Projekt 12736/01

Modifizierung biopolymerer Cellulose zur Erlangung selektiven Membrancharakters in der Mikrofiltration

Projektdurchführung

Altenburger Electronic GmbH
Schloßweg 5
77960 Seelbach

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Projektziel war die Entwicklung einer Systemlösung zum Einsatz chemisch modifizierter Cellulose in der Filtrationstechnik. Mit dem Einsatz chemisch modifizierter Cellulose als Filterhilfsmittel wird es erstmals möglich, in der Mikrofiltration eine selektiv wirkende Membran einzusetzen. Damit soll es ermöglicht werden, zusätzlich zur rein physikalischen Fest-Flüssig-Separation auch chemisch selektiv zu filtrieren. In Suspensionen befindliche Verunreinigungen können damit im Filtrationsprozess zurückgehalten werden. Diese Technologie ist in vielen verschiedenen Filtrationsprozessen anwendbar. Als ein Anwendungsbeispiel sollte die Aufbereitung von Druckereiwaschmitteln erprobt werden. Weitere wichtige Einsatzbereiche sind die Entfärbung wässriger Medien in der Lebensmittel- und Textilindustrie, der chemischen Industrie sowie der Lederindustrie. Ebenso denkbar ist ein Einsatz zur selektiven Schadstoffeliminierung von belasteten Prozessabwässern und insbesondere gelöster Schwermetalle bei der Bodensanierung und im Deponiebereich. Als weitere Einsatzbereiche seien die selektive Desodorierung von Prozessabwässern und kommunalen Abwässern, die Entfernung von Huminstoffen aus Abwässern in Kompostie-rungsanlagen sowie die selektive Klärfiltration benannt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAnalyse der zur selektiven Abtrennung in Frage kommenden Inhaltsstoffe
AP2: Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften der eingesetzten Lösemittel
AP3: Auswahl geeigneter Cellulosen für den Aufbau einer selektiven Membran
AP4: Auswahl geeigneter Cellulosen für chemische Modifikationen
AP5: Chemische Modifizierung - Konzeption
AP6: Chemische Modifizierung - Durchführung
AP7: Chemische Modifizierung - Auswertung
AP8: Anlagenauslegung
AP9: Membranspezifische Auslegung
AP10: Fertigung und Aufbau einer Versuchsanlage
AP11: Vorbereitung der Anwendungsversuche
AP12: Praktischer Einsatz der chemisch modifizierten Cellulose
AP13: Optimierung


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden verschiedene Cellulosematerialien auf ihre Adsorptionseigenschaften überprüft. Auch Verfahren zur Cellulosemodifikation wurden untersucht und die mit diesem Material erzielbaren Eigenschaften überprüft. In umfangreichen Testreihen wurde die Farbstoffadsorption an verschiedensten Cellulosederivaten untersucht. Für 12 typische Farbstoffe konnte in der Laborphase überwiegend eine gute bis sehr gute Farbstoffadsorption erreicht werden. Auf der Basis dieser Versuche wurde eine Pilotanlage für Praxisversuche mit verschiedenen Druckereiabwässern aufgebaut. Versuche in dieser Anlage mit verschie-denen Druckereiabwässern ergaben nur ungenügende Ergebnisse, da bei den untersuchten Waschmedien die Druckereifarbstoffe zu komplex für eine selektive Entfärbung mit modifizierter Cellulose waren. Die Problematik bei der Behandlung der Druckereiabwässer begründet sich im Vorhandensein mehrerer Farbstoffe im selben Abwasser. Dies könnte nur durch eine Art Polyselektivität aufgefangen werden. Dabei müsste diese Polyselektivität stets aufs Neue an den Einsatz der jeweils vorliegenden Farbstoff-Gemische angepasst werden. Diese Aufgabe erschien für den Ersteinsatz des neuen Filtrationsverfahrens zu komplex. Die Anwendungstests mit Druckereiabwässern wurden deshalb abgebrochen und mit Abwässern mit weniger unterschiedlichen Störstoffen fortgesetzt. Die Pilotanlage wurde den neuen Anforderungen angepasst.
Es wurden Versuche mit farbstoffhaltigen Glukosesiruplösungen in der Lebensmittelindustrie erfolgreich durchgeführt. Weitere Versuche betrafen die Entfärbung von Textilfärbereiabwässern.
In der Textilfärbung eingesetzte Dispersions- und Reaktivfarbstoffe werden bevorzugt an funktionalisierte Cellulose gebunden. Für die Entfärbung von Textilfärbereiabwässern konnte auf das Know-how der Textilfärber zurückgegriffen werden. Durch den Einsatz kationisierter Lignocellulosefasern wird eine entfärbende Abwasserfiltration erreicht, die im Ergebnis einen Kreislaufbetrieb mit den gereinigten Wässern erlaubt.
Für die Entfärbung von Zuckerlösungen konnte eine vom Projektpartner J. Rettenmaier & Söhne für die Filtration von Stärke und Glukose entwickelte und produzierte extraktfreie, lebensmittelgeeignete Lignocellulose erfolgreich angewendet werden. Die für die Untersuchungen ausgewählten Nahrungsmittelabwässer enthalten in der Regel nur wenige Farbstoffe. Es mussten einige der bereits für Druckereiabwässer durchgeführten Versuche für diesen Anwendungsbereich erneut durchgeführt werden. Hierbei wurde die Anlage an die neuen Anforderungen angepasst. Nach ersten Filtrationsversuchen und Anpassungsmodifizierungen der Zellulose konnten grundsätzlich positive Resultate erzielt werden. Insbesondere die Entfärbung von Glukosesiruplösungen in der Süßwarenbranche sowie die Entfärbung von Lactatglukonatlösungen für die Pharmaindustrie bieten interessante Anwendungsbereiche für die neue Filtrationstechnik. Beim Einsatz in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie bietet der Einsatz von Filterhilfsmitteln ohne störende eluierbare Bestandteile zugleich erhebliche Vorteile in der Produktsicherheit gegenüber derzeit eingesetzten Filtermedien.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Begünstigt durch eine in der Zeitschrift Umweltmagazin veröffentlichte, redaktionelle Publikation wurde eine Reihe von Interessenten auf die erarbeitete Technologie aufmerksam gemacht. Diese lassen sich im Wesentlichen den Industriebereichen Textil und Lebensmittel zuordnen. Es wurden Kundenkontakte mit Zielrichtung einer Projektfortführung und Praxisumsetzung ausgebaut.


Fazit

Filterhilfsmittel, die zur Abtrennung partikelförmiger und gelöster Komponenten entwickelt wurden, waren bisher nicht auf dem Markt erhältlich. Selbst in großen Mengen verfügbare Adsorbenzien, wie Aktivkohle oder Bleicherden, erfüllen das Kriterium der Selektivität bei der Farbstoffadsorption nicht.
Die Aufgabenstellung wird insbesondere durch den Einsatz neuer kationisierter Filtercellulosen gelöst, welche eine Vielzahl verschiedenster kritischer Suspensionen gleichzeitig filtrieren und entfärben können. Durch die Kombination der Mikrofiltration mit Edelstahlmembranfilter sowie im Bereich erneuerbarer Feintrennschichten mit selektiven Filterhilfsmitteln wird durch deren Adsorptionsvermögen die konventionelle Fest-Flüssig-Trennung zur selektiven Filtration erweitert.
Der praktische Einsatz des Systems z.B. in den Bereichen Lebensmittel, Textil und Pharma mit nur wenigen Farbstoffen kann nach Optimierung der Cellulose sowie Anpassungsadaptionen an die spezifische Anlagensituation und Wasserbelastung zeitnah erfolgen.