Performance evaluation of ceramic microfiltration in clarifying biopolymers : effect of membrane pore and channel size

Abstract

Membrane technology is a widely studied separation technology offering lower energy consumption and possibly a smaller environmental footprint compared to other separation processes. Notably, it has raised interest among bioprocessing applications, as it enables precise separation while maintaining the main processing conditions, such as the pressure and temperature, at relatively low levels. Ceramic membranes are particularly advantageous due to their tolerance to harsh chemicals and high temperatures during their lifespan.

In this thesis, the application of ceramic microfiltration membranes in bioprocessing is studied via a literature review and experimental tests. The membrane materials and their characteristics, utilization of ceramic membranes in bioprocessing, mass transfer in microfiltration, and factors affecting filtration performance are investigated. Finally, experimental tests are conducted to compare how the change in membrane pore and channel size affect the separation performance, alongside an evaluation of the cleaning procedure.

The results showed that membranes with a smaller pore size, <0.45 μm, resulted in better flux stability over time, higher permeability and critical flux levels than membranes with pore size of 1.4, 0.8, and 0.45 μm. Smaller channel sizes improved permeability stability, although all tested membranes suffered from a high initial permeability decrease. Water fluxes mainly recovered sufficiently in cleaning with 1 % Ultrasil 112 at 75 ˚C. Longer fed-batch microfiltration showed the potential of an 11-channel membrane (0.20 μm) to maintain 200 kg/(m²h) capacity. However, the process would benefit from further examination of fouling mechanisms which could help determining the membrane cleaning schedule in more detail.

Kalvosuodatusteknologia on laajasti tutkittu erotustekniikka, joka tarjoaa alhaisemman energiankulutuksen ja mahdollisesti pienemmän ympäristöjalanjäljen verrattuna muihin erotusprosesseihin. Erityisesti se on herättänyt kiinnostusta bioprosessoinnin sovelluksissa, sillä se mahdollistaa tarkan erotuksen, samalla kun prosessointiolosuhteet, kuten paine ja lämpötila, voidaan pitää suhteellisen alhaisina. Keraamiset kalvot tarjoavat etuja, kuten kestävyyden kemikaaleja ja korkeita lämpötiloja vastaan koko niiden elinkaaren aikana.

Tässä diplomityössä tutkitaan keraamisten mikrosuodatuskalvojen käyttöä bioprosessoinnissa kirjallisuuskatsauksen ja kokeellisten testien avulla. Kalvomateriaaleja ja niiden ominaisuuksia, keraamisten kalvojen käyttöä bioprosessoinnissa, aineensiirtoa mikrosuodatuksessa ja suodatuksen suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä käydään läpi. Lopuksi kokeellisilla testeillä tutkitaan, miten keraamikalvon huokos- ja kanavakoon muutos vaikuttaa erotuskykyyn, sekä arvioidaan pesumenetelmän suorituskykyä.

Tulokset osoittivat pienemmän huokoskoon kalvojen, <0.45 μm, johtavan vakaampaan permeaattivuohon ajan suhteen, korkeampaan permeabiliteettiin ja kriittiseen vuohon verrattuna kalvoihin, joiden huokoskoko oli 1.4, 0.8 ja 0.45 μm. Kanavakoko paransi permeabiliteetin vakautta, kun pienemmän kanavakoon kalvoja käytettiin, vaikkakin kokeiden alussa permeabiliteetin lasku oli voimakasta. Vesivuot palautuivat pääasiassa hyvin, kun pesu tehtiin 1 % Ultrasil 112 -pesuaineella 75 ˚C lämpötilassa. Pidempi suodatuskoe osoitti 11-kanavaisen (0.2 μm) kalvon potentiaalin ylläpitää 200 kg/(m²h) kapasiteetti, mutta likaantumismekanismien lisätutkimus olisi hyödyllistä myös tarkemman pesuaikataulun määrittämisessä.