Dr. Roman NEUNTEUFEL - BOKU Wien Nov. 2014
Ultrafiltration zur Wasseraufbereitung
Dr. Roman NEUNTEUFEL – Universität für Bodenkultur Wien
Linz 20.11.2014
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Inhalt
Membranfiltration / ÜberblickMembrantypen Porengrößen & GrößenvergleichProblembereich hinsichtlich Einsatz
Arten und Einsatzgrenzen von IntegritätstestsDirekte MethodenIndirekte Methoden
Fallbeispiel / ErgebnisseVersuchsdurchführungStandard MiBi UntersuchungenIntegritätstests
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Materialien und Module
Kunststoff-CellulosederivatePolysulphone (PSf), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF)
Anorganische Membrane (Keramik)teuer; für chemischen Industrie (aggressive Medien) eingesetzt
ModuleFlächenchmembrane auf Rahmen aufgezogen
Wickelmoduleröhrenförmige Membrane, Innendurchmesser 6-40mm, Röhren in Gehäusen zusammengefasst
Hohlfaser Module (Durchmesser 0,5-2mm), Tausende in zylindrischem Gehäuse zusammengefasstQ
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Membrantypen & Betriebsweisen
Art / Druck / abtrennbare StoffeUmkehrosmose (UO) / Transmembrandruck (TMD) 5-100 bar / EntsalzungNanofiltration (NF) / TMD 4-5 bar / Ionenselektiv (Härte Ca2+ Mg2+)Ultrafiltration (UF) / TMD 0,5-2 bar / Makromoleküle, Mikroorg., TrübeMikrofiltration (MF) / TMD 0,5-2 bar / Partikel, Feinstsand
Cross Flow Filtration & Dead End Filtration
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Porengrößen & Größenvergleich
20 nm
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Problembereich hinsichtlich Einsatz zur Desinfektion
Nominale Porenweite Größere Poren sind möglich
produktionsbedingt oder Prüfverfahren sind gefordert
durch Beschädigungen
Beschädigung / Membranbruch Alterung (Rückspülungen), chemische Reinigungmechanische Beschädigung durch scharfkantige Partikel (z.B. Metallspäne)
Membranfiltrationssysteme im Lebensmittelcodex nicht als Desinfektionsmaßnahme ausgewiesen
… im Falle einer Beschädigung kann es zu einer unbemerkten Kontamination des Filtrates kommen
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Direkte Integritätstests
Überprüfungen werden direkt an der Membran bzw. am Modul durchgeführt
Druckhaltetest - Pressure-decay-test (PDT) [Adham et al., 1995; Johnson, 1997, 1998]
Druck-Diffusionstest - Diffusive air flow test (DAF) [Adham et al., 1995; Johnson, 1997, 1998]
Messung des Luftdurchtrittsdrucks, Blasentest - Bubble point test [Randles, 1997]
Akustik-Sensor Test - Acoustic sensor test [Adham et al., 1995; Lâine et al., 1998]
Flüssigkeitsporosimetrie - Liquid-liquid porosimetry test [DiLeo and Phillips, 1994, 1995;
Phillips and DiLeo, 1996; Gekas and Zhang, 1989]
Binärgas-Test - Binary gas integrity test [Giglia and Krishnan, 2008]
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Indirekte Integritätstests
Qualität des Filtrats erlaubt Rückschluss auf den Zustand der Membran
Partikelzähler - Particle counting [Adham et al., 1995; Landsness, 2001; Panglisch et al., 1998]
Partikelmonitoring - Particle monitoring [Adham et al., 1995]
Trübungsmessung - Turbidity monitoring [Adham et al., 1995; Banerjee et al., 1999, 2001]
Zellzählung - Flowcytometrie
Ersatzstofftests - Surrogate challenge tests: Spiked integrity monitoring system microbial challenge tests (Standard MiBi Untersuchungen)
other new surrogate challenge tests [Van Hoof et al., 2001; Kruithof et al., 2001; Brehant et al., 2008; Gitis et al., 2006a,b; Trimboli et al., 2001; Moulin, 2008; Rajagopalan et al., 2006; Deluhery und Rajagopalan, 2008]
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Untersuchung / Versuchsdurchführung
Membranfiltration:UF Anlage, nominalen Porenweite 0,02 µm (average pore width: 20,1 nm)
Flux: 100 l / h / m² bei 0,7 bis 1 bar
Testmedium:Leitungs bzw. Brunnenwasser + künstliche mikrobiologische Kontamination (frisches Abwasser)
Messprogramm:Dauer rd. 5 Monatelaufend direkte und indirekte Integritätstests4 microbial challenge tests (künstliche Kontamination und Standard MiBi)
künstliche Alterung (durch intensivierte Rückspülung = Membranalterung gesamt 5 Jahre)
mechanische Beschädigung
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Ergebnisse der Standard MiBi Untersuchungen
Proben-bezeichnung
Coliforme MPN bzw. KBE
E. coliMPN bzw. KBE
Enterokokken KBE
Rohwasser <1 (C-18, 100 ml) <1 (C-18, 100 ml) -
Rohwasser beimpft
880 bis 56.000 (C-18, 100 ml), 220 bis 20.000 (CC, KBE/100 ml)
910 bis 3.450 (C-18, 100 ml), 460 bis 3.200 (CC, KBE/100 ml)
150 bis 4.900 (SB, KBE/100 ml)
UF Permeat1. PN
<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)
<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)
0 (SB, KBE/100 ml)
UF Permeat2. PN
<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)
<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)
0 (SB, KBE/100 ml)
UF Permeat3. PN
<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)
<1 (C-18, 100 ml), 0 (CC, KBE/100 ml)
0 (SB, KBE/100 ml)
UF Permeat4. PN
39 (C-18, 100 ml), 18 (CC, KBE/100 ml)
1 (C-18, 100 ml), 2 (CC, KBE/100 ml)
0 (SB, KBE/100 ml)
E. coli und coliforme Bakterien: MPN-Verfahren, 100 ml, Colilert®-18 (C-18), Quanti-TrayTM (IDEXX) und Membranfiltration, 100 bzw. 1.000 ml, Chromocult-Agar (CC), 24h, EN ISO 8199:2007
Enterokokken: Membranfiltration, 100 bzw. 1.000 ml, Slanetz Bartley-Agar (SB), EN ISO 7899-2
PN4: trotz der mechanischen Beschädigung einer Hohlfaser: Reduktion von 99,93 % bzw. 99,73 % (Coliforme bzw. E.coli)
0,5
mm
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Ergebnisse der direkten Integritätstests
DruckhaltetestDruckabfall in 15 Min.Ausgangsdruck 2 barz.B. 50 % Abfall = OK100 % Abfall = DefektACHTUNG: Abhängigkeitvon Speichervolumen fürDruckluft
Druck-DiffusionstestAusgangsdruck 2 barMessdauer: wenige Minuten
Je geringer der Druck,desto geringer die SensitivitätNICHT kontinuierlich messbar
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Ergebnisse der indirekten Integritätstests
Alle Tests: Abhängigkeit von Ausgangskonzentration im Rohwasser
Standard MiBi (als Referenzmethode)
Sensitivität sehr hoch, dauert lange (24 / 48 Stunden)
TrübungsmessungSensitivität eher gering
PartikelzählungSensitivität deutlich höher als Trübungsmessung Vergleichsmessung(PN 4)
Trübung (NTU)
Partikelzahlen(1 µm)
Partikelzahlen(5 µm)
Rohwasser 0,20 60.000 4.000Permeat 0,09 200 3
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Ergebnisse der indirekten Integritätstests
Partikelzählung – Problembereiche:z.B. Beeinflussung durch
Ausgasungen(Mitmessen von Gasbläschenaus der Literatur bekannt)
oder
Ablagerungen bzw. Aufwuchs von Biofilm(Reinigungen nötig)
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Ergebnisse der indirekten Integritätstests
Partikelzählung – Fazit:Kontinuierliche Messung während Filtration möglichMembranschaden durch Messwertschwankungen nicht gesichert erkanntPartikelzählung vielversprechender als Trübungsmessung Verbesserung der Anwendungspraxis nötig
Zellzählung - Flowcytometriesehr hohe Sensitivität - Membranschaden deutlich erkennbarSemikontinuierlich (Zyklenzeit ca. 1 Stunde)Hohe Kosten, derzeit nur Laborgerät, Automatisierung in Entwicklung
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Eignung der Membranultrafiltration: zum Rückhalt von Partikel inkl. Bakterien und z.T. auch VirenKontamination des Permeats im Falle einer Beschädigung möglichim Lebensmittelcodex nicht als Desinfektionsmaßnahme anerkannt
Integritätstests:
Verfahrenskombination aus direkten diskontinuierlichen und indirekten kontinuierlichen Testmethoden empfohlen (US EPA)
Zusammenfassung
Verfahren Direkt IndirektGeprüft wird: Membran PermeatSensitivität: hoch z.T. geringerKontinuität: nicht möglich möglich
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