DE102010031509A1

DE102010031509A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Filtern eines Fluids

Info

Publication number: DE102010031509A1
Application number: DE102010031509A
Authority: DE
Inventors: Oliver Oechsle
Original assignee: Hemacon GmbH
Current assignee: Hemacon GmbH
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2012-01-19
Also published as: US20160114293A1; EP2595731A1; WO2012010604A1; US20130292332A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstreinigendes Filter (1) und ein Verfahren zum Filtern eines Fluids (F), das Festkörperpartikel aufweist. Das Filter (1) hat mindestens ein Kapillarrohr (2), durch welches das Fluid (F) strömt. Dabei weist das Kapillarrohr (2) eine Filterwandung auf, die derart ausgebildet ist, dass das durch das Kapillarrohr (2) strömende Fluid (F) durch die Filterwandung zur Trennung des Fluids von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt. Das Kapillarrohr (2) weist zudem eine Krümmung mit einem bestimmten gewählten Krümmungsradius (r) auf, welche eine das Filter (1) verstopfende Anlagerung von Festkörperpartikeln an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres (2) gezielt verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Filtern eines Fluids, das Festkörperpartikel aufweist.
Es gibt verschiedene Grundverfahren zur Trennung von Substanzgemischen. Diese verschiedenen Grundverfahren umfassen Extraktion, Filtration und Destillation.
Die Extraktion beruht darauf, dass aus Substanzgemischen durch ein Lösungsmittel bestimmte Bestandteile selektiv herausgelöst werden, die sich dann durch Entfernen des Lösungsmittels isolieren lassen. Die Destillation ist ein thermisches Trennverfahren, das darauf beruht, dass eine Substanz durch Verdampfen und anschließendes Kondensieren von einem Substanzgemisch entfernt werden kann.
Bei der Filtration werden aus festen und flüssigen Stoffen bestehende Substanzgemische durch eine poröse Schicht, die nur die Flüssigkeit hindurchlässt, in ihre festen und flüssigen Bestandteile getrennt. Die treibende physikalische Kraft bei der Filtration ist der durch das Gewicht der über dem Filter stehenden Flüssigkeitssäule hervorgerufene Druckunterschied zwischen Zulauf- und Ablaufseite des jeweiligen Filters. Dieser Druckunterschied kann durch Pressen auf der Zulaufseite oder Anlegen von Unterdruck auf der Ablaufseite oder auch durch Zentrifugieren verstärkt werden. Feststoffe mit einem größeren Durchmesser als die Poren des Filtermaterials werden durch Oberflächenfiltration wie bei einem Sieb zurückgehalten Herkömmliche Filter umfassen auch Kapillarfilter, die aus einer oder mehreren Kapillarröhrchen bestehen. Die Kapillarröhrchen bestehen dabei aus einem porösen Material. Die Wandung des Kapillarröhrchens bildet eine zylindrische poröse Membran durch die ein Fluid hindurchtreten kann, während Feststoffpartikel durch die Poren nicht hindurchdringen können.
Ein Nachteil dieser herkömmlichen Kapillarfilter besteht darin, dass neben der Hauptströmung, die in Axialrichtung durch das jeweilige Kapillarröhrchen fließt, radiale Nebenströmungen entstehen, die dazu führen, dass sich Festkörperpartikel am Rande der Kapillarröhrchen festsetzen. Dadurch verstopfen die Kapillarröhrchen regelmäßig und müssen daher mit einem Spülmittel gespült werden. Dieser notwendige Reinigungsvorgang bzw. Spülvorgang beeinträchtigt die Effizienz einer Filteranlage, die derartige Kapillarfilter einsetzt, erheblich. Der Filtervorgang muss unterbrochen werden, um die Kapillarröhrchen bei Bedarf oder in regelmäßigen Abständen mit einem Spülmittel zu spülen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das verwendete Spülmittel unter Umständen zu Kontaminationen führen kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Filtern eines Fluids, welches Festkörperpartikel aufweist, zu schaffen, welches ohne die Notwendigkeit eines Spülvorgangs eine Verstopfung von Kapillarröhren vermeidet bzw. verhindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Filter mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft ein selbstreinigendes Filter zum Filtern eines Fluids, das Festkörperpartikel aufweist mit: mindestens einem Kapillarrohr, durch welches das Fluid strömt, wobei das Kapillarrohr eine Filterwandung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das durch das Kapillarrohr strömende Fluid durch die Filterwandung zur Trennung des Fluids von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt, wobei das Kapillarrohr eine Krümmung aufweist, welche eine das Filter verstopfende Anlagerung von Festkörperpartikeln an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres gezielt verhindert.
Bei dem erfindungsgemäßen Filter wird durch die gekrümmte Anordnung des Kapillarrohres eine Selbstreinigungsfunktion des Filters bereitgestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform umfasst das selbstreinigende Filter mehrere parallel angeordnete Kapillarrohre bzw. Kapillarröhrchen.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters weist jedes Kapillarrohr eine poröse Filterwandung auf.
Dabei ist die Porösität der Filterwandung vorzugsweise derart ausgebildet, dass das durch das Kapillarrohr strömende Fluid durch die in der Filterwandung vorhandenen Poren zur Trennung des Fluids von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters besteht jedes Kapillarrohr bzw. jedes Kapillarröhrchen aus einem elastischen Material, insbesondere aus einem elastischen synthetischen Kunststoff.
Der Kunststoff weist vorzugsweise eine an den Krümmungsradius des Kapillarrohres angepasste Elastizität auf. Der Kunststoff ist bei einer möglichen Ausführungsform ein Polyurethan.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist der Krümmungsradius des jeweiligen Kapillarrohres bzw. Kapillarröhrchens variabel einstellbar.
Bei einer möglichen Ausführungsform bildet das gekrümmte Kapillarrohr einen Bogen, der in einem Gravitationsfeld horizontal angeordnet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters bildet das gekrümmte Kapillarrohr einen Bogen, der in einem Gravitationsfeld vertikal angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters tritt das Fluid an einem ersten Ende in das gekrümmte Kapillarrohr mit einem ersten Druck P₁ ein und tritt an einem zweiten Ende aus dem gekrümmten Kapillarrohr mit einem zweiten Druck P₂ aus, welcher niedriger ist, als der erste Druck P₁.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist mindestens eine Pumpe vorgesehen, welche das zu filternde Fluid zu dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres pumpt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters befindet sich das zu filternde Fluid in einem Vorratsbehälter, der mit dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres verbunden ist.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen seibstreinigenden Filters wird das an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres austretende gefilterte Fluid in einem ersten Aufnahmebehälter aufgenommen.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters wird der durch die Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres gegen einen Umgebungsdruck hindurchtretende, von Festkörperpartikeln befreite Anteil des Fluids durch einen zweiten Aufnahmebehälter aufgenommen.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters weist das an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres austretende, gefilterte Fluid eine höhere Konzentration von Festkörperpartikeln auf, als das an dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres eintretende, zu filternde Fluid.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist das durch das gekrümmte Kapillarrohr strömende Fluid Blut und die Filterwandung ist derart ausgebildet, dass Blutplasma durch die Filterwandung zur Trennung von Blutkörpern zumindest teilweise hindurchtritt.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist das durch das gekrümmte Kapillarrohr strömende Fluid eine Lösung und die Filterwandung ist derart ausgebildet, dass die Lösung durch die Filterwandung zur Trennung von Bakterien, Zellen, Pilzen oder Algen zumindest teilweise hindurchtritt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen seibstreinigenden Filters ist der Krümmungsradius des gekrümmten Kapillarrohres in Abhängigkeit von der Konzentration von Festkörperpartikel in dem gefilterten Fluid oder dem zu filternden Fluid einstellbar.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist die Konzentration der Festkörperpartikel in dem zu filternden Fluid oder in dem gefilterten Fluid durch eine Messeinrichtung erfassbar.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen seibstreinigenden Filters weist dieses mehrere bogenförmige Krümmungen auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist das Kapillarrohr bzw. das Kapillarröhrchen spiralförmig angeordnet.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Filtern eines Fluids, das Festkörperpartikel aufweist,
wobei das Fluid durch ein gekrümmtes Kapillarrohr geführt wird und zur Trennung des Fluids von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise durch eine Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres hindurchtritt,
wobei die Krümmung des Kapillarrohres einen Krümmungsradius aufweist, der eine Anlagerung von Festkörperpartikeln an einem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres gezielt verhindert.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
2a, 2b weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
4a, 4b weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
7a, 7b Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters.
Wie man aus 1 erkennen kann, weist ein erfindungsgemäßes selbstreinigendes Filter 1 zum Filtern eines Fluids F mindestens ein gekrümmtes Kapillarrohr 2 bzw. Kapillarröhrchen auf. Das gekrümmt angeordnete Kapillarrohr 2 kann einen bestimmten Krümmungsradius r aufweisen. Der Krümmungsradius liegt bei einer möglichen Ausführungsform in einem Bereich von 1 cm bis 5 cm. Das Kapillarrohr 2 weist eine Filterwandung mit einer Dicke d auf. Das Kapillarrohr 2 filtert ein Fluid, welches Festkörperpartikel enthält. Die Filterwandung des Kapillarrohrs 2 ist derart ausgebildet, dass das durch das Kapillarrohr 2 strömende Fluid F durch die Filterwandung zur Trennung des Fluids von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt. Bei dem in 1 dargestellten Beispiel tritt ein zu filtrierendes Fluid F in eine Eintrittsöffnung 3 ein und an einem zweiten Ende 4 tritt das gefilterte Fluid F' aus. Das Kapillarrohr 2 des Filters 1 weist eine Krümmung auf, welche eine das Filter 1 verstopfende Anlagerung von Festkörperpartikeln an einem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 verhindert. Durch die gekrümmte Anordnung des Kapillarrohres 2 weist das Filter 1 eine Selbstreinigungsfunktion auf. Auf die Festkörper wirken durch die axiale Strömungsgeschwindigkeit und den Krümmungsradius r Zentripedalkräfte, die entsprechend dem Dichteunterschied zwischen Partikel und Fluid addiert bzw. subtrahiert werden.
Das Kapillarrohr 2 des erfindungsgemäßen Filters 1 weist eine poröse Filterwandung auf. Die Porösität der Filterwandung ist derart ausgebildet, dass das durch das Kapillarrohr 2 hindurchströmende Fluid F durch die in der Filterwandung vorhandenen Poren zur Trennung des Fluids von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurch bzw. nach außen tritt. Das in 1 dargestellte Kapillarrohr 2 kann aus einem elastischen Material bestehen. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Krümmungsradius r des Kapillarrohrs 2 variabel einstellbar. Bei einer möglichen Ausführungsform tritt das Fluid F an einem ersten Ende in das gekrümmte Kapillarrohr 2 mit einem ersten Druck P₁ ein und tritt an einem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres aus dem Kapillarrohr 2 mit einem zweiten Druck P₂ aus. Dabei ist der zweite Druck P₂ niedriger als der erste Druck P₁. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel tritt das zu filtrierende Fluid F in die Eintrittsöffnung 3 mit einem Druck P₁ in das Kapillarrohr 2 ein und tritt aus der Austrittsöffnung 4 mit einem zweiten niedrigen Druck P₂ aus dem Kapillarrohr 2 aus. Das in 1 dargestellte gekrümmte Kapillarrohr 2 kann in einem Gravitationsfeld, beispielsweise dem Erdgravitationsfeld, horizontal oder vertikal angeordnet sein.
2a, 2b zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele für die Anordnung des gekrümmten Kapillarrohres 2 vertikal zu einem Gravitationsfeld, welche eine Gravitationskraft g ausübt. Bei der in 2a dargestellten Ausführungsform zuerst der innere Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 vom Erdmittelpunkt weg. Bei der in 2b dargestellten Ausführungsform zeigt der innere Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 hin zum Erdmittelpunkt. Die in 2a dargestellte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die auf die Festpartikel wirkende Schwerkraft die Selbstreinigungsfunktion des Filters 1 unterstützt, da sie eine Anlagerung von Festkörperpartikeln an dem Krümmungsrand des Kapillarrohres zusätzlich erschwert.
Die 7a, 7b zeigen Diagramme zur Verdeutlichung der Selbstreinigungsfunktion bei dem erfindungsgemäßen Filter 1.
Die 7a zeigt ein Strömungsprofil in Axialrichtung bei einem herkömmlichen Filter mit einem gerade bzw. nicht gekrümmten Kapillarrohr. Die Strömungsrichtung bzw. Axialrichtung x verläuft senkrecht zu der Querschnittsrichtung y des Kapillarrohres 2. Das in 1 dargestellte Kapillarrohr 2 des Filters 1 weist einen konstanten Strömungsdurchmesser D auf. 7b zeigt ein Strömungsprofil des erfindungsgemäßen Filters 1 mit einem gekrümmten Kapillarrohr 2. Bei dem in 7b dargestellten Diagramm weist das Strömungsprofil auf Seiten des inneren Krümmungsrandes des Kapillarrohres 2 höhere Strömungsgeschwindigkeiten als an dem äußeren Krümmungsrand des Kapillarrohres 2. Die absolute Fließgeschwindigkeit hängt dabei von der Druckdifferenz ΔP = P₁ – P₂ ab, das heißt von der Druckdifferenz zwischen dem Druck an der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4. Analog zu einem Flussbett können, wie man in 7b erkennen kann, Anlagerungen von Festkörperpartikeln bzw. Sedimenten durch die verstärkte Strömung bzw. höhere Strömungsgeschwindigkeit weggespült werden, so dass Anlagerungen von Festkörperpartikeln an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 verhindert werden. Dies bedeutet, dass der innere Krümmungsrand der Filterwandung bzw. der Filterfläche zur Trennung von Festkörpern bzw. Festkörperpartikeln aufgrund der gekrümmten Anordnung des Kapillarrohres 2 permanent freigespült wird und die Filterfunktion des Filters 1 ohne die Notwendigkeit eines separaten Spülvorgangs, beispielsweise mit einem Spülmittel, stets erhalten bleibt.
Je enger die Krümmung bzw. je kleiner der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 ist, desto höher ist das in 7b dargestellte Stömungsprofil asymmetrisch verformt und desto näher liegt das Maximum des Stömungsprofils an der Innenwandung des inneren Krümmungsrandes des Kapillarrohres 2, so dass der Selbstreinigungseffekt gesteigert wird.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters 1 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Druck P₁ mit dem das zu filternde Fluid F in das gekrümmte Kapillarrohr 2 eintritt sowie der Druck P₂ mit dem das filternde Fluid F' aus dem gekrümmten Kapillarrohr 2 austritt, beispielsweise mittels Pumpen einstellbar. Die Fließgeschwindigkeit, mit der das Fluid F durch das gekrümmte Rohr 2 fließt, kann auf diese Weise in Abhängigkeit von der Druckdifferenz ΔP = P₁ – P₂ eingestellt werden.
Weiterhin ist bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters 1 der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 variabel einstellbar. Der Krümmungsradius r ist bei einer möglichen Ausführungsform in einem Bereich von 1 cm bis 5 cm variabel einstellbar. Bei dieser Ausführungsform kann das Kapillarrohr 2 beispielsweise aus einem elastischen Material bestehen. Durch die Einstellung des Krümmungsradius r können Zentripedalkräfte entsprechend den Fließgeschwindigkeiten V eingestellt werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Einstellung des Krümmungsradius r sowie der Druckdifferenz ΔP in Abhängigkeit von der Art des zu filternden Fluids F insbesondere in Abhängigkeit von dessen Viskosität.
Bei einer möglichen Ausführungsform befindet sich das in 1 dargestellte gekrümmte Kapillarrohr 2 des selbstreinigenden Filters 1 bei einem geschlossenen Behälter, der unter anderem zur Aufnahme des durch die Filterwandung hindurchtretenden gefilterten Fluids dient. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der in dem Aufnahmebehälter herrschende Umgebungsdruck P_u ebenfalls einstellbar.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters 1. Bei dieser Ausführungsform ist die Eintrittsöffnung 3 des Kapillarrohres 2 über eine röhrenförmige Leitung 5 mit einem Vorratsbehälter 6 verbunden. In dem Vorratsbehälter 6 befindet sich das zu filternde Fluid F. Die Austrittsöffnung 4 an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres 2 ist bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem ersten Ausnahmebehälter 7 über ein kurzes Verbindungsrohr 8 verbunden. Der durch die Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres 2 gegen einen Umgebungsdruck P_u hindurchtretende, von Festkörperpartikeln befreite Anteil des Fluids F wird bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen zweiten Aufnahmebehälter 9 aufgenommen. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Aufnahmebehälter 9 offen. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der zweite Aufnahmebehälter 9 geschlossen und umschließt das gekrümmte Kapillarrohr 2. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Vorratsbehälter 6 in einem Gravitationsfeld höher angeordnet als der erste Aufnahmebehälter 7, so dass hierdurch ein Druckunterschied ΔP zwischen der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4 des Kapillarrohres 2 hervorgerufen wird.
Das an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres 2 austretende, gefilterte Fluid F' weist eine höhere Konzentration an Festkörperpartikeln auf, als das an dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres 2 eintretende, zu filtrierende Fluid bzw. Substanzgemisch.
Bei einer möglichen Ausführungsform ist das in das gekrümmte Kapillarrohr 2 hineinströmende Fluid F Blut und die Filterwandung des Filters 1 ist derart ausgebildet, dass Blutplasma durch die Filterwandung bzw. Filtermembran zur Trennung von Blutkörpern zumindest teilweise hindurchtritt. Dieses Blutplasma wird bei der in 3 dargestellten Ausführungsform durch den zweiten Aufnahmebehälter 9 aufgenommen. Das in dem ersten Aufnahmebehälter 7 aufgenommene gefilterte Fluid F' weist eine höhere Konzentration C an Blutkörpern auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird der durch das gekrümmte Kapillarrohr 2 vorgenommene Filtervorgang mehrfach vorgenommen, das heißt, das an der Austrittsöffnung 4 austretende gefilterte Fluid F' wird beispielsweise mittels einer Pumpe zu der Eintrittsöffnung zurückgeführt, so dass der Filtervorgang wiederholt wird. Bei jedem Filtervorgang steigt der Anteil bzw. die Konzentration der in dem gefilterten Fluid F' vorhandenen Festkörperpartikel, beispielsweise Blutkörper.
Bei dem durch das gekrümmte Kapillarrohr 2 strömenden Fluids kann es sich auch um eine Lösung handeln, wobei die Filterwandung derart ausgebildet ist, dass die Lösung durch die Filterwandung zur Trennung von Bakterien, Zellen, Pilzen oder Algen zumindest teilweise hindurchtritt.
Das erfindungsgemäße selbstreinigende Filter 1 ist nicht nur im Medizinbereich oder in Laboratorien einsetzbar, sondern kann zur Filterung beliebiger Fluids, welche Festkörperpartikel aufweisen, eingesetzt werden. Beispielsweise eignet sich das erfindungsgemäße selbstreinigende Filter 1 auch zur Reinigung von Abwässern im Bereich von Kläranlagen.
4a, 4b zeigen weitere Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße selbstreinigende Filter 1. Bei den 4a, 4b dargestellten Ausführungsbeispielen werden mehrere gekrümmte Kapillarrohre 2-1, 2-2, 2-3 seriell miteinander verbunden. Alternativ können auch mehrere Kapillarrohre parallel angeordnet sein und ein Bündel bilden. Die Kapillarrohre 2-i können durch Hohlfasern gebildet werden, die aus Kunststoff hergestellt werden. Der Kunststoff ist bei einer möglichen Ausführungsform ein hydrophiles Material. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Material aus dem die Hohlfasern bestehen ein hydrophobes Material.
Der Kunststoff kann durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition hergestellt sein. Polymerisation ist die Verknüpfung von Monomeren mit einer Doppelbindung zu einem Makromolekül. Bei Polykondensation erfolgt die Verknüpfung von Monomeren unter Abspaltung eines niedermolekularen Stoffes. Unter Polyaddition versteht man die Verknüpfung von Molekülen ohne Abspaltung eines niedermolekularen Stoffes. In der Regel erfolgt dabei die Reaktion unter Wanderung eines Wasserstoffatoms, wobei man kettenförmige oder räumlich vernetzte Produkte erhält. Der durch Polyaddition gebildete Kunststoff des Kapillarrohres 2 ist bei einer möglichen Ausführungsform ein Polyurethan mit einer für den jeweiligen Krümmungsradius r geeigneten hohen Elastizität. Je kleiner der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 gewählt bzw. selektiert wird, desto größer ist die Elastizität des für das Kapillarrohr 2 verwendeten Kunststoffes.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes selbstreinigendes Filter 1. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform ist das gekrümmte Kapillarrohr 2 spiralförmig angeordnet. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in einem vorgegebenen Volumen eine hohe Anzahl von Krümmungen implementiert werden können.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßes selbstreinigenden Filters 1. Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein zu filterndes Fluid F, das sich in einem Vorratsbehälter 6 befindet, mittels einer Pumpe 10 über eine Messeinrichtung 11 zu einem gekrümmten Kapillarrohr 2 gepumpt. Das Kapillarrohr 2 besteht bei der in 6 dargestellten Ausführungsform aus einem elastischen Material. Das Kapillarrohr 2 ist an seiner Eintrittsöffnung 3 und seiner Austrittsöffnung 4 jeweils an einem Aufhängungspunkt 12, 13 aufgehängt, die über einen Abstand Δx zueinander in Horizontalrichtung aufweisen. Weiterhin kann in der ablaufenden Leitung eine Drossel zur Regulierung des Druckes vorgesehen werden.
In der in 6 dargestellten Ausführungsform misst die Messeinrichtung 11 eine Konzentration C der in dem zu filternden Fluid F vorhandenen Festkörperpartikel und stellt in Abhängigkeit von der gemessenen Konzentration automatisch einen Abstand Δx zwischen den Aufhängungspunkten 12, 13 des gekrümmten Kapillarrohres 2 ein. Durch die Veränderung des Abstandes Δx der Aufhängungspunkte 12, 13, verändert sich der Krümmungsradius r_var des Kapillarrohres 2 und wird somit variabel eingestellt. Die Einstellung der Aufhängungspunkte 12, 13 kann beispielsweise durch Ansteuerung eines entsprechenden Motors erfolgen. Bei einer alternativen Ausführungsform wird der Abstand Δx zwischen den Aufhängungspunkten 12, 13 durch einen Benutzer manuell eingestellt. Die Veränderung des Krümmungsradius r beeinflusst das in 7b dargestellte Strömungsprofil des durch das gekrümmte Rohr 2 hindurchströmenden Fluids. Mittels der Pumpe 10 lässt sich die Fließgeschwindigkeit v des einströmenden Fluids einstellen. Durch die Einstellung des Krümmungsradius können Zentrifugalkräfte innerhalb des Kapillarrohres entsprechend der vorhandenen Fließgeschwindigkeit variabel eingestellt werden. Das erfindungsgemäße Filterverfahren lässt sich unter Steuerung eines entsprechenden Steuerprogramms, das aus einer Steuervorrichtung, beispielsweise einem Mikroprozessor abläuft, ausführen. Diese Steuerung kann bei einer möglichen Ausführungsform mittels einer oder mehrerer Messeinrichtungen 11 die Konzentration C, der in dem Fluid F vorhandenen Festkörperpartikel erfassen. Weiterhin ist es möglich, dass die in dem gefiltertem Fluid F' noch vorhandene Konzentration an Festkörperpartikeln gemessen wird. Zur Ansteuerung von Pumpen kann das Steuerprogramm in Abhängigkeit von der gemessenen Partikelkonzentration die Druckdifferenz ΔP zwischen der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4 des Kapillarrohres 2 einstellen. Bei einer möglichen Ausführungsform wird neben der Druckdifferenz ΔP zusätzlich der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 eingestellt beispielsweise durch Veränderung des Abstandes zwischen Aufhängungspunkten 12, 13. Die Einstellung der Druckdifferenz ΔP sowie des Krümmungsradius r kann in Abhängigkeit weiterer Parameter erfolgen, beispielsweise der Art des jeweiligen Fluids F insbesondere dessen Viskosität. Diese Parameter können beispielsweise über eine Schnittstelle eingegeben werden. Eine Anzeigeeinrichtung der Schnittstelle kann einem Nutzer verschiedene Parameter anzeigen, insbesondere die bestehende Druckdifferenz ΔP, der eingestellte Krümmungsradius sowie die gemessenen Konzentrationen c des eintretenden und austretenden Fluids. Beim erfindungsgemäßen Verfahren muss der Filtervorgang nicht zur Reinigung des Filters 1 unterbrochen werden, da das Filter 1 selbstreinigend ist und Anlagerungen von Festkörperpartikeln an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 verhindert werden. Hierdurch lässt sich die Effizienz einer Filteranlage, die eine Vielzahl von derartigen Kapillarrohren 2 verwenden kann, erheblich steigern. Ferner wird kein Spülmittel für einen Reinigungsvorgang des Kapillarrohres 2 benötigt. Das erfindungsgemäße gekrümmte Kapillarrohr 2 weist eine gleichbleibende im Zeitverlauf nicht nachlassende Filtereigenschaft auf und arbeitet daher besonders zuverlässig.
Das von dem erfindungsgemäßen Filter 1 gelieferte Zielprodukt kann sowohl in dem gefilterten aus dem Kapillarrohr 2 hinaustretenden Fluid als auch in dem gefilterten Restfluid F' mit erhöhter Festkörperpartikelkonzentration bestehen. Bei dem Fluid F kann es sich insbesondere um Blut oder sonstige Körperflüssigkeiten handeln.
Alternativ kann das Fluid F auch Wasser bzw. Abwasser sein, das Festkörperpartikel enthält. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist zum Beispiel Wein, der als Festkörperpartikel Hefezellen oder sonstige Teilchen aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Selbstreinigungsfilter 1 ist es möglich, einen effizienten Reinigungsvorgang auch bei einer niedrigen Druckdifferenz ΔP zwischen der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4 durchzuführen. Insbesondere im medizinischen Bereich können aufgrund einer zu hohen Druckdifferenz ΔP Zellen oder dergleichen zerstört werden.
Aufgrund der Selbstreinigungsfunktion des erfindungsgemäßen Filters 1 muss Durchblasen des Filters 1, beispielsweise mit einem Spülmittel oder einem Gas unter hohem Druck durchgeführt werden, so dass das erfindungsgemäße Filter 1 insbesondere im Medizin- oder Laborbereich steril bleibt bzw. nicht kontaminiert wird.
Das erfindungsgemäße Filterverfahren eignet sich neben der Trennung von Blut in Plasma und Zellen auch für die Trennung anderer Flüssigkeiten, in denen Feststoffe, Zellen, Partikel oder Tröpfchen getrennt werden sollen. Anwendungsbeispiele hierfür sind Lösungen, die Bakterien, Zellen, Pilze oder Algen enthalten, aber auch Anlagen zur Herstellung von Getränken, insbesondere alkoholischen Getränken wie Wein.

Claims

Selbstreinigendes Filter (1) zum Filtern eines Fluids (F), das Festkörperpartikel aufweist, mit: mindestens einem Kapillarrohr (2), durch welches das Fluid (F) strömt, wobei das Kapillarrohr (2) eine Filterwandung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das durch das Kapillarrohr (2) strömende Fluid (F) durch die Filterwandung zur Trennung des Fluids von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt, wobei das Kapillarrohr (2) eine Krümmung aufweist, welche eine das Filter (1) verstopfende Anlagerung von Festkörperpartikeln an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres (2) gezielt verhindert.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1, wobei das Kapillarrohr (2) eine poröse Filterwandung aufweist, deren Porösität derart ausgebildet ist, dass das durch das Kapillarrohr (2) strömende Fluid (F) durch die in der Filterwandung vorhandenen Poren zur Trennung des Fluids (F) von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kapillarrohr (2) aus einem elastischen Kunststoffmaterial besteht.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 3, wobei ein Krümmungsradius (r) des elastischen Kapillarrohres (2) variabel einstellbar ist.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1 bis 4, wobei das gekrümmte Kapillarrohr (2) einen Bogen oder eine Spirale bildet, die in einem Gravitationsfeld horizontal oder vertikal angeordnet sind.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1 bis 5, wobei das Fluid (F) an einem ersten Ende in das gekrümmte Kapillarrohr (2) mit einem ersten Druck (P₁) eintritt und an einem zweiten Ende aus dem gekrümmten Kapillarrohr (2) mit einem zweiten Druck (P₂) austritt, welcher niedriger ist, als der erste Druck (P₁).
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 6, wobei eine Pumpe (10) vorgesehen ist, welche das zu filternde Fluid (F) zu dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres (2) pumpt.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 6 oder 7, wobei das zu filternde Fluid (F) sich in einem Vorratsbehälter (6) befindet, der mit dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres (2) verbunden ist.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 6 bis 8, wobei das an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres (2) austretende gefilterte Fluid (F) in einem ersten Aufnahmebehälter (7) aufgenommen wird.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 9, wobei der durch die Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres (2) gegen einen Umgebungsdruck hindurchtretende, von Festkörperpartikeln befreite Anteil des Fluids (F) durch einen zweiten Aufnahmebehälter (9) aufgenommen wird.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 6 bis 10, wobei das an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres (2) austretende, gefilterte Fluid (F) eine höhere Konzentration an Festkörperpartikeln aufweist, als das an dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres eintretende, zu filternde Fluid (F).
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1 bis 11, wobei das durch das gekrümmte Kapillarrohr (2) strömende Fluid (F) Blut ist und die Filterwandung derart ausgebildet ist, dass Blutplasma durch die Filterwandung zur Trennung von Blutkörpern zumindest teilweise hindurchtritt.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1 bis 11, wobei das durch das gekrümmte Kapillarrohr (2) strömende Fluid (F) eine Lösung ist und die Filterwandung derart ausgebildet ist, dass die Lösung durch die Filterwandung zur Trennung von Bakterien, Zellen, Pilzen oder Algen zumindest teilweise hindurchtritt.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1 bis 11, wobei der Krümmungsradius (r) des gekrümmten Kapillarrohres (2) in Abhängigkeit von der Konzentration der Festkörperpartikel in dem zu filternden Fluid (F) und/oder dem gefilterten Fluid (F') einstellbar ist.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1–14, wobei der Krümmungsradius (r) in einem Bereich von 1 cm bis 5 cm liegt.
Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 1 bis 15, wobei eine Konzentration der Festkörperpartikel in dem zu filternden Fluid (F) oder dem gefilterten Fluid (F') durch eine Messeinrichtung (10) erfasst wird.
Verfahren zum Filtern eines Fluids (F), das Festkörperpartikel aufweist, wobei das Fluid (F) durch ein gekrümmtes Kapillarrohr (2) geführt wird und zur Trennung des Fluids (F) von den Festkörperpartikeln zumindest teilweise durch eine Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres (2) hindurchtritt, wobei die Krümmung des Kapillarrohres (2) einen bestimmten Krümmungsradius (r) aufweist, der dazu geeignet ist eine Anlagerung von Festkörperpartikeln des Fluids (F) an einem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres (2) gezielt zu verhindern.