Technologietrends beim Einsatz von Membranfiltration

In die Forschung und Entwicklung der Membranfiltrationstechnologie werden erhebliche Ressourcen investiert. Es bleibt jedoch unklar, wie eng die Forschungsziele mit der Lösung der Branchenbedürfnisse übereinstimmen. Sepideh Jankhah, Ph.D., P.Eng. untersucht die Geschichte, Entwicklung und F&E-Trends in diesem Bereich.

Seit 2001 wird jedes Jahr ein erheblicher Betrag an Ressourcen für die Forschung und Entwicklung (F&E) der Membranfiltrationstechnologie bereitgestellt. Es bleibt jedoch unklar, wie eng die Forschungsziele mit der Lösung der Branchenbedürfnisse übereinstimmen. Dieser Artikel untersucht die Geschichte und Entwicklung der Anwendungen der Membranfiltrationstechnologie und untersucht F&E-Trends in diesem Bereich auf der Grundlage von Peer-Review-Literatur. Interessanterweise scheinen sich Forschungs- und Industriebedürfnisse in ähnlichem Tempo anzugleichen, wobei die führende Partei je nach Anwendungsbereich unterschiedlich ausfällt.

Geschichte der Membranfiltration

Die Membranfiltrationstechnologie wird in zahlreichen Branchen eingesetzt: Wasser- und Abwasseraufbereitung, Lebensmittel- und Getränkeprozesse, pharmazeutische und medizinische Anwendungen, chemische Verarbeitung und andere industrielle Trenn- oder Reinigungsanwendungen. Die Geschichte der Membrantrennung reicht bis ins frühe 18. Jahrhundert zurück, als das Wort Osmose erstmals verwendet wurde, um die Permeation von Wasser durch ein Diaphragma zu beschreiben.

Die Filtrationstechnologie hat sich von der Osmose zur Elektrodialyse, Gasfiltration und Membrandestillation weiterentwickelt und zur Erfindung und Verbesserung unzähliger Industrieprodukte, Prozesse und Anwendungen beigetragen. Membranfiltration wird heute häufig verwendet, um Fruchtsäfte zu konzentrieren, Verunreinigungen aus Wasser und Abwasser zu entfernen und Zellen für die Antibiotikaproduktion zu ernten.

Die Membranfiltrationstechnologie bietet gegenüber herkömmlichen Trenntechnologien mehrere Vorteile (z. B. Koagulation und Sedimentation, Sandfiltration, Flotation mit gelöster Luft usw.). Zu diesen Vorteilen gehören eine verbesserte Produktqualität, eine erhöhte Trennkapazität, ein geringerer Risikofaktor, ein geringerer Platzbedarf und ein allgemein geringerer Chemikalienverbrauch.

Es wird erwartet, dass die weltweite Nachfrage nach Membranen jährlich um 8,5 % wächst und 2019 26,3 Milliarden US-Dollar erreicht.2 Allein der US-Markt wird voraussichtlich jährlich um 7,9 % wachsen und 2018 6,2 Milliarden US-Dollar erreichen. Das Wachstum könnte sich aufgrund der globalen Wasserknappheit und immer strengerer Richtlinien für Membranen verstärken Qualität von Trinkwasser und Abwasser, ein Rückgang der Kosten für Membranproduktion und -betrieb sowie jüngste Fortschritte in der Membrantechnologie.

Wichtige Membrananwendungen

Mehr als 50 % des industriellen Membranverbrauchs entfallen auf die Wasser- und Abwasseraufbereitung, gefolgt von Lebensmittel- und Getränkeprozessen (21 %) sowie pharmazeutischen und medizinischen Anwendungen (9 %). Es wird erwartet, dass pharmazeutische und medizinische Anwendungen in den nächsten fünf Jahren die am schnellsten wachsenden Märkte sein werden. Dieser Trend wird durch steigende Reinheitsstandards und zunehmende medizinische Anwendungen dieser Technologie vorangetrieben. Bei der Wasseraufbereitung (einschließlich Entsalzung) sowie der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung wird ein stetiges Wachstum erwartet.3

F&E-Datentrends wurden aus der Anzahl der zwischen 2001 und 2016 veröffentlichten peer-reviewten Zeitschriftenartikel abgeleitet und nach primärem Anwendungsbereich sortiert, wie aus der Engineering Village-Datenbank ermittelt. Die im letzten Jahrzehnt beobachteten Trends in der Forschungsanwendung stimmen eng mit industriellen Anwendungen überein. Die Forschung und Entwicklung im Bereich Wasser und Abwasser macht 40 % aus, gefolgt von der Lebensmittel- und Getränkeindustrie mit 34 %.

Für die Industrie wurde der Schwerpunkt auf die Entwicklung von Gastrennverfahren und Entsalzung gelegt. Inzwischen konzentriert sich Forschung und Entwicklung darauf, die Grenzen der Technologie zu verschieben. Zusätzliche Ressourcen wurden für die Durchführung von Forschungsarbeiten zu Themen wie Membrandestillation, Vorwärtsosmose, Pervaporation, Elektrodialyse, Graphenoxide und biomimetische Membranen für Wasser und Abwasser bereitgestellt.

Der Einsatz dieser Technologien konzentrierte sich auf die Entwicklung neuer Membranprodukte oder -prozesse sowie auf die Optimierung bestehender Membranprodukte und -prozesse im Hinblick auf Leistung und damit verbundene Betriebs-/Kapitalkosten. Es gibt einige Fortschritte in der industriellen Pipeline, aber die meisten befinden sich noch im Anfangsstadium der Entwicklung und erfordern zusätzliche Forschung, bevor sie sich auf dem Markt durchsetzen können.

Membranklassifizierungen

Membranen werden basierend auf der Trennkapazität in vier Kategorien eingeteilt: Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und Umkehr-/Vorwärtsosmose (RO/FO). MF-Membranen weisen die größte Porengrößenverteilung (im Mikrometerbereich) auf, gefolgt von UF-Membranen im Submikronbereich bis hin zur theoretischen Porengröße von 0,001 Mikrometern von NF und schließlich den nichtporösen RO- und FO-Membranen.

Derzeit machen MF-Membranen den größten Teil der Nachfrage in der Branche aus (44 %). RO/FO (28 %) und UF (25 %) haben ähnliche Marktanteile, so dass NF-Membranen nur einen kleinen Anteil haben. Bis 2019 wird die Marktgröße für RO-Systeme voraussichtlich 8,8 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 10,5 %. Es wird erwartet, dass dieses Wachstum hauptsächlich durch kommunale Wasserentsalzungsanwendungen sowie durch Prozesswasseraufbereitung und -wiederverwendung vorangetrieben wird.7

Bei der Membranklassifizierung sind ähnliche Trends zwischen Forschung und Industrie zu beobachten. Dies wiederholt die Ähnlichkeit, die zwischen diesen beiden Sektoren in Bezug auf die Anwendung beobachtet wurde. Die Prävalenz der RO-Forschung im Vergleich zur MF-Forschung spiegelt jedoch nicht den etwas größeren Branchenanteil für MF-Membranen wider.

Diese Diskrepanz kann auf die große Menge an akademischer Arbeit zurückzuführen sein, die sich auf die Niedrigenergie-RO und die Modifikation von Membranoberflächen konzentriert. Der zunehmende Bedarf an Entsalzung, Wasserwiederverwendung, Entfernung neu auftretender Verunreinigungen und hochreinen Ausgangsströmen trägt zur Dringlichkeit einer erweiterten Forschung in RO- und FO-Bereichen bei.

Mittlerweile sind MF und UF die ausgereiftesten Technologien in der Filtrationsindustrie und weisen im Vergleich zu anderen Membrantypen relativ niedrige Preise auf. MF und UF werden häufig als Primärfiltrationsmethode oder als Vorbehandlungsschritt für Membranen mit feineren Poren eingesetzt.

Zukunfts-Technologie

Unsere Forschung zeigt, dass die Forschungsziele (dargestellt durch die Anzahl der veröffentlichten Peer-Review-Literatur) im letzten Jahrzehnt genau den Anforderungen der Industrie gefolgt sind. Die Industrie hat von den durch Forschungsinitiativen erzielten Entwicklungen profitiert, und die beobachtete positive Korrelation zwischen der Industrie und den Forschungs- und Entwicklungszielen wird voraussichtlich anhalten, wenn wir vor neuen Herausforderungen stehen. Diese Symbiose soll zu effizienteren Prozessen und neuen Produkten oder Anwendungen führen, die die Mängel aktueller Branchenlösungen beheben.

Die Analyse dieser Studie war aufgrund der Unsicherheit über die Forschungsinformationen aus der Industrie eingeschränkt und kann aufgrund der Zeitlücke zwischen der durchgeführten Forschung und der von Institutionen veröffentlichten peer-reviewten Literatur verzerrt sein.

Die Synergie zwischen Technologieentwicklung und Branchenakzeptanz ist ein interessanter Weg für weitere Forschung. Das Verständnis dieser Synergie würde es uns ermöglichen, besser vorherzusagen, wann oder ob sich die Entwicklung von Technologien auf der Grundlage von Membranoberflächenmodifikationen, technischer Osmose, Graphenoxiden und biomimetischen Membranen auf dem Markt durchsetzen wird.