Einsatz pulsierender und alternierender Strömung beim Cleaning-in-Place (CIP) von Membranen
Das Ablösen proteinhaltiger Ablagerungen bei der Reinigung von Membranen in der lebensmittelverarbeitenden Industrie ist ein zeit-, chemikalien- und energieintensiver Prozess. Die sich bei der Filtration bildenden Deckschichten sind das Resultat eines zur Membran gerichteten Massentransfers und der Konzentrationspolarisation zurückgehaltener Stoffe, wie Proteine. Abhängig von den Filtrationsbedingungen, den Membraneigenschaften und der Zusammensetzung des Konzentrats kommt es zur Proteindenaturierung, Gelierung, Aggregation und zu Protein-Protein- oder Protein-Membran-Interaktionen. Die unmittelbare Folge der Deckschichtbildung ist die Abnahme des Flux, da der Filtrationswiderstand steigt, so dass häufiger gereinigt werden muss, um die Membranen von Ablagerungen zu befreien. Auch in der nachfolgenden Reinigung, der ein mehrstufiger Prozess ist, führt die Deckschicht zu Einbußen in der Effizienz. Der erste Schritt der Reinigung ist das Ausschieben des Produktes mithilfe von Wasser. Auf diesen physikalischen Schritt folgt in der Regel die chemische Reinigung unter Einsatz von alkalisch-enzymatischen und sauren Zusatzstoffen. Der Abtrag von Biopolymeren, wie Protein, als vorwiegend deckschichtbildendes Material obliegt dabei im Wesentlichen dem ersten Schritt der Cleaning-in-Place (CIP)-Reinigung, dem alkalischen Schritt.
Die Vorgänge während der Laugenreinigung können in drei Phasen gegliedert werden. In der Schwellphase reagieren die Proteine mit dem Reinigungsmittel und bilden eine hochporöse Matrix aus. Anschließend wird die Deckschicht solange gleichmäßig abgetragen, bis die Proteinmatrix ihren flächendeckenden Charakter verloren hat und durch Unterspülung sowie Flockenabtrag entfernt wird. Wie schnell diese Phasen abgeschlossen sind, hängt von dem Zusammenspiel der chemischen Faktoren (Reaktionsgeschwindigkeit) und der physikalischen Faktoren (Diffusionsgeschwindigkeit, Massentransfer und Wandschubspannung) ab.
Üblicherweise wird die CIP-Reinigung von Membranen, wie das Filtrieren selbst, im Crossflow-Modus, d.h. mit überströmten Membranen, durchgeführt. Für überströmte Körper, Rohre und Wärmeübertrager mit nichtporösen Wänden wurde bereits gezeigt, dass eine unstete Scherbeanspruchung zu einer verbesserten Ablösung von Ablagerungen führt. Da bei der CIP-Reinigung von Membranen wegen der Durchlässigkeit der Membranen zum einen eine Strömungskomponente in Richtung der Membranen die Entfernung von Ablagerungen erschwert, andererseits aber chemische Vorgänge den Prozessverlauf beeinflussen, ist eine Übertragung dieser Ergebnisse auf Membranen bisher noch nicht erfolgt.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Bedarf an Ressourcen, wie Zeit, Energie und Chemikalien, durch den Einsatz einer pulsierenden und alternierenden Strömung während der Reinigung zugunsten eines erhöhten strömungsmechanischen Anteils im Rahmen des Sinner-Kreises zu reduzieren bzw. die Reinigungseffizienz zu erhöhen.