Die Prozesse Mikro- und Ultrafiltration überschneiden sich deutlich in ihren Einsatzgebieten und werden in der Literatur häufig in einem Atemzug genannt. Mikro- und Ultrafiltration gehören zur Gruppe druckgetriebener Membranprozesse. Bezogen auf den Trennbereich, d. h. das Größenspektrum abzutrennender Partikel, schließen sie die Lücke zwischen Umkehrosmose bzw. Nanofiltration und der klassischen Partikelfiltration. Für die Ultrafiltration liegt der Trennbereich bei einer Teilchengröße von etwa 0,01 bis 0,1µm, bei der Mikrofiltration bei einer Teilchengröße von etwa 0,1 bis 10µm. Der Arbeitsbereich ist üblicherweise zwischen 0,1 und 2 bar transmembraner Druckdifferenz einzuordnen. Für die Ultrafiltration gilt in etwa der Bereich zwischen 0,1 und 5 bar /1,3/. In diesen Trenn-Bereichen ist durch den einsatz einer Ultrafiltration, dass Abscheiden von Viren und Bakterien gewährleistet.
Betriebsarten der Mikro- und Ultrafiltration
Grundsätzlich unterscheidet man bei der Mikro- und Ultrafiltration zwischen statischem Dead-End-Betrieb und dynamischem Cross-Flow-Betrieb. Im ersten Fall wird die Membran orthogonal durchströmt, wodurch auf der Oberfläche ein zeitlich anwachsender Filterkuchen entsteht. Der Filtrationswiderstand, der durch diese Deckschicht entsteht, nimmt stark zu und bringt so den transmembranen Fluss nach bestimmter Zeit irreversibel zum Erliegen. Zur Erzielung eines wirtschaftlichen Betriebs, muss die Membran deshalb in regelmäßigen Abständen rückgespült, gereinigt oder ersetzt werden. Großtechnisch spielt das Dead-End-Verfahren hauptsächlich bei der Mikrofiltration eine Rolle.
Im Cross-Flow-Betrieb wird die Membran tangential überströmt (Querstromfiltration), um den Leistungsabfall durch Deckschichtbildung zu reduzieren. Dadurch wird die Grenzschicht an der Oberfläche klein gehalten und in Verbindung damit die Deckschichtdicke durch Scher- und Auftriebskräfte reduziert. Ist ein Abtrag durch hohe Überströmungsgeschwindigkeiten möglich, spricht man von einer reversiblen Deckschichtbildung. Über die Länge der Membran findet auch bei einem Dead-End-Betrieb ein Cross-Flow-Verhalten statt. Durch die an der Membranoberfläche und in der Membranmatrix zurückgehaltenen Partikel verändern sich die Trenneigenschaften der ursprünglichen Membran, so dass sich erst mit der Zeit ein stationärer Flux (Flux=l/m²*h) einstellt. Die Höhe des Fluxes ist zudem abhängig von der Temperatur, der Höhe der Überströmung und von der Feedkonzentration.
Die bei der Dead-End-Filtration angesprochene Rückspülung ist eine oft angewandte Methode zum intervallmäßigen Deckschichtabtrag in der Mikro- und Ultrafiltration. Für ein kurzes Zeitintervall wird durch eine permeatseitige Druckerhöhung eine Flussumkehr durch die Membran erzwungen, die ein Abplatzen der Deckschicht bewirkt. Im Anschluss werden in einigen Systemen durch eine zweiphasige Überströmung mit Luft und Wasser (Luft-Wasser-Spülung) hohe Wandschubspannungen auf die Membran gebracht, um den Deckschichtabtrag zu unterstützen. Durch eine kurze Cross-Flow-Spülung am Ende der Luft-Wasser-Spülung werden die abgelösten Stoffe aus dem Modul ausgetragen. Die Membran ist nun wieder deckschichtfrei und ein erneutes Filtrationsintervall kann beginnen. Da die Membranen in der Regel nicht über lange Zeit vollständig freigespült werden können, ist neben der Permeatrückspülung von Zeit zu Zeit eine chemische Reinigung der Membranen erforderlich. In der häuslichen Trinkwasseraufbereitung gibt es diese Rückspülungen und Reinigungen nicht, hier kommt es zu einem Austausch des Filterelementes.
Membranen der Mikro- und Ultrafiltration
Bei den Membranen, die für die Mikro- und Ultrafiltration eingesetzt werden, handelt es sich ausschließlich um Porenmembranen, die gelöste Makromoleküle durch einen Siebeffekt am Durchtritt hindern. Bei der Charakterisierung von MF-Membranen spielt die statistische Verteilung der Porengröße eine große Rolle. Die Angabe des nominalen Porendurchmessers dN bezieht sich dabei auf die Größe, die in der Porengrößenverteilung ein Maximum aufweist. Häufig verwendete Werkstoffe für Mikrofiltrationsmembranen sind Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyamid (PA), Polysulfon (PSU) und Polyvinylidenflourid (PVDF). Für die Mikro- als auch für die Ultrafiltration werden seit einigen Jahren aber auch keramische Materialien, Glas, Aluminium und faserverstärkte Kohlenstoffe verwendet.
Die Abtrenneigenschaften einer UF-Membran werden durch das Molekulargewicht der zurückgehaltenen Komponenten charakterisiert. Die Trenngrenze wird auch als Molecular Weight Cut Off (MWCO) bezeichnet und in der Einheit kg/kmol bzw. Dalton angegeben. Der MWCO sagt aus, dass 90 bzw. 95% eines bestimmten Moleküls zurückgehalten werden. Er ist damit kein absolutes Maß, sondern lediglich eine Orientierungshilfe bei der Membranauswahl für ein konkretes Trennproblem.