Funktionsweise druckgetriebener cross-flow Membranverfahren:

Definition einer Membran: diese kann im weitesten Sinne als Zwischenphase aufgefasst werden, die zwei Phasen voneinander trennt und dem Transport verschiedener chemischer Komponenten unterschiedlichen Widerstand entgegensetzt.

Eigenschaften einer technischen Filtrationsmembran: eine Trenschicht, die grössere Moleküle oder Partikel zurückhält und kleinere Moleküle und Lösungsmittel durchlässt.

Produkt: das gewünschte Produkt kann das Konzentrat sein (Aufkonzentrierung eines Wertstoffes) oder das Permeat (Entfernung von grössermolekularen Verunreinigungen)

Querstromfiltration (cross-flow Filtration, Tangentialflussfiltration, TFF): im Gegensatz zur klassischen Filtration (Kuchenfiltration, dead-end Filtration), wird die Membran auf der Druckseite stark überströmt.

Durch die Überströmung (daher der Begriff Querstromfiltration) wird versucht die Grenzschicht dünn zu halten und eine Deckschicht zu vermeiden. Trotzdem ist die Konzentration der zurückgehaltenen Komponente an der Membranoberfläche immer etwas höher als im Feedstrom. Die Konzentration an gelösten Komponenten an der Membran stellt sich so ein, dass der konvektive Hintransport an die Membran (aufgrund des Permeatflusses) gleich gross wird wie der diffusive Rücktransport. Man vergleiche die Grössenordnungen von Überströmung und Permeatgeschwindigkeit. Auch die beste Membran wird durch die realisierbare Überströmung in Ihrer Permeatleistung begrenzt.

Grundprozess: Die am häufigsten verwendeten Membranverfahren sind Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (UO). Dies sind alles druckgetriebene Verfahren. Dieser reicht von typisch 1 bar für Mikrofiltration bis 40 bar und mehr für Umkehrosmose.

Batch oder Konti:

Am häufigsten eingesetzt wird der Batchprozess. Das folgende Schema zeigt das Grundprinzip einer einfachen Batchanlage bestehend aus Feedbehälter, Pumpe, Membranmodul, Druckhalteventil und Wärmetauscher.

Eine Feedlösung oder Suspension überströmt eine Membran unter Druck (cross-flow Filtration, Querstromfiltration, Tangentialflussfiltration, TFF). Der Druck wird durch das Druckhalteventil eingestellt. Entstehende Wärme wird durch einen Wärmetauscher abgeführt. Die Behälter sind drucklos. Die Membran wird so gewählt, dass sie die gewünschten Komponenten selektiv zurückhält. Das Produkt kann je nach Anwendung das Konzentrat oder Permeat sein. Mögliche Betriebsweisen der Anlage sind Aufkonzentrierung und Diafiltration (Waschung). Bei der Aufkonzentrierung wird Permeat entfernt sodass das Volumen im Feedbehälter abnimmt und die Konzentration der zurückgehaltenen Komponente steigt. Bei der Diafiltration wird im gleichen Masse wie Permeat entsteht, frische Waschlösung in den Feedbehälter gegeben, dadurch bleibt die Konzentration der zurückgehaltenen Komponente gleich während kleinere Moleküle ausgewaschen werden. Näheres dazu auch unter Berechnung Membranverfahren.

Vorteile des Batchprozess:
Flexibel bei unterschiedlichen Produkteigenschaften, Produktwechsel, Durchsatz, Aufkonzentriefaktor oder Betriebsweise (Diafiltration / Aufkonzentrierung)
Auch mit einfacher Anlage integral die tiefste durchschnittliche Feedkonzentration, damit die kleinsten Produktverluste
Geringe Investitionskosten

Nachteile:
Höherer Energieverbrauch (nur bei sehr grossen Anlagen relevant)
Zusätzlicher Puffertank nötig

Kontianlage: hier gibt es eine druckerzeugende Feedpumpe, die so klein im Durchsatz ist, dass nach Abfluss des Permeatstroms das verbleibende Retentat=Konzentrat direkt den gewünschten Aufkonzentrierfaktor hat. Es gibt meist mehrere Membranloops mit je einer Zirkulationspumpe, die beim Betriebsdruck der Anlage nur einen geringen Differenzdruck zur Überströmung der Membran haben muss. Was beim Batchprozess über den Verlauf der Zeit erreicht wird, muss im Kontiprozess im Verlauf des Orts (von Eintritt zu Austritt der Anlage) erreicht werden. Um den günstigen Konzentrationsverlauf einer Batchanlage zu erreichen, müssen in einer Kontianlage sehr viele Membranloops mit je einer eigenen Umwälzpumpe eingebaut werden. Berechnungen auch zur Kontianlage siehe Berechnung Membranverfahren. Die Kontianlage ist durch die vielen Zirkualtionspumpen und Loops teurer in der Investition und sie ist sehr unflexibel in der Anwendung. Typisch wird sie für Grossanlagen und mit feststehender Anwendung gebaut (z.B. Meerwasserentsalzung) oder wenn sie in einen weiteren Kontiprozess integriert werden muss.