From soft matter filtration processes to microfluidic filter cake visualization

  • Von kolloidalen Filtrationsprozessen zu mikrofluidischen Deckschichtvisualisierungen

Lüken, Arne Can; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Ramon, Guy (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.CVT - chemical process engineering 30
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Ultra- und Mikrofiltration sind chemische Verfahren, das zur Reinigung und Konzentration von flüssigen Suspensionen von Kolloiden und Partikeln eingesetzt werden. Typische industrielle Anwendungen sind die Aufreinigung oder Konzentration Proteinen oder Zellen in der Wasseraufbereitung, der Lebensmittelverarbeitung und der Bioprozessindustrie. Die Filtrationsleistung leidet unter der Anhäufung der filtrierten Stoffe auf der Membranoberfläche in Form eines Filterkuchens, welcher den hydrodynamischen Membranwiderstand erhöht und damit die die Gesamteffizienz des Prozesses vermindert. Herkömmliche Anwendungen messen die Widerstände für ein bestimmtes Filtrat im Betriebspunkt und legen den Prozess entsprechend aus. Ziel dieser Arbeit ist es, experimentelle Methoden zur mikroskopischen Visualisierung des Filterkuchens zu entwickeln und mit diesen Methoden Kolloid- und Partikelinteraktionen im Filterkuchen zu analysieren. Außerdem wird in dieser Arbeit ein Ultrafiltrationsprozess für Mikrogelaufreinigung im Labormaßstab entwickelt und validiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Methoden zur visuellen Beobachtung von Filterkuchen entwickelt: Die Erste ist ein mikrofluidisches Ersatzsystem, das die filtrierten Partikel an einer membranähnlichen Struktur zurückhält und eine Visualisierung des Filterkuchenquerschnitts bei verschiedenen Verdichtungsmechanismen ermöglicht. Die Filtration von nicht-kugeligen Partikeln zeigt eine starke Abhängigkeit des hydraulischen Widerstandes und der inneren Struktur von der Partikelform und dessen Material. Diese mikroskopischen Ergebnisse geben wesentliche Einblicke in die Partikelinteraktionen, die in Filterkuchen auftreten. Die Zweite Visualisierungsmethode ist eine Flachmembran-Filtrationszelle, die eine Filterkuchenbeobachtungen durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie ermöglicht. Die Methode erlaubt die Darstellung des Filterkuchens während der Filtration und auch während verschiedener Reinigungsverfahren. Überraschenderweise erzeugt das Tangential-Fluss-Reinigungsverfahrens ein topographisches 3D-Muster auf der Kuchenoberfläche, dass den Filterkuchenabtransport beschleunigt. Schließlich werden die mikroskopischen Filtrationsergebnisse durch die Entwicklung einer Mikrogel-Diafiltrationsanlage im Labormaßstab ergänzt, welche zur Aufreinigung von Mikrogelen angewendet wird. Um die mikroskopischen Ergebnisse dieser Arbeit im Kontext der Filtrationsanwendungen zu interpretieren, müssen in der Zukunft die vorgestellten Phänomene in mathematische Filtrationsmodelle eingearbeitet werden. Neben der Anwendung für Filtrationen, sind die Ergebnisse auch im Kontext permeierter Anordnungen von Mikropartikeln relevant. Beispielsweise hängen die hydrodynamischen Eigenschaften von selbstorganisierenden Mikropartikelanordnungen als 3D-Gerüst für Zellkultur stark von der Struktur der Anordnung und den Interkationen zwischen den Partikeln ab. Eine solche interdisziplinäre Sichtweise könnte mit den hier vorgestellten Methoden und Ergebnissen weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte definieren und vorantreiben.

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