Bioverfahrenstechnik (Prof. Dr.-Ing. Clemens Posten)

Charakterisierung einer Membranfiltrationsanlage im Labormaßstab

Beschreibung der Abschlussarbeit

Eingebettet in ein internationales Projekt soll eine Filtrationsanlage zur effektiven Abtrennung von Algen etabliert werden. Ziel dieses Projektes ist die Aufarbeitung von Abwasser aus der Lebensmittelindustrie in einem zweistufigen Prozess. In der zweiten Stufe des Prozesses findet ein Mikroalgen-Photobioreaktor Einsatz, dessen Abfluss das Zielprodukt – Trinkwasser – darstellt. Um dieses zu erhalten wird ein innovatives Algen-Erntesystem angewandt, welches sich dem Prinzip der Membranfiltration mit getauchten Ultrafiltrations-Membranen (Hohlfasern) bedient.

An der eingesetzten Filtrationsanlage wird durch eine Pumpe ein Unterdruck (Transmembrandruck (TMP)) erzeugt, welcher einen Filtrat-Flux bewirkt. Bei der Filtration realer Feed-Lösungen (z.B. Zellsuspensionen) kommt es zum sogenannten Fouling (Ausbildung eines Filterkuchens). Abhängig, von der angewandten Betriebsweise ((1): konstanter TMP, (2) konstanter Filtrat-Flux), kommt es dadurch zu einem Abfall des Filtrat-Stromes bzw. einem Anstieg der aufzuwendenden Druckdifferenz. Im Zuge dieser Arbeit soll zunächst das Membranfiltrationsmodul der Anlage untersucht werden. In der Filtrationstechnik haben sich verschiedene Größen zur Beschreibung einer Membran etabliert. Aus der sogenannten Transmembrandruck – Filtrat-Flux – Linie können der Membranwiderstand Rm sowie die Permeabilität der Membran berechnet werden. Der sogenannte kritische (Filtrat-)Flux hat sich in der Literatur zu einer charakteristischen Größe etabliert. Er dient der Beschreibung des Fouling-Verhaltens einer Feed-Lösung bei definierten hydrodynamischen Bedingungen in der Anlage. Unterhalb dieses kritischen Wertes kann die Filtration über lange Zeit stabil durchgeführt werden. Im Zuge der Abschlussarbeit soll diese Kenngröße für eine Hefesuspension unterschiedlicher Biotrockenmassekonzentrationen ermittelt werden. Aus der Analogie in Form und Größe von Algen- und Hefezellen, können diese Ergebnisse später als Basis für Experimente mit Algen eingesetzt werden.

Fouling beschreibt die Erhöhung des Widerstandes der Membran durch Porenverblockung oder Ausbildung eines Kuchens auf der Membranoberfläche. Um diese Effekte zu verringern, können verschiedene Strategien angewandt werden, ein kurzes Pausieren der Anlage (Reduktion der Triebkraft, sprich Unterdruck, auf null) hat in der Literatur bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Daher soll im Zuge der vorliegenden Arbeit außerdem ein Vorgehen zur Fouling-Kontrolle durch kurzzeitigem, sich wiederholenden Stillständen an der Pilotanlage entworfen werden. Weiterhin ist zu überprüfen, in wie weit die Betriebsweise einen Einfluss auf die Effizienz der Fouling-Kontroll-Strategie hat.

Wir suchen motivierte Studierende der Fachrichtung Bio- oder Chemieingenieurwesen, Biotechnologie oder verwandten Fachrichtungen mit Interesse an der Filtrationstechnik, einer verantwortungsbewussten und zuverlässigen Arbeitsweise sowie Fleiß und Spaß an der Laborarbeit. Im Zuge der Abschlussarbeit bieten wir die Einarbeitung in die Thematik der Membranfiltration sowie die Möglichkeit zur eigenständigen, wissenschaftlichen Arbeit und dem Einbringen eigener Ideen.