Diafiltration

	A: Produkt im Permeat	B: Produkt im Retentat
Anwendung	Produktgewinnung	Produktreinigung
Diafiltration	Bis möglichst alles Produkt im Permeat ist.	Bis möglichst alle Verunreinigungen im Permeat sind.
Membran-Cutoff	Kleiner als das Zielmolekül	Grösser als das Zielmolekül

Kontinuierliche Diafiltration

In ihrer einfachsten Form ist die Diafiltration ein Prozess mit konstantem Zufuhrvolumen von Wasser oder Puffer.

Bild 0: Versuchsaufbau Laboranlage Diafiltration

Wasser oder Puffer wird ständig in den Behälter hinzugefügt, während gleichzeitig genau die gleiche Menge Flüssigkeit als Permeat entnommen wird. So bleibt das Volumen im Behälter immer gleich. Die kleinen Moleküle werden ausgewaschen, während die grossen Moleküle im Kreislauf bleiben, da sie von der Membran vollständig zurückgehalten werden (σ = 1).

Bild 0: Abreicherung niedermolekularer Komponenten, Verlauf grafisch dargestellt.

Die Konzentration der kleinen Moleküle im Retentat nimmt exponentiell mit dem Diafiltratvolumen ab: $$c_r=c_0\cdot e^{-(\frac{V_D}{V_0})\cdot (1-\sigma )}$$

c_r = Konzentration der kleinen Moleküle im Retentat
c₀ = Konzentration der kleinen Moleküle zur Beginn der Diafiltration
V_D = Gesamtmenge des zugegebenen Wasser für Diafiltration
V₀ = Produktvolumen zu Beginn der Diafiltration
σ = Rückhalt für kleine Moleküle

Im Modell haben wir angenommen:

c₀ = 100 g/L
V₀ = 10 L
A = 0.5 m²
J_V = 20 L · m^-2 · h^-1
σ = 0

Schemas

Mehrstufige Diafiltration, kontinuierlich

Bild 4: Kontinuerlicher Betrieb, Mehrstufige Diafiltration

In der mehrstufigen, kontinuierlichen Diafiltration wird dem Ausgangsfeed (Feed₀) kontinuierlich Wasser zugeführt, wodurch eine Verdünnung in einem bestimmten Verhältns erfolgt. Der verdünnte Strom wird der ersten Ultrafiltrationseinheit (UF1) zugeführt, in der mittels Ultrafiltration niedermolekulare Substanzen im Permeatstrom entfernt und die grösseren Moleküle zurückgehalten werden.

Das Retentat aus UF1 wird anschliessend erneut mit Wasser versetzt und der zweiten Ultrafiltrationseinheit (UF2) zugeführt. Dieser Prozessschritt wird je nach erforderlichem Trennziel in weiteren Stufen wiederholt. Durch diese sequentielle Verdünnung und Rückhaltung erreicht man eine sehr hohe Entfernung von niedermolekularen Verunreinigungen bei gleichzeitig hoher Produktausbeute.

Das Verfahren mit hintereinander geschalteten Stufen ist für den grosstechnischen Maßstab geeignet und wird insbesondere dort eingesetzt, wo eine kontinuierliche Betriebsführung gefordert sind.

Mehrstufige Diafiltration, kontinuierlich, Gegenstrom

Bild 5: Kontinuerlicher Betrieb, Mehrstufig, Gegenstrom (Permat 3)

Die mehrstufige, kontinuierliche Diafiltration ist – abhängig vom gewünschten Verdünnungsgrad – mit einem hohen Frischwasserverbrauch verbunden. Wird die Anlage im Gegenstrom-Modus konzipiert, lässt sich dieser Wasserbedarf reduzieren. Bei der Gegenstrom-Diafiltration wird das Permeat aus nachgeschalteten Stufen gezielt zurückgeführt, wodurch eine bessere Nutzung des eingesetzten Wassers erreicht wird.

Es existieren verschiedene Varianten und Schaltungsdesigns zur Umsetzung dieses Prinzips.

Diafiltration mit Wasser Recycling durch Umkehrosmose

Bild 6: Das Permeat aus der Ultrafiltration wird über eine Umkehrosmose geführt. Das Permeat aus der Umkehrosmose kann als Diafiltrationswasser wieder verwendet werden.

In grosstechnischen Anlagen, bei denen erhebliche Wassermengen benötigt werden, wird häufig eine Umkehrosmose (RO) oder Nanofiltration (NF) zugeschaltet, um einen Teil des Permeats aufzubereiten und in den Prozess zurückzuführen. Dadurch kann der Frischwasserverbrauch deutlich reduziert und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert werden.