Synthetic membrane processes are being increasingly integrated into existing reaction, isolation, and recovery schemes for the production of valuable biological molecules. In many cases they are replacing traditional unit processes. The properties of membrane systems which are most often exploited for both upstream and downstream processing and their permselectivity, high surface area per unit volume, are their potential for controlling the level of contact and/or mixing between two separate phases. Advances in both membrane materials and module design and operation have led to better control of concentration polarization and membrane fouling. After presenting some recent advances in membrane materials and fluid mechanics, we demonstrate how membranes have been integrated into cellular and enzymatic reaction schemes. This is followed by a review of established and emerging synergism between biological processes and synthetic membranes.
Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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1992.10a
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pp.15-33
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1992
Synthetic membrane processes are being increasingly integrated into existing reaction, isolation, and recovery schemes for the production of valuable biological molecules. In many cases they are replacing traditional unit processes. The properties of membrane systems which are most often exploited for both upstream and downstream processing are their permselectivity, high surface area per unit volume, and their potential for controlling the level of contact and/or mixing between two separate phases. Advances in both membrane materials and module design and operation have led to better control of concentration polarization and membrane fouling. After presenting some recent advances in membrane materials and fluid mechanics, we demonstrate how membranes have been integrated into cellular and enzymatic reaction schemes. This is followed by a review of established and emerging membrane separation processes. Several examples are used to emphasize the synergism between biological processes and synthetic membranes.
By checking the variations of the raw water quality and MLSS, the effects of the membrane materials on permeable flux and quality of the treated water were investigated in this study. Due to the stability for high variations of MLSS, tubular type membranes were selected. Polysulfone group membranes and polyamide group membranes were tested. The crossflow operation mode was adapted, because membrane fouling problems could be easily controlled by adjusting the linear velocity. Due to the high concentration of the raw water, polyamide group membranes were originally expected to achieve two times higher permeable fluxes. However, difference was only approximately $20l/m^2{\cdot}h$ at $3kgf/cm^2$. It might be resulted from the high concentration of organic materials in the effluent of the RBC process. For the quality of the treated water, polyamide group membranes were slightly less effective. It might be resulted from the fact that polysulfone group membranes had more adsorptive capacities for the organic materials. The effects of temperature on the permeable flux were found to be significant. Despite of the irregular injection of raw water, the quality of the treated water was kept stable.
Papermaking tobacco sheet is an important reclaimed process for cigarette making. Traditionally, the pressure driven membrane was often used to isolate the effective compounds from the tobacco sheet extract. However, this method is difficult to remove small ionic compounds. Besides, membrane fouling is a major problem for effective use of these pressure driven membrane technologies. In this study, the electrodialysis process is used to removal the chloride ions and nitrate ions, thus the smoking quality of papermaking tobacco sheet extract can get improved. Three types of electrolytes ($Na_2SO_4$, NaCl and HCl) are chosen to prevent the generation of precipitation. The results indicate that 0.1mol/L HCl at current density of $30mA/cm^2$ is the optimal condition for the electrodialysis process. The removal rates of the Cland $NO{_3}^-$ in tobacco sheet extract are 97% and 98.4%, respectively. The electrodialysis process cost was estimated to be 0.11$/L. Naturally, electrodialysis is not only technological feasible, environmental-friendly and economical-attractive for tobacco extract treatment.
Nano materials having large surface area, uniform dimensions or pores can be utilized in various membrane applications. Recently, many studies have been focused on the application of nano materials and nano technologies in membrane applications by the help of the discovery and development of nano technologies. in terms of mass transport channels or functional modification. However, there have been several technological limitations for commercialization. Nano materials and nano technologies can improve 1) permeability, selectivity, 2) mechanical, chemical, thermal stability or fouling tolerance of conventional membranes and even 3) introduce new functionalities such as specific affinity and reactivity.
To improve the antifouling characteristics of polypropylene hollow fiber microporous membranes in a submerged membrane-bioreactor for wastewater treatment, the surface-modification was conducted by Ar plasma treatment. Surface hydrophilicity was assessed by water contact angle measurements. The advancing and receding water contact angles reduced after the surface modification, and hysteresis between the advancing and receding water contact angles was enlarged after Ar plasma treatment due to the increased surface roughness after surface plasma treatment. After continuous operation in a submerged membrane-bioreactor for about 55 h, the flux recovery after water cleaning and the flux ratio after fouling were improved by 20.0 and 143.0%, while the reduction of flux was reduced by 28.6% for the surface modified membrane after 1 min Ar plasma treatment, compared to those of the unmodified membrane. Morphological observations showed that the mean membrane pore size after Ar plasma treatment reduced as a result of the deposition of the etched species; after it was used in the submerged membrane-bioreactor, the further decline of the mean membrane pore size was caused by the deposition of foulants. X-ray photoelectron spectroscopy and infrared spectroscopy confirmed that proteins and polysaccharide-like substances were the main foulants in the precipitate.
Treatment of a dyeing wastewater was carried out using polyamide RO-membranes. Before applying the wastewater to the membrane process, it was pretreated with various chemical coagulants such as alum, ferric chloride and HOC-100A. In order to see the effect of the pretreatment on the membrane separation process, the optimum conditions for the coagulation and sedimentation process were sought. As a result, by the pretreatment, for all the coagulants used, the chemical oxygen demand (COD) and UV-absorbance of the wastewater were lowered by more than 70%. The pretreated wastewater was then applied to the membrane process. The effect of the coagulants used for the pretreatment on the membrane fouling was studied. From this study, it was found that the HOC-100A was the best out of the coagulants used for the removal of the materials that could cause membrane fouling.
In order to decrease the high costs of membrane process, we have tried to develop two alternatives to membrane; a cartridge type filter and a metal membrane were tested for the high permeation flux with low cost and low energy. This research mainly focused on three points; 1) operation with high permeation flux by using of a cartridge type filter and a metal membrane, 2) removals of the filterable organic materials (FOC) by pretreatments for the membrane fouling control, and 3) advanced wastewater treatment by SMBR process with intermittent aeration and high MLSS. An Intermittently aerated membrane bioreactor using a submerged micro filter (cartridge type) was applied in laboratory scale for the advanced wastewater treatment. To minimize membrane fouling, intermittent aeration was applied inside of the filter with $3.0kg_f/cm^2$. The experiments was conducted for 6 months with three different HRTs (8, 10, 12 hr) and high MLSS of 6,000 and 10,000mg/L. The filtration process could be operated up to 50 days with permeation flux of 500LMH. Regardless of the operating conditions, more than 95% of COD, BOD and SS were removed. Fast and complete nitrification was accomplished, and denitrification was appeared to be the rate-limiting step. More than 75% T-N could be removed due to the endogenous denitrification. T-P removal efficiency was increased to 80% under the condition of MLSS 10,000mg/L.
Kim, Sunghong;Kim, Kyungmyun;Kim, Gwangil;Choe, Jaewan
Journal of Korean Society of Water and Wastewater
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v.30
no.2
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pp.139-145
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2016
Disinfection of microorganisms using UV light is widely used in the field of water supply and wastewater treatment plant, In spite of high germicidal effect and relatively clean by-product, UV disinfection has fundamental defeat that is accumulation of fouling materials at the interface of water and lamp sleeve. Non-contact type of UV photoreactor which can avoid this fouling generation was developed and the experimental performance evaluation of the system was carried out in this study. Log inactivation rate of E. coli was selected as a disinfection index. The concentration of E. coli of second clarifier effluent was $8.2{\times}10^1-8.2{\times}10^3$ colony per mL and was well inactivated by the non-contact type of UV photoreactor. Under the UV intensity condition of $2.1-2.5mW/cm^2$, E. coli removal rate was observed in the range of 54 - 95% when the HRT was increased from 10 to 52 seconds. Experimental results showed that log inactivation of E. coli was proportional to UV dosage and $200mJ/cm^2$ of UV dose is expected for the 2.0 log inactivation of E. coli from the second clarifier effluent. Between the two parameters of UV intensity and contact time which are consist of UV dose, UV intensity was 4 times more effective than contact time.
For hybrid water treatment of carbon fiber ultrafiltration and photocatalyst, we used the hybrid module that was composed of photocatalyst packing between tubular membrane outside and module inside. Photocatalyst was PP (polypropylene) bead coated with $TiO_2$ powder by CVD (chemical vapor deposition) process. Water back-flushing of 10 sec was performed per every period of 10 min to minimize membrane fouling for modified solution, which was prepared with humic acid and kaolin. Resistance of membrane fouling ($R_f$) decreased as humic acid concentration changed from 10 mg/L to 2 mg/L, and finally the highest total permeate volume ($V_T$) could be obtained at 2 mg/L, which was the same with the previous results. Then, treatment efficiencies of turbidity and humic acid were above 98.9% and 88.7%, respectively, those did not depend on the humic acid concentration. However, the treatment efficiency of humic acid increased a little as the humic acid concentration increased in the previous results.
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