Fallstudie:
Eine neuartige Ultrafiltrationsmembran zur Behandlung dunkler Fruchtsäfte
Die Herausforderung:
Ein brasilianisches Saftherstellerunternehmen verfolgt das Ziel, einen mikrobiologisch stabilen Saft herzustellen, der ohne Qualitätseinbußen gelagert, weiterverarbeitet oder direkt abgefüllt werden kann. Fruchtsäfte besitzen aufgrund ihres natürlichen Ursprungs eine komplexe Zusammensetzung, die stark von Erntezeitpunkt und Vorbehandlung abhängt. Die zentrale Herausforderung besteht darin, ein zuverlässiges und robustes Membranfiltrationssystem zu etablieren, das eine gleichbleibende Leistung bei planbaren Betriebsanforderungen und wirtschaftlicher Effizienz bietet.
Konventionelle Membranfiltrationssysteme stoßen bei der Verarbeitung dunkler Säfte (z. B. Traubensaft) oft auf zwei kritische Grenzen: entweder geht die charakteristische tiefrote Farbe des Saftes verloren, oder die Reinigungsleistung ist unzureichend aufgrund einer ungeeigneten Membranrezeptur. Jeder Fruchtsaft besitzt eine einzigartige Zusammensetzung – mit unterschiedlichen Anteilen an Fasern, Pektin, Stärke, Anthocyanen sowie anderen kolloidalen oder partikelförmigen Substanzen –, die das Verhalten bei der Querstrom-Filtration maßgeblich beeinflusst. Helle Säfte wie Apfelsaft zeigen daher ein völlig anderes Filtrationsverhalten als dunkle Säfte wie roter Traubensaft.
Für diese spezielle Anwendung ist die Auswahl des geeigneten Membranpolymers sowie der richtigen Molekulargewichtsgrenze (MWCO) entscheidend. Die Passage gesundheitsfördernder sekundärer Pflanzenstoffe wie Flavonoide und phenolische Verbindungen ist dabei zwingend erforderlich.
Bei der CUT Membrane Technology GmbH liegt der Fokus auf der Entwicklung und Herstellung von Membranlösungen, die exakt auf die spezifischen Anforderungen anspruchsvoller Saftfiltrationsprozesse abgestimmt sind. Die wichtigsten Leistungsmerkmale des Membransystems sind:
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Klare, stabile und partikelfreie Filtrate bei gleichzeitigem Durchlass sekundärer Pflanzenstoffe
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Hohe Reinigbarkeit der polymeren Membranschicht zur Wiederherstellung der Anfangsflussrate nach jedem Filtrationszyklus – unabhängig von der variierenden Rohsaftzusammensetzung
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Langfristige mechanische und chemische Stabilität der Membranmodule unter industriellen Produktionsbedingungen
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Reduzierung kolloidaler Verblockung durch Auswahl des optimalen Membran-Cut-offs zur idealen Balance zwischen Rückhaltung und Durchsatz
Die Lösung (Aufrüstung des vorhandenen Filtrationssystems)
Das installierte Filtrationssystem wurde mit T-CUT MF 500-125 PVDF 107-3685 Rohrmembranmodulen ausgestattet, die speziell für die Behandlung dunkler Säfte wie Traubensaft entwickelt wurden. Das System ist darauf ausgelegt, hohe Feststoffbelastungen und komplexe Saftzusammensetzungen zu verarbeiten, ohne die Filtratqualität oder die Membranintegrität zu beeinträchtigen. Die Konfiguration des Systems umfasst 3 x 10 Membranmodule in Serie, wobei der Betriebsdruck auf bis zu 6 bar Eingangsdruck ausgelegt ist.
Jedes Membranmodul bietet eine aktive Filterfläche von 5,2 m², was zu einer installierten Gesamtfilterfläche von 156 m² je System führt. Diese Konfiguration gewährleistet ausreichend Membranfläche für die Verarbeitung großer Chargen bei gleichzeitig optimaler Stellfläche.
Beim Produktionsstart lag die anfängliche Flussrate des Systems bei 61 hL/h. Im Verlauf des Batch-Filtrationsprozesses stabilisierte sich die Flussrate auf etwa 39 hL/h. Diese Werte entsprechen, spezifisch bezogen auf die Membran, Flussraten zwischen 39,1 LMH und 25,0 LMH. Diese herausragenden Flussraten bei der Filtration von sulfoniertem Traubensaft belegen die ausgezeichnete Eignung der Membran für diese Anwendung.
Zur Leistungsbewertung wurden repräsentative Proben sowohl vom Rohsaft als auch vom Permeat entnommen. Die Verarbeitungstemperaturen lagen zwischen 18 °C und 30 °C, während die anfängliche Trübung im Zulaufstrom 256 NTU betrug. Während der ersten zwei Stunden der Filtration stieg die Trübung auf einen Wert von 457 NTU. Die Trübung des Permeats blieb konstant niedrig bei 0,02 NTU – also nahe der Nachweisgrenze des Messgeräts. Der Zuckergehalt (°Brix) des Saftes variierte in Abhängigkeit von der Rebsorte und der jeweiligen Erntecharge, mit typischen Werten zwischen 12 und 18 °Brix.
Die Lösung (Membranspezifika)
Die CUT Membrane Technology GmbH verwendet eine PVDF-Membranformulierung, die auf eine röhrenförmige Membranstruktur mit einem Innendurchmesser von 12,5 mm (½ Zoll) aufgetragen wird. Die Membranen bestehen ausschließlich aus lebensmittelrechtlich zugelassenen Materialien und erfüllen somit vollständig die hygienischen und regulatorischen Anforderungen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie.
Die Membranelemente sind als Austauschkonzept konzipiert („Cartridge-Style“) und werden in robuste Edelstahlgehäuse installiert. Diese modulare Bauweise erleichtert nicht nur die Wartung und den Membrantausch, sondern entspricht auch der unternehmensweiten Nachhaltigkeits- und Abfallvermeidungsstrategie.
Nach mehreren Monaten Betrieb berichtet der Kunde weiterhin von einer konstant hervorragenden Leistung.
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