DE19848389C2 - Capsule zur Filtration von Fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Capsule mit patronenartigen Filterelementen zur Filtration von Fluiden mit besonderen Sicherheitsanforderungen.

Die Capsule ist für die Filtration von Fluiden, wie Flüssigkeiten und Gase in der chemischen, elektronischen, pharmazeutischen, kosmetischen, biotechnologischen, Kernenergie erzeugenden, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, im Umweltschutz sowie in Forschungs- und Kontrolllabors verwendbar.

Capsulen, die ein patronenartiges Filterelement einschließen, sind bekannt. So beschreibt die DE 43 21 927 C2 eine mit Druck beaufschlagbare Capsule zur Filtration wässriger Medien, die über ein patronenartiges Filterelement verfügt, welches in einem umschließenden Gehäuse angeordnet ist und einen einlaßseitigen Gehäuseraum abtrennt, wobei das Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß ausgestattet ist. Außerdem ist das Gehäuse mit einem Entgasungsstutzen ausgestattet, welcher am einlaßseitigen Gehäuseraum angeordnet ist und durch ein Entgasungsventil verschließbar ist. Der Entgasungsstutzen ist vom zu entgasenden Gehäuseraum durch ein hydrophobes, gasdurchlässiges und eine Sekundärkontamination verhinderndes Filter mit einer Porengröße nicht größer als 0,2 µm getrennt. Die aus Kunstoff herstellbare Capsule ist sterilisierbar und bei Ausstattung mit einem auf Integrität prüfbaren patronenartigen Filterelement auf Integrität prüfbar.

Nachteilig ist, daß bei einer Filtration von Fluiden mit besonderen Sicherheitsanforderungen bei einem Defekt des patronenartigen Filterelements unerwünschte Stoffe ins Filtrat gelangen oder der Filtrationszyklus relativ kurz ist, wenn die zu filtrierenden Fluide mit Stoffen belastet sind, die die Poren des patronenartigen Filterelements verblocken.

Eine Serienschaltung, bei der mindestens zwei Capsulen oder Filterkerzen samt Gehäusen hintereinander betrieben werden, würde mit den Nachteilen beispielsweise einer vergrößerten Kontaminationsgefahr steril bezogener Capsulen bei ihrer Montage, eines erhöhten Aufwandes bei der Durchführung von Integritätstests, eines erhöhten Totvolumens und vergrößerten Gefahr der Kontamination der Umwelt durch Austritt gefährlicher Stoffe bei Demontage der Capsulen und einer vergrößerten Anzahl an zu entsorgenden und mit Schadstoffen belasteten Capsulen oder Filterkerzen und Gehäusen behaftet sein.

"Aus der DE 38 05 299 C2 ist es bekannt, ein als Integralfilter für Filtergroßgehäuse ausgebildetes Filterelement mit fluiddurchlässigem Kernrohr zu versehen und die Filterelemente auf Integrität prüfbar vorzusehen. Dieses Konzept erfordert ein aus vielen Einzelteilen aufgebautes Filtergehäuse und ist für Capsulen als anschlussfertige kleine Filtereinheiten ungeeignet.

Aus der US 49 76 852 ist ein Filter bekannt, bei dem zwei patronenartige Filterelemente so in einem Filtergehäuse angeordnet sind, dass das zu filtrierende Fluid die beiden Filterelemente nacheinander in einer Stufenfiltration passieren muß. Nachteilig ist der komplizierte Aufbau des Filters und dass er nicht für Filtrationen mit besonderen Sicherheitsanforderungen geeignet ist, weil die Filterelemente nicht individuell auf Integrität prüfbar sind.

Aus der GB 20 35 832 A ist eine Vorrichtung bekannt, die aus zwei lösbar miteinander verbundenen Gehäusehälften besteht, welche über Steckverbindungen ein einziges patronenartiges Filterelement für eine Stufenfiltration einschließen. Das Filterelement verfügt über zwei Filterabschnitte, deren Kernrohre auf einen gemeinsamen Verbindungsstopfen gesteckt und miteinander verbunden sind. Derartig ausgebildete Vorrichtungen sind nicht für Filtrationen mit besonderen Sicherheitsanforderungen verwendbar, da die Steckverbindungen die Gefahr von Bypässen einzuschließen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte, auf Integrität testbare Capsule vorzuschlagen, die zur Filtration von Fluiden geeignet ist, an welche besondere Sicherheitsanforderungen gestellt werden, und die sich dadurch auszeichnet, daß sie über eine hohe Standzeit hinweg betrieben werden kann, ohne daß ein Durchbruch unerwünschter Stoffe ins Filtrat erfolgt.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die Verwendung von zwei, je nach Filtrationsaufgabe aufeinander abstimmbaren, patronenartigen Filterelementen in einer einzigen Capsule, welche als Stufenfilter wirken, die Zeitdauer bis zur Erschöpfung der Kapazität, bis zur Regenerierung oder bis zur Verblockung der Filterelemente verlängert, weil zumindest ein Teil der abzutrennenden Stoffe bereits in der ersten Filtrationsstufe zurückgehalten wird. Beispielsweise werden zur Abtrennung von Endotoxinen (vergleich DE 195 43 371 A1) und zur Sterilfiltration biologischer oder pharmazeutischer wäßriger Lösungen in einer Ausführungsform der Erfindung beide patronenartigen Filterelemente der Capsule mit mikroporösen Membranadsorbern ausgerüstet, die zum Zwecke der Zurückhaltung von Mikroorganismen eine Porengröße von weniger als 0,45 µm aufweisen. Ist die Adsorptionskapazität des Membranadsorbers des Filterelements der ersten Filtrationsstufe für Endotoxine erschöpft, werden die durch dieses Filterelement hindurchbrechenden Endotoxine in der folgenden Filtrationsstufe zurückgehalten. Bei nur einem Filterelement müßte die Filtration bereits beim Durchbruch durch das erste Filterelement abgebrochen werden Mikroorganismen werden entweder schon im ersten, spätestens aber im zweiten Filterelement zurückgehalten. Somit wird sowohl die Betriebszeit der Capsule verlängert als auch ein unerwünschter Durchbruch von Schadstoffen verhindert oder zumindest erschwert.

Der erfindungsgemäß am mittleren Gehäuseraum angebrachte, verschließbare Stutzen schafft außerdem die Möglichkeit zur Durchführung einer Prüfung der patronenartigen Filterelemente auf Integrität. Die Integritätsprüfung wird dabei für hydrophobe Filtermaterialien nach dem bekannten Wasserintrusionstest (vergleiche DE 43 39 589 C1) oder für hydrophile Filtermaterialien nach dem bekannten Blasen-, Druckhalte- oder Diffusionstest (vergleiche DE 39 17 856 A1) durchgeführt. Dazu wird beispielsweise die Capsule mit dem Testmedium (Wasser, Luft) über den am mittleren Gehäuseraum befindlichen Stutzen beaufschlagt (bei Luft alternativ auch am Ein- oder Auslaß des Gehäuses der Capsule), der Anschluß, an dem sich das nicht auf Integrität zu testende Filterelement befindet, geschlossen und das Filtertestgerät an dem übrigen Anschluß oder an dem Stutzen der Capsule angeschlossen und der Integritätstest durchgeführt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß über den am mittleren Gehäuseraum angebrachten, verschließbaren Stutzen Zusatzstoffe in das Vorfiltrat eingebracht werden können, um die Passage eines Stoffes durch die zweite Filtrationsstufe gezielt zu erleichtern oder erforderlichenfalls zu erschweren. Solche Zusatzstoffe können beispielsweise Lösungsmittel, Salzlösungen, Säuren oder Basen sein. So kann bei Filtration wässriger Proteinlösungen der isoelektrische Punkt der Proteine berücksichtigt werden. Weiterhin ist es möglich, über den Stutzen direkt Vorfiltrat zu entnehmen. Somit kann die erfindungsgemäße Capsule mit großer Variabilität betrieben werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere zur Filtration wässriger Lösungen geeignet ist, ist der verschließbare Stutzen vom mittleren Gehäuseraum durch ein hydrophobes, gasdurchlässiges und vorzugsweise eine Sekundärkontamination verhinderndes Filter getrennt. Dieser Stutzen dient außerdem der automatischen Entlüftung der Capsule während der Filtration und schließt dabei einerseits einen Austritt der wässrigen Lösung aus dem Stutzen und andererseits ein Eindringen von kontaminierenden Stoffen in die Capsule aus.

Als Filtermaterialien kommen für die patronenartigen Filterelemente mindestens einlagige poröse Membranen, poröse Membranadsorber (vergleich WO 92/00805 A1) und Tiefenfilter oder Kombinationen daraus, vorzugsweise in gewickelter oder plissierter Form in Frage.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt das patronenartige Filterelement, das mit dem Anschluß zum Einlaß für zu filtrierendes Fluid verbunden ist, über ein Filtermaterial mit einem größeren Porendurchmesser als das Filtermaterial des patronenartigen Filterelements, welches mit dem Anschluß zum Auslaß für Filtrat verbunden ist. Das Filterelement der ersten Filtrationsstufe wirkt als Vorfilter. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für die Filtration von mit Partikeln belasteten Fluiden, welche bereits vom Vorfilter je nach Porengröße zumindest teilweise zurückgehalten werden, so daß das als Endfilter wirkende patronenartige Filterelement nicht mehr mit diesen Partikeln belastet ist. Damit ist es auch möglich, daß das relativ teure Endfilter aus Kostengründen klein gehalten werden kann, ohne die Betriebszeit zu verringern.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht das Filtermaterial des Vorfilters aus einem Faservlies oder aus einem Faserwickel, vorzugsweise mit einem radialen Porengradienten, wobei der Porendurchmesser für eine größere Abscheidekapazität anströmseitig größer sein sollte als abströmseitig.

Die erfindungsgemäße Capsule läßt sich besonders rationell fertigen, wenn das Gehäuse aus zwei fluiddicht zusammengefügten Gehäuseteilen besteht, von denen jedes Gehäuseteil mit einem der patronenartigen Filterelemente verbunden ist. Zur Verringerung der Entsorgungsmenge ist eine Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die fluiddicht zusammengefügten Gehäuseteile lösbar verbunden sind. Da in der Regel das als Vorfilter dienende patronenartige Filterelement die Schadstoffe enthält, welche häufig als Gefahrstoffe zu entsorgen sind, kann der entsprechende Gehäuseteil, der dieses Filterelement aufweist, in einfacher Weise demontiert und separat entsorgt werden, während der andere Gehäuseteil mit dem Endfilter wiederverwendbar ist.

Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Capsule aus Kunstoff gefertigt. Sie ist durch den am mittleren Gehäuseraum befindlichen Stutzen mit hoher Sicherheit sterilisierbar, beispielsweise mittels Heißdampf.

Der Gegenstand der Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels und einer Figur näher erläutert, welche einen Vertikalschnitt durch eine der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Capsule zeigt.

Gemäß der Figur besteht die Capsule 1 aus einem Gehäuse 2, das in der gezeigten Ausführungsform aus den Gehäuseteilen 3, 4 fluiddicht beispielsweise über eine Flanschverbindung 5 zusammengefügt ist. Das Gehäuse 2 verfügt über einen Anschluß zum Einlaß für zu filtrierendes Fluid 6 und über einen Anschluß zum Auslaß für Filtrat 7. Der Anschluß zum Einlaß für zu filtrierendes Fluid 6 ist an einer Stirnseite 8 mit einem fluiddurchlässigen Kernrohr 9 eines patronenartigen Filterelements 10, daß beispielsweise als Vorfilter dient, kommunizierend verbunden. Die gegenüberliegende Stirnseite 11 des patronenartigen Filterelements 10 ist fluiddicht geschlossen. Der Anschluß zum Auslaß für Filtrat 7 ist an einer Stirnseite 12 mit einem fluiddurchlässigen Kernrohr 13 eines zweiten patronenartigen Filterelements 14, daß beispielsweise als Endfilter dient, kommunizierend verbunden. Die gegenüberliegende Stirnseite 15 des patronenartigen Filterelements 14 ist fluiddicht geschlossen. (Wird ein Filterelement 10 mit einem an seien beiden Enden offenes Kernrohr 9 verwendet, ist eine fluiddichte Verbindung mit der Stirnseite 15 des Filterelements 14 notwendig (nicht dargestellt).) Das Gehäuse 2 der Capsule 1 wird durch die Anordnung der patronenartigen Filterelemente in einen einlaßseitigen Gehäuseraum 16 für zu filtrierendes Fluid (Unfiltrat), einen mittleren Gehäuseraum 17 für Vorfiltrat und einen auslaßseitigen Gehäuseraum 18 für Filtrat aufgeteilt. In der gezeigten Ausführungsform befindet sich am mittleren Gehäuseraum 17 ein verschließbarer Stutzen 19. (Er kann in einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform vom mittleren Gehäuseraum 17 durch ein hydrophobes, gasdurchlässiges, eine Sekundärkontamination verhinderndes Filter getrennt sein.) Das als Vorfilter dienende patronenartige Filterelement 10 besteht vorzugsweise aus einem Filterwickel 21, deren Wicklungen beispielsweise aus einem Faservlies 22 aus beispielsweise Glasfasern oder Polymerfasern, die vorzugsweise aus nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Mikrofasern aus Polypropylen erzeugt sind. Das als Endfilter dienende patronenartige Filterelement 14 besteht vorzugsweise aus einem ein- oder mehrlagigen plissierten mikroporösen Membranfilter 23 mit einem für die Sterilfiltration geeigneten Porendurchmesser von < 0,45 µm, das auf Integrität prüfbar ist.

Die Erfindung vereinigt die Vorteile der Rückhaltekapazität einer Vorfilterkerze mit einer auf Integrität testbaren sterilen Endfilterkerze in einem einzigen Filtrationsmodul, wobei das Filterelement der Endfiltrationsstufe durch das Filterelement der ersten Filtrationsstufe geschützt wird und eine Verlängerung der Lebensdauer und Standzeit der Capsule bei gleichzeitiger Erhöhung der Filtrationssicherheit erreicht wird. Die erfindungsgemäße Capsule kann demnach eingesetzt werden anstelle zweier unter­ einander verbundener Filterkerzen oder zweier untereinander verbundener Einzelcapsulen. Die erfindungsgemäße Capsule besitzt ein geringeres Totvolumen als zwei miteinander verbundene Einzelfiltermodule, was die Produktverluste reduziert und insbesondere bei der Filtration wertvoller Produkte vorteilhaft ist, ihr Ein- und Ausbau ist zeit- und kostengünstiger, die Gefahr der Kontamination einer steril vom Hersteller bezogenen Capsule ist geringer, weil die Verbindung mit einer separaten Vorfiltereinheit entfällt. Leckstellen an den Verbindungen von Einzelmodulen können nicht auftreten. Sie kann aus Kunstoff gefertigt als Einwegprodukt (Disposable) benutzt werden und gestattet eine sichere Entsorgung, insbesondere nach der Filtration von giftigen und gefährlichen Stoffen.

Dadurch ist die erfindungsgemäße Capsule insbesondere geeignet zur Filtration von toxischen, radioaktiven und/oder aggressiven Flüssigkeiten und Gasen, einschließlich ihrer Sterilfiltration.

Claims (10)

1. Capsule (1) mit besonderen Sicherheitsanforderungen zur Filtration von Fluiden, welche aus einem ein als Vorfilter dienendes patronenartiges Filterelement (10) enthaltender Gehäuseteil (4) besteht, der in einfacher Weise demontier- und separat entsorgbar ist und aus einem zweiten, einen auf Integrität testbaren sterilen Endfilter (14) enthaltenden wiederverwertbaren Gehäuseteil (3) besteht, wobei die beiden Gehäuseteile (3, 4) lösbar in Form eines einzigen Filtermoduls zu der Capsule (1) zusammenfügbar sind, wobei das Gehäuseteil (4) des ersten Teils über einen axialen Anschluß (6) zum Einlaß für zu filtrierendes Fluid und über das patronenartige Filterelement (10) zur statischen Filtration mit einem fluiddurchlässigen Kernrohr (9) verfügt, das an seiner einen Stirnseite (11) geschlossen ist und an seiner anderen Stirnseite (8) über das Kernrohr (9) mit dem Anschluß (6) in kommunizierender Verbindung steht und wobei das Gehäuseteil (3) des zweiten Teils über einen axialen Anschluß (7) zum Auslaß für Filtrat und über das patronenartige Filterelement (14) zur statischen Filtration mit einem fluiddurchlässigen Kernrohr (13) verfügt, das an seiner einen Stirnseite (15) geschlossen ist und an seiner anderen Stirnseite (12) über das Kernrohr (13) mit dem Anschluß (7) in kommunizierender Verbindung steht, derart, daß das Gehäuse (2) der Capsule (1) in einen einlaßseitigen Gehäuseraum (16) für zu filtrierendes Fluid, einen mittleren Gehäuseraum (17) für Vorfiltrat und einen auslaßseitigen Gehäuseraum (18) für Filtrat aufgeteilt ist und das zu filtrierende Fluid vom Einlaß (6) zum Auslaß (7) bestimmungsgemäß die beiden patronenartigen Filterelemente (10, 14) nacheinander in einer Stufenfiltration passieren muß, und wobei ein verschließbarer Stutzen (19) am mittleren Gehäuseraum (17) angeordnet ist.

2. Capsule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die patronenartigen Filterelemente (10, 14) Filtermaterialien enthalten, die aus mindestens einlagigen porösen Membranen, porösen Membranadsorbern und Tiefenfiltern oder Kombinationen daraus in gewickelter oder plissierter Form bestehen.

3. Capsule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial des Vorfilters über einen größeren Porendurchmesser verfügt als das Filtermaterial des patronenartigen Filterelements (14), welches mit dem Anschluß zum Auslaß für Filtrat (7) verbunden ist.

4. Capsule (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorfilter aus einem Faservlies (22) besteht.

5. Capsule (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorfilter aus einem Faserwickel (21) besteht.

6. Capsule (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserwickel (21) einen radialen Porengradienten aufweist.

7. Capsule (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Porendurchmesser anströmseitig größer ist als abströmseitig.

8. Capsule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verschließbare Stutzen (19) vom Gehäuseraums (17) durch ein hydrophobes, gasdurchlässiges Filter getrennt ist.

9. Capsule (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Sekundärkontamination verhinderndes Filter ist.

10. Verwendung der Capsule (1) nach einen der Ansprüche 1 bis 9 zur Filtration von toxischen, radioaktiven und/oder aggressiven Fluiden und zur Sterilfiltration von Flüssigkeiten und Gasen.