DE10138319A1

DE10138319A1 - Membrankörper sowie Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE10138319A1
Application number: DE10138319A
Authority: DE
Inventors: Roland Hilke; Wolfgang Albrecht; Thomas Weigel; Thomas Groth; Dieter Paul
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-04-24
Also published as: WO2003022410A3; US20040180156A1; EP1414553A2; WO2003022410A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Membrankörper (10) mit wenigstens einer Flachmembran (12), die wenigstens eine Hohlmembran (11) wenigstens teilweise umgibt. DOLLAR A Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Membrankörpers (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Membrankörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Membrankörpers.
Es ist bekannt, daß Mikro-, Ultra- und Nanofiltrationsmembranen in der Regel aus Lösungen von Polymeren hergestellt werden. Bei der im Stand der Technik bekannten Methode zur Herstellung von Flachmembranen wird diese Polymerlösung mit Hilfe eines Gießkastens, eines Rakels oder einer Schlitzdüse als Film auf eine feste Unterlage aufgebracht und anschließend durch Lösungsmittelausdunstung oder ggf. nach Durchlaufen einer Abdunststrecke einem flüssigen Koagulationsmedium ausgesetzt. Im Koagulationsmedium verfestigt sich der zuvor flüssige Film und bildet eine Membran. Herstellungsverfahren dieser Art werden z. B. im Buch "Membran und Membrantrennprozesse, Grundlagen und Anwendungen" (VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim 1992) beschrieben.
Des weiteren sind im Stand der Technik Hohlfadenmembranmodule bspw. zur Trocknung von Gasen (Druckluft) bekannt. DE 197 16 752 A1 beschreibt ein derartiges Modul aus einem Membrankörper und einem Gehäuse, welches Anschlüsse für die Einspeisung und Ableitungen eines (feuchten) Luftstroms, des getrockneten Luftstroms und des Permeatstroms, der den ausgetragenen Wasserdampf enthält, aufweist. Der Membrankörper selbst besteht aus einem Bündel von Hohlfadenmembranen, deren einzelnen Hohlfäden an den Stirnseiten offen sind. Der Feedstrom wird durch das Lumen der Hohlfäden geführt, der Wasserdampf permeiert durch die Membran und die getrocknete Druckluft tritt an der gegenüberliegenden Stirnseite aus.
Des weiteren sind Membranmodule bekannt, bei denen eine kleine Hohlfasermembran in einer größeren Hohlfasermembran angeordnet ist. Allerdings ist die Konstruktion eines derartigen Moduls sehr kompliziert. Außerdem kann das Herstellungsverfahren nicht kontinuierlich betrieben werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Membrankörper anzugeben und zu schaffen, der einfach im Aufbau und in der Herstellung ist. Darüber hinaus soll der Membrankörper drei und mehr Bestandteile aus einem Medium trennen können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Membrankörper mit wenigstens einer Flachmembran, die wenigstens eine Hohlmembran wenigstens teilweise umgibt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch den angegebenen Membrankörper werden eine Flachmembran und eine Hohlmembran miteinander kombiniert, wobei Hohlmembran und Flachmembran stets über eine Kontaktfläche miteinander verbunden sind. Aufgrund der gleichzeitigen Anordnung von Hohl- und Flachmembranen läßt sich erreichen, daß der Membrankörper gleichzeitig eine Trennung von mindestens drei Bestandteilen erreicht wird. Durch eine größere Zahl bzw. weiteren Kombinationen von Hohl- und Flachmembranen lassen sich noch mehr Trennungen erreichen. Hierbei können die Membranen aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Durch die Anordnung und Verbindung von Hohlmembranen und Flachmembranen kann ein einfacher Aufbau des Membrankörpers erreicht werden, der außerdem gut kontrollierbar und günstig in der Produktion ist.
In vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Hohlmembran von nur einer Flachmembran vollständig umgeben sein. In einer weiteren Ausführungsform ist die Hohlmembran von wenigstens zwei Flachmembranen, die entsprechend den Anforderungen an den Membrankörper aus unterschiedlichem Material teil- oder abschnittsweise umgeben.
Um eine gute Trennung der Medien zu erreichen, und um für eine gute Stabilität des Membrankörpers zu sorgen, sind Hohlmembran und Flachmembran miteinander verbunden. Eine gute Verbindung beider Membranen wird insbesondere durch eine Vernetzung z. B. mittels einer chemischen oder strahlenchemischen Reaktion hergestellt.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die Hohlmembran und/oder die Flachmembran aus wenigstens einem Polymer und/oder Copolymer ausgebildet ist. Polymere bzw. Copolymere haben sich als geeignete Stoffe in der Membrantechnik bewährt. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, daß die Membran bzw. die Membranstoffe modifiziert sein können. Eine chemische Modifikation wird durch Copolymerisation oder Pfropf-/Copolymerisation erreicht. Die strahlenchemische Modifikation umfaßt Photo-, Plasma-, Elektronenstrahl-Verfahren, so daß eine Modifikation erreicht wird bezüglich Hydrophilie, Hydrophobie, polaren Gruppen oder polaren reaktiven Gruppen.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Hohlmembran wenigstens eine zweite Hohlmembran aufweist und/oder als Hohlmembranmatte bzw. -bündel, vorzugsweise aus Polypropylen, ausgebildet ist. Durch die Verwendung einer Hohlfaser-in-Hohlfasermembran werden die Anwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Membrankörpers noch weiter gesteigert, da eine weitere Trennstufe durch die zweite Hohlfaser möglich ist. Durch die Anordnung der Hohlmembran als Matte oder Bündel kann die Hohlmembran auf einer Flachmembran leicht angeordnet werden. Es hat sich vor allem gezeigt, daß Polypropylen ein geeigneter Stoff für eine derartige Hohlmembran ist.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Flachmembran aus einer Polymerlösung, insbesondere vorzugsweise 10-%igen, Polyacrylnitril/Dimethylformamid-Polymerlösung, hergestellt ist, da Polymerlösungen sich bei der Herstellung von Flachmembranen bewährt haben. Dies gilt insbesondere für Polyacrylnitril/Dimethylformamid.
Eine Steigerung in der mechanischen Stabilität des Membrankörpers läßt sich dadurch erreichen, daß im Membrankörper wenigstens eine Stützeinrichtung, insbesondere mittels Partikel, Vlies oder Gewebe, ausgebildet ist. Bei größeren mechanischen Beanspruchungen sorgt die Stützeinrichtung dafür, daß der Membrankörper nicht zerstört wird. Außerdem kann durch die Stützeinrichtung erreicht werden, daß der Membrankörper für verschiedene Anwendungen formbar bzw. anpaßbar ist oder gestaltet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst mittels eines Verfahrens zur Herstellung eines Membrankörpers, wobei wenigstens eine Hohlmembran mit einer Flachmembran versehen wird, derart, daß die Flachmembran die Hohlmembran wenigstens teilweise umgibt.
Ziel des Verfahrens ist es, Hohl- und Flachmembran so zu kombinieren, daß ein Membrankörper entsteht, der für eine gleichzeitige Trennung von mindestens drei Stoffen sorgen kann. Außerdem wird dadurch ein kostengünstiges Herstellungsverfahren erreicht.
In vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens wird die Hohlmembran vollständig von nur einer Flachmembran umhüllt. In einer Alternative wird die Hohlmembran von mehreren, insbesondere zwei, Flachmembranen eingeschlossen.
Bevorzugte Weiterbildungen des Herstellungsverfahrens ergeben sich aus der Beschreibung des voranstehend, oben beschriebenen erfindungsgemäßen Membrankörpers.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens exemplarisch beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Membrankörpers,
Fig. 2a und 2b modifizierte Ausführungsformen eines Membrankörpers, und
Fig. 3 einen weiteren erfindungsgemäßen Membrankörper.
In Fig. 1 ist ein Membrankörper 10 im Querschnitt dargestellt. Der Membrankörper 10 weist eine Flachmembran 12 auf, in die im Querschnitt runde Hohlmembranen 11 eingebettet sind. Die Hohlmembranen 11 sind vollständig von der Flachmembran 12 umgeben. Bei der Herstellung des Membrankörpers 10 wird vor der Einbettung in die Flachmembran 12 die Hohlmembran separat hergestellt. Die Hohlmembran 11 kann vor der Einbettung einzeln oder als Bündel oder als Matte zur Verfügung stehen.
Die Hohlmembranen 11 können sowohl im Naßspinnprozeß (mit oder ohne Andunststrecke) oder in einem Extruder hergestellt werden.
Die Einbettung von Hohlmembranen 11 in die Flachmembran 12 kann durch Ziehen einer Polymerlösung mit einem Rakel über die Hohlmembranen 11 oder mittels einer Doppelschlitzdüse erfolgen. Die Doppelschlitzdüse kann ein oder mehrere Polymere auf beide Seiten einer Hohlmembran oder Hohlmembranmatte oder -bündel aufbringen.
Sowohl die Flachmembran 12 als auch die Hohlmembran 11 kann aus einem oder mehreren Polymeren bzw. Copolymeren bestehen. Die Flachmembran 12 kann außerdem aus einer oder mehreren Schichten, hergestellt aus einem oder mehreren Polymeren bzw. Copolymeren, bestehen.
In beiden Membranen 11, 12 können Partikel, Vliese, Gewebe oder andere Membranstützstoffe zur Ausbildung eines mechanisch stabilen Membrankörpers enthalten sein.
Als Hohlmembran 11 kann eine gewöhnliche Hohlmembran (genannt auch Hohlfasermembran) verwendet werden. Selbstverständlich ist es möglich, daß in der Hohlfasermembran eine weitere Hohlfaser angeordnet ist.
Darüber hinaus läßt sich durch eine chemische oder strahlenchemische Reaktion eine bessere Verbindung bzw. Vernetzung beider Membranen 11, 12 erreichen.
In den Fig. 2a und 2b sind Membrankörper 10 ebenfalls im Querschnitt dargestellt, bei denen die Hohlmembranen 11 nur teilweise bzw. abschnittsweise von der Flachmembran 12 umgeben wird. Während sich in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2a Hohlmembran 11 und Flachmembran 12 im Wechsel angeordnet sind, ist im Ausführungsbeispiel in Fig. 2b die Hohlmembran nur teilweise eingebettet in die Flachmembran 12. Hier ragt ein Teil der Hohlmembran 11 aus der flächigen Membran 12 heraus.
Bei dem Membrankörper 10 in Fig. 3 ist die Hohlmembran 11 zwischen zwei Flachmembranen 12 angeordnet. Die beiden Flachmembranen 12 an der Ober- und Unterseite der Hohlmembran 11 berühren sich nicht und bilden in Kombination mit zwei benachbarten Hohlmembranen 11 jeweils einen Zwischenraum 13 aus. Dieser Zwischenraum 13 kann in Anwendungen auch als Zuführ- oder Abführleitung verwendet werden.
Die Herstellung des Membrankörpers 10 ist in allen drei Ausführungsbeispielen mit wenig Aufwand zu erreichen. Die Herstellung des Membrankörpers 10 kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich betrieben werden.
Darüber hinaus ist es gem. der Erfindung vorgesehen, mehrere Flachmembranschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich Permeabilität, Selektivität etc. zu verwenden.
Des weiteren ist eine nacheinander oder gleichzeitige Einbettung von (mehreren) Hohlmembranen in mehrere Flachmembranschichten gleichen oder unterschiedlichen Materials möglich, um eventuell und je nach Anforderung anschließend eine oder mehrere Schichten wieder herauszulösen. Durch das Herauslösen von mindestens einer Schicht kann bspw. ein Zwischenraum 13, wie im Ausführungsbeispiel in Fig. 3 gezeigt, erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Membrankörper kann aufgrund seiner mehrfachen Trennung von Stoffen in zahlreichen Gebieten eingesetzt werden.
Bioreaktoren mit Membranen finden beispielsweise Anwendung in biotechnologischen und biomedizinischen Bereichen, in denen adhäsionsabhängige und adhäsionsunabhängige Zellen in Kultur gehalten werden. Die Membranen wirken einerseits als Diffussionsbarriere, um den Eintritt oder Austritt bestimmter Stoffe in gewünschter Weise zu regulieren. Die Hohlfaser in einem erfindungsgemäßen Membrankörper kann vorzugsweise für die Oxygenierung von Medien und damit von Zellen verwendet werden. Darüber hinaus sollen die Membranen als Support für adhäsionsabhängige Zellen dienen, wobei die Zellen direkt auf einer Seite einer Flachmembran oder in der Hohlfasermembran bzw. in ausgebildeten Zwischenräumen (siehe Fig. 3) des Membrankörpers kultiviert werden.
Darüber hinaus können bei einer partiellen Einbettung der Hohlfasermembran in die Flachmembran Zellen auf der Außenseite der Hohlfasern zum Teil kultiviert werden und zum anderen Teil auf der Seite der Flachmembran. Eine derartige Hohl- und Flachmembrankonstruktion erlaubt somit eine Zufuhr von zwei oder drei Versorgungsmedien über eine Hohl- oder Flachmembran, wie zum Beispiel eine verbesserte Sauerstoffversorgung für Zellen. Ein Membrankörper, wie in Fig. 3 dargestellt, kann beispielsweise als Bioreaktor für eine künstliche Leber verwendet werden.
Eine weitere Anwendung des Membrankörpers ist im technischen Bereich möglich, wobei die Hohlmembran des Membrankörpers als zusätzliche Stoff- oder Wärmebarriere fungieren kann. Alternativ besitzt die Hohlmembran des Membrankörpers die Funktion einer Stoff- oder Wärmebrücke. Ein Durchströmen der Hohlmembran mit einem Medium ist von der jeweiligen Anwendung abhängig und ist folglich anwendungsspezifisch nicht immer notwendigerweise erforderlich.
Eine oder beide Membranentypen können selektiv wirken bei Prozessen wie bspw. der Gasseparation, Pervaporation, Dämpfepermeation oder beim Gaseintrag einer oder mehrerer Gase in fluide Medien. Die Selektivitäten und/oder Permeabilitäten der Hohl- und Flachmembran können entsprechend dem Anwendungsziel größer oder kleiner sein als die der entstandenen Hohl-, Flachmembrankonstruktion. Eine Strömungsführung der Medien kann in der Hohlmembran und/oder an der Flachmembran erfolgen.
Beispielsweise kann dadurch die Abtrennung zweier Komponenten aus einem Mehrstoffgemisch mit anschließender gerichteter Selektion erfolgen.
Hierbei ist die Hohlmembran je zu einer Hälfte in bspw. je ein unterschiedliches Polymer eingebettet und ist permeabel für bspw. zwei Komponenten eines Fluids. Beide Komponenten würden in Abhängigkeit von der angelegten Triebkraft (bspw. Druck, Konzentration) durch die Hohlmembran permeieren und entsprechend den Eigenschaften der beiden Flachmembranschichten in Abhängigkeit von der Triebkraft (bspw. Ladung, Konzentration) je zu einer Seite der Membran abgetrennt werden.
In einem ersten Verfahrensschritt mit der Hohl-Flachmembran-Konstruktion wird zunächst die Abtrennung von zwei Komponenten eines Fluids erreicht. Diese beiden Komponenten werden anschließend dann selbst voneinander getrennt.
In Analogie dazu würde man das gleiche Trennergebnis bei einer Abtrennung zweier Komponenten aus einem Fluid mit anschließender Selektion der zwei Komponenten erhalten, wenn das Fluid eine Seite der Flachmembran kontaktiert, zwei Komponenten triebkraft- und/oder materialabhängig abgetrennt werden. Die eine triebkraft- und/oder materialabhängige Komponente permeiert in die Hohlmembran, während die Antriebkomponente durch die Flachmembran permeiert, ohne in die Hohlmembran zu permeieren. Bezugszeichenliste 10 Membrankörper
11 Hohlmembran
12 Flachmembran
13 Zwischenraum

Claims

1. Membrankörper (10) mit wenigstens einer Flachmembran (12), die wenigstens eine Hohlmembran (11) wenigstens teilweise umgibt.

2. Membrankörper (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) von einer Flachmembran (12) vollständig umgeben ist.

3. Membrankörper (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) von wenigstens zwei Flachmembranen (12) umgeben ist.

4. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) und Flachmembran (12) miteinander verbunden, insbesondere vernetzt, sind.

5. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) und/oder die Flachmembran (12) aus wenigstens einem Polymer und/oder Copolymer hergestellt ist.

6. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) wenigstens eine zweite Hohlmembran aufweist und/oder als Hohlmembranmatte bzw. Strichbündel, vorzugsweise aus Polypropylen, ausgebildet ist.

7. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachmembran (12) aus einer Polymerlösung, insbesondere, vorzugsweise 10%igen, Polyacrylnitril/Dimethylformamid- Polymerlösung, hergestellt ist.

8. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stützeinrichtung, insbesondere mittels Partikel, Vlies- oder Gewebe, ausgebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Membrankörpers (10), dadurch gekennzeichnet, daß zunächst wenigstens eine Hohlmembran (11) hergestellt wird und nachfolgend wenigstens mit einer Flachmembran (12) versehen wird, derart, daß die Flachmembran (12) die Hohlmembran (11) wenigstens teilweise umgibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) und die Flachmembran (12) miteinander verbunden, insbesondere vernetzt, werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) und/oder die Flachmembran (12) aus wenigstens einem Polymer und/oder Copolymer hergestellt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) mit einer zweiten Hohlmembran und/oder als Hohlmembranmatte bzw. -bündel, vorzugsweise aus Polypropylen, hergestellt wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachmembran (12) aus einer Polymerlösung, insbesondere, vorzugsweise 10-%igen, Polyacrylnitril/Dimethylformamid-Polymerlösung, hergestellt wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stützeinrichtung, insbesondere mittels Partikel, Vlies oder Gewebe, ausgebildet wird.