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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Filtermodul, insbesondere zur Anordnung in einer Filtercapsule mit einem Zufluss für zu filtrierendes Medium und einem Abfluss für das Permeat, mit einer Filterschicht, einem medienseitig benachbarten ersten Abstandshalter und einem permeatseitig benachbarten zweiten Abstandshalter, wobei die Abstandshalter drainierend ausgebildet sind und der erste Abstandshalter mit dem Zufluss und der zweite Abstandshalter mit dem Abfluss in Verbindung steht.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Filtereinheit für ein Filtermodul mit einer Filterschicht, einem medienseitig benachbarten ersten Abstandshalter und einem permeatseitig benachbarten zweiten Abstandshalter, wobei die Abstandshalter drainierend ausgebildet sind.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 38 16 434 A1 ist ein Filtermodul bzw. ein Membranadsorbermodul aus Schichtenfilterelementen zur Anordnung in einem Filtergehäuse bekannt. Das Filtergehäuse weist in vertikaler Richtung oben einen Zufluss für zu filtrierendes Medium und in vertikaler Richtung unten einen Abfluss für das Permeat auf. Das Filtermodul besteht dabei aus zwei Reihen bzw. zwei Stapel Filterzuschnitten aus Filterschichten und dazwischen angeordneten Stützelementen bzw. Abstandshaltern mit drainierender Wirkung. Jeweils zwei benachbarte Filterzuschnitte und ein dazwischen liegender Abstandshalter sind durch ein Dichtungselement in Form einer im Flüssigzustand aufgebrachten und aushärtbaren Kunststoffmasse eingefasst, während die gegenüberliegende Kanten der beiden außenseitig verbundenen Filterzuschnitte in der Ebene des Abstandshalters zu einem inneren Fluidraum offen sind. Dabei sind jeweils zwei übereinander gestapelte Zuschnitte von Filterschichten mit einem dazwischen liegenden Abstandshalter bzw. Drainageschicht und einseitiger Randverbindung als vorgefertigte Grundelemente ausgebildet, die über einen dazwischen liegenden Abstandshalter gestapelt werden. Die einander zugewandten Filterschichten zweier benachbarter Grundelemente werden dabei auf der der einseitigen Randverbindung gegenüberliegenden Innenseite miteinander verbunden. Die Filterschichten können außenseitig eine Drucksicherung aufweisen, die als Umwicklung das gesamte Membranadsorbermodul in seiner Umfangsrichtung stabilisiert. Die Umwicklung kann dabei auch Membranfilter enthalten.
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Nachteilig bei dem bekannten Filter- bzw. Membranadsorbermodul, das sich grundsätzlich bewährt hat, ist, dass der vielschichtige Aufbau der einzelnen Filterschichten relativ aufwendig und kostenintensiv ist.
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Weiterhin nachteilig bei bekannten Filtergehäusen bzw. Capsulen ist, dass ihre Innenwandung systembedingt den Zu- oder Abflusskanal des Mediums bzw. Filtrats/Permeats ausbildet.
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Weiterhin ist aus der
DE 197 11 083 A1 ein Filter- bzw. Membranadsorbermodul zur Anordnung in einer Membranadsorbercapsule bekannt, die einen Zufluss für zu filtrierendes Medium und einen Abfluss für das Permeat aufweist. Das Adsorbermodul ist dabei als eine Adsorptionsmembran ausgebildet, die zu einem Hohlzylinder aufgewickelt ist. Das Membranadsorbermodul weist dabei nach innen zu einem Kern und nach außen zur Wandung der Membranadsorbercapsule einen Ringspalt auf. An den Stirnflächen ist das Membranadsorbermodul jeweils durch eine Vergussmasse abgedichtet. Über dem inneren Ringspalt kann Medium zugeführt und in radialer Richtung durch die Wandung des Membranadsorbermoduls hindurchgeführt und das Permeat über den äußeren Ringspalt abgeführt werden.
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Nachteilig dabei ist, dass für das so genannte Scale up entweder eine Parallel- oder auch Reihenschaltung von Einheitsmodulen vorgenommen werden muss oder, dass für ein scale up oder auch ein scale down unterschiedlich hohe Membranadsorbermodule mit unterschiedlich hohen Mantelrohren und entsprechend zusammengesetzten Kernen verwendet werden müssen. Dies macht das grundsätzlich mögliche scale up bzw. scale down relativ aufwendig und kostenintensiv.
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Insbesondere bei Systemmodulen in einer Reihenschaltung besteht eine Beschränkung des Upscales durch einen zu hohen Rückdruck.
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Aus der
WO 88/09693 A1 ist ein Filtermodul, insbesondere zur Anordnung einer Filtercapsule bekannt, das einen Zufluss für ein zu filtrierendes Medium und einen Abfluss für das filtrierte Medium aufweist. Trenn- bzw. Filter- und Abstandsschichten sind dabei spiralförmig um einen zentralen Kern gewickelt. Außen ist eine Sperrschicht aufgewickelt, auf die wiederum ein Vorfilter aufgewickelt ist, der ebenfalls an seiner Außenseite durch eine aufgewickelte Sperrschicht abgeschlossen wird.
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Der Vorfilter bildet dabei eine spiralförmig gewickelte Zusammensetzung aus einem Filterelement bzw. einer Filterschicht, einer Abstandslage bzw. einem Abstandshalter, einem weiteren Filterelement und einer weiteren Abstandslage. Die Abstandslagen bzw. Abstandshalter sind wechselseitig an ihren gegenüberliegenden Enden abgedichtet.
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Nachteilig bei dieser bekannten Zusammensetzung ist, dass sie praktisch keine gebrauchsfähige Einheit bildet, da dem ersten Filter bzw. der ersten Filterschicht auf ihrer der zweiten Filterschicht abgewandten Seite ein Abstandshalter sowie eine flüssigkeitsabdichtende Schicht fehlen. Zudem darf die dem zweiten Filterelement bzw. der zweiten Schicht benachbarte Abstandslage bzw. Abstandshalter keine flüssigkeitsdichte Ausbildung aufweisen, da beim spiralförmigen Aufwickeln über diesen Abstandshalter filtrierte Flüssigkeit abgeführt werden muss. Andererseits muss innerhalb der ersten Windung diese Abstandslage auf ihrer dem Filterelement abgewandten Seite abgedichtet werden, wozu eine zusätzliche Sperrschicht aufgebracht werden muss. Entsprechendes gilt für die Außenschicht der letzten Windung.
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Weiterhin nachteilig ist, dass durch die Verwendung mehrerer Filterelemente und entsprechender Abstandshalter die notwendige Flexibilität zum Aufwickeln bei einer vorgefertigten Zusammensetzung jedenfalls dann nicht gegeben ist, wenn die einzelnen Schichten untereinander verklebt sind.
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Weiter ist aus der
US 3 726 407 A ein Filtermodul bekannt, das einen Zufluss für ein zu filtrierendes Medium und einen Abfluss für das filtrierte Medium aufweist. Trenn- bzw. Filter- und Abstandsschichten sind dabei spiralförmig um einen zentralen Kern gewickelt. Zur Bildung von unterschiedlichen Filterstufen werden Filterabschnitte mit unterschiedlich großen Poren eingesetzt. Auf einer flüssigkeitsdichten ersten Folie wird eine erste Abstandslage aufgebracht, auf die wiederum die einzelnen Filterabschnitte sowie eine zweite Abstandslage aufgebracht werden.
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Nachteilig auch bei dieser bekannten Zusammensetzung ist, dass sie praktisch keine gebrauchsfähige Einheit bildet und direkt auf einen Kern aufgewickelt werden muss. Da die Filtereinheit eben nicht zwischen zwei Abstandshaltern angeordnet ist, die an ihren der Filterschicht abgewandten Außenseiten flüssigkeitsdicht ausgebildet sind, kann die Filtereinheit auch nicht aus vorkonfektionierter Rollenware ausgebildet werden.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Filtermodul sowie eine Filtereinheit dafür anzugeben, die zum einen relativ kompakt, einfach und kostengünstig aufgebaut bzw. herstellbar sind und für die zum anderen möglichst ohne Beschränkung ein Upscale wie auch ein Downscale möglich sind.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird bezüglich des Filtermoduls in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Filterschicht mit den beiden benachbarten Abstandshaltern eine erste Filtereinheit bildet, dass die Filtereinheit (1, 24) als eine gewickelte oder gerollte Bahn ausgebildet ist, deren Anfang und Ende abgedichtet sind, dass die Filterschicht als ein Einzelfilter oder ein Filterstapel ausgebildet ist, dass der erste Abstandshalter auf seiner der Filterschicht abgewandten Außenseite flüssigkeitsdicht (Weiter auf Seite 6 der ursprünglichen Unterlagen) ausgebildet, und dass der zweite Abstandshalter auf seiner der Filterschicht abgewandten Außenseite flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, und dass der zweite Abstandshalter und die Filterschicht an ihren oberen Rändern und der erste Abstandshalter und die Filterschicht an ihren unteren Rändern flüssigkeitsdicht abgedichtet sind.
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Dadurch, dass die Filterschicht als ein Einzelfilter oder ein Filterstapel ausgebildet ist, der beidseitig jeweils einen drainierend ausgebildeten Abstandshalter aufweist, der jeweils auf seiner der Filterschicht abgewandten Außenseite abgedichtet ist, entsteht eine Filtereinheit mit integrierten An- und Abströmkanälen, bei der also der Zufluss- und Abflusskanal weitgehend von einem umgebenden Filtergehäuse entkoppelt ist und der Gehäuse- bzw. Capsuleninnenraum fast vollständig von der Filtereinheit bzw. einem daraus gebildeten Filtermodul ausgefüllt werden kann. Insbesondere durch die Totraumverringerung kann die Filtrations- bzw. Adsorptionsleistung erheblich gesteigert werden.
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Die Filtereinheit ist in Windungen anordenbar bzw. kann als Wickel ausgebildet sein und weist gegenüber bekannten Filtereinheiten eine wesentlich kompaktere Bauform auf. Um Kapazität aufzubauen, ist dabei keine Erhöhung der Filterlagenzahl notwendig. Es ergibt sich keine Beschränkung des Upscale durch einen zu hohen Rückdruck. Es ist zudem eine annährend beliebige Skalierung wie bei Säulen möglich.
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Die Filtereinheit kann einfach von einer Rolle gefertigt werden, wobei jeweils der Anfang und das Ende abgedichtet, beispielsweise verschweißt, werden. Die Filterschicht kann dabei vorzugsweise als Filterstapel ausgebildet sein. Die Filtereinheit bzw. bereits das Bahnmaterial mit den Abstandshaltern kann in der vorgesehenen Weise zufluss- und abflussseitig abgedichtet sein. Es ist aber auch möglich, die Abdichtung erst im aufgewickelten bzw. eingebauten Zustand vorzunehmen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt sich eine sehr große Anströmfläche für einen sehr hohen Durchfluss. Die Filtercapsulen können dabei deutlich kompakter als bekannte Filtercapsulen ausgeführt werden. Es entsteht zudem eine größere Bindungskapazität pro Volumeneinheit einer Filtercapsule gegenüber den bekannten Capsulen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Abstandshalter aus einem Vliesmaterial ausgebildet. Mindestens der erste Abstandshalter weist auf seiner der Filterschicht abgewandten Außenwandung eine ihn abdichtende Folie auf. Bevorzugt weist auch der zweite Abstandshalter auf seiner der Filterschicht abgewandten Außenseite eine ihn abdichtende Folie auf. Grundsätzlich kann aber auch beim Aufwickeln die Folie des ersten Abstandshalters als abdichtende Folie des zweiten Abstandshalters genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Filtereinheiten, beispielsweise drei, vorgesehen, so dass eine abgestufte serielle Verschaltung in einer einzigen Filtercapsule verwirklicht werden kann. Dabei kann eine erste Filtereinheit als eine gewickelte oder gerollte Bahn ausgebildet sein, die beispielsweise um einen Kern gewickelt wurde. Eine zweite Filtereinheit kann um die erste Filtereinheit gewickelt werden, wobei dann wiederum eine dritte Filtereinheit um die zweite Filtereinheit gewickelt werden kann. Dabei werden zweckmäßigerweise die Zuflussseite der ersten Filtereinheit gegenüber der zweiten und dritten Filtereinheit und die Abflussseite der dritten Filtereinheit gegenüber der zweiten und ersten Filtereinheit abgedichtet.
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Dadurch ergibt sich innerhalb einer Filtercapsule eine Reihenschaltung dreier Filtereinheiten.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die drei Filtereinheiten jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Filtern im Filterstapel auf.
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Durch die unterschiedlichen Filterstapel ist eine abgestufte serielle Verschaltung bzw. Reihenschaltung in einer einzigen Filtercapsule möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl von Filtern im Filterstapel der zweiten Filtereinheit halb so groß, wie im Filterstapel der ersten Filtereinheit. Die Anzahl von Filtern im Filterstapel der dritten Filtereinheit kann dann ein viertel so groß sein, wie im Filterstapel der ersten Filtereinheit. Als Downscaleeinheit könnten dann drei entsprechende seriell angeordnete Streifen der verschiedenen Filterstapel mit gleicher Anströmfläche dienen.
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Die Aufgabe bez. der Filtereinheit wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 12 dadurch gelöst, dass die Abstandshalter mit der zwischen liegenden Filterschicht eine bahnförmige, aufwickelbare Grundeinheit bilden, deren Anfang und Ende abgedichtet sind, dass die Filterschicht als ein Einzelfilter oder ein Filterstapel ausgebildet ist, dass die Abstandshalter auf ihrer der Filterschicht abgewandten Außenseite flüssigkeitsdicht ausgebildet sind, und dass der zweite Abstandshalter und die Filterschicht an ihren oberen Rändern und der erste Abstandshalter und die Filterschicht an ihren unteren Rändern flüssigkeitsdicht abgedichtet sind.
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Durch die bahnförmige Ausbildung der Filtereinheit wird eine einfache und kostengünstige Herstellung eines kompakten Filtermoduls ermöglicht.
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Die flüssigkeitsdichte Ausbildung der Abstandshalter auf ihrer der Filterschicht abgewandten Außenseite wird bevorzugt durch eine flüssigkeitsdichte Folie erreicht. Die Abstandshalter sind dabei aus einem drainierenden Vliesmaterial ausgebildet.
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Die Filterschicht am oberen Rand der Grundeinheit und der erste Abstandshalter und die Filterschicht am unteren Rand der Grundeinheit sind flüssigkeitsdicht abgedichtet. Dabei muss zur Herstellung der Grundeinheit lediglich die benötigte Länge von Bahnmaterial von einer Rolle abgeschnitten und am Bahnanfang und Bahnende verschlossen, beispielsweise verschweißt, werden, die dann bereits funktionsfähig ist, d. h. über die Stirnfläche des ersten Abstandshalters kann das zu filternde Medium zugeführt und das Permeat über die Stirnfläche des unteren Randes des zweiten Abstandshalters abgeführt werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Filter bzw. Einzelfilter und die Filterstapel als Tiefenfilter und/oder Oberflächenfilter und/oder Adsorptionsfilter ausgebildet.
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Die Oberflächenfilter und/oder Adsorptionsfilter können dabei insbesondere Membranen sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Einzelfilter und die Filterstapel als Membranadsorber ausgebildet.
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Die adsorbierende Filterschicht kann darüber hinaus an- oder abströmseitig mit mikroporösen oder ultraporösen nicht adsorbierenden Filterschichten bedeckt sein, um spezielle Filtrationsaufgaben zu lösen, wie beispielsweise die Abtrennung von Viren, Proteinen Partikeln usw.
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Die Filter und Filterstapel können aber auch als Mikrofiltrations- oder Ultrafiltrationsfilter ausgebildet sein.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
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Kurzbeschreibungen der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigen:
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1: eine Vorderansicht einer als Membranadsorbereinheit ausgebildeten Filtereinheit im Schnitt in vergrößerter Darstellung,
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2: eine Seitenansicht der Filtereinheit von 1 aus Richtung II,
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3: eine Seitenansicht der Filtereinheit von 1 aus Richtung III,
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4: eine Seitensicht im Schnitt eines als Membranadsorbermoduls ausgebildeten Filtermoduls bestehend aus einer um einen Kern gewickelten Filtereinheit,
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5: eine räumliche Darstellung eines Filter- oder Membranadsorbermoduls und
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6: eine Seitenansicht im Schnitt einer Filtercapsule mit einem dreistufigen Filtermodul, wobei eine erste Filtereinheit ungeschnitten dargestellt ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Eine Filtereinheit 1 besteht im Wesentlichen aus einer Filterschicht 2, einem ersten Abstandshalter 3 und einem zweiten Abstandshalter 4.
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Die Filterschicht 2 besteht aus mindestens einem (Einzel-)Filter 5 bzw. aus einem Filterstapel 6, der aus einer Mehrzahl von Filtern 5 besteht. Im Ausführungsbeispiel sind die Filter als adsorbierende Membranen ausgebildet. Medienseitig ist der Filterschicht 2 der erste Abstandshalter 3 und permeatseitig der zweite Abstandshalter 4 benachbart. An ihrem oberen Rand 7 ist die Filterschicht durch eine Dichtungsmasse 8 und an ihrem gegenüberliegenden unteren Rand 9 ist die Filterschicht durch eine Dichtungsmasse 10 abgedichtet.
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Die Abstandshalter 3, 4 werden durch Vliesmaterial 11 gebildet und sind auf ihrer der Filterschicht 2 abgewandten Außenseite durch eine flüssigkeitsdichte Folie 12, 13 abgedichtet. Der erste Abstandshalter 3 ist an seinem oberen Rand 14 nicht abgedichtet, so dass über den oberen Rand 14 ein zu filtrierendes Medium 15 dem ersten Abstandshalter 3 zugeführt werden kann. An seinem dem oberen Rand 14 gegenüberliegenden unteren Rand 16 ist der erste Abstandshalter 3 von der Dichtungsmasse 10 mit abgedichtet.
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Der zweite Abstandshalter 4 ist an seinem oberen Rand 17 durch die Dichtungsmasse 10 mit abgedichtet. An seinem dem oberen Rand 17 gegenüberliegenden unteren Rand 18 ist der zweite Abstandshalter 4 offen, so dass Permeat 19 bzw. Eluat abfließen kann.
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Der Filtereinheit 1 bzw. Membranadsorbereinheit kann über den oberen Rand 14 des ersten Abstandshalters 3 das zu filtrierende Medium 15 zugeführt und quer zum Filter 5 bzw. Filterstapel 6 geleitet werden, wo es dann als Permeat 19 in den zweiten Abstandshalter 4 eintritt und am unteren Rand 18 des zweiten Abstandshalters 4 austritt.
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Nach den Ausführungsbeispielen der 4 und 5 ist die Filtereinheit 1 als ein Filtermodul 20 ausgebildet, das aus einer um einen Kern 21 gewickelten Filtereinheit 1 besteht.
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Das Ausführungsbeispiel von 6 zeigt eine Filtercapsule 22, die ein dreistufiges Filtermodul 23 aufweist. Die Filtercapsule 22 ist im Ausführungsbeispiel als eine Membranadsorbercapsule ausgebildet. Das dreistufige Filtermodul 23 besteht aus einer ersten Filtereinheit 24, die entsprechend der Filtereinheit 1 ausgebildet und um einen Kern 25 gewickelt ist, sowie aus einer zweiten Filtereinheit 26, die um die erste Filtereinheit 24 gewickelt ist bzw. diese umschließt, und aus einer dritten Filtereinheit 27, die um die zweite Filtereinheit 26 gewickelt ist bzw. diese umschließt.
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Um eine serielle Schaltung der Filtereinheiten 24, 26, 27 zu ermöglichen, ist der mediumseitige der ersten Filtereinheit 24 vorgelagerte Zuflussraum 28 gegenüber der zweiten und dritten Filtereinheit 26, 27 abgedichtet. Der der ersten Filtereinheit 26 in Flussrichtung nachgelagerte Abflussraum 29 im unteren Bereich der Filtercapsule 22 ist gegenüber dem ebenfalls unten liegenden Permeatabflussraum 30 der dritten Filtereinheit 27 abgedichtet.
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Zu filtrierendes Medium 15 wird über einen Zufluss 31 der Filtercapsule 22 in den Zuflussraum 28 zugeführt. Vom Zuflussraum 28 durchläuft das zugeführte Medium 15 die erste Filtereinheit 24 und tritt in einer ersten Stufe gefiltert an dem unteren Ende der Filtereinheit 24 in den Abflussraum 29 aus. Vom unteren Abflussraum 29 tritt das Permeat der ersten Filtereinheit 24 in vertikaler Richtung unten in die zweite Filtereinheit 26 ein, um es in einer zweiten Stufe an deren oberen Ende in einem zweiten Zuflussraum 32 zu verlassen, der der dritten Filtereinheit 27 anderem oberen Ende vorgelagert ist. Von dem zweiten Zuflussraum 32 wird das Permeat der zweiten Stufe in die dritte Filtereinheit 27 geleitet, um an deren unteren Ende als Permeat der dritten Stufe in den Permeatabflussraum 30 auszutreten, von dem es über einen Abfluss 33 der Filtercapsule 22 als Permeat 19 austritt.
