Technical Manual

Fundamentals 

 

 

 

6 | 37 

 

Form-No: TM-WW002 //  Revision: A // Date: Oct. 10, 17 

 

 

3 

Fundamentals 

 

What is Ultrafiltration? 

3.1

Ultrafiltration  (UF)  is  a  membrane filtration  process  using  pressure  as  a  driving  force  to sepa-

rate  particulate  matter,  bacteria,  viruses  and  high  molecular  substances  from  a  liquid.    Water 

and low molecular weight solutes pass through the membrane. This separation process is wide-

ly used in water treatment, industry and research for purification and concentration of solutions.  

Ultrafiltration is not fundamentally different from microfiltration or nanofiltration, except in terms 

of the size of the molecules it retains. The basic process of membrane filtration is shown in Fig-

ure 1 below. The process is pressure driven and typically operates with a feed pump that push-

es the water through the membrane.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2: Schematic representation of membrane filtration process 

The  filtration  spectrum  and  the  selectivity  of  various  filtration  methods  are  shown  in  Figure  2. 

Typically, UF membranes range from 0.01 

–

 0.1 micron in pore size. Two of the most common 

classification parameters for membranes are pore size and molecular weight cut-off (MWCO):  



  The pore size is the nominal diameter of the openings or micro pores in the membrane ex-

pressed in microns.  

The MWCO is the molecular mass or weight of a solute that rejects greater than 90 percent. The 

unit of measurement for MWCO is Dalton (Da). 

 

 

Retentate 

Permeate 

 

Feed 

---

Fundamentals 

 

 

 

7 | 37 

 

Form-No: TM-WW002 //  Revision: A // Date: Oct. 10, 17 

 

 

 

Figure 3: Membrane filtration spectrum 

 

Definition and Explanation of Common Terms 

3.2

The following section describes the most important commonly used terms which are closely re-

lated to UF operations.  

Hollow Fiber (HF) 

A hollow fiber is one of many forms and shapes in which membranes are produced. The most 

common ones in the range of ultrafiltration are: hollow fiber, flat sheet, spiral wound and tubular 

membranes.  

---

Fundamentals 

 

 

 

8 | 37 

 

Form-No: TM-WW002 //  Revision: A // Date: Oct. 10, 17 

 

 

 

Figure 4: Cross section made by scanning electron microscope picture of a hollow fiber membrane 

Hollow fiber membranes consist of a very thin (Ø 1-3mm) and long fiber that is fixed  at one or 

either end in a potting material. At least one end is open to allow for permeate extraction. The 

advantages  of  hollow  fiber  membranes  include  high  packing  density  inside  the  module,  back 

flush ability, high permeability and good mechanical strength.   

There  are  two  options  for  the  flow  direction  through  the  membrane during  filtration:  outside-in 

and inside-out. For inside-out the feed water is fed into the lumen of the fibers and the perme-

ate comes out into the shell of the membrane module, while for outside-in the feed water is fed 

to the shell and the permeate is collected in the lumen of the fibers. Most commonly used oper-

ation mode is outside-in.  

During the outside-in operation, the fibers are surrounded by feed water, facilitating a very even 

flow  distribution  along  the  entire  length  of  the  fiber  and  among  all  fibers  within  a module.  The 

permeate is collected inside the fibers. 

The  inside-out  operation  is  the  exact  opposite;  with  the  feed  water  distributed  to  the  inside  of 

the fiber and the permeate surrounding the fibers. This operation mode allows for low pressure 

operation and frequent and efficient back flush, as the volume on the feed side is much smaller 

than  compared  with  the  outside-in  operation,  but  this  mode  is  very  sensitive  to  higher  solids 

load or peak solids load in the feed water. 

 

 

Dead-End/Crossflow Filtration Mode 

There  are  two  principle  ways  to  operate  UF  membrane  modules:  dead-end  and  crossflow.  If 

there is no retentate stream and the entire medium either passes through the membrane or it is 

accumulated  on  the  feed  side,  then  the  process  is  called  dead-end;  if  the  retentate  stream  is 

continuously flowing and only a small fraction of the feed flow is filtered through the membrane, 

then the process is called crossflow. See the principle below:  

 

Cross -Flow 

 

Dead-End 

 

 

Figure 5: Operation Modes 

Trans-Membrane-Pressure (TMP) 

TMP is the driving force for filtration and is the pressure difference between the feed pressure 

and  the  permeate  pressure  for  dead-end  operation.  Usually,  the  TMP  is  applied  by  usage  of 

pumps, but it can also be achieved by gravity flow in certain applications. 

The TMP is measured by pressure sensors in the feed and permeate header. Generally, TMP 

is calculated as follows: 

 

Permeate 

Permeate 

 

---