Cross-Flow-Filtration

Die Cross-Flow-Filtration, zu deutsch Querstromfiltration, ist eine Methode zum Filtern von Flüssigkeiten. Sie wird besonders in der Lebensmittelindustrie angewandt.

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Crossflow-Mikrofiltration von Wein

Im Gegensatz zu statischen Filtrationstechniken sind Crossflow-Mikrofiltrationssysteme in der Lage Flüssigkeiten mit relativ hohen Trübstoffgehalten zu klären. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Querströmung von etwa 2,5 bis 3 m/sec an der Membran angelegt wird, die Ablagerung von Trubpartikeln und damit eine rasche Verblockung verhindert. Eine übliche Kapillarmembran hat einen Innendurchmesser von ca. 1,5 mm und eine Porengröße von < 0,2 µm. Etwa 1000 Kapillaren werden z. B. in einer Hülse aus rostfreiem Stahl mit Modulköpfen untergebracht. Eine solche Konstruktion gestattet die obligatorische vollständige Entlüftung und Entleerung weil die Entlüftungs- und Entleerungsstutzen oberhalb bzw. unterhalb des Kapillarbündels angebracht werden können.

Mit Hilfe einer Zirkulationspumpe wird das unfiltrierte Produkt solange durch die Kapillaren zirkuliert, bis die Trubstoffe im Retentat so konzentriert sind, dass eine Entleerung und Reinigung erforderlich wird. Um einen raschen Anstieg der Trubkonzentration im Kreislauf innerhalb der Anlage (Umwälzpumpe und Module) zu vermeiden, werden die Anlagen zur Weinfiltration mit einer Abkonzentrierungseinrichtung betrieben, d.h. ein geringes Retentatvolumen wird kontinuierlich aus dem Kreislauf zurück in das Unfiltratgebinde ausgeschleust. Eine Speisepumpe schiebt Produkt nach und ergänzt das abgeführte Filtrat- und Abkonzentriervolumen. Das aus der Umkehr-Osmose bekannte Zwei-Pumpen-System ist so ausgelegt, dass die Umwälzpumpe große Volumina bei niedrigem Druck bewegt, während die Speisepumpe für den notwendigen Transmembrandruck sorgt. Daraus ergeben sich eine Reihe von Vorteilen, das geschlossene System verhindert Aroma- und CO₂ Verluste und vermeidet die Aufnahme von Sauerstoff, der reduzierte Energieeintrag durch das Zwei-Pumpen-System bewirkt eine minimale Produkterwärmung.

Hauptaufgabe für Cross-Flow Filter in der Kellerwirtschaft ist die Filtration von Jungweinen nach dem ersten Abstich. Wenn die empfohlenen Regenerationsschritte und –temperaturen eingehalten werden, sind sogar nahezu keimfreie Filtrate zu erzielen. Weitere Anwendungsgebiete sind die Gärunterbrechung durch Abtrennung der Mikroorganismen (Seitz-Böhi Verfahren), die Filtration von entpektinisiertem und geschöntem Traubensaft vor der Pasteurisierung und sterilen Einlagerung (Süßreserve), sowie die scharfe Vorfiltration des füllfertigen Verschnittes (Vorlegefiltration).

Crossflow-Mikrofiltration von Fruchtsäften

Neben modifizierten Anlagen zur Wein- und Sektfiltration stehen auch spezielle Fruchtsaftfilter zur Verfügung, die sich in verschiedenen Stufen der Fruchtsaftherstellung sehr gut bewährt haben. Grundvoraussetzung ist jedoch der Einsatz pektolytischer Enzyme und nach Bedarf stärkeabbauender Enzyme sowie eine Schönung mit Gelatine und Kieselsol. In der Regel ist eine Reduzierung der Schönungsmittelmengen möglich, jedoch empfiehlt es sich in jedem Fall, den Bedarf zuerst im Labor exakt zu ermitteln, um sicherzustellen, dass die Filtrate stabil sind.

Bei der Verarbeitung von Frischsäften direkt oder vor der KZE-Einlagerung ist eine Arbeitsweise ohne oder mit Retentat-Abkonzentrierung möglich. Dabei ergeben sich in Relation von den zu filtrierenden Säften durchschnittliche Fluxraten von 35 bis 90 l/m² h. Wenn die Säfte konzentriert werden sollen, besteht sowohl die Möglichkeit, nach der Aromaabtrennung und Heißenzymierung bei Temperaturen um ca. 50° C und entsprechend hohen Leistungen zu fahren, als auch das Produkt als trübes Konzentrat einzulagern und erst beim Rückverdünnen auf Trinkstärke zu filtrieren. Diese Arbeitsweise ist bei der Apfelsaftherstellung von besonderem Vorteil, weil die Enzymierung, Schönung und Filtration außerhalb der arbeitsintensiven Press-Saison, d. h. kurz vor der Abfüllung ansteht, und die CMF Anlage nach dem Prinzip der periodischen Wasseraussüßung betrieben werden kann. Ein professionelles MF-System gestattet dabei folgende Schritte:

• Saftrückverdünnung auf ca. 15 – 17° Brix
• Pektin- und Stärkeabbau (ca. 3 – 4 h bei 15 – 20° C)
• Gelatine- und Kieselsolschönung, Bentonitschönung nach Bedarf
• Crossflowfiltration direkt nach der Schönungsmittelzugabe
• Periodisches Aussüßen des Retentates mit Wasser
• Ausmischung des Saftes auf Trinkstärke
• Heißfüllung

Im praktischen Betrieb sind die Filtrationsintervalle zwischen den Aussüßungen je nach Trubgehalt etwa 1 bis 3 Stunden. Der Ablauf des Aussüßens erfolgt automatisch über den Mikroprozessor – zunächst wird aus einer Wasservorlage mit Hilfe des induktiven Durchflussmessers ein bestimmtes vorwählbares Wasservolumen der Anlage zugeführt und auf diese Weise das Produkt im Retentat weitgehend verdrängt. Im Filtrat ergibt sich eine Verdünnung um < 1 bis 2° Brix während das wässrige Retentat dann nur noch etwa 3 – 4 g/L Zucker entsprechend ca. 1° Brix enthält. Neben geringen Produktverlusten von < 0,6 % wirkt sich das periodische Einspeisen von Wasser durch das Abspülen und Austragen der Deckschicht leistungssteigernd aus. Bei durchschnittlichen Fluxraten von 50 – 60 l/m² h über einen Zeitraum von 10 – 15 Stunden ergeben sich nach der Rückverdünnung auf Trinkstärke rechnerisch Volumina von 70 – 90 l/m²h.

Charakteristische Merkmale der CMF Technologie sind die Eliminierung von Filterhilfsmitteln d. h. deren Beschaffung, Lagerung, Handhabung und Entsorgung, die rasche, arbeitsextensive sowie die qualitätsschonende Verarbeitung.

Links

• www.membrane-guide.com - Hersteller Verzeichnis
• www.membraflow.com - Westfalia Separator Membraflow (Hersteller)