AlgMem

Entwicklung eines Verfahrens zur Trennung von Algensuspensionen mittels Mikrofiltrationsmembranen (AlgMem)


Für die Lebensmittelproduktion (Aquakultur von Fisch und Krebstiere) wird zunehmend die Bioverfahrenstechnik des Fluid-Kreislaufs eingesetzt. Die Reststoffe und Nährstoffe, die im Produktionsprozess anfallen, können durch die Erweiterung des Fluid-Kreislaufs einer Verwertung zugeführt werden. Das Projektziel ist die Energieumwandlung aus Biomassen zur Reduzierung des Prozessenergieverbrauchs durch Rückführung. Die systemimmanente Gefährdung der Umwelt wird durch die Verwertung der gelösten Nährstoffe aufgelöst.
Der im Prozesswasser gelöste Stickstoff und Phosphor soll mittels Mikroalgenproduktion in Fotobioreaktoren ebenfalls für die Biogasgewinnung verwertet werden, wobei die Stoffbilanz erwarten lässt, dass gemessen an den Feststoffen zusätzlich die 1.6fache Masse an hochwertigen Algen für die Biogasgewinnung produziert werden kann.
Die Schwierigkeit der Biomasseproduktion in Fotobioreaktoren liegt in den vergleichsweise geringen Nährstofffrachten des Prozesswassers in Fluid-Kreisläufen für die Aquakultur, sodass Lösungen für die Biomasserückhaltung im Fotobioreaktor bei zunehmender Prozesswasserzufuhr entwickelt werden müssen.

Die Grundoperation der Verfahrenstechnik „Filtrieren“ findet hierbei Anwendung durch Verwendung von Mikrofiltrationsmembranen. Bei der Mikrofiltration werden Partikel die größer als 0,1-10 µm aus dem Wasser entfernt. Hierunter fallen Algen, Bakterien, Sporen, Hefen und Kolloide. Kleinere Partikel wie Salze und Zucker, oder auch Makromoleküle wie Eiweiß oder Fette, werden von der Membran nicht zurückgehalten.
Bei der Cross-Flow Filtration wird die zu reinigende Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit über die Membran geleitet. Die dadurch entstehende turbulente Strömung entfernt Ablagerungen auf der Membran und hält die Filterfläche frei, allerdings besteht hier auch die Gefahr der Zerstörung der Algenzellen aufgrund der für die Algen schädlichen, zu großen mechanischen Krafteinwirkungen.
Eine Alternative zur Cross-flow-Filtration ist die Dead-End-Filtration welche allerdings nur geringe Feststoff- bzw. Algenkonzentrationen zulässt, da eine Rückspülung die der Dead-End-Filtration i.d.R. nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist. Die Kombination beider Verfahren stellt im Grunde genommen das System „getauchte Membranen“ dar. Bei diesen Systemen werden die Membranen direkt in die Behälter mit dem zu filtrierendem Medium eingetaucht. Die treibende Kraft dieses Filtrationskonzeptes wird durch das Anlegen eines permeatseitigen Unterdrucks erzielt. Derzeit sind getauchte Membranen in Platten- und Kapillarmodulbauweise sowohl als Polymer- wie auch als keramische Membran verfügbar.
Wie bei jeder Filtration lagern sich auch bei der Ultra- und Mikrofiltration zurückgehaltene Komponenten auf der Membran ab. Es kommt zur Deckschichtbildung, das heißt zu einer Erhöhung des Filtrationswiderstandes. Ziel der Prozessführung ist es, diese Deckschichtbildung weitestgehend zu verhindern und einen möglichst geringen Filtrationswiderstand zu gewährleisten.
Die Deckschichtkontrolle geschieht bei getauchten Membransystemen durch den Eintrag von Luftblasen unterhalb des Membranmoduls. Die aufsteigenden Blasen bewirken Scherkräfte auf der Membranoberfläche und ein Ablösen des ansonsten entstehenden Filterkuchens der zur Verblockung der Membran führen würde. Allerdings reicht diese Maßnahme i.d.R. nicht aus um eine Deckschichtbildung dauerhaft zu vermeiden. Deshalb werden getauchte Membranen regelmäßig in kurzen Intervallen mit Filtrat permeatseitig zurückgespült.

Ist das primäre Ziel von Fotobioreaktoren die Biomasseproduktion, soll der der Reaktor in diesem Forschungsvorhaben primär dazu dienen, die für die Aquakultur schädlichen Stoffe aus dem Wasserkreislauf zu entfernen, wobei diese Stoffe für Algen als notwendige Nährstoffe dienen. Aufgrund der relativ niedrigen Konzentrationen dieser Stoffe im Wasserkreislauf und dem damit verbundenen hohen Volumenstrom, wird ein Rückhalt der Algen im Fotobioreaktor erforderlich, um die Algen mit ausreichend Nährstoffe versorgen zu können.
Es ist zu vermuten, dass der Foulingprozess bei der Anwendung von getauchten Mikrofiltrationsmembranen in Algenreaktoren ein ähnliches Verhalten zeigt wie in herkömmlichen Abwasserreinigungsanlagen, so dass bewährte bzw. modifizierte Antifoulingsmaßnahmen hier erfolgreich ein Verblocken der Membran verhindern können.
Im Rahmen von Voruntersuchungen wurde eine keramische Rohrmembran aus Aluminiumoxid von der Firma 3C Membran aus Halberstadt verwendet. Hierfür wurde eine Monokanalmembran speziell für diese Vorversuche von außen mit einer Porenweite von 200nm beschichtet. Bild 1 zeigt eine solche Membranen. In einem Labor-Fotobioreaktor wurden ca. 5 Liter einer Algensuspension hergestellt. Die Algensuspension wurde in einem 10 l Glastank mit künstlicher Beleuchtung und Rührapparat gefüllt. In diesem Behälter wurde mit Hilfe der Membran die Algensuspension filtriert. Das Filtrat (Permeat) wurde in einen Zwischenbehälter (Rückspültank) gefördert und anschließend kontinuierlich dem Becken rückgeführt.

Bild 1: keramische Monokanalmembran   

Bild 2: Fliesbild Versuchsanlage



Bild 3: keramische Mikrofiltrationsmembran in einer
Algensuspension während eines Rückspülvorganges

Eine Prozessgesteuerte Schlauchpumpe erzeugte hier den für die Filtration notwendigen Unterdruck. In regelmäßigen Zyklen wurde die Membran mit Filtrat rückgespült. Die Versuchsapparatur wurde kontinuierlich drei Wochen lang mit der gleichen Membran betrieben. Trotz einfacher Versuchsapparatur und Versuchsdurchführung gelang es einen stabilen Netto-Durchfluss (Netto-Flux) von ca. 30 l/m² h einzustellen. Das Permeat war dabei stets klar, so dass von einem vollständigen Algenrückhalt ausgegangen werden konnte.
Die Versuche zeigten, dass eine Filtration der Suspension mit Hilfe einer Mikrofiltrationsmembran mit angepasster Reinigungsstrategie grundsätzlich möglich ist.
Zur qualifizierten Beurteilung der Filtrationsparameter insbesondere der Reinigungsstrategie sind weitere Untersuchungen mit z.B. unterschiedlichen Membrangeometrien, unterschiedlichen Drücken, verschiedene Trenngrenzen usw. und nicht zuletzt in Algensuspensionen die kontinuierlich mit Nährstoff versorgt werden und sich dadurch vermehren, erforderlich.

Ziele des Projektes

Berechnungen der Nährstoffbilanzen zeigen, dass die Anwendung von Algenreaktoren zur Reduzierung der Schadstoffe in Aquakulturanlagen nur dann angewendet werden können, wenn ein ausreichender Algenrückhalt im Prozesswasserstrom sichergestellt werden kann.
Die Grundoperation der Verfahrenstechnik „Filtrieren“ findet hierbei Anwendung durch Verwendung von Mikrofiltrationsmembranen. Die Vorversuche zeigten einen ausreichenden Rückhalt der Algen. Erste Methoden zur Vermeidung von zu starken Foulingprozessen wurden in den Vorversuchen getestet und zeigten Aussicht auf Erfolg.
Ziel des Vorhabens ist die Darstellung einer Methode den erforderlichen Algenrückhalt mittels geeigneter Filtrationstechnik so zu gewährleisten, dass phototrope Algenreaktoren als zuverlässige Reinigungsstufe in Aquakulturanlagen bei gleichzeitiger Biomasseproduktion Verwendung finden.
Mit den Aktivitäten in der Forschungshalle Völklingen der HTW steht sowohl eine Aquakulturanlage als auch ein Fotobioreaktor mit realen Prozessströmen zur Verfügung. Diese besondere Konfiguration ermöglicht eine direkte Umsetzung dieser Idee in einer im Bypass betriebenen Testanlage. Sollte die Ergebnisse einer weiterführenden Produktentwicklung eine zuverlässige und wirtschaftliche Methode zur Behandlung des Prozesswasser liefern, kann eine solche Anlage nicht nur direkt in die Wasseraufbereitung der Forschungshalle eingebunden werden, sondern auch nach ausführlicher Validierung in die benachbarte Produktionsanlage der Meeresfischzucht Völklingen (MFV) eingesetzt werden.

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