Samenvatting
Deze Nederlandse samenvatting is uitgebreider dan de voorgaande Engelse versie. Begonnen wordt met een algemene inleiding over wat membraanfiltratie is, hoe dit proces in het algemeen uitgevoerd wordt en wat het belangrijkste probleem is. Vervolgens worden de in dit onderzoek gevonden resultaten samengevat.
Membraan filtratie principe Dit proefschrift gaat over ultrafiltratie. Dit is een scheidingstechniek, welke gebruik maakt van een membraan. Dit membraan is een fijn filter, dat stoffen scheidt op grootte. Een klassiek filter scheidt vaste deeltjes van een oplossing; met een membraan is het zelfs mogelijk om opgeloste stoffen af te vangen, mits de moleculen groot genoeg zijn. Eigenlijk is een membraan dus een moleculaire zeef. Kleine moleculen, zoals water, gaan er wel doorheen, maar grotere zoals eiwitten of zetmeel kunnen worden tegengehouden. Dit is schematisch voorgesteld in figuur 1. Om water door het membraan heen te krijgen moet echter wel een kracht uitgeoefend worden. Daarom wordt een drukverschil over het membraan aangelegd. De te filtreren vloeistof wordt bij een hoge druk (bij ultrafiltratie enkele bars) langs het membraan geleid. Doordat aan de filtraatzijde van het membraan de druk laag is (atmosferisch) wordt het water door het membraan heengeperst.
165
Figuur. 1. Principe van membraanfiltratie. Een oplossing bestaat in het algemeen uit grote moleculen (b.v. eiwitten) en kleine moleculen (b.v. water). Wanneer deze oplossing, onder druk, door een membraan geperst wordt, zullen de kleine watermoleculen gemakkelijk door de poriën gaan; de eiwit deeltjes zijn echter te groot om door de poriën te kunnen en worden tegengehouden.
Figuur 2. Vloeistofstromen in een membraanfiltratiemodule. De voeding (b.v. een waterige eiwit-oplossing) komt aan de linkerzijde binnen en stroomt parallel aan het membraanoppervlak. Onder druk wordt water door het membraan geperst. Hierdoor wordt de achtergebleven oplossing steeds geconcentreerder in eiwit; dit zgn. concentraat zal uiteindelijk de module aan de rechterkant verlaten. De vloeistof die door het membraan geperst wordt is de filtraatstroom. De richting waarin de voeding (en dus ook het concentraat) stroomt staat loodrecht op de richting waarin gefiltreerd wordt. Daarom wordt deze manier van filtreren ook wel cross flow filtratie genoemd.
166
Samenvatting Algemene procesvoering Membraanfiltratie wordt bedreven volgens het “cross flow” principe. “Cross flow” betekent dat de richting waarmee voeding langs het membraan stroomt loodrecht staat op de filtratie richting. Het principe is weergegeven in figuur 2. In een membraanproces wordt de ingaande stroom gescheiden in een relatief zuivere filtraatstroom, die slechts water en enkele kleine deeltjes (zouten, suikers) bevat, en een concentraatstroom die, zoals de naam al zegt de tegengehouden componenten in verhoogde concentratie bevat. Als deze stroom nog niet geconcentreerd genoeg is na één filtratie stap, wordt hij meerdere keren langs het membraanfilter geleid om nog meer water te verwijderen.
Voordelen membraanfiltratie Membraanfiltratie heeft boven de bestaande alternatieven belangrijke voordelen: - Het is een mild proces, het kan bij lage temperaturen plaatsvinden, wat vooral belangrijk is bij de behandeling van hittegevoelig materiaal. Daarom heeft het ook een belangrijke toepassing in de voedingsmiddelenindustrie. - Het is een proces dat relatief weinig energie kost. De meeste energie gaat zitten in het rondpompen van de vloeistof. Dit is echter slechts een geringe hoeveelheid in vergelijking tot het verbruik bij een alternatief proces als indampen. - Het proces is gemakkelijk op te schalen en uit te breiden.
Vervuiling Membraanfiltratie heeft eigenlijk slechts één nadeel dat grootschalige implementatie ervan nog steeds tegenhoudt. De membranen raken gemakkelijk vervuild. Stoffen die tegengehouden worden hopen zich in hoge concentratie op bij de ingang van het membraan. Ze kunnen hier uiteindelijk neerslaan en een laagje vormen (zie figuur 3). Het te filtreren water moet nu behalve door het membraan ook door dit laagje geperst worden. Dit kost extra moeite en in praktijk betekent dit dat de filtratie langzamer verloopt en het proces dus 167
minder rendabel is. Ook kunnen de poriën geblokkeerd worden, doordat stoffen de porie in geduwd worden terwijl ze eigenlijk te groot zijn en dus bekneld raken. De genoemde vervuilingproblemen zijn zeer nadelig voor het proces en dienen dus met kracht bestreden te worden.
Figuur 3. Vorming van een vuillaag bij membraanfiltratie. Stoffen die door het membraan worden tegengehouden hopen zich op aan het membraanoppervlak. Hier worden zodanige concentraties bereikt dat deze stof uiteindelijk neerslaat op het membraan en een dichte, compacte laag vormt. Dit belemmert de filtratie aanzienlijk.
Dit proefschrift Belangrijk bij membraanfiltratie is dat de doorzet door het membraan hoog genoeg is om het proces rendabel te laten zijn. In dit proefschrift worden verschillende varianten van membraanfiltratie, waarin hogere doorzetten gehaald kunnen worden dan gebruikelijk, beschreven. Zo wordt gedemonstreerd dat water ontdaan kan worden van zouten met membraanfilters die veel grover zijn dan degene die tot nu toe gebruikt werden (hoofdstuk 3). Tot nu toe werd dit met zeer fijne, zogenaamde omgekeerde osmose membranen gedaan. Deze membranen bevatten poriën die net zo groot zijn als de zoutdeeltjes zelf. De zoutdeeltjes worden dan op grond van grootte gescheiden van het water dat met druk door het membraan geperst wordt. Doordat de membranen zo fijn van structuur zijn kost het zeer veel moeite om water er doorheen te persen. Er is dan ook veel membraanoppervlak nodig. Per uur lukt het slechts om 10 liter water door 1 m2 membraanfilter te persen. Ook
168
Samenvatting kost het proces relatief veel energie, omdat hoge drukken (40 bar) noodzakelijk zijn. Het blijkt echter ook met veel grovere membranen te kunnen. Veel materialen dragen van nature een zwakke electrische lading, membraanmaterialen vaak ook. Hier kun je gebruik van maken. De zoutdeeltjes zijn namelijk eveneens electrisch geladen en worden gemakkelijk afgestoten door de lading die op het membraanoppervlak zit. Zoutdeeltjes kunnen dan minder snel de poriën binnendringen en blijven dus aan de voedingszijde van het membraan hangen, terwijl het water door de poriën heen geperst wordt. Dit persen gaat nu echter veel eenvoudiger, omdat de poriën veel grover zijn. Nu zijn er slechts drukken tot 5 bar nodig en dan kun je door 1 m2 membraan in een uur tot 500 liter persen. Dit systeem lijkt dus veelbelovend en zou toepassing kunnen hebben in het bereiden van drinkwater uit oppervlakte- of grondwater. Ook afvalwaterzuivering in bijvoorbeeld de metaal- of verfindustrie behoort tot de mogelijkheden. Dit gehele proces staat of valt met de electrische afstoting tussen membraan en zoutdeeltjes. Deze kracht zwakt echter af naarmate de concentratie aan zoutdeeltjes zal toenemen. Derhalve is het systeem minder geschikt voor het ontzouten van zeewater. Het moet echter mogelijk zijn om dit soort membranen in de toekomst kunstmatig van extra electrische ladingen te voorzien. Dan zou ook de laatstgenoemde toepassing binnen handbereik liggen. Membranen worden ook vaak toegepast om oplossingen met eiwit te concentreren, waarna het resterende water verwijderd kan worden door drogen (hoofdstuk 4). Eveneens is het wenselijk om verontreinigingen (suikers, zouten) uit de eiwitoplossing te verwijderen, om het eiwit zo schoon mogelijk in handen te krijgen. Eiwitten hopen zich echter op voor het membraan, na tegengehouden te zijn. Hierbij verhinderen ze dat water door het membraan kan stromen. Om deze effecten tegen te gaan is het zaak om de concentraties eiwit aan het membraanoppervlak onder controle te houden. De eiwitten kunnen door het concentratieverschil met de bulk vloeistof weer naar de bulk terug diffunderen, maar dat schiet niet erg op. Dit proces wordt een handje geholpen als de eiwitten een electrische landing krijgen en elkaar gaan afstoten. De hoeveelheid electrische lading op het eiwit valt te sturen door de zuurgraad, de 169
pH, aan te passen. Bij een bepaalde pH-waarde draagt het eiwit geen electrische lading: dit wordt het iso-electrische punt genoemd. Bij het eiwit dat wij bestudeerd hebben, albumine, ligt het iso-electrisch punt bij een pH waarde van 5. Wordt de pH van de oplossing nu verhoogd, door loog toe te voegen, dan wordt het eiwit negatief geladen; wordt zuur toegevoegd en de pH tot onder het iso-electrisch punt gebracht dan krijgt het eiwit een positieve lading. Doordat de eiwitten elkaar sterk afstoten, hopen ze zich minder snel op voor het membraanoppervlak. Dit zie je terug in de waterstroom door het membraanfilter. Bij zeer hoge of lage pH waarden zijn de eiwitmoleculen sterk geladen en stoten ze elkaar krachtig af. De doorzet van water door het membraanfilter komt dan ook een stuk hoger te liggen, omdat het water minder hinder ondervindt van opgehoopte eiwitten bij de ingang van het membraan. Een bijkomend voordeel van de lading op eiwitten is dat deze ook kracht uitoefent op de zoutdeeltjes. Dit heeft tot gevolg dat deze nu nog sneller dan anders door het membraan heen geperst worden. De ontzouting van de eiwitoplossing verloopt dus ook sneller. Om vervuiling van membranen tegen te kunnen gaan moet voorkomen worden dat stoffen, die door het membraan worden tegengehouden, zich ervoor gaan ophopen. Om dit te bereiken moet de vloeistof voor het membraan goed opgemengd worden. Een mooie manier is het toevoegen van grote, onopgeloste deeltjes (ordegrootte 1mm) aan de te filtreren vloeistof (hoofdstuk 5). Hierbij wordt gebruik gemaakt van het zogenaamde fluïd bed principe. Daarbij worden buisvormige membraansystemen gebruikt. In ons geval een buis van bijna 2 m lengte en een diameter van 1.5 cm. De wanden zijn poreus en hier vindt de filtrerende werking plaats. De te filtreren vloeistof stroomt onderin de buis binnen en wordt boven afgevoerd in meer geconcentreerde vorm, nadat een deel ervan door de membraanwand geperst is. In de buis bevinden zich deeltjes die geneigd zijn om onder de invloed van de zwaartekracht naar beneden te vallen. De opwaartse vloeistofstroom compenseert deze neiging waardoor de deeltjes gaan zweven. De deeltjes blijven echter niet strak op hun plaats maar bewegen chaotisch rondom een bepaalde positie. Door deze bewegingen wordt de vloeistof zeer effectief opgemengd. Dit heeft een positieve uitwerking op het verloop van het filtratie proces. De snelheid van dit proces wordt namelijk sterk verhoogd, aangezien ophoping van stoffen aan het membraanoppervlak tegengegaan wordt door de aanwezigheid van de bewegende deeltjes. De 170
Samenvatting verzameling deeltjes die met een omhoog stromende vloeistof op hun plaats worden gehouden wordt een fluïde bed genoemd. Het toepassen van fluïde bedden kan ook nadelen hebben (hoofdstuk 6). De deeltjes kunnen namelijk door botsingen het membraan behoorlijk beschadigen. Wat gebeurt is dat de poriën van het membraan door inslaande kogeltjes dichtgehamerd worden. Er valt daarna geen vloeistof meer doorheen te persen. Het membraan kan, afhankelijk van de massa van de deeltjes, reeds binnen enkele uren volledig dichtgeslagen zijn. Dit is een reëel risico bij deze toepassing. Om te voorkomen dat het membraan gevaar loopt moeten de deeltjes zo klein en zo licht mogelijk gekozen worden. Gebleken is dat het gewicht van de deeltjes nauwelijks uitmaakt voor de positieve, ‘menging-bevorderende’ werking ervan, maar zoals gezegd wel voor de nadelige effecten. Ook is het membraan beter beschermd als de viscositeit van de te filtreren vloeistof hoog is (bij filtratie van eetbare oliën bijvoorbeeld). Het membraan wordt ook beschermd tegen inslag door de stoffen die zich hebben opgehoopt voor het membraanfilter. In het voorgaande werk worden de deeltjes netto op zijn plaats gehouden. In het laatste hoofdstuk (hoofdstuk 7) worden vaste deeltjes met de vloeistofstroom mee rondgepompt. Gekeken is naar het effect van onoplosbare deeltjes op de filtratie van waterige sojaextracten. Deze worden gefiltreerd om water, zouten en suikers te verwijderen en een geconcentreerd eiwitproduct over te houden. Normaal worden de vaste, onoplosbare meeldeeltjes verwijderd voordat met membraanfiltratie begonnen wordt. In dit werk zijn de deeltjes met opzet niet verwijderd om te kijken of ze het membraan schoon konden maken en houden. De meeldeeltjes waren gemiddeld 25 micrometer groot. De deeltjes blijken inderdaad vervuiling behoorlijk te beperken. De doorzet door het membraan kan tot een factor 10 verhoogd worden. Eveneens kan de eiwitoplossing veel sterker geconcentreerd worden, hetgeen een groot voordeel is bij verdere verwerking. Gebleken is dat de deeltjes een schurende werking hebben. Een vuillaag die zich reeds gevormd heeft wordt door de deeltjes letterlijk afgeschraapt. Ook als ze achteraf, na een deeltjesloze filtratie, worden toegevoegd kunnen ze hun reinigende werking uitoefenen. 171
