Schnelle MRI zur Charakterisierung von Filtrationsprozessen

Die Anwendbarkeit von schnellen Magnetic Resonance Imaging (MRI) Methoden zur Untersuchung von Separationsprozessen in Form von Ultrafiltrationen steht im Fokus dieser Dissertation. Hohlfasermembranen werden häufig für Ultrafiltrationen verwendet, wobei Ablagerungen mit zunehmender Filtrationszeit zu einer Effizienzminderung führen. Da Hohlfasermembranen in der Regel von innen nach außen filtriert werden, ist eine Beobachtung der Foulingvorgänge mittels gängiger, meist optischer Methoden nur schwer realisierbar. Durch MRI können die mikroskopischen zu Ablagerungen führenden Mechanismen im Detail charakterisiert werden, was zu einem besseren Verständnis des Filtrationsprozesses beiträgt. ... mehrDa Filtrationsprozesse zeitabhängig sind, werden schnelle MRI-Messungen benötigt, um detaillierte Einblicke adäquat zeitaufgelöst bei hinreichend guter Bildqualität zu erlangen. Deshalb wurden zunächst Compressed Sensing (CS) MRI-Methoden realisiert und die Optimierung der MRI-Parameter durchgeführt. Die „sparseMRI“ lieferte eine gute Bildqualität bei ausreichend kurzen Messzeiten und gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis und wurde daher zur Untersuchung von Filtrationen verwendet. Dabei wurden sowohl Intensitätsmessungen zur Erfassung der Strukturen als auch MRI-Geschwindigkeitsmessungen zur Charakterisierung von Strömungsfeldern durchgeführt. Als Modellsubstanz für extrazelluläre polymere Substanzen wurde eine wässrige Natriumalginatlösung verwendet, um das Foulingverhalten in keramischen Hohlfasermembranen zu untersuchen. Abhängig von der Konzentration zweiwertig positiver Ionen wie Ca2+ ändern sich die Eigenschaften des in Wasser gelösten Polysaccharids. Das Filtrationsverhalten verändert sich von der Konzentrationspolarisation bei cCa2+ = 0 zu einer Gelschichtbildung bei cCa2+ > 0. Die Ablagerungen im Inneren des Membranlumens wurden mit einer CS-RARE-Pulssequenz gemessen, die Foulingmechanismen mit Modellen der Konzentrationspolarisation und der Gelschichtbildung beschrieben. Die Filtration unter Gelschichtbildung zeigte eine geringere Längenabhängigkeit entlang der Membran im Vergleich zur Filtration von wässrigen Natriumalginatlösungen ohne Ca2+, die durch lose, reversibele Konzentrationspolarisation zu beschreiben sind.
Auch in polymere Multikanalmembranen bilden sich Ablagerungen und dadurch bestimmte Geschwindigkeitsverteilungen, die mittels schneller MRI zu messen sind. Es zeigte sich eine nahezu gleichmäßige Verteilung der Ablagerungen in den einzelnen Kanälen von Multikanalmembranen. Auch die Geschwindigkeitsverteilung zeigte nur eine geringe Abweichung zwischen den Kanälen, wobei der innere Kanal etwas schneller durchströmt wurde als die außenliegenden. Rückspülversuche zeigten, dass die Kanäle gleichmäßig gereinigt wurden und auch der innere Kanal von Ablagerungen befreit wurde. Zusätzlich zu Filtrationsvorgängen mit der Modelllösung des Natriumalginats wurde Biofouling über eine Feedlösung einer tryptischen Sojabrühe induziert. Nach einer gewissen Zeit bildet sich durch die umgebenden Mikroorganismen Biomasse, die sich als weiße Flocken in der Feedlösung zeigte. Das Biofouling in den Multikanalmembranen konnte ebenfalls mittels CS-MRI beobachtet werden. Auch die Verteilung der Biomasse innerhalb der Kanäle wurde analysiert. Die Biomasseablagerungen zeigten ein reversibles Verhalten nach dem Stoppen des Filtrationsprozesses und der Entspannung des Filtrationsdruckes.
Zusammenfassend eignen sich CS-MRI-Methoden hervorragend, um Ultrafiltrationsprozesse mit einer hohen zeitlichen und örtlichen Auflösung zu messen und qualitativ und quantitativ zu analysieren. Filtrationsmechanismen und Foulingverhalten wurden mikroskopisch untersucht und mit makroskopischen Filtrationsparametern verglichen. CS-MRI ist eine vielversprechende Methode, die sich auch zur Beantwortung vieler anderer verfahrenstechnischer Fragestellungen bei z. B. Sedimentations- und Mischvorgängen anwenden lässt und eine detailliertere orts- und zeitaufgelöste Charakterisierung dieser Prozesse ermöglicht.

The applicability of fast Magnetic Resonance Imaging (MRI) to study separation processes in form of ultrafiltration is the focus of this dissertation. Hollow fiber membranes are often used for ultrafiltration, whereby deposits lead to a reduction in efficiency with increasing filtration time. Since hollow fiber membranes are usually filtrated from the inside to the outside, it is difficult to observe fouling processes by common, mostly optical methods. MRI allows the microscopic mechanisms leading to fouling to be characterized in detail, which contributes to a better understanding of the filtration processes. ... mehrSince filtration is time-dependent, fast MRI is required to gain detailed insight with adequate time resolution while retaining an adequate image quality. Therefore, Compressed Sensing (CS) MRI was implemented and the optimization of MRI parameters was performed. "SparseMRI" provided good image quality with sufficiently short measurement times and a good signal-to-noise ratio and was therefore used for the investigation of filtration processes. Both, intensity imaging for the detection of structures and MRI velocity measurements of flow fields were performed. As a model substance for extracellular polymeric substances, an aqueous sodium alginate solution was used to study fouling behavior in ceramic and polymeric hollow fiber membranes. Depending on the concentration of divalent positive ions like Ca2+ the properties of the polysaccharide solutions change. The filtration behavior accordingly changes from concentration polarization at cCa2+ = 0 to gel layer formation at cCa2+ > 0. The deposits in the membrane lumen were measured with a CS-RARE pulse sequence, the fouling mechanisms were described with the models of concentration polarization and gel layer formation. The filtration under gel layer formation showed a lower length dependence along the membrane compared to the filtration of aqueous sodium alginate solutions without Ca2+, where loose, reversible concentration polarization was observed.
Polymeric multichannel membranes were investigated with respect to deposits and velocity distributions by fast MRI. An almost uniform distribution of deposits in the individual channels of the multichannel membrane was found. The velocity distribution also showed only a small deviation between the channels, with the velocities in the inner channel being slightly larger than in the outer channels. Backwash experiments showed that the channels were cleaned evenly, and the inner channel was also effectively cleaned from deposits. In addition to filtration processes with the model solution of sodium alginate, biofouling was induced via a feed solution of a tryptic soy broth. After a certain time, the microorganisms of the lab’s environment formed biomass, which showed up as white flocks in the feed solution. Biofouling in the multichannel membranes was observed by CS-MRI. The distribution of the biomass within the channels was also analyzed. The deposits showed a reversible behavior after stopping the filtration process and relaxing the filtration pressure.
In summary, CS-MRI is well suited to measure and to provide the basis for qualitative and quantitative analysis of ultrafiltration processes with a high temporal and spatial resolution. Filtration mechanisms and fouling behavior were investigated microscopically and compared with macroscopic filtration parameters. CS-MRI can also be applied to answer many other process engineering questions, such as in sedimentation or mixing processes, and allows a more detailed spatially and temporally resolved characterization of these processes.