Membraanfiltratie, nanotechnologie en bier

Nanowetenschap en nanotechnologie betreft het gecontroleerd vorm geven aan uiterst preciese en kleine structuren met een grootte van één-duizendste tot één-millioenste millimeter. Zeer fijnmazige zeven zijn een voorbeeld van dergelijke structuren en we willen laten zien dat deze zeven toegepast kunnen worden om vloeistoffen te ontdoen van allerlei deeltjes zoals bacterien, gisten en eiwitglobulines. Als voorbeeld bespreken we de filtratie van bier.

Een membraanfilter is normaliter een zeer fijn filter voorzien van uiterst kleine openingen. Voor een microfiltratiemembraan zijn de openingen typisch in het bereik van 50 en 1000 nanometer, en voor een nanofiltratiemembraan zijn de openingen nog veel kleiner (enkele nanometers).


Fig. 1 SEM-foto’s van het oppervlak van diverse filtratiemembranen. Links: Synthetisch membraan, midden: Keramisch membraan, rechts: polymeer tracked etched membraan [1].

De meeste synthetische membranen die tegenwoordig gebruikt worden hebben vaak een poreuze toplaag (Fig. 1 Links) met de gewenste openingen en een sponsachtige ondersteuningslaag voor de mechanische sterkte. De ondersteuningslaag veroorzaakt echter vaak een additionele vloeistofweerstand en daarmee een gereduceerde flux bij een gegeven transmembraandruk. Ook de reiniging van deze membranen kan problemen veroorzaken; zo dienen alle reinigingsmiddelen volledig uit het filtratiemembraan te worden verwijderd, voordat dit opnieuw ingezet kan worden. Er zijn verschillende pogingen ondernomen om zeefachtige membranen te produceren die bovenstaande nadelen niet bezitten, zoals tracketched membranen (Fig. 1 rechts). Deze vertonen echter een relatief lage porositeit, hebben vaak overlappende openingen en zijn niet chemisch inert, zodat ze niet hergebruikt kunnen worden.


Fig. 2 SEM foto’s Links: Porieverdeling van een microzeef, Midden: microzeef bovenaanzicht, Rechts: steunzijde van de microzeef [1].

Door gebruik te maken van productietechnieken uit de nanotechnologie is het wel mogelijk om dunne zeefachtige membranen te maken met uniforme openingen en een hoge porositeit [1]. Deze membranen, ook wel micro- of nanozeven genoemd (Fig. 2), worden geproduceerd door middel van lithografische technieken met een hoge resolutie in het nanometerbereik [2]. Microzeven hebben een lage stromingsweerstand, een hoge chemische resistentie en een perfect controleerbare poriedistributie en worden gekenmerkt door een hoge operationele flux en een goed scheidend vermogen.

Fig. 3 Schematisch overzicht van cross-flow filtratie; een deel van de vloeistof met kleinere deeltjes gaat als permeaat door het membraan, de resterende vloeistof met grotere deeltjes stromen parallel aan het membraan [1].

Vergeleken met ander microfiltratiemembranen hebben microzeven vanwege de lage vloeistofweerstand veel minder filtrerend oppervlak nodig. Omgekeerd betekent dit dat de procesflux door de microzeef zeer groot is. Een accumulatie van deeltjes aan het oppervlak van de microzeef zal dus, meer dan voor andere membranen, invloed hebben op de totale stromingsweerstand. Daarom is het belangrijk om het oppervlak vrij te houden van deeltjes gedurende de filtratie met microzeven. Gewoonlijk gebeurt dit door een hogere cross-flowsnelheid waardoor grotere deeltjes continu van het oppervlak worden verwijderd (Fig. 3). Daarnaast wordt het herhaaldelijk omkeren van de permeaatstroom toegepast (backpulsen) om ook kleinere deeltjes van het oppervak te verwijderen en concentratiepolarisatie tegen te gaan. De benodigde cross-flowsnelheid is afhankelijk van meerdere variabelen zoals de ratio tussen aanwezige deeltjes en poriegrootte, de transmembraandruk en de kanaalhoogte aan de cross-flowzijde. Een bijkomend voordeel van een schoon membraanoppervlak is dat de scheiding tijdens de filtratie alleen bepaald wordt door de karakteristiek van het membraan en niet door een aanvullende karakteristiek van de gevormde filtratiekoek.

Filtratie van gelagerd bier is een goed voorbeeld van de mogelijkheden van de nieuwe filtratietechnologie [3,4,5]. De Grolsche Bierbrouwerij Nederland en Aquamarijn Micro Filtratie begonnen hun samenwerking in 1995 met het doel om de mogelijkheden te onderzoeken om kiezelgoerfiltratie te vervangen door de filtratie van lagerbier met microzeven [6].

In Groenlo werd een pilootinstallatie gebouwd waarin de prestaties van de microzeven werden getest. De experimenten lieten zien dat een bierprocesflux van 2000 l /m²/hr gedurende een periode van 5 uur zonder noemenswaardige verandering in de transmembraandruk (ca. 20 mbar!, zie Fig. 4) mogelijk is [6,7].

Fig. 4. Gedrag van procesflux en transmembraandruk in gistcelfiltratie van lager bier met een microzeef [6].

Met een microzeef met een poriediameter van 0,55 μm werd een troebeling gemeten van 0,23 EBC tijdens 10,5 uur van filtratie bij een gemiddelde flux van 2.210 l/m²/hr. Met een microzeef met sleuf-vormige porieën van 0,70 bij 3,0 μm werd een troebeling gemeten van 0,46 EBC gedurende een filtratie van 9 uur met een gemiddelde flux van 14.300 l/m²/hr. Deze laatste procesflux is ca. 100 maal hoger dan met conventionele synthetische of keramische membranen kan worden verkregen.

Een globale kostenvergelijking van de verschillende bierfiltratiemethoden is weergegeven in figuur 5. Tegenwoordig worden ook holle vezel, keramische of polymere membraansystemen ontwikkeld als alternatief voor kiezelgoerfiltratie. De complicaties in het gebruiken van deze type van filtratiemembranen is met name de verstoppingsadsorptie van eiwitten aan en in het membraan, hetgeen een snelle fluxafname veroorzaakt en vraagt om intensieve in-line reinigingsprotocollen.

Fig. 5 Globale kostenvergelijking van diverse gistcelfiltratiemethodes [1].

Lagere kosten t.o.v. kiezelgoerfiltratie komen voort uit het vervallen van kosten voor de aankoop en afvoer van kiezelgoer en ten opzichte van andere membraanfiltraties uit een veel hogere flux/m² waardoor de systeeminhoud veel kleiner wordt (minder verliezen) en door de inertheid van het materiaal waardoor veel effectievere reinigingen kunnen plaatsvinden, dit ondanks hogere aanschafkosten van de microzeven.

[1] 'Nano and Micro Engineered Membrane Technology’, C.J.M. van Rijn, Elsevier Amsterdam (2004) ISBN 0.444-51489-9.
[2] www.microsieve.com
[3] B. Czech, Cross-flow filtration of beer – experience within the brewery, The Brewer (1995) 103-110.
[4] Q. Gan, R.W. Field, M.R. Bird, R. England, J.A. Howell, M.T. Mckechnie and C.L. O’shaughnessy, Beer clarification by cross-flow microfiltration: fouling mechanisms and flux enhancement, Trans. Inst. Chem. Eng 75, part A, January (1997).
[5] P. Banplain-Avet, N. Doubrovine, C. Lafforgue and M. Lalande, The effect of oscillatory flow on cross-flow microfiltration of beer in a tubular mineral membrane system - Membrane fouling resistance and energetic considerations, J. Mem Sci. 152 (1999) 151-174.
[6] C.J.M. van Rijn, W. Nijdam, L.A.V.G. van der Stappen, O.J.A. Raspe, L. Broens and S. van Hoof, Innovation in yeast cell filtration: Cost saving technology with high flux membranes, Proc. EBC Congress, Maastricht (1997) 501-507.
[7] P.J.I. Janssen, Replacement of kieselguhr filtration by high flux microsieves, Report of research at the Grolsch Brewery, Groenlo (1997).

Cees van Rijn, Aquamarijn Micro Filtratie
Onno Raspe, Grolsche Bierbrouwerij (www. grolsch.nl)

Voor meer informatie: Aquamarijn Micro Filtration BV

Artikelen

		Membraanfiltratie, nanotechnologie en bier

Naam:
Email:
Functie:
Bedrijf:

Naam:		Email:
Functie:		Bedrijf: