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2018-07-16T04:44:30Z

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Die '''Elektrofiltration''' ist eine Methode, in der die [[Membrantechnik|Membranfiltration]] mit der [[Elektrophorese]] in einem Dead-End Prozess kombiniert wird.

Die Elektrofiltration hat sich als geeignetes Verfahren zur Konzentrierung und Fraktionierung von [[Biopolymere]]n erwiesen. Der für die [[Filtration (Trennverfahren)|Filtration]] hinderliche Deckschichtaufbau auf der Filtermembran kann durch ein [[elektrisches Feld]] verringert oder gar verhindert werden und so die Performance der Filtration, aber auch deren Selektivität (bei Fraktionierungen) gesteigert werden. Dadurch werden die Kosten im Bereich des [[Downstream-Prozess]]es von Bioprozessen deutlich gesenkt.

== Verfahren ==
[[Datei:Electrofiltration_chamber_setup-DE.svg|miniatur|400px|Abbildung 1: schematische Darstellung der Elektrofiltrationskammer]]
Die Elektrofiltration ist ein Verfahren zur Abtrennung bzw. Aufkonzentrierung von kolloidalen Substanzen wie z. B. Biopolymeren. Das Prinzip der Elektrofiltration beruht darauf, dass einer gängigen [[Dead-End-Filtration]] ein [[elektrisches Feld]] überlagert wird. Dadurch wirkt bei geschickter Polung auf die in der Regel geladenen Biopolymere eine elektrophoretische Kraft, welche entgegengesetzt zur Widerstandskraft der Filtratströmung wirkt. Dadurch wird der Deckschichtaufbau auf der Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmembran drastisch reduziert und die Filtrationszeit von mehreren Stunden im Fall einer Filtration auf wenige Minuten im Fall einer Elektrofiltration vermindert. Die Elektrofiltration zeigt im Vergleich zur [[Tangentialflussfiltration]] aber nicht nur einen größeren [[Permeat]]fluss, sie ist auch aufgrund der geringen Scherkraftbelastung der häufig empfindlichen Biopolymere ein besonders schonendes Abtrennverfahren.

Der Einsatz in der biotechnologischen Produktaufarbeitung ist vielversprechend, da Biopolymere einerseits schwer filtrierbar sind, aber andererseits aufgrund der häufig vorhandenen [[Aminogruppe|Amino-]] bzw. [[Carboxygruppe]]n geladen sind. Bei der Elektrofiltration ist das Ziel dabei dem Kuchenaufbau entgegenzuwirken, um die Filtrationskinetik schwer filtrierbarer Produkte zu verbessern.

Wird dem Filtrationsprozess ein elektrisches Feld überlagert, kommt es zu Elektrophorese der Partikeln und zu [[Elektroosmose]]. Bei der Elektrofiltration wird der herkömmlichen Filtration dabei ein elektrisches Feld (DC) überlagert, welches parallel zu der Strömungsrichtung des Filtrats wirkt. Übersteigt die der Strömung entgegengerichtete elektrophoretische Kraft ''FE'' die hydrodynamische Widerstandskraft ''FW'', so wandern geladene Partikel weg vom Filtermedium, so dass sich die Dicke des [[Filterkuchen]]s auf der Membran deutlich reduziert.

Sind die abzutrennenden Feststoffpartikeln negativ geladen, so wandern diese zur [[Anode]] (Pluspol) und werden auf dem dortigen Filtertuch abgeschieden. Auf der Membran auf der [[Kathode]]nseite (Minuspol) entsteht demzufolge nur eine sehr dünne Deckschicht, so dass nahezu das gesamte Filtrat über diese Membran abfließt.

In Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung einer Elektrofiltrationskammer mit gespülten [[Elektrode]]n gezeigt. Für den Spülkreislauf wird eine [[Pufferlösung]] verwendet. Für diesen Vorgang wurde 2002 ein Patent erteilt.<ref>{{Patent | Land = WO | V-Nr = 02051874 | Typ = | Titel = Electrofiltration of Biopolymers | A-Datum = 2001-12-20 | V-Datum = 2002-07-4 | Erfinder = Clemens Posten, Michael Herrenbauer, Karsten Weber, Ralph Hofmann | Anmelder = Clemens Posten, Michael Herrenbauer, Karsten Weber, Ralph Hofmann | Kommentar = }}</ref>

== Grundlagen ==
[[Datei:Electrofiltration filterplate.jpg|miniatur|Abbildung 2: Filterkuchen von Xanthan auf der Filterplatte]]
Die hydrodynamische Widerstandskraft lässt sich mit dem [[Gesetz von Stokes|Stokesschen Gesetz]] abschätzen.

:<math>F_W = 6\cdot\pi\cdot\eta\cdot\text{r}_{H}\cdot\nu</math>

Die elektrophoretische Kraft lässt sich mit dem [[coulombsches Gesetz|Coulombschen Gesetz]] abschätzen.

:<math>F_E = 4\cdot\pi\cdot\varepsilon_{0}\cdot\varepsilon_{r}\cdot\text{r}_{H}\cdot\zeta\cdot\text{E}</math>

In diesen Gleichungen ist ''rH'' der hydrodynamische Radius des [[Kolloid]]s, ν die elektrophoretische Wanderungsgeschwindigkeit, η dynamische [[Viskosität]] des Lösungsmittels, ε0 die [[Permittivität]] des Vakuums (elektrische Feldkonstante), εr die relative Permittivität von Wasser bei 298 K, ζ [[Zetapotential]] und ''E'' elektrisches Feld. Der hydrodynamische Radius ist dabei die Summe des Teilchenradius und der stationären Lösungsmittelgrenzschicht.

Bei der stationären elektrophoretischen Wanderung eines geladenen Kolloid, sind diese elektrische Kraft und die hydrodynamische Widerstandskraft im Gleichgewicht, und es gilt:

:<math>F_W + F_E = 0</math>

Durch diese Effekte wirkt bei der Elektrofiltration auf die Biopolymere, die geladen sein können, neben der hydrodynamischen Widerstandskraft auch die elektrische Feldkraft. Betrachtet man die Kathodenseite, so wirkt dort auf negativ geladene Teilchen die elektrische Feldkraft entgegen der hydrodynamischen Widerstandskraft. Dadurch wird auf dieser Seite der Aufbau des [[Filterkuchen]]s behindert, im günstigsten Fall bildet sich gar kein Filterkuchen. Die [[Elektrische Feldstärke|Feldstärke]], ab der dies der Fall ist, wird als kritische Feldstärke ''E''krit bezeichnet. Auch auf die Flüssigkeit wirkt eine elektrische Kraft, da diese aufgrund der Neutralitätsbedingung geladen ist. Zusätzlich zur angelegten hydraulischen Druckdifferenz wirkt also der elektroosmotische Druck ''P''e.

Die Erweiterung der Grundgleichung der kuchenbildenden Filtration des [[Darcy-Gesetz]] mit den elektrokinetischen Effekten durch Integration unter der Voraussetzung konstanter Werte des elektroosmotischen Druckes ''P''e, der kritischen Feldstärke ''E''krit und der wirksamen Feldstärke E erhält man:

:<math>\frac{t}{V_{L}} = \frac{\eta\cdot\alpha_\text{c}\cdot c\cdot\frac{\left(E_\text{krit}-E\right)}{E_\text{krit}}}{2\cdot\left(\Delta P_H+P_e\right)\cdot A^2}\cdot V_L</math>

In dieser Gleichung ist αc massenspezifischer Kuchenwiderstand, ''c'' Konzentration, ''A'' Filtrationsfläche, ''V''L Filtratvolumen, Δ''PH'' hydraulischer Druck.

Bisherige Arbeiten im Bereich Bioverfahrenstechnik am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik an der Universität Karlsruhe haben gezeigt, dass die Elektrofiltration für die [[Konzentration (Chemie)|Konzentration]] geladener Biopolymere funktioniert. Sehr gute Ergebnisse wurden bereits bei der Aufreinigung des geladenen [[Polysaccharide]]s [[Xanthan]] erzielt.<ref>{{Literatur | Autor=Ralph Hofmann, Clemens Posten | Titel=Improvement of dead-end filtration of biopolymers with pressure electrofiltration | Sammelwerk=Chemical Engineering Science |ISSN = 0009-2509 | Band=Bd. 58 | Nummer= 1| Jahr=2003 | Seiten=3847–3858 | DOI=10.1016/S0009-2509(03)00271-9}}</ref> In Abbildung 2 ist ein Filterkuchen von Xanthan gezeigt.

== Literatur ==
* Eugène Vorobiev, Nikolai Lebovka (Hrsg.): ''Electrotechnologies for Extraction from Food Plants and Biomaterials'' (= ''Food Engineering Series''). Springer, New York NY 2008, ISBN 978-0-387-79373-3.

== Einzelnachweise ==
<references/>

[[Kategorie:Elektrophorese]]
[[Kategorie:Filtrationsverfahren]]
[[Kategorie:Membrantechnik]]

Elektrofiltration - Versionsgeschichte

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