FLANDERS' FOOD RADAR

Membraan-diafiltratie aan vooravond van industriële doorbraak

Toepassingen van membranen in de (afval)waterbranche zijn er in overvloed. Membranen bewijzen hun nut steeds vaker ín de productieprocessen zelf. Efficiëntere reacties, een lager energieverbruik en minder afval - kortom een duurzamer productieproces - trekken meer en meer voedingsbedrijven over de streep om membranen te integreren in hun processen.

De zuivelindustrie: wieg van membraantechnologie in de procesindustrieTraditioneel spelen productkwaliteit en -veiligheid een essentiële rol in voedselproductie. Om membranen te gebruiken in de voedingsindustrie is een hygiënisch ontwerp van membranen, membraanmodules en installaties een must. Bovendien is een goede chemische resistentie van de membranen en membraanmodules aangewezen, om frequente reiniging met sterk zure en basische oplossingen te kunnen weerstaan. Ondanks deze beperkingen, was de voedingsindustrie één van de eerste industrieën die membraanfiltratie introduceerde in zijn commerciële productieprocessen. De eerste grootschalige inzet van membraansystemen gebeurde reeds in 1975. In 1996 was de voedingsindustrie wereldwijd alleen al goed voor zowat 350 000 m2 geinstalleerd membraanoppervlak. 75% van dit oppervlak werd gebruikt voor het verwerken van wei.

VITO en membraantechnologie

VITO, de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek, ondersteunt bedrijven bij het introduceren van membraantechnologie in hun processen. Membranen zijn niet onfeilbaar en dus niet voor elk scheidingsproces de beste keuze. Een kritische studie is dan ook zinvol vooraleer een bedrijf tot investeren overgaat. VITO ontwikkelt tevens ook nieuwe membranen om de mogelijkheden van membraantechnologie nog verder uit te breiden; de afgelopen jaren kregen zo al enkele technologietransfers hun beslag.

 

Verschillende drukgedreven membraanprocessen (Figuur 1) worden reeds ingezet in de voedingsindustrie. Zo resulteert de introductie van omgekeerde osmose (RO, reverse osmosis) membranen bij de opconcentratie van wei, als alternatief voor verdamping en sproeidrogen, in lagere energie- en proceskosten, én in verbeterde productkwaliteit. Dit is een rechtstreeks gevolg van de niet-thermische behandeling die ook resulteert in een verminderd denatureren van de proteïnen. De inzet van ultrafiltratie (UF) voor gelijktijdige lactose- en zoutverwijdering, of van nanofiltratie (NF) voor zuivere ontzouting, leidt bovendien tot nieuwe “specialty” producten, zoals o.a. wei-proteïneconcentraten of zoutloze maar lactosehoudende weipoeders.

Figuur 1: Overzicht van de verschillende drukgedreven membraanprocessen: MF = microfiltratie, UF = ultrafiltratie, NF = nanofiltratie, RO = omgekeerde osmose. Bron: VITO

Membraan-diafiltratie

Met gewone filtratie kan echter nooit een volledige afscheiding van twee componenten in een oplosmiddel bekomen worden. Met behulp van een specifieke procesvoering voor filtratie, met name diafiltratie, kan dit echter wel. Diafiltratie is een uitwasproces. Het membraan wordt zo gekozen dat de gewenste component wordt tegengehouden (liefst volledig), terwijl de ongewenste component doorheen het membraan permeëert samen met het oplosmiddel. Tijdens diafiltratie wordt de ongewenste component continu uitgewassen door steeds zuiver oplosmiddel aan de voedingstank toe te voegen (Figuur 2). Het proces is te vergelijken met een continu geroerde reactor (CSTR, continuously stirred tank reactor): hoe langer men uitwast, hoe groter de zuiverheid van de bekomen oplossing.

Diafiltratie wordt veelvuldig toegepast voor ontzouting of demineralisatie. Zo kent dit proces reeds enkele decennia succes, niet alleen in de zuivelindustrie maar ook in de suikerindustrie. Diafiltratie biedt echter ook de mogelijkheid tot fractionering. Daarom heeft dit proces ook heel wat opportuniteiten bij de productie van nutraceuticals uit melk of andere natuurlijke bronnen. Denk hierbij maar aan de zuivering en fractionering van aminozuren, biologisch actieve peptiden en oligosacchariden.


Figuur 2: processchema van membraan-diafiltratie. Bron: VITO

Nieuwe trend: diafiltratie bij solventverwijdering of solventuitwisseling

Nieuw én baanbrekend zijn de fijn-poreuze solventresistente polymere en keramische membranen. Deze jonge generatie van geavanceerde membranen is nu commercieel beschikbaar en maakt tal van toepassingen in solventen mogelijk, wat tot vóór enkele jaren nog ondenkbaar was (zie ook STW-artikel 2008/04/17). Eén van deze toepassingen is het gebruik van membraan-diafiltratie voor solventverwijdering of solventuitwisseling. In de voedingsindustrie kan dit interessant zijn voor de verwijdering van extractiesolventen, of voor het uitvoeren van solvent- of bufferwissels nodig voor verdere “downstream processing”. Membraan-diafiltratie kent een aantal voordelen t.o.v. de alternatieven als evaporatie en destillatie:

  • Kan uitgevoerd worden bij lage temperatuur, en is daarom uitermate geschikt voor thermisch labiele componenten, of voor componenten waarvan de smaak beïnvloed wordt door temperatuur
  • Een hoog-kokend solvent kan vervangen worden door een laag-kokend solvent
  • Solventverwijdering of –uitwisseling is mogelijk tot op elk gewenst niveau (omwille van soms sterke interacties tussen solvent en product is dit niet altijd het geval bij de alternatieve technologieën)

Case studie bij VITO: solventverwijdering bij de productie van een suiker-derivaat

In opdracht van een Belgische vestiging van een voedingsbedrijf testte VITO de mogelijkheden van diafiltratie uit om een suiker-derivaat uit een oplossing van N-methyl-pyrolidon af te scheiden. Standaardtechnologieën - zoals evaporatie en extractie - waren ontoereikend gebleken om de solventconcentratie in het product beneden de gewenste concentratie van 0.1 % te krijgen. Solventuitwisseling - N-methyl-pyrolidon wordt uitgewassen door water - doorheen keramische nanofiltratiemembranen bleek echter wel te lukken, zowel op laboschaal als in de pilootinstallatie. Het bleek bovendien mogelijk de reststroom bij dit proces te minimaliseren: het permeaat kan gebruikt worden bij de eerste stappen van het uitwassen. Intussen past het bedrijf dit procedé toe op industriële schaal.

Bronnen

  • Buekenhoudt A., Van Ginneken L. (2007) Potential for NF membrane diafiltration in downstream processing.
  • International Workshop on Downstream Processing (EFB-BSP 2007), Delft University, The Netherlands, 10-11/05/2007
  • Meer informatie over deze themathiek evenals een kopie van dit artikel kan bekomen worden bij:
  • Anita Buekenhoudt, anita.buekenhoudt@vito.be

Eerdere artikels

Solvent resistente nanofiltratie: opmerkelijke opportuniteiten in de voedingsindustrie

Nuttige link

Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO): Scheidings- en Conversietechnologie.

Nuttige links