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Titel: Membranfilter
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Membranfilter Die Erfindung betrifft ein Membranfilter, z. B. für
die Gewinnung von Proteinkonzentraten oder Virusmaterial oder Farbpigmenten aus
einem flüssigen Träger, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Derartige Membranfilter werden insbesondere in der Wasseraufbereitung
eingesetzt (vgl. Artikel ~Filtration" in ULLMANN, Enzyklopädie d. techn. Chemie,
Bd. II, 4. Aufl., 1972).
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Die eigentliche Filterwicklung wird durch eine Zwangsströmung mit
der zu filtrierenden Flüssigkeit beschickt.
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Eine oder mehrere Ringdichtungen, die mit der Wicklungsaußenseite
verbunden und an die Innenfläche des Mantelrohres angepreßt sind, verhindern, daß
die unter Druck in das Filtergehäuse eintretende Lösung ungefiltert an der Peripherie
entlang strömt und aus dem Retentatauslauf wieder austritt. Derartige Membranfilter
sind relativ preiswert herzustellen und daher in größerer Zahl in Einsatz.
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Sollen derartige Filter bei der Filtrierung von Proteinkonzentraten
eingesetzt werden, so zeigt sich, daß auf beiden Seiten der Ringdichtung Strömungstoträume
auftreten. Diese Strömungstoträume oder Stagnationszonen werden auch bei Spülungen
nicht vollständig aufgelöst. Haftende Verunreinigungen werden nicht ausreichend
kräftig erfaßt. Wenn daher derartige Filter bei der Proteinkonzentration eingesetzt
werden, können sich pyrogene Keime besonders im Bereich der Dichtung festsetzen,
vermehren und kontaminierende Substanzen absondern.
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Analoge Probleme entstehen beispielsweise bei der Verwendung derartiger
Filter für die Filtration von Farbpigmenten. In den Stagnationszonen kommt es zu
Aggregatbildungen, zum Anhaften von Resten und dergleichen, so daß ein Wechseln
des Filtergutes nach einem Spülvorgang unmöglich ist, da die haftenden und festgehaltenen
Reste sich nach und nach mit dem Filtergut vermischen.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, bekannte Membranfilter
so zu verbessern, daß sie unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile auch bei
der Konzentrierung und Filterung hochempfindlicher Biopolymere einsetzbar sind.
Insbesondere soll das Membranfiltdr auch für hochviskose Proteinlösungen geeignet
sein, sich jedoch auch für andere'Filterprobleme eignen, bei denen es auf strikte
Vermeidung von Kontamination des Filtergutes ankommt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Membranfilter
der eingangs genannten Art zur Vermeidung von Stagnationszonen (Strömungstoträumen)
im Bereich der Ringdichtung gleichmäßig verteilte Durchtrittsöffnungen angeordnet
sind, die einen Teilstrom zwischen den unmittelbar vor und
hinter
der Ringdichtung liegenden Außenzonen des Filters ermö#lichen.
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Das gekennzeichnete Filter ist sowohl im Hauptstrom-(die gesamte Flüssigkeit
durchsetzt die Filterfläche) als auch im Nebenstrom-Verfahren nutzbringend einzusetzen.
Bei letzterem Verfahren durchdringt immer nur ein Teil der Flüssigkeit das Membranfilter;
während ein anderer Teil mit höherer Konzentration als Retentat über einen Retentat-Auslauf
das Filtergehäuse verläßt. Diese Arbeitsweise wird insbesondere bei der Ultra-Filtration
angewandt.
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Die Durchtrittsöffnungen können gemäß den Merkmalen der Unteransprüche
3 bis 5 beschaffen sein; bei einer Ausführungsform können auch verschiedene Arten
von Durchtrittsöffnungen auftreten.
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Vorteilhaft liegt die Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen
im Bereich von 0,05 - 10 % der Dichtungsguerschnittsfläche. Die Durchtrittsöffnungen
sind somit groß genug, um stetig eine, wenn auch geringe, Strömung im peripheren
Stauraum (in der Außenzone) zwischen Filteraußenseite und Mantelrohr aufrechtzuerhalten.
Die Ringdichtung setzt dem Filtriergut trotp der vorhandenen Durchtrittsöffnungen
bei entsprechender Dimensionierung von Einlaß und Auslaß noch genügend Widerstand
entgegen, um wirksam filtrieren zu können.
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Je nach der Viskosität der zu filtrierenden Lösung kann im angegebenen
Querschnittsbereich die für die Filtrierung optimale Anzahl und der für die Filtrierung
erforderliche Gesamtquerschnitt der Durch trittsöffnungen bestimmt werden. Beim
Einsatz höherviskoser Proteinlösungen wird der Durchmesser der Einlaß- bzw. Auslaßleitung
entsprechend vergrößert,
um eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit
der Lösung aufrechtzuerhalten.
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Weiterhin ist vorzugsweise bei dem Membranfilter vorgesehen, daß in
das Mantelrohr im Bereich der Ringdichtung und zu dieser stromabwärts wenigstens
eine mit einer Leitung verbundene öffnung eingelassen ist.
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Damit kann am Mantelrohr auf der Abströmseite und im Bereich der Ringdichtung
ein mit einer Absperrvorrichtung versehener Ansatzstutzen angeordnet werden. Zur
Reinigung des Membranfilters kann Spüllösung auch den sonst schwer zugänglichen
Bereich an der Dichtung durchspülen. Die Spüllösung wird über den Einlaß für das
flüssige Filtergut eingeführt und über die neu vorgesehene, verschließbare Öffnung
abgeführt. Das Festsetzen kontaminierenden Substanzen im Filter und in der Ringfiltersubstanz
wird somit vermieden.
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Vorteilhaft ist auch, daß das Membranfilter als Modul in einer Filterbatterie
eingesetzt werden kann. In der Filterbatterie ist eine Parallel- bzw. Reihenschaltung
der Module möglich, wobei wiederum die Filterbatterie wahlweise im Hauptstrom- oder
im Nebenstrom-Verfahren arbeiten kann.
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Durch di,e~erfindungsgemäBe Verbesserung des Membranfilters ist es
möglich, dieses allgemein auf verschiedenen Gebieten der Filttation einzusetzen,
ohne daß befürchtet werden muß, daß die Lösungen verunreinigt werden. Membranplattenfilter,
die üblicherweise für ähnliche Zwecke eingesetzt werden und bei gleicher Kapazität
etwa doppelt so hohe Kosten erfordern, können damit ersetzt werden.
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Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur
1 eine teilweise angerissene Ansicht eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen
Membranfilters, Figur 2 einen Schnitt durch den Membranfilter der Figur 1 in Höhe
der Dichtung, Figur 2a ein Detail mit verschiedenen Beispielen von Durchtrittsöffnungen,
Figur 3 ein Ersatzbeispiel für ein Membranfilter in schematischer Darstellung.
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Das als Ausführungsbeispiel in Figur 1 dargestellte Membranfilter
100 besitzt als Filtergehäuse ein'äußeres, im wesentlichen geschlossenes Mantelrohr
1, das stirnseitig mit Grundseite 17 und Deckelseite 18 versehen ist. Üblicherweise
sind bei dem Membranfilter Mantelrohr und Stirnseiten aus rostfreiem Stahl hergestellt.
Weiterhin ist dafür gesorgt, daß Ventile, Hähne, Leitungen und dergleichen verwendet
werden, die den hohen Anforderungen an Aseptizität des Membranfilters genügen.
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Die Grundseite 17 trägt einen Zulaufstutzen 2, während die Deckelseite
18 einen Filtrat-Auslaufstutzen 3 und einen Konzentrat-(Retentat-). Auslauf 4 trägt.
Die in dem Mantelrohr 1 angeordnete Filterwicklung 5 ist spiralförmig locker aus
einem Filterschicht-Material gewickelt. Sie endet mit einer Filterschicht-Hälfte
an der im Wicklungszentrum angeordneten Sammelleitung 9 für das Filtrat. Zwischen
der Filterwicklung-Außenseite 19 und der Mantelrohr-Innenseite 20 ist eine einzige
umlaufende Ringdichtung 6 etwa im unteren Drittel des Mantelrohres 1 eingesetzt,
die gleichzeitig die Außenseite 19 in Abstand zur Innenseite 20 hält. Die spiralförmige
Filterwicklung 5 füllt, wie ersichtlich, den Großteil des Mantelrohr-Innenraumes
aus.
Nach unten und oben endet die Filterwicklung etwa 1 cm unterhalb bzw. oberhalb der
Deckelseite und Grundseite und ist mit einer Deckschicht abgeschlossen.
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Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, besteht die Filterwicklung aus einer
spiralförmig gewickelten doppelten Bahn, die aus einem Stützgeflecht 8 und aus der
beidseitig aufgebrachten, sehr dünnen und feinporigen Membran 7 besteht. Das Stützgeflecht
trägt damit sandwichartig die beim Filtriervorgang mit erheblicher Kraft zusammengedrückten
Membranen. Von der doppelten Bahn, deren beide Stützgeflecht-Schichten durch eine
Membran getrennt sind, wirkt eine (15) als Transportschicht für das Filtrat, die
andere (16) als Transportschicht für das Retentat, also für das angereicherte flüssige
Produkt.
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Die Filterschicht 15 endet mit einer Flachseite im Bereiche von Perforationen
21, die in Axialrichtung aufgereiht in der Sammelleitung 9 eingebohrt sind.
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Durch diese Perforationen 21 tritt das zwischen die Membranen eindringende
und im Stützgeflecht weiterfließende Filtrat in das Sammelrohr 9 über.
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Die erwähnte Ringdichtung 6 ist fest zwischen Filterwicklung'Außenseite
19 und Mantelrohr-Innenseite 20 eingedrückt. Während gemäß dem Stand der Technik
diese Ringdichtung selbst hermetisch dicht ist, ist sie bei der vorliegenden Ausführung.sform
und gemäß Erfindung mit zahlreichen, gleichmäßig über die Fläche der Ringdichtung
verteilten Durchtrittsöffnungen 10 ausgestattet. Um einen Begriff von der Größenordnung
der Perforationen zu geben: Die Ringdichtung kann eine Breite von 8 mm aufweisen
bei einem Filterdurchmesser von 160 mm und mit insgesamt 10 gleichmäßig peripher
verteilten
Durchtrittsöffnungen mit je einem Durchmesser von 1 mm versehen sein. Die Dichtung
6 besteht aus einem gummiartigen Werkstoff, beispielsweise Silikon-Kautschuk. Entsprechend
den angewandten Lösungen und den gegebenen Temperaturen können andere Kunststoffmaterialien
verwendet werden.
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Die Durchtrittsdffaungen10!dienen dazu, einen gewissen, wenn auch
geringen Teilstrom zwischen den unmittelbar vor und hinter der Ringdichtung 6 liegenden
Außenzonen 29 und 30 aufrechtzuerhalten, so daß Strömungstoträume (Stagnationszonen)
oberhalb und unterhalb der Ringdichtung vermieden werden. Dieser technische Kunstgriff
erlaubt es, daß derartige Membranfilter unbedenklich auch bei längeren Standzeiten
z.B. für die Gewinnung von Proteinkonzentraten aus Proteinlösungen verwendet werden
können. Werden keine oder Durchtrittsöfnnungen nicht in ausreichender Zahl vorgesehen,
so bilden sich nach kurzer Zeit unter den oftmals idealen Inkubationsbedingungen
Kolonien von pyrogenen Bakterien, Pilzen oder dergleichen. Nur bei ständiger Durchspülung
aller Bereiche des Filters lassen sich derartige Ansammlungen vermeiden.
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Figur 2 a zeigt Ausführungsbeispiele von Durchtrittsöffnungen: A)
Die Ringdichtung selbst ist mit Durchtrittsöffnungen (10) versehen; B) die Innenseite
(30) des Mantelrohrs (1) ist mit Nuten (31) im Bereich der Ringdichtung (6) versehen,
die eine Verbindung der Filter-Außenzonen herstellen; C) es sind Leitungen (32)
im Außenmantel des Mantelrohrs (1) vorgesehen;
D) es sind außerhalb
des Mantelrohrs (1) geführte Leitungen (33) im Bereich der Ringdichtung vorgesehen,
die eine Verbindung der Filter-Außenzonen herstellen.
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Zur weiteren Verbesserung der Möglichkeit einer gründlichen Durchspülung
wird am Mantelrohr 1 des Membranfilters 100 im Bereiche der Ringdichtung 6 und zwischen
dieser stromabwärts wenigstens eine mit einer Leitung verbundene Öffnung 11 vorgesehen,
durch die eine Spülflüssigkzeit unter ausreichendem Fluß eingelassen bzw. abgezogen
werden kann.
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Beim Filtriervorgang tritt die zu filtrierende Lösung unter einem
Druck P1 über den Zulaufstutzen 2 in das Filtergehäuse ein. Die Lösung füllt sowohl
den Raum zwischen Mantelrohr-Innenseite 20 und der Filterwicklung-Außenseite 19
als auch von außen die Zwischenräume innerhalb der lockeren Filterwicklung 5. Die
Dichtung 6 verhindert, daß sich peripher sofort ein durchgehender Lösungsstrom vom
Zulaufstutzen 2 zum Auslaufstutzen 4 einstellt. Bei der Nebenstrom-Filtrierung strömt
der größere Teil des Filtrates im Inneren des Mantelrohres 1 an den Membranflächen
vorbei. Kleine Moleküle in der Lösung, die durch die feinen Poren der Membranen
7 diffundieren können, dringen in die grobporige Schicht des Stützgeflechtes 8 ein
und werden in dieser Schicht dem Sammelrohr 9 zugeführt.
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Gleichzeitig sorgen die Durchtrittsöffnungen 10 dafür, daß ein ausreichender
Teilstrom peripher an der Filterschicht vorhanden ist.
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Gelöste Moleküle, die aufgrund ihres Molekulargewichtes nicht durch
die Poren der Membran treten können,
werden zur Ausströmseite des
Filters geführt und verlassen über den Auslaufstutzen 4 das Filter. Dabei kann durch
entsprechende DrucSsteuerung in den Auslauf stutzen 3 und 4 mit Hilfe von Ventilen
13 und 14 der Abfluß und die Filterintensität gesteuert werden.
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Figur 3 zeigt schematisch den Einsatz eines derartigen Membranfilters
bei der Ultrafiltration. Ein Vorratsgefäß 23 von beispielsweise 300 Litern Inhalt
mit albuminhaltiger Substanz ist über eine untenliegende Abzugsleitung 24 und eine
Pumpe 25 mit dem Zulaufstutzen 2eines erfindungsgemäßen Membranfilters 100 verbunden.
Die zu filtrierende Lösung wird jeweils an den Membranfiltern vorbeigeführt, die
beispielsweise eine Gesamtoberfläche von 20 m2 haben. Die Durchlaufgeschwindigkeit
beträgt 3.000 Liter pro Stunde. Über den Filtrat-Auslaufstutzen 3 werden etwa 200
Liter pro Stunde nicht-albuminhaltes Filtrat abgeführt, während albumin-angereichertes
Konzentrat über den Auslaufstutzen 4 in die Rückführungsleitung 26 eingespeist werden,
die das Konzentrat wieder in das Vorratsgefäß 23 zurückführt. In diesem reduziert
sich nach einer gewissen Zeit das Volumen der Flüssigkeit, das entsprechend dem
abgeführten Filtrat immer mehr an Albumin angereichert ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher in einfacher Weise
auch andere Proteinkonzentrate u.ä.
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gewonnen werden.
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