfahrenstechnik der TU Kaiserslautern. Wegen Erreichung der Altersgrenze schied er 2015 aus dem Hochschuldienst aus. 2011 gründete er die Information and Engineering Services (IES) GmbH. Seit 1993 ist er Chefredakteur der Fachzeitschrift “Filtrieren und Separieren”, die im VDL-Verlag erscheint.

• Vorwort xiListe Der Symbole xiii1 Mikro- und Ultrafiltration mit Membranen 11.1 Übersicht über die Membranverfahren 11.2 Einordnung der Mikro- und Ultrafiltration 41.2.1 Die Mikrofiltration 51.2.2 Die Ultrafiltration 61.3 Bekannte Verfahrensweisen und Ausführungsformen 91.3.1 Dead-End-Filtration (statische Filtration) 91.3.2 Crossflow-Filtration mit Membranmodulen 101.3.3 Dynamische Filtration mit Filtrationsmaschinen 111.3.4 Single-Pass-Crossflow-Filtration 111.3.5 GetauchteMembraneninBeckenundBehältern 121.4 Entscheidende Faktoren für eine industrielle Membrananwendung 121.5 Technische und wirtschaftliche Bedeutung 15Literatur 172 Historische Entwicklung der Mikro- und Ultrafiltration 192.1 Entdeckung grundlegender Naturgesetze 192.2 Herstellung von Polymermembranen 212.3 Entwicklungen der Entkeimungs- und Sterilfiltration 272.4 Entwicklung anorganischer Membranen 29Literatur 323 Membranen zur Ultra- und Mikrofiltration 353.1 Allgemeine Beschreibung und Einteilung 353.2 Polymermembranen und ihre Herstellung 373.2.1 Membranherstellung durch Phasenseparation 403.2.2 Herstellung von Rohrmembranen durch Spiralwickeln 483.2.3 Membranherstellung durch Verstrecken von Polymerfolien 503.2.4 Das Kernspurverfahren („track etching“) 513.2.5 Herstellung mikroporöser Strukturen durch Sintern 533.3 Anorganische Membranen 533.4 Charakterisierung von Membranen zur Mikro- und Ultrafiltration 563.4.1 Überblick über die zu charakterisierenden Eigenschaften 563.4.2 Äußere Abmaße 593.4.3 Die Porenstruktur 593.4.4 Die Topographie der äußeren Oberfläche 633.4.5 Die Permeabilität 643.4.6 Die Trenngrenze bzw. das Rückhaltevermögen 713.4.7 Benetzungseigenschaften von Membranen 793.4.8 Blaspunktdruck und maximale Porengröße 873.4.9 Die Porengrößenverteilung 893.4.10 Adsorptionseigenschaften und elektrochemische Eigenschaften 943.4.11 Mechanische Membraneigenschaften 973.4.12 Die Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit 99Literatur 1024 Relevante Eigenschaften der behandelten Stoffsysteme 1054.1 Besonderheiten der behandelten Stoffsysteme 1054.2 Agglomeration und Flockung 1084.3 Absetzgeschwindigkeit 1094.4 Verhalten von Partikeln und Makromolekülen im elektrischen Feld 1104.5 Diffusion 1104.6 Osmotischer Druck 1114.7 Das Fließverhalten von Dispersionen 1154.8 Strömungswiderstand der Deckschicht 1225 Die Dead-End-Filtration mit Membranen 1355.1 Einführung 1355.2 Ausführungsformen 1375.2.1 Scheibenfilter zur Dead-End-Filtration 1375.2.2 Capsule-Filter 1385.2.3 Filterkerzen mit den zugehörigen Gehäusen 1385.3 Physikalische Überlegungen zur Dead-End-Filtration 1425.3.1 Flüssigkeits- bzw. Gasdurchsatz reiner Medien 1425.3.2 Flüssigkeitsdurchsatz bei einer Oberflächenfiltration 1445.3.3 Die Schmutzaufnahmefähigkeit 1485.4 Validierung von Membranfiltern 1505.4.1 Entwicklung der Validierungspraxis 1505.4.2 Integritätstestverfahren 1525.4.3 Nachweise für einen unbedenklichen Einsatz von Filtern 1605.4.4 Qualitätssicherung bei der Produktion 166Literatur 1696 Crossflow-Filtration mit durchströmten Membranmodulen 1716.1 Apparative Ausführung und wichtige Betriebsparameter 1716.2 Membranmodule zur Crossflow-Filtration 1796.2.1 Übersicht über einzelne Bauarten 1796.2.2 Der konzentratseitige Druckabfall im Membranmodul 1846.3 Betriebsweisen zur Crossflow-Filtration 1906.3.1 Diskontinuierliche Betriebsweisen 1906.3.2 Kontinuierliche Betriebsweisen 1936.3.3 Beispiel zum Vergleich verschiedener Betriebsweisen 1956.3.4 Die Diafiltration 1986.4 Berechnungsansätze zur Crossflow-Filtration 2036.4.1 Bekannte Berechnungsansätze 2036.4.2 Gekoppeltes Diffusions- und hydrodynamisches Modell 2136.4.3 Modellierung des zeitlichen Filtrationsverlaufs 2186.4.4 Schlussfolgerungen 2206.5 Klassierverfahren 2206.6 Die UTP-Betriebsweise 2216.7 Der Einsatz von Gradientenmembranen 2236.8 Dynamische Precoat-Filtration 2256.9 Fouling 225Literatur 2287 Sonstige Verfahrensweisen mit feststehenden, überströmten Membranen 2337.1 Single-Pass-Crossflow-Filtration 2337.2 Filtration mit getauchten Membranen 2367.3 Pumpe-Düse-Filtersysteme 2377.4 Crossflow-Filtration mit Dean-Wirbeln 2377.5 Zyklonmodule 239Literatur 2418 Filtrationsmaschinen 2438.1 Einführung 2438.2 Rührzellen 2458.3 Scherspaltfilter mit radialem Spalt und Rührorganen 2468.4 Filter mit rotierenden Filterscheiben 2498.5 Filter mit zylindrischen Filterelementen 2548.6 Filter mit oszillierenden Membranen 2608.7 Filter mit Schaber zum Entfernen der Deckschicht 2608.8 Hinweise zur Auslegung und zum Betrieb 261Literatur 2629 Zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung des Filtratstroms 2659.1 Crossflow-Filtration mit periodischer Rückspülung 2659.2 Crossflow-Filtration mit überlagertem elektrischen Feld 2739.3 Crossflow-Filtration mit überlagertem Ultraschall 2769.4 Einsatz abrasiv wirkender Partikeln 277Literatur 27810 Anwendungsgebiete der Ultra- und Mikrofiltration 28110.1 Anwendungen in der Labor- und Analysetechnik 28110.2 Entkeimungsfiltration von Flüssigkeiten 28410.3 Entkeimungsfiltration von Gasen 28610.4 Pyrogenabtrennung 28810.5 Anwendungen in der Biotechnologie 29010.6 Anwendungen in der Medizin 29810.7 Anwendungen in der Lebensmitteltechnik 30110.7.1 Klären und Entkeimen 30210.7.2 Anwendungen in der Zucker- und Stärkeindustrie 31110.7.3 Anwendungen bei der Verarbeitung von Milch und Molke 31310.7.4 Anwendungen bei der Gewinnung von Sojaprodukten 31510.7.5 Filtration von Reinigungslösungen 31510.8 Anwendungen zur Wasseraufbereitung 31610.8.1 Trinkwassergewinnung 31710.8.2 Vorbehandlung von Wasser für die Umkehrosmose 31910.8.3 Rein- und Reinstwasserbereitung 32010.8.4 Beurteilung der Filtrierbarkeit von Wasser 32310.8.5 Membranbioreaktoren zur Abwasseraufbereitung 32610.8.6 Zero Liquid Discharge 33010.9 Anwendungen in der Produktions- und Umweltschutztechnik 33210.9.1 Aufarbeitung öl- und fetthaltiger Wässer 33310.9.2 Recycling von Schleifereiwasser 33510.9.3 Anwendung bei der elektrophoretischen Tauchlackierung 33710.9.4 Abtrennung von gefällten Metallverbindungen 33710.9.5 Anwendungen bei der Herstellung von Zellstoff und Papier 33810.9.6 Anwendungen in der chemischen Produktion 33910.10 Mikroporöse Membranen in konventionellen Filterapparaten 342Literatur 34311 Reinigung, Desinfektion und Sterilisation von Membrananlagen 34711.1 Einführung 34711.2 Die CIP-Reinigung 34911.3 Desinfektion und Sterilisation von Membrananlagen 36111.3.1 Einführung 36111.3.2 Chemische Desinfektion und Desinfektionsmittel 36211.3.3 Desinfektion und Sterilisation durch Hitze 36511.3.4 Validierung des Desinfektions- oder Sterilisationserfolgs 367Literatur 36812 Hinweise zur Projektbearbeitung 36912.1 Verfahrensauswahl 36912.2 Hybridprozesse 37112.3 Bedeutung experimenteller Untersuchungen 37112.4 Projektbearbeitung zur Ultra- und Mikrofiltration 37312.5 Betriebswirtschaftliche Betrachtungen 379Literatur 385Stichwortverzeichnis 387