CN101298005B - 盒式过滤装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种过滤装置，其中，过滤膜通过垫圈被定位在供应板和过滤板上，而不是粘结至它们。

Description

盒式过滤装置

本发明专利申请要求2007年3月29日提交的美国临时专利申请No.60/920660以及2007年3月26日提交的美国临时专利申请No.60/920085的优选权，它们结合在此引作参考。

技术领域

本发明涉及用于实现液体成分过滤的一次性膜过滤装置，其中，供应液体被引入到装置中，并且过滤物流以及可选地滞留物流从装置被去除。更具体地讲，本发明涉及一次性切向流膜过滤装置或者垂直流(dead-ended flow)膜过滤装置，其通过以下方式被形成并可选地被密封，利用一体成型至过滤板的垫圈，所述垫圈选择性密封过滤膜。

背景技术

在本发明之前，液体已经在多个过滤模块中被过滤，其中所述过滤模块在集管之间被堆叠，并单独密封至集管板。每个模块包括一个或多个过滤层，所述过滤层通过具有一体的垫圈的热塑板被隔离，以允许并将液体供应流分配到装置中，并且从装置分配过滤物流。模块中的过滤可以被实施为切向流过滤(TFF)过程，其中输入供应液体沿切向流经膜表面，以形成滞留物和过滤物。可选地，过滤可以被实施为垂直方式，或者被称为垂直流过滤(NFF)，其中所有输入供应流通经过膜过滤器，而固体和其它碎屑滞留在膜过滤器上。在后一种方式中，仅仅过滤物被回收。

目前，新的膜制品由于现有装置的结构而被限制。为了获得用于实现加工级的垂直流过滤足够大的膜面积，膜被折叠并组装在盒中。这将新膜的成分限制于那些柔软且薄的材料，并且限制了具有已经知改进过滤性能的对称孔隙结构的膜。包括膜盒以及堆叠的盘的可选的过滤结构取决于膜的灌封或热学结合以形成密封，另外将膜成分限制于适于热学结合或灌封的材料，例如环氧树脂、聚氨酯或硅酮。在切向流过滤装置的情况中，过滤物流从供应流和滞留物流被密封。粘合剂是不期望的，因为它们具有限制的化学兼容性，是显著可萃取物的源，对处理控制引入难度，造成结合强度限制，造成使用温度限制，并且增加处理循环时间。溶剂结合是不期望，这是因为溶剂造成环境问题，并且造成制造工艺变化，同时潜在有用的聚合物通过它们的溶解特征被限制。另外，已经提出来，通过以下方式修改膜层的边缘，将聚合热塑密封成分添加至膜层表面。然后，聚合热塑密封成分被用于将膜密封至附近的隔离层。因为聚合热塑密封成分侵入膜层中是被膜的小孔限制，所以密封成分与膜之间的密封强度相对较低。此外，诸如所列举的那些处理需要很大的发展并且对于膜中的每个对应成分、孔尺寸以及所使用的热塑性塑料而言是特别的。附加地，期望的是用热塑性塑料或热固材料形成壳体，其不可能热学结合，或者环氧树脂或硅酮并不粘合。膜与热塑性板的热学结合在本技术领域中也是已知的，然而，要求膜可与热塑性过滤板兼容。目前，膜材料是由以下不同的材料制成，例如聚四氟乙烯(PTFE)；聚偏氟乙烯(PVDF)；聚醚砜(PES)；纤维素和聚酰胺(尼龙)，这要求大量的过滤制造工艺，并且不利于使用新的、新颖的膜材料。

在工业中已经知道利用诸如硅酮和热塑性弹性体的垫片进行密封。然而，其通常应用于容纳在单对塑料或不锈钢板内的单个过滤层。如果需要更大的过滤面积以实现特定的分离，则各个壳体将以平行的方式在外侧垂直安置，由于额外的确认以及清洁，这将是令人讨厌的、不期望的过程。

美国专利公开文献No.5429742公开了一种过滤盒，包括多个过滤膜成型在其中的热塑性框架。热塑性框架被成型成，提供流体通道，确保待过滤的输入流体将通过膜，这是在将过滤的流体从过滤盒去除之前进行的。框架厚到足以使得可以形成相对于膜来回的流体通道。所述的过滤盒需要膜被插入成型，这将构成壳体的材料限制于那些可适于包覆成型的以及那些将于过滤层形成密封的材料。

美国专利申请公开文献No.2004/0226875A1公开了一种过滤模块，其中供应物、过滤物以及可选滞留物的期望的流体通道的密封通过以下方式实现，以加热密封期望的结构的隔离层的周边。这种设计限制于仅仅以这种方式可以工作的几种材料。

因此，期望的是，提供一种多层过滤装置，所述过滤装置利用多个过滤元件，各层合适地被密封而不使用粘合剂或溶剂结合。另外，期望的是提供这样一种过滤装置，其并不限于膜的成分或过滤板。而且，期望的是提供切向流或垂直过滤装置，该过滤装置每单元容积包含大量过滤层，它们可以形成为堆叠体，并且可以被合适地密封以在堆叠体内限定流体流道。另外，期望的是提供一种切向流或垂直过滤装置，该过滤装置每容积包含大量过滤层，它们可以形成为堆叠体，并且可以被合适地密封以在堆叠体内限定流体流道。

发明内容

本发明提供了一种具有垫圈的盒式过滤装置，其包括过滤膜。所述膜通过以下方式在模块中被固定就位，将垫圈以除了粘合至供应板或过滤板以外的方式进行匹配。过滤装置是由过滤模块的堆叠体形成。过滤模块是由供应板、过滤板以及定位在所述各板之间的过滤膜形成。供应板和过滤板设有垫圈，所述垫圈限定供应物、过滤物以及可选的滞留物的期望的流体通道。垫圈可以定位成限定垂直流过滤(NFF)或切向流过滤(TFF)。过滤模块是通过以下方式被形成的，将供应板和过滤板与它们之间定位的膜锁配在一起。多个过滤模块然后也经由锁配的方式被堆叠，并且固定在两个集管之间，所述集管在过滤装置中提供了期望的流体流。集管定位并夹持在所述各板之间，将垫圈固定就位，抵抗着流体流的压力保持密封。

附图说明

图1a是本发明的TFF供应板的第一表面的透视图；

图1b是包含膜的、图1的TFF供应板的第二表面的透视图；

图2a是相对于图1a的第一表面180°定位的、本发明的TFF供应板的第一表面的透视图；

图2b是包含膜的、图2a的TFF过滤板的底侧表面的透视图；

图3是分别包含供应板和过滤板的、本发明的两个TFF过滤模块的分解视图；

图4是本发明的TFF过滤装置的透视图；

图5是用在本发明中的锁配结构的侧视图；

图6是用在本发明中的可选的锁配结构的侧视图；

图7是本发明的TFF装置的透视图；

图8是本发明的NFF过滤模块的分解视图；

图9a是本发明的NFF供应板的第一表面的透视图；

图9b是图9a的NFF供应板的第二表面的透视图；

图10a是本发明的NFF过滤板的第一表面的透视图；

图10b是图10a的NFF过滤板的第二表面的透视图；

图11是本发明的NFF装置的透视图。

具体实施方式

如图1a、1b、2a和2b所示的供应板和过滤板具有相同的衬垫结构以及无衬垫孔结构。通过以下方式获得通过相邻的供应板和过滤板的期望的流体流，以这样的方式定位具有无衬垫孔的表面，从而防止过滤物与供应物或滞留物之一混合。

参看图1a和1b，示出了供应板1的两个表面1a和1b。如图1a所示，表面1a包括外周垫圈2。每个孔3和4由垫圈包围。如图1b所示，表面1b包含外周垫圈11以及内周垫圈2b(如虚线所示)。每个孔5和6是未衬垫的并且是打开的。供应物通过孔5进入表面1a。每个孔7和8是衬垫的。穿孔6a设置成允许流体供应物通过板1并通过过滤膜9。尽管穿孔6a布置成E的结构，但是应该理解的是，它们可以是任一的结构，从而供应物流经板1。供应物进入顶侧表面1a，通过穿孔6a并通过过滤膜9，以作为过滤物排出。未过滤的供应物作为滞留物通过孔6从表面1a离开。

参看图2a和2b，示出了过滤板10的两个表面10a和10b。表面10a包括外周垫圈22以及内周垫圈22a。每个孔15和16由垫圈包围。表面10b包括外周垫圈13。每个孔17和18通向流体流，并且由抬高的穿孔区段包围，以在16和15周围提供支承垫圈。这防止了在操作压力之下密封破坏。相似抬高的、穿孔区段设置在表面10b上，以提供对于垫圈22a的支承。每个孔19和20由垫圈包围。穿孔17a设置成穿过板10，以允许过滤的流体供应物从表面10b通至表面10a。图1b的垫圈2b以及图2b的垫片22a用于在两个表面1b和1a彼此匹配时密封过滤膜9的周边。包围孔8和15的垫圈彼此相互接触以形成密封。包围孔7a和16的垫圈彼此接触以形成密封。

如图3所示，供应板1和过滤板10连接在一起，以在它们之间包围和密封过滤膜9，并且密封供应板1的周边以及过滤板10的周边。彼此相互匹配的两个板10的表面具有同一结构，该结构如图所示是在具有穿孔17a的板10的表面上。孔3周围的垫圈密封与孔16周围的垫圈密封匹配。孔4周围的垫圈密封与孔15周围的垫圈密封匹配。如图3所示，输入流体供应物7通过孔5，横贯表面1a，通过穿孔6a，通过膜过滤器9(图1b)(成为过滤物8a)。通过将供应物7a通过多孔表面33形成第二过滤物8b。在成型板1时可形成多孔表面33。过滤物8a与通过穿孔17a的过滤物8b混合以形成过滤物流8c。滞留物12a通过孔6和15。

参看图4，TFF过滤装置35包括集管36和37、过滤模块38的堆叠体、供应物入口40、过滤物出口42以及滞留物出口44。过滤模块38和集管36和37通过螺栓45保持在板41与43之间。

参看图5，示出了锁配连接器。包括两个柔性叉48的阳连接元件46连接至过滤板10。叉48装配在供应板1内的阴连接器49a中。

参看图6，示出了可选的锁配连接器。阳连接元件51连接至过滤板10。连接元件51装配到供应板1中的阴连接器53中。

参看图7，示出了TFF过滤模块。由供应板25和过滤板27形成的过滤元件28定位在集管(manifold)32与集管34之间。集管32设有供应物入口12和过滤物出口36。集管34设有过滤物出口38以及供应物入口40。一组过滤物出口装置42设置在集管34上，而第二组过滤物出口装置44设置在集管32上。过滤物出口装置42和44通过过滤导管通道46连接至过滤物出口36和38。孔48在所示的供应板25的表面上不由垫片密封。孔48在未示出的供应板25的表面上由垫圈密封。孔49在示出的和未示出的过滤板27的表面上由垫圈密封。板25的孔50在示出的板25的表面上并不由垫圈密封，并且在未示出的板25的表面上被密封。板27上的孔47在示出的板25的表面上由垫圈密封，并且在未示出的板27的表面上不由垫圈密封。板25和27上的垫圈的结构确保流体流按照由箭头51、53、55、57、59、61、65、36和38依次所示出现，从而所有液体供应物通过过滤膜63。输入供应物由箭头12和40表示。

参照图8，过滤元件28包括供应板25、过滤膜54、过滤板27以及第二过滤板58。供应板25和过滤板27分别设有开孔76和90以及垫圈孔78和79，这些确保了流体流按照由箭头51a、53a、55a、57a、59a、61a、63a、65a和67a依次所示出现。

参看图9a和9b，示出了供应板25的两个表面25a和25b。表面25a包括外周垫圈66以及内周垫圈68。每个孔70和72由垫圈包围。表面25b包括外周垫圈74。每个孔76通至流体流。每个孔78由垫圈包围。膜54定位在表面25a上，并且由垫圈66和68包围。

参看图10a和图10b，示出了过滤板27的两个表面27a和27b。表面27a包括外周垫圈80和内周垫圈82。每个孔84和86由垫圈包围。表面27b包括外周垫圈88。每个孔90通至流体流。膜54由垫圈80和82包围。每个孔92由垫圈包围。

图9a、9b、10a和10b的供应板25和过滤板27连接在一起，以在它们之间包围并密封过滤膜54。密封实现成，外周垫圈66和80匹配以形成密封。周边垫圈68和82也与它们之间的过滤膜54匹配。孔70周围的垫圈与孔84周围的垫圈匹配。孔72周围的垫圈与孔86周围的垫圈密封匹配。参看图11，NFF过滤模块98包括集管32和34、过滤模块100的堆叠体、供应物入口102以及过滤物出口104。过滤模块100和集管32和34通过螺栓110在板106与108之间被保持。

图4和11的过滤装置在使用的过程中从集管夹紧至集管，以将压力施加至如上所述的垫圈。在完成过滤之后，夹紧被释放，并且过滤模块的堆叠体被废弃。

过滤膜是由包括复合膜的单层或多层形成。

本发明可以用于超滤(UF)、微米过滤(MF)式过滤器、纳米过滤式过滤器、以及粗糙或宏观过滤器等。

超滤式(UF)过滤器，可用在本发明中，可由以下组分形成，包括但不限于聚醚砜，包含聚砜、聚醚砜、聚苯砜以及聚芳砜；聚偏氟乙烯；纤维素和其衍生物，例如硝化纤维素和再生纤维素。这些过滤器大体上包括大体由高度多孔结构形成的支承层。用于这些支承层的大多数材料包括各种不同的无纺材料，例如纺粘的(spun bounded)聚乙烯或聚丙烯；纸或玻璃或由与过滤器本身相同或不同聚合物形成的微孔材料。可选地，支承物可以是可形成有或未形成有大孔隙的超滤过滤器的开放多孔的、非对称整体部分。这种过滤器在本技术领域中是已知的，并且可以从诸如Billerica，MA的Millipore公司的各种不同的源购得。

合适的UF过滤器包括再生纤维素或聚砜过滤器，例如可从Billerica，MA的Millipore公司购得的YM^TM或过滤器。

Claims (8)

1.一种过滤装置，包括至少一个过滤模块，所述过滤模块包含供应板、过滤板以及过滤膜，其中所述供应板包含内周垫圈和外周垫圈，所述过滤板包含内周垫圈和外周垫圈，通过所述供应板和所述过滤板上的内周垫圈在所述供应板与所述过滤板之间定位和密封所述过滤膜。

2.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述过滤装置包括多个所述过滤模块。

3.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述过滤装置包括一个或多个流体通道，所述流体通道在所述过滤装置内实现切向流过滤。

4.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述过滤装置包括一个或多个流体通道，所述流体通道在所述过滤装置内实现垂直流过滤。

5.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述供应板和所述过滤板与它们之间的所述膜锁配在一起。

6.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述过滤装置包括多个所述过滤模块，并且所述供应板和所述过滤板与它们之间的所述膜锁配在一起。

7.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述过滤装置包括多个所述过滤模块，流体的流动过滤方式选自垂直流过滤与切向流过滤，并且所述供应板和所述过滤板与它们之间的所述膜锁配在一起。

8.根据权利要求1所述的过滤装置，其特征在于，所述垫圈在所述板上被成型就位。

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