Fouling an der Membran kostet Energie

Energiewende bei der Fraktionierung von Milchproteinen

Für Menschen mit besonderen Ernährungsanforderungen wie Klinikpatienten, Sportler oder Säuglinge sind sie besonders wichtig: Die Proteine aus Milch und Molke sowie deren einzelne Bestandteile, hauptsächlich Caseine, Albumine und Globuline. Um diese getrennt nutzen zu können, werden Milch- und Molkenproteine mittels Membrantrennverfahren fraktioniert. Dieses Verfahren ist mit einer unerwünschten Ablagerung von Inhaltsstoffen an der Membran verbunden: Es kommt zu einer Deckschichtbildung, ein Phänomen, das in der Lebensmittelindustrie auch als Fouling bezeichnet wird. Dadurch erhöht sich der Druckwiderstand, die Trennleistung sinkt, die Reinigungszyklen steigen. Entsprechende Stillstandzeiten sowie ein erhöhter Einsatz von Energie, Reinigungs- und Betriebsmitteln sind die Folgen. Weltweit sind die Kosten durch Fouling in der Lebensmittelverarbeitung erheblich, bedingt durch Energieverluste, kürzere Produktions- und häufigere Reinigungszyklen.

Prozesseffizienz

Die hergestellten Produkte sind bedeutend, der Prozess zur Milchproteinfraktionierung jedoch nicht effizient – vor allem in energetischer Hinsicht. Vor diesem Hintergrund nimmt ein Team von Forschern aus Freising an der TU München und am KIT in Karlsruhe im Rahmen eines Gemeinschaftsforschungsprojektes des Forschungskreis der Ernährungsindustrie) FEI den gesamten Prozess unter die Lupe: Ziel ist es, das Fouling-Phänomen zu vermeiden und einen Filtrationsprozess mit deutlich reduziertem Energieeinsatz und besseren Trennergebnissen zu ermöglichen. Dazu werden alternative Membranen eingesetzt: Statt keramischer Mehrkanalmembranen (KM) oder polymerer Spiralwickelmembranen (SWM), die wegen ihrer sehr guten Trennleistungen bei dem Prozess oft eingesetzt werden, verwenden die Wissenschaftler polymere und keramische Hohlfasermembranen, die bislang vor allem in der Bier- und Saftklärung eingesetzt werden. Diese bringen Vorteile mit sich: Sie sind bis zu 30 % kostengünstiger, bieten pro Modul ca. 30 % mehr Membranfläche als KM, sind strömungstechnisch günstiger als SWM, benötigen weniger Energie bzw. ermöglichen aufgrund einer effektiveren Reinigbarkeit längere Produktionszyklen.

Die Deckschicht verringern

Um zudem das Phänomen der Deckschichtbildung bei Membrantrennverfahren vollständig charakterisieren zu können, setzen die Wissenschaftler magnetresonanztomographische Methoden ein: Damit ist es erstmals möglich, die Höhe und Dichte der Ablagerungen in situ, nicht-invasiv und zerstörungsfrei zu visualisieren und so die Auswirkungen von verschiedenen Verfahrensparametern wie Druck und Geschwindigkeit auf die Deckschichtbildung verstehen zu können. Auf Basis der Daten können die Prozessparameter dann optimal angepasst werden, um die Deckschichtbildung reduzieren bzw. vermeiden zu können.

Sowohl für Anwender als auch für Hersteller von Membranen und Membrananlagen werden die Ergebnisse mit Spannung erwartet: Insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen könnten sie den Einstieg in den Markt der separaten Nutzung von Milch- und Molkenproteinfraktionen ermöglichen. Unternehmen, die bereits Milch- und Molkenproteine fraktionieren, können von erheblichen Energie- und Ressourceneinsparungen profitieren. Membranhersteller und Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau wiederum können die Ergebnisse für die Optimierung ihrer Membranen und Anlagen nutzen.

Daniela Kinkel (FEI)