Tangentialflussfiltration

Grundidee und Bedeutung

Die Tangentialflussfiltration, auch Tangential-Flow-, Querstrom- oder Cross-Flow-Filtration genannt, ist eine Methode zum Filtrieren von Flüssigkeiten. Sie wird in der chemischen, Lebensmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt. Sie gehört wie die Kuchenfiltration zur Oberflächenfiltration, unterscheidet sich aber dadurch, dass die Bildung eines Filterkuchens weitgehend vermieden wird.

Wichtig ist das Verfahren vor allem dort, wo Flüssigkeiten mit vielen Partikeln oder mit großen Konzentrationsunterschieden verarbeitet werden müssen. Eine Sonderform ist die Diafiltration. In der Natur kommt Querstromfiltration ebenfalls vor, zum Beispiel bei planktonfiltrierenden Tieren wie Fischen in der Kiemenreuse und bei der Entfernung harnpflichtiger Stoffe aus dem Blut über das Glomerulum der Nieren.

Funktionsprinzip

Bei der Querstromfiltration wird die zu filtrierende Suspension, also eine Flüssigkeit mit darin verteilten Feststoffteilchen, mit etwa 2,5 bis 3 m/s parallel an einer Membran oder einem Filtermedium entlanggepumpt. Das Permeat, auch Filtrat genannt, wird quer zur Fließrichtung abgezogen. Die Membran lässt bestimmte Bestandteile passieren und hält andere zurück.

Durch die turbulente Strömung entstehen an der Filteroberfläche Scherkräfte. Diese Scherkräfte hängen vom Volumenstrom ab und können über ihn beeinflusst werden. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit sorgt dafür, dass sich aus den abzutrennenden Feststoffpartikeln möglichst kein Filterkuchen bildet. Ein solcher Filterkuchen, auch Deckschicht oder Fouling genannt, würde den Filtrationswiderstand und damit den Druckverlust über den Filter erhöhen. Das hätte einen größeren apparativen und energetischen Aufwand zur Folge.

Bei gewöhnlichen Filtern werden die abzuscheidenden Feststoffe als Filterkuchen gewonnen. Bei der Querstromfiltration dagegen kann der Feststoff nur so weit konzentriert werden, dass die Suspension noch pumpbar bleibt. Das Filtrat ist in beiden Fällen frei von Feststoffen. Der Teil des Flüssigkeitsstroms, der die Membran nicht passiert, heißt Retentat.

Bauweisen und Betrieb

Im Vergleich zu statischen Filtrationstechniken kann die Tangentialflussfiltration Flüssigkeiten mit relativ hohen Trubstoffgehalten klären. Trubstoffe sind Stoffe, die eine Flüssigkeit trüb machen, zum Beispiel feine Partikel.

Besonders geeignet sind Hohlfasern, auch Kapillarmembranen oder Hohlfäden genannt. Ihre Leistungsfähigkeit wird zusätzlich durch den Pinch-Effekt verstärkt. Eine übliche Hohlfaser hat einen Innendurchmesser von etwa 1,5 mm; möglich sind 3,0 mm bis 0,1 µm. Die Porengröße liegt üblicherweise bei 200 bis 5 nm; möglich sind 2000 nm bis 1,0 nm.

Je nach Anwendung werden hunderte bis tausende Kapillaren in Modulen zusammengefasst und vergossen. Diese Bauteile heißen Hohlfasermodule. Mit einer Zirkulationspumpe wird das unfiltrierte Produkt so lange durch die Kapillaren geleitet, bis die Trubstoffe im Retentat so stark konzentriert sind, dass das System entleert und gereinigt werden muss.

Einsatzgebiete und Beispiel

Bevorzugt wird die Tangentialflussfiltration in Bereichen eingesetzt, in denen ein hohes Partikelaufkommen oder große Konzentrationsgradienten zu erwarten sind. Weil das Retentat ständig abströmt, kann sich bei nicht weiterem Konzentrieren ein Gleichgewichtswert einstellen, der lange gehalten werden kann.

Große Bedeutung hat das Verfahren in der Getränkefiltration und in der Dialyse. Außerdem wird es in vielen Bereichen der Membrantechnik verwendet, darunter Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration, Gastrennung, Pervaporation und Umkehrosmose.

Eine bekannte Anwendung außerhalb industrieller Anlagen ist der Fallrohrfilter zur Regenwassernutzung. Dabei wird ein Teil der Wand eines Regenfallrohrs durch ein Sieb oder Gitter ersetzt. Das Wasser, das an der Rohrwand herabläuft, tritt durch das Gitter und wird aufgefangen. Laub und ähnliche Stoffe laufen am senkrecht montierten Sieb weiter nach unten und werden mit dem übrigen Regenwasser in die Kanalisation gespült.

Wirtschaftlichkeit

Charakteristische Vorteile der Tangentialflussfiltration sind die weitgehende Einsparung von Filterhilfsmitteln sowie eine schnelle, arbeitsextensive und qualitätsschonende Verarbeitung. Filterhilfsmittel müssen sonst beschafft, gelagert, gehandhabt und entsorgt werden; diese Aufwände fallen hier weitgehend weg.

Ein Nachteil ist die im Vergleich zu anderen Filtrationstechniken geringe Energieeffizienz. Ein großer Teil der Energie, die in die Förderung der Einspeisung, also des Feed, investiert wird, geht über das Retentat verloren. Deshalb wird dort, wo man auf Tangentialflussfiltration verzichten kann, zunehmend die Dead-End-Filtration verwendet.