NL1024292C1 - Werkwijze en middelen ter verbetering van cross-flow en dead-end filtratie technieken. - Google Patents

Description

Werkwijze en middelen ter verbetering van cross-flow en dead-end filtratie technieken.

De uitvinding heeft betrekking op zowel een werkwijze als middelen voor het tot stand 5 brengen van een terugspoeling van een vloeistof, in het bijzonder voor de reiniging van een filtratiemembraan en het concentreren van deeltjes gesuspendeerd in een vloeistof op een microfiltratiemembraan voor bijvoorbeeld microscopische analyse van de deeltjes. Van EP 0,689,585, is een werkwijze bekend om een gefermenteerde vloeistof, die zowel deeltjes als gistcellen of bacteriën in grote hoeveelheden bevat, te filtreren 10 met een filtratiemembraan met behulp van bekende cross-flow-filtratietechnieken.

Deze cross-flow-filtratietechniek heeft het voordeel dat het membraan niet snel zal dichtslibben of vervuilen, omdat het continu wordt schoongemaakt door de stromende, te filtreren vloeistof.

15

Niettemin zullen de kleinere gesuspendeerde deeltjes langzamerhand aan het filtratie membraan adsorberen, echter deze kunnen van het membraan oppervlak worden losgemaakt als de vloeistofrichting van het permeaat door het membraan voor een bepaalde tijd worden omgedraaid doör een terugspoeling (back flush). Met deze back 20 flush methode is het mogelijk om een veel grotere vloeistofopbrengst te behalen dan met andere filtratie methodes zoals bijvoorbeeld kiezelgoerfiltratie. Back flushes dienen te worden gegeven met een goed gecontroleerde druk en tijd omdat filtratiemembranen, in hef bijzonder zeer dunne membranen, kunnen worden beschadigd, of omdat anders de hoeveelheid permeaat vloeistof die wordt teruggespoeld is van vergelijkbare grootte 25 of zelfs groter dan de hoeveelheid vloeistof die al is gefiltreerd tussen twee terugspoelingen in, waardoor de filtratie opbrengst nadelig wordt beïnvloed.

Voor microscopische controle van deeltjes, gisten en bacteriën zoals E-Coli, Legionella, Lactobacillus, Listeria etc. bestaan er methodes voor het filtreren van een gegeven 30 hoeveelheid samplevloeistof in een samplehouder door een filtratiemembraan heen, totdat de totale hoeveelheid vloeistof in dead-end filtratie methode is gefiltreerd door het aanbrengen van een vacuüm of een onderdruk. Alle deeltjes die aanwezig waren in de samplevloeistof zullen dan zijn verzameld op het filtratiemembraan. Normaal zal de filtratie stoppen of sterk verminderen zodra alle poriën worden geblokkeerd door 1024292

I 2 I

I deeltjes die in de vloeistof aanwezig zijn. Vaak zal daardoor de totale minimum vereiste I

I hoeveelheid gefiltreerde sample vloeistof (zoals beschreven in de protocollen) niet I

I kunnen worden, gehaald, maar zal een bepaalde hoeveelheid sample vloeistof I

ongefilterd blijven. I

I 5 I

I Het is daarom het doel van de beschreven uitvinding om een oplossing te vinden voor I

I de bovenbeschreven problemen zowel als het beschrijven van middelen om een I

I optimale filtratie performance te kunnen halen. I

I Dit doel zal worden bereikt volgens de uitvinding en is beschreven in zowel de I

I 10 figuurbeschrijvingen als de conclusies. I

I Figuurbeschrijving I

I Filters kunnen worden gebruikt voor disposable filtratietoepassingen, bij voorkeur I

I kleine filtratie membranen 10 (e.g. 5*5mm) zijn gemonteerd in een ringvormig support I

I 15 11 (e.g. ABS plastic schijfjes) met een buitendiameter van e.g. 1.0,2.5 en 5 cm en klaar I

I voor gebruik in gestandaardiseerde commerciële filtratie houders (FIGUUR 1). Bij I

voorkeur liggen de membranen 10 verdiept 22 met een diepte van 10 tot 500 micron in I

het ringvormig support om vervuiling te voorkomen, om het verpakken te I

I vergemakkelijken en om beschadiging van het filtratie membraan te voorkomen I

I 20 (FIGUUR 2)

Een ander belangrijk kenmerk van de uitvinding is dat de combinatie van membranen, I

terugspoel technologie en additionele trillingen en rotaties van de zeven bewezen heeft I een zeer goede verbetering van de vloeistofdoorvoersnelheid, de vloeistofopbrengst en

I 25 de voorkoming van irreversibele vervuiling te bewerkstelligen. Zonder terugspoeling I

I en/of trillingen duurt een bierfiltratie run (gistcelverwijdering) maximaal 4-8 uur, met I

de maatregelen volgens de uitvinding op intervallen van 10 minuten met ene lengte van I een paar seconden kan de run verlengd worden tot 4-8 dagen zonder dat chemische reinigingsprocedures vereist zijn.

I 30 I Het aanbieden van zeer korte terugspoelingen (back pulsen) met een lengte van 10-50 ms op een regelmatig interval tussen 0.01 - 5 Hz tijdens bijvoorbeeld cross-flow- of I dead-endfiltratie, zal de vervuilingslaag van het membraan optillen en deze hoger in de I 1024292 3 vloeistof boven het membraan brengen, zodanig dat de vervuilinglaag regelmatig wordt verwijderd.

Een uitvoering van een back pulser is gegeven in FIGUUR 3. Permeaat vloeistof kan van permeaatingang 31 naar permeaatuitgang 30 stromen als membraan 33 zich in zijn 5 rustpositie bevindt. Als een druk wordt aangeboden op drukingang 32, zal het membraan vervormen en zal het volume 34 verkleind worden. Als eerste zal dan de permeaat uitgang afgesloten worden wanneer het membraan de permeaat uitgangzetel 35 raakt. Vervolgens zal er vloeistof worden teruggeduwd richting het membraan als gevolg van de verkleining van het volume 34.

10 Drukstoten kunnen worden vermeden door een en dezelfde beweging te gebruiken voor zowel het sluiten en openen van de permeaatuitgang als voor het terugduwen van vloeistof richting het membraan via permeaatingang 31.

Een speciale uitvoeringsvorm voor een elektromagnetische back pulser om filtratie met 15 een membraan te verbeteren volgens de uitvinding wordt gegeven in FIGUUR 4. Een vrijhangende zuiger 40 (verplaatsingslichaam) met een binnenkem van een magnetisch materiaal 41 kan bewegen door middel van een extern aangelegd magnetisch veld in een taperende cilinder 48 (verplaatsingslichaam behuizing). De cilinder wordt normaal gemonteerd in serie met de permeaatuitgang van het membraan en wordt aangesloten 20 aan de buizen door middel van de koppelingen 44. De rustpositie 46 van de zuiger bevindt zich in het bredere deel 42 van de cilinder, geleidt door de zuigerhouder 44, waardoor permeaatstroming mogelijk is. Wanneer een adequate magnetische puls wordt gegeven door een gepulseerde stroom door spoel 43 die de cilinder omringt, zal de zuiger richting het nauwe deel van de cilinder bewegen, waardoor de permeaatflow 25 praktisch gestopt wordt. Als de zuiger nog een stukje beweegt 47, zal de permeaatflow omgekeerd worden en gefiltreerde vloeistof (permeaat) zal teruggeduwd worden door het membraan. De zuiger kan ofwel door de zwaartekracht teruggebracht worden in zijn rustpositie of door de stroom door de spoel om te keren.

De hoeveelheid vloeistof die wordt teruggepulst is natuurlijk sterk gerelateerd aan de 30 diameter van de zuiger en de lengte van iedere slag. Voor microfiltratie van bier ligt deze hoeveelheid typisch tussen 5 en 50 ml per m2 filtratie membraan per backpuls slag.

1024292 I 4

Η I

I Het bredere deel van de cilinder kan op verschillende manieren worden gemaakt In de I

I praktijk kan de backpulser werken op frequenties tot 10 Hz met een maximum backpuls I druk van 0.3-1 bar. Deze druk wordt bepaald door de hoeveelheid magnetisch materiaal I in de zuiger, het oppervlak van de zuiger en door de sterkte van het gebruikte 3 magnetisch materiaal en de gradiënt in het extern door de spoel aangelegde magnetische I veld.

Hogere backpuls drukken (FIGUUR 5) kunnen worden gemaakt met een zuiger die I

I wordt gekenmerkt doordat de zuiger een deel heeft dat een smal oppervlak 50 heeft I overeenkomstig het smalle deel in de cilinder en een deel dat een groot oppervlak 51 I 10 heeft overeenkomstig het brede deel in de cilinder. De bulk van het magnetische I materiaal (e.g. Neodynium) is dan aanwezig in het brede deel van de zuiger, terwijl de I backpuls druk die wordt opgewekt wordt bepaald door het oppervlak van het smalle I deel van de zuiger. Backpuls drukken tussen e.g. 1 en 5 bar kunnen nu makkelijk

worden gehaald wanneer de verhouding tussen het brede en smalle oppervlak van de I

15 zuiger wordt gekozen tussen 2 en 10.

I Een andere uitvoeringsvorm van een back pulser is te zien in FIGUREN 6A en 6B.

I Door een gecombineerde horizontale verplaatsing 62 en een rotatie van een krukas 60, I zal slang 61 eerst permeaatingang 66 van permeaatuitgang 67 afsluiten 65 en I 20 vervolgens vloeistof terugduwen richting het membraan door de krukas verder te I draaien, waarbij de slang platgeknepen wordt op bodemplaat 64. Een andere I uitvoeringsvorm heeft het kenmerk dat aan de permeaatzijde van het membraan een I cross-flow stroming wordt geïnduceerd, welke permeaat cross-flow stroming I herhaaldelijk wordt onderbroken op een eerder beschreven wijze, waardoor kleine I 23 drukpulsen worden geïnduceerd. Hierbij wordt dan de vloeistofstroom door het I membraan tijdelijk omgekeerd, waardoor de vorming van een koeklaag wordt I tegengegaan.

Backpulsers zijn ook erg geschikt voor gebruik van het concentreren van samples voor I 30 de detectie en het tellen van etensbedervende of ziekmakende micro-organismen, e.g.

I lactobacillus, E-coli en legionella. Na het concentreren zullen micro-organismen I aanwezig zijn op het membraan en kunnen ze worden bewerkt voor bijvoorbeeld I microscopische inspectie (inclusief het kleuren met dood/levend fluorescentie kits) en I PolymerChainReaction versterkingstechnieken. Kleine filtratiemembranen van I 1024292 5 bijvoorbeeld 4*4 mm kunnen makkelijk met een schone en steriele pincet in een kleine PCR-cup geplaatst worden. Het filtratiemembraan kan ook worden voorzien van een immunobindings- (of elisa koppelings) reagens voor het selectief koppelen van bepaalde species direct op het filtratiemembraan tijdens filtratie, speciaal wanneer S cross-flowtechnieken worden gebruikt voor het concentreren van het sample. Magnetische lagen kunnen ook worden aangebracht voor het aantrekken van immuno magnetic beads. Daarnaast kunnen de filtratiemembranen ook worden voorzien van metaallagen voor bijvoorbeeld het optisch niet-transparant maken van het membraan, of voor het voorkomen van ‘quenching’ van het optische signaal, of voor het verminderen 10 van fluorescentie achtergrondstraling of voor elektrolyse en electro-wetting voor het tegengaan van vervuiling. Platina kan bijvoorbeeld worden aangebracht in elektrische weerstandsstrips op het filtratiemembraan voor verwarming of integriteits-controle. Ook kan een bacteriedodende oppervlakte modificatie worden aangebracht, bijvoorbeeld een zilver coating. Piëzomaterialen kunnen ook worden aangebracht voor het direct in 15 trilling brengen van het membraan of voor het detecteren van de doorbuiging van het membraan voor drukregistratie. De intensiteit en de frequentie van de backpulsers kan ook worden gereguleerd door de transmembraandruk van het filtratiemembraan te meten. In normale gevallen zal de transmembraandruk stijgen wanneer een koeklaag wordt opgebouwd op het filtratiemembraan. Bij voorkeur worden hydrofiele coatings 20 toegepast, zoals titaanoxyde of siliciumoxyde, die het koppelen van vervuilende componenten uit het samplemateriaal tegengaan.

Met behulp van backpulstechnieken in dead-end filtratie kan de totale opbrengst van de sample vloeistof minimaal 5 tot 10 maal groter zijn in vergelijking met filtratie zonder backpulstechnieken waar de te filtreren vloeistof een sample van bijvoorbeeld bier, 25 wijn, frisdank, mineraalwater etc. kan zijn. Deze methode is ook toepasbaar op alle huidige beschikbare filtratiemembranen (e.g. track etched membranen) en is in het bijzonder geschikt voor filtratiemembranen die gemicromachined zijn, vanwege hun lage stromingsweerstand. De genoemde techniek volgens de uitvinding kan ook gebruikt worden voor het opconcentreren van een gegeven hoeveelheid sample vloeistof 30 tot een fractie hiervan (bijvoorbeeld tot een volume van 1-5 %), waarbij de micro-organismen achterblijven in de fractie en die bijvoorbeeld vervolgens met PCR wordt geanalyseerd.

1024292

Claims (8)

1. 7 Werkwijze volgens claim 6 met het kenmerk dat het filtratiemembraan is gemaakt I I met (micro machining) technieken die zeer nauwkeurig gedefinieerde poriën I I 25 mogelijk maken (met een zeer nauwe poriegrootte distributie). I I 8 Backpulser voor het backpulsen van een bepaalde hoeveelheid gefiltreerde I I vloeistof door het membraan in de richting van de vloeistof die nog moet worden I gefiltreerd, met het kenmerk dat een tijdelijke verandering en een relatieve I I beweging van die hoeveelheid wordt veroorzaakt. I I 30 9 Werkwijze volgens conclusie 8 met het kenmerk dat de tijdelijke verandering I I essentieel ligt in het gebied tussen 0.0001 en 1000 Hz, in het bijzonder tussen 0.01 I I Hz en 100 Hz, bij voorkeur tussen 5 en 25 Hz I I 10 Werkwijze volgens conclusie 8 met het kenmerk dat de hoeveelheid wordt I verkregen door een tweede tijdelijke verandering essentieel in het gebied tussen 1 I I 1024292 « en 10000 Hz, in het bijzonder tussen 10 Hz en 1000 Hz, bij voorkeur tussen 100 en 200 Hz.
2. 11 Werkwijze volgens conclusies 8-10 met het kenmerk dat het membraan wordt bewogen. S 12 Werkwijze volgens conclusies 8-11 met het kenmerk dat de backpuls wordt gecombineerd met trillingen of oscillaties van de vloeistof.
3. 13 Werkwijze volgens conclusie 12 met het kenmerk dat de oscillaties/vibraties met name liggen in het gebied tussen 10 en 10000 Hz, in het bijzonder tussen 50 Hz en 5000 Hz, bij voorkeur tussen 50 en 500 Hz. 10 14 Werkwijze volgens conclusies 8-13 met het kenmerk dat de duur tussen twee opeenvolgende backpulsen afhankelijk is van de vervuiling van het membraan tijdens filtratie.
4. 15 Werkwijze volgens conclusie 8-14 met het kenmerk dat de hoeveelheid vervuiling op het filter in de gaten wordt gehouden door middel van een flow- of druksensor. 15 16 Backpulser met het kenmerk dat de backpulser een verplaatsingslichaam bevat dat een bepaalde hoeveelheid al gefiltreerde vloeistof kan verplaatsen terug door het membraan naar het ongefiltreerde deel van de vloeistof.
5. 17 Backpulser volgens conclusie 16 met het kenmerk dat het verplaatsingslichaam niet in direct contact is met de vloeistof. 20 18 Backpulser volgens conclusies 16,17 met het kenmerk dat het verplaatsingslichaam tijdens het backpulsen een elastische op een slanglijkende uitgang van de gefiltreerde vloeistof afsluit en een bepaalde hoeveelheid gefiltreerde vloeistof terug door het membraan perst na het sluiten van de uitgang.
6. 19 Backpulser volgens conclusie 16 met het kenmerk dat het verplaatsingslichaam in 25 direct contact is met de vloeistof en een uitgang van de verplaatsingslichaambehuizing afsluit door een kleine verplaatsing en dan een bepaalde hoeveelheid vloeistof terug duwt door het membraan na het sluiten van de uitgang van de verplaatsingslichaambehuizing.
7. 20 Backpulser volgens conclusie 19 met het kenmerk dat de backpulser geen 30 beweegbare delen bevat die de vloeistofeijde van de verplaatsingslichaambehuizing verbinden met de niet-vloeistofzijde van de verplaatsingslichaambehuizing.
8. 21 Backpulser volgens conclusies 16-20 met het kenmerk dat het verplaatsingslichaam bewogen kan worden met behulp van magnetische krachten. 10 2 4 2 B 2 I 8 I I 22 Backpulser volgens conclusies 16-21 met het kenmerk dat het I I verplaatsingslichaam magnetisch materiaal bevat I I 23 Backpulser volgens een der conclusies 19-22 met het kenmerk dat de backpulser I I bestaat uit (hygiënisch ontworpen) cilinder en een zuiger als verplaatsingslichaam- I I 5 behuizing en verplaatsingslichaam. I I 24 Backpulser volgens een der conclusies 19-23 met het kenmerk dat het I I verplaatsingslichaam een deel heeft met een grote doorsnede en magnetisch I I materiaal en een deel met een kleinere doorsnede om de uitgang van de I I verplaatsingslichaambehuizing af te sluiten om op deze manier de backpulsdruk I I 10 prestatie te verbeteren I I 25 Backpulser volgens een der conclusies 16-24 met het kenmerk dat additionele I I middelen bevat om snelle hervervuiling van het membraan nadat een backpuls is I I gegeven, tegen te gaan. I I 26 Backpulser volgens conclusie 25 met het kenmerk dat deze middelen leiden tot I I 15 relatief snelle beweging van het verplaatsingslichaam om genoemd bepaald I volume terug te pulsen en een langzame beweging om het verplaatsingslichaam in I I de rust stand te brengen. I I 27 Backpulser volgens conclusie 25 met het kenmerk dat de middelen leiden tot een I I ventiel (een weg) klep om extra (gefiltreerde) vloeistof in te brengen tussen het I 20 membraan en de backpulser kort nadat de bepaalde hoeveelheid is verplaatst. I I 28 Backpulser volgens conclusies 25 of 27 met het kenmerk dat deze middelen leiden I I tot een verplaatsingslichaam met een ventielklep. I I 1024292