DE10130714A1 - Wickelmodul zur Crossflow-Filtration - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wickelmodul zur Crossflow-Filtration mit einem Wickelkern (2) und zumindest einer Membran (4; 6), einem Permeatspacer (10) und einem Retentatspacer, welche in zumindest einer Windung um den Wickelkern (2) derart gewickelt sind, daß die Membran (4; 6) zwischen Permeat- (10) und Retentatspacer (12) liegt und der Permeatspacer (10) und der Retentatspacer (12) einen Permeatkanal und einen Retentatkanal definieren, dadurch gekennzeichnet, die Windung in einem Abschnitt (20) an einem Eintrittsende nichtfilternd ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Wickelmodul zur Cross-Flow-Filtration, insbesondere Cross-Flow-Mikrofiltration.
• Bei der Crossflow-Filtration werden die Filterelemente bzw. Membranen tangential von dem zu filtrierenden Medium überströmt. Entsprechende Wickelfiltermodule bzw. Wickelmodule sind beispielsweise aus der EP 0 208 883 B1 sowie der WO 84/00701 bekannt. Bei diesen Wickelmodulen sind zwei Membranen und zwei Spacer bzw. Abstandhalter vorgesehen, welche durch spiralförmiges Wickeln abwechselnd übereinanderliegend angeordnet sind. Diese geschichtete Struktur ist in kreisförmiger Weise um einen im wesentlichen kreisförmigen Wickelkern gewickelt. Die Spacer oder Abstandhalter sind als gitterförmige Gewebe ausgebildet. Einer der Spacer bildete einen Retentatkanal, während der zweite einen Permeatkanal bildet. Das zu filtrierende Medium wird in den Retentatkanal eingeleitet und durchströmt diesen, wobei die Membranen tangential überströmt werden. Auf der anderen Seite der Membranen wird das Permeat durch den von dem zweiten Spacer gebildeten Permeatkanal abgeführt. Im Anfangsbereich des Retentatkanals, durch den das zu filtrierende Medium in das Wickelmodul eingeleitet wird, neigen die Membranen solcher Wickelmodule zum Verstopfen, was die Filterleistung des Moduls beeinträchtigt.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Wickelmodul mit einer gesteigerten Filterleistung zu schaffen.
• Die Erfindung wird durch ein Wickelmodul mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Das erfindungsgemäße Wickelmodul weist wie herkömmliche Wickelmodule einen Retentatkanal und einen Permeatkanal auf, welche durch entsprechende Spacer bzw. Abstandhalter gebildet werden, welche übereinanderliegend spiralförmig gewickelt angeordnet sind. Dabei bilden sie zumindest eine Windung um einen Wickelkern. Zwischen dem Permeatkanal und dem Retentatkanal erstreckt sich eine Membran. Das Eintrittsende bzw. der Eintrittsabschnitt der aus Retentatspacer, Permeatspacer und Membran bestehenden Wicklung bzw. Windung ist bereichsweise nichtfilternd ausgebildet. Das Eintrittsende ist das Ende der Wicklung, durch welches das zu filtrierende Medium in das Wickelmodul, d. h. in den Retentatkanal eintritt. Dieses Ende kann entweder das innere Ende oder vorzugsweise das außenliegende Ende der Wicklung sein. Im ersten Fall wird das zu filtrierende Medium durch den Wickelkern zugeführt. Im zweiten Fall wird das zu filtrierende Medium in das äußere Ende der Wicklung eingeleitet. Das äußere Ende ist dasjenige Ende der Wicklung bzw. der Windung, welches an der Außenseite des Moduls angeordnet ist. Aufgrund der nichtfilternden Ausgestaltung des ersten Abschnittes am Einlauf des Wickelmoduls kann sich in dem Wickelmodul zunächst eine gleichmäßige Strömung des zu filtrierenden Mediums ausbilden. Der in Strömungsrichtung gesehen erste Abschnitt der Wicklung bildet somit einen Einströmkanal, welcher lediglich dafür sorgt, daß sich eine gewünschte Strömung in dem Wickelmodul einstellen kann. Die Länge des nichtfilternden Abschnittes, d. h. des Einströmkanals wird so gewählt, daß sich die gewünschte Strömung in diesem Abschnitt im wesentlichen einstellen kann. Nach dem ersten nichtfilternden Einlaufabschnitt, in dem sich eine gleichmäßige und stabile Strömung des zu filtrierenden Mediums ausbildet, tritt dieses in den in bekannter Weise ausgestalteten Bereich der Wicklung ein, in dem die Filtration stattfindet. Dabei ist durch den vorgeschalteten Einlaufabschnitt sichergestellt, daß in sämtlichen Bereichen des Wickelmoduls, in dem eine Filtration durchgeführt wird, eine gleichmäßige und stabil ausgebildete Strömung vorliegt, welche ein Verstopfen der Membran verringert oder ganz verhindert.
• Vorzugsweise weist das Wickelmodul mehrere Windungen auf, wobei die in Eintrittsrichtung gesehen erste Windung als nichtfilternder Abschnitt ausgebildet ist. Die in Einströmrichtung erste Windung ist diejenige Windung, in die das zu filtrierende Medium zuerst eintritt. Dies kann die innerste oder vorzugsweise die äußerste Windung der Wicklung sein. Die Membran, der Retentatspacer und der Permeatspacer sind übereinanderliegend in mehreren Windungen mehrfach um den Wickelkern gewickelt. Die in Eintritts- bzw. Strömungsrichtung erste Windung, vorzugsweise die äußere Windung, bildet dabei einen nichtfilternden Abschnitt. Im Betrieb strömt das zu filtrierende Medium von außen in den Retentatkanal des Wickelmoduls ein und durchströmt dann den spiralförmigen Retentatkanal bis zum Wickelkern. Alternativ kann das zu filtrierende Medium durch den Wickelkern von innen in den Retentatkanal der Wicklung einströmen und diesen dann zur Außenseite der Wicklung hin durchströmen. Da die erste Windung vollständig als nichtfilternder Abschnitt ausgebildet ist, gibt es eine lange Strömungsstrecke, auf der sich die gewünschte Strömung einstellen kann, bevor sie in den Bereich des Wickelmoduls eintritt, in dem die Filtration stattfindet.
• Bevorzugt ist im Bereich des nichtfilternden Abschnitts kein Permeatkanal ausgebildet. Folglich kann in diesem Bereich kein Stofftransport durch die Membran stattfinden. In diesem Bereich findet somit keine Filtration statt, der Bereich ist auf sehr einfache Weise nichtfilternd ausgebildet.
• Weiter bevorzugt sind zwei Membranen vorgesehen, welche in der Wicklung abwechselnd mit dem Retentat- und dem Permeatspacer angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht eine sehr effiziente Gestaltung des Wickelmoduls, da an beiden Seiten des Retentatkanals jeweils eine Membran anliegt. Vom Retentatkanal aus gesehen hinter jeder Membran befindet sich jeweils ein Permeatkanal. Auf diese Weise werden die in dem Retentatkanal vorhandenen Oberflächen optimal zur Filtration ausgenutzt.
• In einem solchen Wickelmodul ist vorzugsweise in dem nichtfilternden Abschnitt zwischen den beiden Membranen kein Permeatspacer angeordnet. Auf diese Weise wird ein Abschnitt zwischen den beiden Membranen ausgebildet, in dem kein Permeatkanal vorhanden ist. Folglich sind die Membranen in diesem Abschnitt nicht wirksam, d. h. es findet keine Filtration statt. So wird ein nichtfilternder Bereich der Wicklung bzw. der ersten oder äußeren Windung geschaffen, in dem sich eine gleichmäßige Strömung einstellen kann.
• Vorzugsweise sind die beiden Membranen an den Enden des nichtfilternden Abschnitts dichtend miteinander verbunden, insbesondere verschweißt. Auf diese Weise wird zwischen den beiden Membranen eine totgelegte bzw. tote Tasche ausgebildet, durch die kein Permeat abströmen kann. Somit befindet sich im Bereich der toten Tasche kein Permeatkanal zwischen den beiden Membranen. Folglich kann in diesem Bereich kein Permeat abgeführt werden, so daß die Membranen in diesem Bereich nicht filternd wirken bzw. unwirksam sind. Anstelle einer Verschweißung ist es auch denkbar, die beiden Membranen miteinander zu verkleben oder in anderer Weise dichtend miteinander zu verbinden.
• Alternativ kann im Bereich des nichtfilternden Abschnittes nur eine Membran vorgesehen sein. Wenn in diesem Abschnitt kein Permeatkanal vorhanden sein soll, ist es nicht unbedingt erforderlich eine durch zwei Membranen gebildete tote Tasche vorzusehen. Alternativ kann die eine Membran kürzer ausgebildet werden, so daß im Bereich des Eintritts- bzw. Einströmendes der Wicklung, durch welches das zu filtrierende Medium in die Wicklung einströmt, nur eine Membran vorgesehen ist, welche zwischen zwei Lagen bzw. Windungen des Retentatspacers liegt. In diesem Bereich, in dem nur eine Membran vorgesehen ist, gibt es somit keinen Permeatkanal und keine Filterwirkung des Wickelmoduls. Dieser Abschnitt bildet lediglich einen Einströmkanal, in dem sich eine stabile gleichmäßige Strömung einstellen kann, bevor die eigentliche Filtration in den nachfolgenden Teilen bzw. Bereichen der Wicklung bzw. die nachfolgenden Windungen erfolgt.
• Ferner kann vorteilhafterweise in dem nichtfilternden Abschnitt eine Dichtungslage zwischen dem Permeatkanal und dem Retentatkanal angeordnet sein. Dies ist alternativ oder zusätzlich zu den zuvor erläuterten Ausführungsformen möglich. Die Dichtungslage verhindert einen Übergang von dem Retentat- zu dem Permeatkanal. Daher kann in dem Bereich des Wickelmoduls, in dem die Dichtungslage vorgesehen ist, keine Filtration stattfinden. Die Dichtungslage bildet daher einen nichtfilternden Abschnitt, welcher den Einströmvorgang des zu filtrierenden Mediums in das Wickelmodul begünstigt. Die Dichtungslage kann beispielsweise in Form einer Folie oder einer Beschichtung der Membran im Bereich des nichtfilternden Abschnittes ausgebildet sein. Bevorzugt wird eine solche Dichtungslage an der Seite der Membran angeordnet, welche dem Retentatkanal zugewandt ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figur beispielhaft erläutert. Diese zeigt einen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Wickelmodul.
• In der Figur ist ein Wickelmodul gezeigt, welches als Flachwickelmodul mit einem flachen Wickelkern 2 ausgebildet ist. Der Wickelkern 2 ist plattenförmig mit zwei zueinander parallelen planen Außenflächen und zwei halbkreisförmigen Kanten bzw. Längskanten. Um diesen Wickelkern 2 sind die bevorzugt zwei Membranen 4 und 6 sowie der Retentatspacer 8 und der Permeatspacer 10 über die gerundeten Längskanten gewickelt. Auf diese Weise wird ein flaches Wickelmodul mit langen planen Abschnitten und kleinen Krümmungsradien an deren Enden geschaffen. Entsprechend dieser äußeren Form sind auch die von den Abstandhaltern bzw. Spacern gebildeten Strömungskanäle, d. h. der Retentat- und der Permeatkanal in weiten Bereichen plan bzw. eben und weisen an den Enden der planen Bereiche vorzugsweise enge Krümmungsradien auf. Ein solches Wickelmodul ermöglicht eine besonders hohe Filterleistung. Die Erfindung kann jedoch auch in Wickelmodulen mit anderen Querschnittsformen, beispielsweise in Wickelmodulen mit kreisförmigem Querschnitt eingesetzt werden.
• Bei dem dargestellten Wickelmodul wird das zu filtrierende Medium von der Außenseite her in die Wicklung, d. h. den spiralförmigen Retentatkanal eingeleitet. Das Retentat sowie das Permeat werden nach Durchströmen des Wickelmoduls durch den Wickelkern abgeleitet. Alternativ kann das zu filtrierende Medium bzw. Fluid auch durch den Wickelkern zugeführt werden. Es durchströmt in diesem Fall das Wickelmodul bzw. die Wicklung von innen nach außen und das Retentat tritt an der Außenseite der Wicklung aus dem Retentatkanal aus. Bei dieser alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform wird der nachfolgend beschriebene nichtfilternde erste Abschnitt der Wicklung entsprechend am inneren Ende der Wicklung, d. h. zu Beginn der ersten Windung am Wickelkern 2 angeordnet.
• Der Wickelkern 2 weist zwei sich in Längsrichtung erstreckende Bohrungen 12, 14 auf. Die Bohrung 12 ist eine Retentatbohrung 12, durch die das Retentat aus dem Wickelmodul abgeführt wird. Die Bohrung 14 ist eine Permeatbohrung 14, durch die das Permeat aus dem Wickelmodul abgeführt wird. Die Bohrungen 12, 14erstrecken sich in Längsrichtung durch den Wickelkern 2 und sind über Kanäle 16, 18 zur Oberfläche des Wickelkerns 2 hin geöffnet. Die Kanäle 16 und 18 sind bevorzugt als Schlitze ausgebildet, welche sich vorzugsweise nahezu über die gesamte Länge des Wickelkerns 2 und der Bohrungen 12, 14 erstrecken. In den Schlitz 16 ist der Retentatspacer 8 und in den Schlitz 18 ist der Permeatspacer 10 eingesetzt. Die Spacer 8, 10 sind in den Schlitzen 16, 18 passend eingesetzt bzw. geklemmt oder werden in anderer Weise, beispielsweise durch Schweißen an dem Wickelkern 2 fixiert. Die Abstandhalter bzw. Spacer 8, 10 sind gitterförmig bzw. netzartig ausgebildet und sind in ihrer Erstreckungsrichtung von einem Fluid durchströmbar. So bilden die Spacer 8, 10 zwischen den Membranen 4, 6 einen Retentat- und einen Permeatkanal, durch welche das Retentat bzw. das Permeat strömen kann. Über die Schlitze 16, 18 stehen die Retentatbohrung 12 und die Permeatbohrung 14 mit dem Retentatkanal bzw. dem Permeatkanal in Verbindung, so daß das durch den Retentatkanal strömende Medium in die Retentatbohrung 12 und das durch den Permeatkanal strömende Medium in die Permeatbohrung 14 strömt. Die Bohrungen 12 und 14 können mit äußeren Anschlüssen des Filtermoduls verbunden werden, um Retentat und Permeat von bzw. nach außen zu- bzw. abzuleiten.
• Die Membran 4 ist zwischen dem Schlitz 16 und dem Schlitz 18 vorzugsweise durch Schweißen dichtend mit dem Wickelkern 2 verbunden. Die Membran 6 ist an der entgegengesetzten Seite des Schlitzes 18 mit der Oberfläche des Wickelkerns 2 ebenfalls dichtend verbunden. Diese Anordnung bewirkt, daß der Retentatspacer 10 zwischen den beiden Membranen 4, 6 angeordnet ist und daß an den dem Permeatspacer 10 entgegengesetzten Seiten der Membranen 4, 6 jeweils der Retentatspacer 8 zu liegen kommt. Die Membranen trennen somit den Permeat- von dem Retentatkanal. Diese geschichtete Struktur aus den Membranen 4, 6 und den Abstandhaltern bzw. Spacern 8, 10 ist vorzugsweise in mehreren Windungen um den Wickelkern 2 gewickelt, wobei in der Figur zur Vereinfachung nur eine Windung dargestellt ist.
• Im Endbereich der Wicklung, d. h. der äußeren Windung ist zwischen den Membranen 4, 6 kein Permeatspacer angeordnet, so daß eine tote bzw. totgelegte Tasche 20 ausgebildet wird. An den beiden in Wickelrichtung entgegengesetzten Enden 22, 24 der totgelegten Tasche 20 sind die Membranen 4, 6 miteinander verbunden. Dazu ist an dem Ende 22 vorzugsweise eine Schweißnaht vorgesehen. An dem Ende 24 können die Membranen 4, 6 einstückig verbunden sein, d. h. die Membranen 4, 6 bestehen aus einer Membran, die an dem Ende bzw. der Kante 24 umgefaltet ist. Alternativ können die Membranen 4, 6 auch verklebt oder in anderer Weise dichtend miteinander verbunden werden. Im Bereich der totgelegten Tasche 20 kann keine Filtration stattfinden, da ein Übergang von der totgelegten Tasche 20 zu dem von dem Permeatspacer 10 definierten Permeatkanal aufgrund der Schweißnaht an dem Ende 22 nicht möglich ist. So wird am Ende der letzten, d. h. äußeren Windung ein nicht filternder Abschnitt im Bereich der toten bzw. totgelegten Tasche 20 ausgebildet. Die totgelegte Tasche 20 kommt auf dem Retentatspacer 8 zu liegen. Unter der vorderen Kante 24 der totgelegten Tasche 20 strömt das zu filtrierende Medium in den Retentatspacer ein und durchströmt dann den von dem Retentatspacer definierten Retentatkanal spiralförmig bis zu der Retentatbohrung 12. In dem Bereich der totgelegten Tasche 20 strömt das zu filtrierende Medium an der Membran 4 vorbei, ohne daß eine Filtration stattfinden kann, da an der entgegengesetzten Seite der Membran 4 kein Permeat abgeleitet werden kann. Daher kann sich in diesem Abschnitt zunächst eine bevorzugt gleichmäßige und stabile Strömung ausbilden, bevor die eigentliche Filtration in den in Strömungsrichtung nachfolgenden Bereichen der Wicklung bzw. der Windung beginnt. Im Anschluß an die totgelegte Tasche 20 beginnt der von dem Permeatspacer 10 definierte Permeatkanal hinter der Schweißnaht an dem Ende 22. In diesem Abschnitt beginnt dann die Filtration. Wenn das zu filtrierende Medium diesen Abschnitt mit dem Permeatspacer 10 erreicht, hat sich eine bevorzugt gleichmäßige und stabile Strömung ausgebildet, so daß ein Verstopfen der Membran 4 in diesem Bereich verhindert werden kann. Parallel zu der totgelegten Tasche 20 definiert der Retentatspacer 8 somit einen Einströmkanal entlang dem keine Filtration stattfindet.
• Anstelle der totgelegten Tasche 20 könnte in diesem Bereich auch eine Dichtungslage bzw. -schicht auf der Membran 4 angeordnet werden oder es könnte die Membran 4 beispielsweise durch eine dichtende Folie ersetzt werden. Die Länge des nichtfilternden Abschnittes, d. h. der totgelegten Tasche 20 wird so gewählt, daß sich in diesem Bereich eine ausreichend gleichmäßige und stabile Strömung einstellen kann. Vorzugsweise hat der totgelegte bzw. nichtfilternde Bereich die Länge einer vollständigen Windung, d. h. in der in Einströmrichtung ersten, vorzugsweise äußeren Windung der Wicklung findet keine Filtration statt. Bezugszeichenliste 2 Wickelkern
  4, 6 Membranen
  8 Retentatspacer
  10 Permeatspacer
  12 Retentatbohrung
  14 Permeatbohrung
  16,18 Schlitze
  20 tote Tasche
  22 Ende
  24 vordere Kante
  

Claims (8)

1. Wickelmodul zur Crossflow-Filtration mit einem Wickelkern (2) und zumindest einer Membran (4; 6), einem Permeatspacer (10) und einem Retentatspacer (12), welche in zumindest einer Windung um den Wickelkern (2) derart gewickelt sind, daß die Membran (4; 6) zwischen Permeat- (10) und Retentatspacer (12) liegt und der Permeatspacer (10) und der Retentatspacer (12) einen Permeatkanal und einen Retentatkanal definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Windung in einem Abschnitt (20) an einem Eintrittsende nichtfilternd ausgebildet ist.

2. Wickelmodul nach Anspruch 1, welches mehrere Windungen aufweist, wobei die in Eintrittsrichtung gesehen erste Windung als nichtfilternder Abschnitt (20) ausgebildet ist.

3. Wickelmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem im Bereich des nichtfilternden Abschnitts (20) kein Permeatkanal ausgebildet ist.

4. Wickelmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zwei Membranen (4, 6) vorgesehen sind, welche in der Wicklung abwechselnd mit dem Retentat- (12) und dem Permeatspacer (10) angeordnet sind.

5. Wickelmodul nach Anspruch 4, bei welchem in dem nichtfilternden Abschnitt (20) zwischen den beiden Membranen (4, 6) kein Permeatspacer angeordnet ist.

6. Wickelmodul nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die beiden Membranen (4, 6) an den Enden (22, 24) des nichtfilternden Abschnittes (20) dichtend miteinander verbunden, insbesondere verschweißt sind.

7. Wickelmodul nach Anspruch 5, bei welchem im Bereich des nichtfilternden Abschnittes (20) nur eine Membran (4; 6) vorgesehen ist.

8. Wickelmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem in dem nichtfilternden Abschnitt (20) eine Dichtungslage zwischen dem Permeatkanal und dem Retentatkanal angeordnet ist.