2 2017 | moproweb.de 31 Abbildung 2. Längenabhängigkeit der Deckschichtbildung auf keramischen Membranen 5 Trennaufgabe bei der Milchproteinfraktionierung Die Trennaufgabe bei der Fraktionierung besteht darin, die Caseinmicellen mit einem Durchmesser zwischen 50 – 400 nm (d50,3 = 180 nm) von den kleinen Molkenproteinen mit einem Durchmesser von 2 – 8 nm (d50,3 = 3,5 nm) basierend auf dem Größenausschlussprinzip effektiv zu trennen (Abbildung 1). Obwohl die Poren der industriell üblichen MF-Membranen mit 0,1 – 0,5 μm weit größer sind als die Molekülgröße der majoren Molkenproteine, liegt die Permeation bzw. der Durchgang der Molkenproteine durch die Membran nicht bei 100 %, wie bei ungehinderter Passage in das Filtrat zu erwarten wäre, sondern in den meisten Fällen nur bei ca. 50 %. Der Grund für die Diskrepanz zwischen erwartetem und realem Trenneffekt ist, dass es durch die zurückgehaltenen Caseine zu einer Deckschichtbildung mit eigenständigem Retentionseffekt kommt, wobei sich diese Deckschicht zudem entlang der Membran verändert. Dies führt zu einer Erhöhung der Rückhaltung der Molkenproteine und des Filtrationswiderstandes, einer Beeinflussung der Produktqualität, einer erhöhten Gefährdung durch mikrobiologische Infektionen sowie der Notwendigkeit einer regelmäßigen Reinigung der Anlagen mit entsprechenden Stillstandzeiten und dem verbundenen erhöhten Einsatz von Energie, Reinigungs- und Betriebsmitteln. Um dem entgegenzuwirken und damit eine höhere Wirtschaftlichkeit des Prozesses zu erzielen, wurden und werden verschiedene Fragestellungen hierzu am Lehrstuhl für Lebensmittel- und Bioprozesstechnik behandelt, die im Folgenden vorgestellt werden. Fraktionierung mit keramischen Membranen Für das Fraktionieren von Milchproteinen werden bisher überwiegend keramische Membranen mit hoher Lebensdauer und extremer Resistenz gegenüber harschen Betriebsbedingungen (z. B. bei der CIP-Reinigung) eingesetzt. Diese weisen als geometrisch einfache, röhrenförmige Crossflow-Systeme eine gut definierte Strömung mit hohen Überströmgeschwindigkeiten auf. Das prozessparameterabhängige Filtrationsverhalten und die Deckschichtbildung bei keramischen Membranmodulen wurde bereits vielfach untersucht, u. a. in den Dissertationen von Kersten 2001 3, Kühnl 2010 4 und Piry 2010 2. Eine Kernfragestellung war dabei die Längenabhängigkeit von Deckschichtbildung, Flux und Permeation. Durch Reibungseffekte kommt es in Strömungsrichtung auf der Rententatseite von keramischen Membranen zu einem linearen Druckabfall, was wiederum zu örtlich unterschiedlicher Deckschichtbildung und Filtrationsleistung entlang der Membran führt (Abbildung 2). Um dieser Längenabhängigkeit entgegenzuwirken, wurden u. a. basierend auf diesen Arbeiten verschiedene Konzepte entwickelt, welche die inhomogenen Druckbedingungen über die Membran hinweg ausgleichen. Dies gelingt im sogenannten UTP-Prinzip (Uniform Transmembrane Pressure) oder durch Einsatz von Gradientenmembranen. In beiden Fällen gelingt es mit unterschiedlichen Mitteln, den konvektiven Transport von Partikeln in Richtung Membranoberfläche und damit den Filtratfluss über die Membranlänge hinweg konstant zu halten. Im Vergleich zur klassischen Betriebsweise mit Standardmembranen hat dann die Deckschichtbildung einen geringeren Einfluss auf die Filtrationseffizienz. Diese Konzepte haben sich etabliert und werden vielfach eingesetzt. Neue Konzepte zur Verbesserung der Filtrationsleistung von keramischen Membranen Eine weniger bekannte Optimierung von keramischen Membranen wurde von Piry untersucht 2,6,7. Piry konnte zeigen, dass die Molkenproteinpermeation durch Verwendung von konventionellen Keramikmembranen mit variablem Membranwiderstand bei
molkerei-industrie_02_2017
To see the actual publication please follow the link above