DE3926555A1

DE3926555A1 - Keramikfilter zur gasfiltration und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3926555A1
Application number: DE19893926555
Authority: DE
Inventors: Ralph-Peter Dipl Ing Dr Scholz; Wolfgang Prof Dr Ing Schulle; Regine Stoebe; Klaus Dipl Ing Elmer; Dieter Dr Ing Melzer
Original assignee: Medizin und Labortechnik Leipzig VEB
Current assignee: Deutsche Med-Lab Leipzig Ia O-7035 Leipzig GmbH
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1990-06-21
Also published as: HU896608D0; DK628289D0; DK628289A; DD278066A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramikfilter zur Gasfiltration, insbesondere zur Sterilfiltration in medizinischen Bereichen und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere zur Herstellung von porösen Silikatkeramiken für die Gasfiltration im Sterilbereich der Humanmedizin.

In der Praxis und bevorzugt im medizinischen Bereich Infusions- und Transfusionswesen werden bakteriendichte Belüftungsfilter verwendet (DE-OS 32 03 954). Für diese kommen Laminate, Vliese oder auch perforierte Folien sowie kombinierte Mehrschichtwerkstoffe zum Einsatz. Sie wirken vorwiegend als Oberflächenfilter.

Filter, die auf keramischer Basis hergestellt werden, fanden bisher keine Verwendung bei der Sterilfiltration. Mit diesen für die Mikrofiltration und Ultrafiltration bestimmten Filtern sollen sehr feinteilige Schwebstoffe aus Flüssigkeiten ausgefiltert werden. Die Keramikfilter sind mit einem mineralischen Träger versehen, auf den eine poröse mineralische Membran aufgebracht ist (EP 02 50 346, 02 63 468).

Fast gleichzeitig wurde ein Keramikfilter mit einer auf der inneren Oberfläche einer Trägerschicht aufgebrachten Filterschicht vorgeschlagen, die aus einem Aluminiumoxidkeramikmaterial hoher Reinheit hergestellt ist und deren innere Oberfläche als Filteroberfläche wirkt (DE-OS 37 27 274).

Dieser in Form eines Rohres gestaltete Keramikfilter ist ebenfalls für die Ultrafiltration vorgesehen, vorrangig jedoch für die Filtration von sogenannten Milchbakterien aus abgelagerter Maische oder Getränken.

Hingegen sieht die bevorzugte Anwendung in den medizinischen Bereichen Transfusionswesen, Intensivtherapie, Anästhesie und Chirurgie ein poröser keramischer Filter vor, der mit einem Filterelement verbunden und mit in Strömungsrichtung ausgerichteten durchgängigen Poren versehen ist (DD-PA A 61 M/3 05 507.2).

Der Filter ist aus Magnesium-Aluminium-Silikaten unter Zugabe von Stärkemehl hergestellt und wird nach erfolgter Formgebung gesintert und anschließend hydrophobiert. Die formstabile Festigkeit wird durch Pressung der Filtermaterialien und Aufheizung des Formkörpers auf ca. 1400°C erreicht.

Die für die Flüssigkeitsfiltration vorgeschlagenen Keramikfilter erfordern relativ aufwendige, besonders material- und energieintensive Nachbehandlungen, um die für ihre Zwecke erforderliche Festigkeit, Filtration und Genauigkeit zu erreichen. Außerdem besitzen sie, wie auch der zur Eliminierung von Mikropartikeln und mikrobiellen Bestandteilen aus Gasen entwickelte Filter, noch keinen optimalen Tiefenfiltrationseffekt.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Nachteile poröser keramischer Filter zu vermeiden, einen Keramikfilter zur Anwendung für die Gasfiltration, vorzugsweise Luft, mit hohen Gebrauchseigenschaften, hoher Filterzuverlässigkeit, für den Anwendungsfall ausreichender Durchlässigkeit und verbesserter Reproduzierbarkeit sowie ein ökonomisch günstigeres Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Verwendung eines Magnesiumaluminiumsilikats und eines feinkörnigen Porenbildners sowie durch Anwendung einer verbesserten Verfahrensweise die Porengröße und das Porenvolumen der herzustellenden Cordieritkeramik so zu optimieren, daß einerseits der aus ihr gebildete Keramikfilter eine sichere Sterilfiltration ermöglicht, andererseits seine Festigkeit auch mit größerem Eindringvolumen erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der aus dem Werkstoff Cordieritkeramik hergestellte Keramikfilter aus einem Sprühgranaliengerüst mit einem Porenvolumen von ca. 40% und Porengrößen von 7,5 nm bis 10 000 nm besteht. Es wurde insbesondere hierbei gefunden, daß sich poröse Silikatkeramiken für die Gasfiltration im Sterilbereich dann mit Vorteil herstellen lassen, wenn sie aus einem im gebrauchsfähigen Zustand erhärteten vor ihrer Fertigstellung zuerst zerstäubungstrockenem, dann breiigem Sprühgranulat aufgebaut sind, welches aus einem Gemisch mehrerer Siebfiltrationen unter 0,3 mm aus Kaolin, Speckstein, Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid hergestellt ist. Die Erfindung betrifft dabei ein Sprühgranulat, das nach seiner Aufbereitung als Schlicker unter Zugabe eines Porenbildners und eines Verformungshilfsstoffes mit diesem vermischt ist. Dabei weisen die Sprühgranalien zu 86% Korngrößen von 0,2 mm bis 0,225 mm auf.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Keramikfilter, dessen Zusammensetzung innerhalb der folgenden Werte liegt:

SiO₂
43 bis 51%
Al₂O₃	34,4 bis 35,5%
MgO	13,5 bis 14,5%
Fe₂O₃	0,34 bis 0,38%
TiO₂	0,15 bis 0,5%
Na₂O	0,1 bis 0,25%
K₂O	0,1 bis 0,15%
CaO	0,05 bis 0,06%

und dessen Porosität maximal 43% sowie spezifische innere Oberfläche des Porenraumes ca. 50 m²/g beträgt.

Die Erfindung umfaßt weiterhin ein verbessertes Verfahren, das durch technologisch einfache Verfahrensschritte gekennzeichnet ist und Keramikfilter ohne material- und energieintensive Nachbehandlung herstellt. Dazu wird ein Gemisch von 40% Kaolin, 42% Speckstein und 18% Aluminiumoxid/Aluminiumhydroxid bei einem Feststoff-Flüssigkeits-Mahlverhältnis von 1 : 1 zu einem Schlicker aufbereitet und dieser durch Zerstäubungstrocknung zu einem Sprühgranulat verarbeitet. In Fortsetzung dieses Verfahrens konnte erfindungsgemäß festgestellt werden, daß bei einer weiteren Vermischung mit 15% Ausbrennstoff, der als Porenbildner wirkt und einem Preßhilfsmittel, das als Verformungshilfsmittel wirkt, das Sprühgranulat dann die im Rahmen der Erfindung beschriebene Porosität erhält, wenn es durch Pressung bei einem Verhältnis von Rohdichte zu Reindichte gleich 0,75 verdichtet, bis zu einer Dichte von 1,3 bis 1,4 g/cm³ trocken gepreßt und anschließend bei 1670 K gesintert wird.

Als Preßhilfsmittel wird bevorzugt Olein verwendet, das allgemein als technische Ölsäure bekannt, überraschenderweise für die gewünschte Filterfestigkeit bedeutungsvoll ist. Das Schüttgewicht der Ausgangsmaterialien beträgt 0,845 kg/l.

Der Keramikfilter sowie das Verfahren zur Herstellung von porösen Silikatkeramiken für die Gassterilisation im Sterilbereich sind mit der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gemäß der Erfindung besteht der in variablen Abmessungen und Formen herstellbare Keramikfilter aus einem porösen Sprühgranaliengerüst, das ein Porenvolumen von ca. 40% und Porengrößen von 7,5 bis 10 000 nm aufweist. Es ist aus einem durch Zerstäubungstrocknung vorbereitetes Sprühgranulat aufgebaut und erhält durch die Zugabe eines Ausbrennstoffes eine offene Porenstruktur. Das Sprühgranulat besteht aus 40% Kaolin, 42% Speckstein und 18% Aluminiumoxid/Aluminiumhydroxid. Ihre Mischung durch mehrere Siebfraktionen besitzt ein Korngrößenspektrum bis maximal 0,3 mm, wobei 86% der Sprühgranalien in einem Größenbereich zwischen 0,200 mm und 0,225 mm liegen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird bei einem porösen keramischen Filter erreicht, wenn die gewichtsmäßige Zusammensetzung seines Cordieritwerkstoffes bestimmte Werte innerhalb der folgenden Bereiche einnimmt:

SiO₂
43 bis 51%
Al₂O₃	34,4 bis 35,5%
MgO	13,5 bis 14,5%
Fe₂O₃	0,34 bis 0,38%
TiO₂	0,15 bis 0,5%
Na₂O	0,1 bis 0,15%
CaO	0,05 bis 0,06%

Das Gemisch dieses Cordierits wird bei einem Feststoff-Flüssigkeits- Mahlverhältnis von 1 : 1 zu einem Schlicker aufgearbeitet, aus dem dann durch die Zerstäubungstrocknung das Sprühgranulat entsteht. Dieses wird wie vorn schon dargelegt mit 15% Ausbrennstoff und Preßhilfsmittel gemischt, dann durch Pressung bei einem Verhältnis von Rohdichte zu Reindichte gleich 0,75 verdichtet, bis zu einer Dichte von ca. 1,35 g/cm³ in die gewünschte Form gepreßt und anschließend bei 1670 K gebrannt. Der Wert 0,75 steht als Maß für die Verdichtung der Cordieritmasse infolge Pressung, wobei Rohrein 1,75 g/cm³ beträgt. Als Ausbrennstoff wird bevorzugt ein zur Gruppe der Polysaccharide gehörendes Kohlenhydrat und als Verformungshilfsstoff eine Ölsäure, z. B. Olein verwendet.

Die Ausführungsform der Erfindung hat gezeigt, daß ein Keramikfilter mit maximaler Porosität von 43% und einer spezifischen inneren Oberfläche von ca. 50 m²/g die Mikroorganismen aus Gasen nicht nur sicher entfernt, sondern auch mehrmals und verfahrensunabhängig sterilisierbar und damit insbesondere in Prozessen einsetzbar ist, die keimfrei ablaufen müssen bzw. Reinraumbedingungen zu entsprechen haben. Die erfindungsgemäße Verwendung des feinkörnigen Porenbildners, der in Verbindung mit der Sintertemperatur einen in Strömungsrichtung offenen Porenraum bildet und durch den sehr geringen Preßdruck, der das Granaliengerüst nicht zerstört und somit die poröse Struktur der Sprühgranalien aufrecht erhält, wird ein sicherer Tiefenfiltrationseffekt erzielt.

Das gemäß vorheriger Silikatanalyse zusammengesetzte Sprühgranulat, welches vor seiner Aushärtung zu dem erfindungsgemäßen Sprühgranaliengerüst zuerst zerstäubungstrocken und dann breiig ist, hat mit den Zusätzen eine für die serienmäßige Herstellung erforderliche Ausgangsmasse, deren Schüttgewicht 0,845 kg/l beträgt.

Claims

1. Keramikfilter zur Gasfiltration, insbesondere zur Sterilfiltration in medizinischen Bereichen, dessen Werkstoff Cordieritkeramik ist, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einem Sprühgranaliengerüst mit einem Porenvolumen von ca. 40% und Porengrößen von 7,5 nm bis 10 000 nm besteht.

2. Keramikfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Sprühgranaliengerüst aus einem im gebrauchsfähigen Zustand erhärteten, vor seiner Fertigstellung zuerst zerstäubungstrockenem, dann breiigem Sprühgranulat besteht, welches aus einem Gemisch mehrerer Siebfiltrationen unter 0,3 mm aus Kaolin, Speckstein, Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid hergestellt ist.

3. Keramikfilter nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Sprühgranulat nach seiner Aufbereitung als Schlicker unter Zugabe eines Porenbildners und eines Verformungshilfsstoffes mit diesem vermischt ist.

4. Keramikfilter nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Sprühgranalien zu 86% Korngrößen von 0,2 mm bis 0,225 mm aufweisen.

5. Keramikfilter nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Silikatanalyse des Werkstoffes Cordieritkeramik wie folgt lautet: SiO₂ 43 bis 51% Al₂O₃ 34,4 bis 35,5% MgO 13,5 bis 14,5% Fe₂O₃ 0,34 bis 0,38% TiO₂ 0,15 bis 0,5% Na₂O 0,1 bis 0,25% K₂O 0,1 bis 0,15% CaO 0,05 bis 0,06%

6. Keramikfilter nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Porosität des Keramikfilters maximal 43% und die spezifische innere Oberfläche des Porenraumes ca. 50 m²/g beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung von Filtermaterial aus dem Werkstoff Cordieritkeramik, gekennzeichnet dadurch, daß ein Gemisch von 40% Kaolin, 42% Speckstein und 18% Aluminiumoxid/ Aluminiumhydroxid bei einem Feststoff-Flüssigkeits- Mahlverhältnis von 1 : 1 zu einem Schlicker aufbereitet und dieses durch Zerstäubungstrocknung zu einem Sprühgranulat hergestellt wird, das mit 15% Ausbrennstoff, der als Porenbildner wirkt und einem Preßhilfsmittel, das als Verformungshilfsstoff wirkt, vermischt, dann in durch Pressung bei einem Verhältnis von Rohdichte zu Reindichte gleich 0,75 verdichtet, bis zu einer Dichte von 1,3 bis 1,4 g/cm³ trocken gepreßt und anschließend bei 1670 K gesintert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß als Preßhilfsmittel Olein verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß das Schüttgewicht der Filtermasse 0,845 kg/l beträgt.