DE102011083954A1

DE102011083954A1 - Schwingungsbasierte Querstromfiltrationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011083954A1
Application number: DE201110083954
Authority: DE
Inventors: Horst Randhahn
Original assignee: bioprocess consulting
Current assignee: bioprocess consulting
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2013-04-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Querstromfiltrationsvorrichtung 100 sowie ein entsprechendes Querstromfiltrationsverfahren zum Aufteilen von partikelbeladenen Flüssigkeiten in einen partikelreduzierten und einen partikelangereicherten Volumenanteil, die Querstromfiltrationsvorrichtung weist auf einen Einlass 11 zum Einbringen einer partikelbeladenen Flüssigkeit 50, einen Permeatauslass 12 zum Abführen eines partikelreduzierten Volumenanteils 52 der Flüssigkeit, einen Retentatauslass 13 zum Abführen eines partikelangereicherten Volumenanteils 54 der Flüssigkeit, ein von der partikelbeladenen Flüssigkeit durchströmtes Querstromfiltermodul 5 mit definierter Querstromrichtung Q und senkrecht dazu stehender Filtrationsrichtung F und mindestens einer Filtermembran, welche den partikelreduzierten Volumenanteil 52 der Flüssigkeit vom partikelangereicherten Volumenanteil 54 der Flüssigkeit trennt und einen Antrieb 9, welcher das Querstromfiltermodul 5 in eine rotatorische Oszillationsbewegung um eine Schwingungsachse 40 versetzt.

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Querstromfiltrationsvorrichtung und ein entsprechendes Querstromfiltrationsverfahren für das Aufteilen einer partikelbeladenen Flüssigkeit in einen partikelreduzierten Volumenstrom und einen partikelangereicherten Volumenstrom. Eine derartige Querstromfiltrationsvorrichtung und ein entsprechendes Querstromfiltrationsverfahren sind insbesondere in der chemischen, der biotechnischen, der Lebensmittel- oder der Pharmaindustrie einsetzbar.
2. Stand der Technik
Klassische Filtersysteme, bei denen das Filter den Querschnitt zum Beispiel einer Rohrleitung vollständig einnimmt, werden Kuchenfiltrationssysteme oder auch Deadend-Systeme genannt. Diese haben den Nachteil, dass sie sich mit der Zeit mit den zurückgehaltenen Partikeln zusetzen und den sog. Kuchen bzw. das Fouling bilden, wodurch sich der erforderliche Druck erhöht, um einen definierten Volumenstrom durch den Filter zu pressen oder zu saugen. Derartige Filtersysteme müssen regelmäßig vom Filterkuchen befreit bzw. ganz ausgetauscht werden, was zu hohen Kosten, aufwändigen Wartungsarbeiten und langen Maschinenstillstandszeiten führt.
Diesem Problem wird schon seit vielen Jahren durch sogenannte Querstromfiltrationsverfahren erfolgreich begegnet. Bei diesen Verfahren nimmt das Filter bzw. die Membran nicht den Querschnitt eines Rohres ein, sondern wird in einer Filtrationskammer parallel zur Flussrichtung angeordnet. Bei den nachfolgenden Ausführungen ist zu beachten, dass eine Membran die einfachste Form eines Filters darstellt. Im Rahmen dieses Dokuments soll jedoch immer dort, wo Membrane beschrieben werden auch der Einsatz komplexerer Filterstrukturen vollumfänglich miterfasst sein.
Die grundlegenden Prinzipien der Querstromfiltration sind in der folgenden Fachliteratur beschrieben:
Melin, Th. und Rautenbach, R., Membranverfahren, Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, Springer Verlag Berlin u. Heidelberg, 3. Auflage 2007;
Munir, Ch. Handbuch Ultrafiltration, B. Behr Verlag GmbH & Co., Hamburg, 2. Auflage, 1990.
Im Allgemeinen besteht eine Filtervorrichtung für Querstromfiltrationsverfahren aus einer Kammer mit einem Einlass und zwei Auslässen, wobei der Einlass und ein Auslass auf der einen Seite der Membran angeordnet sind und der zweite Auslass auf der anderen Seite der Membran. Durch einen transmembranen Druckgradienten wird ein definierter Anteil des Volumenstroms durch die Membran hindurchgedrückt oder gesogen, wobei die mitgeführten Partikel von der Membran zum größten Teil auf der Seite des Einlasses zurückgehalten werden. Der verbleibende Volumenstrom streicht an der Membran entlang nimmt die zurückgehaltenen Partikel auf, reichert sich dadurch mit Partikeln an und wird über den Auslass, welcher sich auf derjenigen Seite der Membran befindet, auf der sich auch der Einlass befindet, abgeführt. Somit kann ein Zusetzen der Membran verhindert oder zumindest verzögert werden.
Hierfür ist es allerdings erforderlich, dass die zu filternde Flüssigkeit mit einer hohen Geschwindigkeit von ca. 2,5 bis 3 m/s parallel an der Membran vorbei geführt wird, damit der partikelangereicherte Volumenstrom genügend Wandschubspannung aufbringt, um die auf der Oberfläche der Membran befindlichen Partikel abzulösen und mitzuführen. Als Wandschubspannung bezeichnet man hierbei die Kraft, die von dem partikelangereicherten Volumenstrom parallel zur Membran aufgebracht wird. Durch die hohen Geschwindigkeiten sind die Kontaktzeiten des Volumenstroms mit der Membran sehr kurz. Dies führt dazu, dass eine zu filternde Flüssigkeit häufig mehrmals, oft hunderte Male, durch die Filterkammer gepumpt werden muss, d. h. rezirkuliert werden muss, um den gewünschten Filtrationsgrad zu erreichen. Zusätzlich sind große Membranüberströmlängen erforderlich. Große Pumpleistungen und hoher apparativer Aufwand sind die Folge. Durch diese Rezirkulation nimmt die Belegung der Membran unkontrolliert zu. Die auf der Membran zurückbleibenden Partikel verstopfen im Laufe der Zeit die Membran, so dass üblicherweise der Flüssigkeitsdruck hochgefahren werden muss, um überhaupt eine Filterleistung zu erzielen. Wenn schließlich keine Filterleistung mehr eintritt muss die Membran ausgetauscht werden. Ein weiterer Nachteil der Rezirkulation ist die Schädigung des Produkts durch die auftretenden Scherkräfte in den Pumpen während der Rezirkulation.
In der WO 2010/050815 A1 ist ein Querstromfiltrationsverfahren dargestellt, welches zum Filtern einer Bioreaktorflüssigkeit verwendet wird. Die zu filternde Flüssigkeit wird von oben nach unten durch ein röhrenförmiges Filterelement geleitet. Zur Vermeidung des Zusetzens der Membran des Filterelements wird zusätzlich Gas in das Filterelement eingeleitet. Dabei entstehen Turbulenzen in der partikelangereicherten Flüssigkeit und die Partikel, welche sich an der Membranoberfläche abgelagert haben, werden abgelöst und – wie in Querstromfiltrationsverfahren gewünscht – mit dem Retentat abgeführt.
In der EP 1 702 664 A2 wird eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser oder zur Abwasserreinigung mit Hilfe eines Rotations-Scheibenfilters beschrieben. Hierbei weist die Filtereinheit einzelne Filterscheiben auf, welche an einer Hohlwelle gestapelt angeordnet sind und mit dieser rotieren. Hierbei wird eine für die Filtration notwendige Überströmgeschwindigkeit von der sonstigen Flüssigkeitsbewegung entkoppelt. Damit grenzt sich diese Druckschrift explizit von Querstromfiltrationsverfahren ab.
In der US 4,952,317 ist eine Filtervorrichtung beschrieben, die in einen Behälter eingetaucht ist und eine Flüssigkeit mit Hilfe einer Vakuumpumpe durch die Membran einer Filtervorrichtung hindurch gesogen wird. Diese Filtervorrichtung arbeitet nicht im Querstromfiltrationsprinzip. Ein Zusetzen der Membran wird vermieden bzw. reduziert, indem die Membran der Filtervorrichtung durch einen Vibrator in Schwingungen versetzt wird.
Querstromfiltrationsverfahren haben daher den Nachteil, dass sie keine ausreichende Filterleistung bereitstellen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit durch das Filterelement nicht ausreichend hoch gewählt wird, um ein Zusetzen wirksam zu verhindern. Daher sind in fast allen industriellen Anwendungsfällen mehrere Rezirkulationen notwendig, die einen Vielfachdurchgang der Flüssigkeit durch die Filtervorrichtung bzw. eine Kaskadierung mehrerer hintereinandergeschalteter Filtervorrichtungen erfordern und das Produkt schädigen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Querstromfiltrationsvorrichtung und ein entsprechendes Querstromfiltrationsverfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, eine partikelbeladene Flüssigkeit in einen partikelreduzierten Volumenstrom und einen partikelangereicherten Volumenstrom aufzuspalten, wobei die Filterung effizienter als im Stand der Technik ausgeführt wird. Insbesondere sollen aufwändige Rezirkulationen der Flüssigkeit verringert oder ganz vermieden werden. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung den erforderlichen apparativen Aufwand zu verringern.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Die oben genannten Aufgaben werden gelöst durch eine Querstromfiltrationsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Querstromfiltrationsverfahren zum Aufteilen von partikelbeladenen Flüssigkeiten in einen partikelreduzierten und einen partikelangereicherten Volumenstrom gemäß Patentanspruch 14.
Insbesondere werden die oben genannten Aufgaben gelöst durch eine Querstromfiltrationsvorrichtung zum Aufteilen von partikelbeladenen Flüssigkeiten in einen partikelreduzierten und einen partikelangereicherten Volumenanteil, aufweisend einen Einlass zum Einbringen einer partikelbeladenen Flüssigkeit, einen Permeatauslass zum Abführen eines partikelreduzierten Volumenanteils der Flüssigkeit, einen Retentatauslass zum Abführen eines partikelangereicherten Volumenanteils der Flüssigkeit, ein von der partikelbeladenen Flüssigkeit durchströmtes Querstromfiltermodul mit definierter Querstromrichtung und senkrecht dazu stehender Filtrationsrichtung und mindestens einer Filtermembran, welche den partikelreduzierten Volumenanteil der Flüssigkeit vom partikelangereicherten Volumenanteil der Flüssigkeit trennt, einen Antrieb, welcher das Querstromfiltermodul in eine rotatorische Oszillationsbewegung um eine Schwingungsachse versetzt.
Die Grundvoraussetzung des Querstromfiltrationsprinzips, nämlich das Gleichgewicht zwischen Partikelan- und -abtransport zu und von dem Querstromfiltermodul ist bei der vorliegenden Erfindung erstmals optimal verwirklicht. Die maßgebliche technische Größe ist hierbei die oben beschriebene Wandschubspannung, mit welcher die an der Membran anhaftenden Partikel abgelöst werden. Erfindungsgemäß wird ein Teil der Wandschubspannung durch die Querstromgeschwindigkeit der Flüssigkeit erzeugt, das heißt durch die Geschwindigkeit der Flüssigkeit parallel zur Membran. Der andere, weitaus überwiegende Teil wird durch eine rotatorische Oszillationsbewegung des Querstromfiltermoduls erzeugt. Durch die rotatorische Oszillationsbewegung kann bevorzugt eine Wandschubspannung erzeugt werden, die um Größenordnungen größer ist als die durch die Querstromgeschwindigkeit erzeugte Wandschubspannung. Es ergibt sich insgesamt eine kombinierte Wandschubspannung, die – verglichen mit der nur durch den Flüssigkeitsstrom erzeugten – erheblich gesteigert ist.
Zusätzlich findet eine häufige Umkehrung der Bewegung des Querstromfiltermoduls mit regelmäßigen Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen statt. Diese Eigenschaft der Vorrichtung birgt vor allem gegenüber unidirektional rotierenden Filterelementen den weiteren Vorteil, dass aufgrund der Masseträgheit der auf der Oberfläche der Membran anhaftenden Partikel vor allem die Abbremsvorgänge ein Ablösen der Partikel von der Membranoberfläche durch den partikelangereicherten Volumenstrom erleichtern. Ein frühzeitiges Zusetzen des Filters wird damit wirkungsvoll verhindert.
Weiterhin sind bei diesem erfinderischen Querstromfiltrationssystem Schergradienten an der Membranoberfläche, also Änderungen der Geschwindigkeit senkrecht zur Strömungsrichtung, von bis zu 10⁵ s^–1 möglich. Dies entspricht einem Vielfachen der konventionell erzeugbaren Schergradienten, die lediglich durch die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit hervorgerufen werden. Damit verhindern die hierbei wirkenden Wandschubspannungen fast jede Ausbildung eines Filterkuchens auf der Membranoberfläche. Der Effekt der Querstromgeschwindigkeit wird somit erheblich verstärkt. Dadurch ergibt sich eine signifikante Entkoppelung von Wandschubspannung und Transmembrandruckgradienten, also dem Druckgefälle von der Einströmseite der Membran hin zur gegenüberliegenden Seite der Membran.
Somit können die beiden eben beschriebenen, den Trennprozess bestimmenden Kenngrößen nun erstmals weitgehend separat und spezifisch eingestellt werden, nämlich die Wandschubspannung über die Frequenz- und Amplitudensteuerung des oszillierenden Membranmoduls und durch die Querstromgeschwindigkeit sowie der Transmembrandruck über eine einfache Druckregelung zwischen dem Eintritt der partikelbeladenen Flüssigkeit und dem Austritt des partikelangereicherten Volumenstroms. Um eine kontinuierliche minimale Überströmung der Membran sicherzustellen, muss lediglich gewährleistet sein, dass der Volumenstrom der partikelbeladenen Flüssigkeit am Einlass immer größer ist, als der partikelreduzierte Volumenstrom, der sog. Permeatvolumenstrom.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass für industrielle Anwendungen meist gewöhnliche, bereits kommerziell verfügbare stirnseitig durchströmte Querstromfiltermodule verwendet werden können, die einen Durchmesser bis ca. 300 mm haben. Dies ermöglicht einen kostengünstigen Einsatz der vorliegenden Querstromfiltrationsvorrichtung.
Da die Nachteile größerer Querstromfiltermodule, wie eine sehr hohe erforderliche Pumpleistung bei konventionellen Querstromfiltersystemen, mit erfindungsgemäßen Querstromfiltrationsvorrichtungen nicht auftreten, können auch Querstromfiltermodule mit einem wesentlich größeren Durchmesser, von beispielsweises 600 mm verwendet werden. Damit erhöht sich wiederum die Filterleistung.
Damit wurde erstmalig die Voraussetzung geschaffen, Querstromfiltrationsprozesse leistungsoptimiert, kostengünstig und produktschonend im industriellen Maßstab einzusetzen. Erfindungsgemäße Querstromfiltrationssysteme haben wesentliche Vorteile hinsichtlich Energieverbrauch, Prozesszeit, Produktschonung sowie effizienter Anlagen- und Prozessauslegung.
Bevorzugt verläuft die Querstromrichtung des Querstromfiltermoduls parallel zur Schwingungsachse. Damit können kommerziell erhältliche Querstromfiltermodule in Form von Spiralwickelmodulen, Rohrmodulen oder Hohlfasermodulen eingesetzt werden, wobei die Oszillationsrichtung senkrecht zur Querstromrichtung verläuft.
Bevorzugter ist das Querstromfiltermodul der Querstromfiltrationsvorrichtung zylinderförmig oder hohlzylinderförmig ausgebildet und wird von der partikelbeladenen Flüssigkeit stirnseitig angeströmt, so dass die Querstromrichtung durch das Querstromfiltermodul hindurch, parallel zur Schwingungsachse des Querstromfiltermoduls verläuft. Entgegen der bisherigen Praxis Querstromfiltermodule bei ungenügender Filterwirkung durch ganz andere Filteranordnungen zu ersetzen, wird hier erstmals eine Vorrichtung bereitgestellt, bei der bewährte und kommerziell erhältliche Querstromfiltermodule in ihrer Filterwirkung signifikant verbessert werden.
Noch bevorzugter stehen der Einlass und der Retentatauslass der Querstromfiltrationsvorrichtung je über einen Ringkanal mit je einer Stirnseite des Querstromfiltermoduls in Verbindung. Diese Ringkanäle gewährleisten, dass die zuzuführende Flüssigkeit gleichmäßig über die Stirnseite des rotationssymmetrischen Querstromfiltermoduls verteilt bzw. von demselben gleichmäßig wieder abgeführt wird.
Noch bevorzugter ist das Querstromfiltermodul als ein Spiralwickelmodul, ein Rohrmodul oder ein Hohlfasermodul ausgebildet. Die erfindungsgemäß eingesetzten Querstromfiltermodule entsprechen den auf dem freien Markt beziehbaren Querstromfiltermodulen, was die Vorrichtung im Betrieb kostengünstig und flexibel einsetzbar macht.
Bevorzugt ist das Querstromfiltermodul als Flachmembranmodul ausgebildet, welches Flachmembranpakete aus horizontal angeordneten Flachmembranen aufweist, wobei die partikelbeladene Flüssigkeit die Flachmembranpakte von innen nach außen überströmt. Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich auch mit Querstromfiltermodulen erzielen, die als Flachmembranmodule ausgebildet sind. Hier hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die horizontal angeordneten Flachmembranpakete von innen nach außen durchströmt werden. Die Querströmung verläuft daher in der Regel radial aus dem Zentrum des Flachmembranmoduls, durch das auch die Schwingungsachse verläuft, nach außen. Dann trifft nämlich die partikelbeladene Flüssigkeit zunächst auf Flachmembranabschnitte die mit geringer Absolutgeschwindigkeit oszillieren. Auf dem Weg im Filtermodul nach außen nimmt mit stärkerer Aufkonzentrierung der Partikel im Volumenstrom auch die Absolutgeschwindigkeit der Flachmembranabschnitte zu, was die Wandschubspannung erhöht, die Filterwirkung verbessert und ein Zusetzen des Filters verringert.
Bevorzugt werden der partikelreduzierte Volumenanteil der Flüssigkeit und der partikelangereicherte Volumenanteil der Flüssigkeit durch separate Kanäle am Außenzylinder des Querstromfiltermoduls aufgenommen und die Kanäle stehen entweder mit dem Permeatauslass oder dem Retenatauslass in Verbindung. Damit kann das Permeat und das Retentat separat voneinander am Außenzylinder des Querstromfiltermoduls aufgefangen und weitergeleitet werden.
Bevorzugt erfolgt die Zufuhr der partikelbeladenen Flüssigkeit über eine hohle Zentralwelle. Damit kann die bevorzugte Überströmung der Flachmembranpakete von innen nach außen auf einfache Weise realisiert werden.
Bevorzugt wird die Schwingungsachse durch eine Zentralwelle bereitgestellt, welche durch den Antrieb oszillierend angetrieben wird. Gegenüber unidirektional rotierenden Vorrichtungen hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, dass das Ablösen der Partikel von der Oberfläche der Membran durch die Oszillation des Querstromfiltermoduls in Verbindung mit der gegebenen Trägheit des darin befindlichen Flüssigkeitsvolumens signifikant erhöht wird. Dies geschieht durch die auftretenden Beschleunigungs- und Abbremsbewegungen des Querstromfiltermoduls und des darin befindlichen Flüssigkeitsvolumens, welche aufgrund der Oszillationsbewegung auftreten. Diese Oszillation kann auf konstruktiv einfache Weise über eine Zentralwelle in das Querstromfiltermodul eingeleitet werden.
Bevorzugt weist die Querstromfiltrationsvorrichtung weiterhin mindestens eine Rückstellfeder und/oder mindestens eine Torsionsfeder auf. Diese Federn erzeugen ein schwingendes System und unterstützen den nachfolgend erläuterten Antrieb dahin gehend, dass das Querstromfiltrationsmodul nach dem Wegfall der auslenkenden Kraft in die Ausgangsposition zurückbewegt und darüber hinaus entgegen der Richtung der auslenkenden Kraft schwingt. Nach dem Abbremsen des Querstromfiltrationsmoduls ist die Feder bzw. sind die Federn gespannt und bewegen das Querstromfiltrationsmodul wieder in Richtung der auslenkenden Kraft. Auf diese Weise muss der Antrieb im laufenden Betrieb lediglich die Reibungsverluste der Querstromfiltrationsvorrichtung ausgleichen.
Bevorzugt weist der Antrieb einen Rotationsmotor oder mindestens einen Linearaktuator auf. Der bevorzugt verwendete Linearaktuator kann ein elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Aktuator sein. Bevorzugt ist der Rotationsmotor ein fremdgekühlter Scheibenläufermotor, der oszillierend betrieben wird. Damit werden für den oszillierend rotierenden Antrieb nur wenige bewegte Teile benötigt und der Antrieb ist quasi wartungsfrei.
Bevorzugt weist das Querstromfiltermodul Elemente auf, über die es unmittelbar oder mittelbar über Filterelementteller mit der Zentralwelle formschlüssig in Eingriff steht. Durch diese Elemente, beispielsweise Rippen, Vorsprünge, Nuten, Keilwellen, etc., ergibt sich eine schlupffreie Übertragung der Oszillationsbewegung der Zentralwelle auf das Querstromfiltermodul.
Noch bevorzugter weist die um die Hochachse rotatorische Oszillationsbewegung eine Frequenz im Bereich von 1 bis 60 Hertz und/oder eine Amplitude im Bereich von 0,1° bis 10° auf. Diese Werte haben sich für kommerzielle Querstromfiltermodule als besonders effektiv erwiesen. Speziell bevorzugt werden Oszillationsfrequenzen im Bereich von 5 bis 30 Hz, da sich diese für den realen Einsatz als besonders effizient erwiesen haben.
Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Querstromfiltrationsverfahren zum Aufteilen von partikelbeladenen Flüssigkeiten in jeweils einen partikelreduzierten und einen partikelangereicherten Volumenanteil, aufweisend die nachfolgenden Schritte:

a. Bereitstellen eines Querstromfiltermoduls, mit definierter Querstromrichtung und senkrecht dazu stehender Filtrationsrichtung und mit mindestens einer Filtermembran, welche einen partikelreduzierten Volumenanteil der Flüssigkeit von einem partikelangereicherten Volumenanteil der Flüssigkeit trennt;
b. Versetzen des Querstromfiltermoduls in eine rotatorische Oszillationsbewegung um eine Schwingungsachse;
c. Zuführen einer partikelbeladenen Flüssigkeit über mindestens einen Einlass an das Querstromfiltermodul;
d. Überströmen der mindestens einen Filtermembran mit der partikelbeladenen Flüssigkeit in Querstromrichtung zum Aufteilen der partikelbeladenen Flüssigkeit in den partikelreduzierten Volumenanteil und den partikelangereicherten Volumenanteil der Flüssigkeit;
e. Abführen des partikelreduzierten Volumenanteils über einen Permeatauslass; und
f. Abführen des partikelangereicherten Volumenanteils über einen Retentatauslass.

Es sei explizit darauf hingewiesen, dass die oben erläuterten Schritte a–f nicht in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden müssen, sondern in beliebiger Reihenfolge und insbesondere auch einige oder alle Schritte parallel.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet, dass die Wandschubspannung insbesondere auch durch eine Oszillationsbewegung des Querstromfiltermoduls und nicht allein durch die Querstromgeschwindigkeit der Flüssigkeit erzeugt wird, wobei sich beide Bewegungen überlagern.
Bevorzugt wird bei dem Querstromfiltrationsverfahren das Querstromfiltermodul, welches zylinderförmig oder hohlzylinderförmig ausgebildet ist, dergestalt eingesetzt, dass es in Schritt c von der partikelbeladenen Flüssigkeit stirnseitig angeströmt wird, so dass die Querstromrichtung durch das Querstromfiltermodul hindurch, parallel zur Schwingungsachse des Querstromfiltermoduls verläuft. Entgegen der bisherigen Praxis Querstromfiltermodule bei ungenügender Filterwirkung durch ganz andere Filteranordnungen zu ersetzen, wird hier erstmals ein Verfahren bereitgestellt, bei der bewährte und kommerziell erhältliche Querstromfiltermodule in ihrer Filterwirkung signifikant verbessert werden.
Bevorzugt verläuft die Schwingungsachse parallel zur Querstromrichtung. Auch dann ergibt sich eine Oszillationsbewegung der Membran senkrecht zur Querstromrichtung, also senkrecht zur Flussrichtung der partikelbeladenen Flüssigkeit durch das Querstromfiltermodul was eine hohe Wandschubspannung an der Membranoberfläche erzeugt.
Da das Querstromfiltermodul in eine rotatorische Oszillationsbewegung um eine Schwingungsachse versetzt wird, wobei die Schwingungsachse parallel zur Querstromrichtung verläuft, können zudem problemlos kommerziell erhältliche Querstromfiltermodule verwendet werden, die üblicherweise um die Mittenachse in Querstromrichtung rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Damit kann das Verfahren im industriellen Einsatz kostengünstig und flexibel verwendet werden. Zusätzlich können auch Querstromfiltermodule eingesetzt werden, deren Durchmesser größer ist, als bei kommerziell erhältlichen, was die Filterleistung erhöht. Bevorzugt kann das Querstromfiltermodul als Flachmembranmodul ausgebildet sein, welches Pakete aus horizontal angeordneten Flachmembranen aufweist wobei die partikelbeladene Flüssigkeit die Flachmembranpakete von innen nach außen überströmt.
Bevorzugt durchströmt die partikelbeladene Flüssigkeit das Querstromfiltermodul in Einmalpassage. Durch Einstellen der rotatorischen Oszillationsbewegung des Querstromfiltermoduls und Einstellen der Querstromgeschwindigkeit wird der gewünschte Grad der Aufkonzentrierung der Partikel in der partikelbeladenen Flüssigkeit erreicht, selbst wenn diese nur einmal durch das Querstromfiltermodul hindurchtritt. Daher kann auf eine Rezirkulation der Flüssigkeit verzichtet werden und das Produkt wird bestmöglich geschont.
Noch bevorzugter weist die um die Hochachse rotierende Oszillationsbewegung eine Frequenz im Bereich von 1 bis 60 Hertz und/oder eine Amplitude im Bereich von 0,1° bis 10° auf. Diese Werte haben sich für kommerzielle Querstromfiltermodule als besonders effizient erwiesen. Speziell bevorzugt werden Oszillationsfrequenzen im Bereich von 5 bis 30 Hz, da sich diese für den realen Einsatz als besonders effizient erwiesen haben.
4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. In denen zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Querstromfiltrationsvorrichtung, wobei der linke Teil einen Teilschnitt durch die Rotationsachse der Zentralwelle zeigt;
2 eine Aufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Querstromfiltrationsvorrichtung mit einer gleichläufigen Anordnung von vier Antrieben, wobei im rechten Teil der Figur ein Teilschnitt durch das Lagergehäuse dargestellt ist;
3 eine horizontale Schnittansicht auf der Höhe des Lagergehäuses einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Querstromfiltrationsvorrichtung mit einer gegenläufigen Anordnung von vier Antrieben;
4 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Querstromfiltrationsvorrichtung ohne Torsionsfeder, wobei der linke Teil einen Teilschnitt durch die Rotationsachse der Zentralwelle zeigt;
5A eine schematische Seitenansicht eines Teils einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Querstromfiltrationsvorrichtung bei dem ein Antrieb mit Ausgleichsmasse und Schubkurbelantrieb dargestellt ist, wobei der linke Teil einen Querschnitt durch die Rotationsachse der Zentralwelle zeigt;
5B eine Draufsicht im Detail auf den Schubkurbelantrieb der Vorrichtung nach 5A;
6 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Querstromfiltrationsvorrichtung mit fremd gekühltem Scheibenläufermotor, wobei partiell ein Querschnitt durch die Rotationsachse der Zentralwelle dargestellt ist;
7A eine eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Filtrationseinheit, bei der die obere und untere Endkappe konstruktiv angepasst ist, um eine schlupffreie Übertragung der Oszillationsbewegung von der Zentralwelle auf das Querstromfiltermodul zu gewährleisten;
7B eine teilweise geschnittene Aufsicht auf einen unteren Filterelementteller und eine entsprechende Endkappe der Ausführungsform nach 7A;
8 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Filtrationseinheit mit zwei hintereinandergeschalteten Querstromfiltermodulen; und
9 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Querstromfiltrationsvorrichtung mit einem Flachmembran-Querstromfiltermodul, wobei der linke Teil einen Teilschnitt durch die Rotationsachse der Zentralwelle zeigt.
5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden unter Bezug auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Besondere Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele können mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Querstromfiltrationsvorrichtung 100, wobei der linke Teil einen Teilschnitt durch die Rotationsachse einer Zentralwelle 3 zeigt. Die Ausführungsform umfasst einem Grundrahmen 1, der die weiteren Elemente der Querstromfiltrationsvorrichtung 100 trägt. Die Filtrationseinheit 14 ist über die Zentralwelle 3 mit dem Grundrahmen 1 um die Hochachse drehbar gelagert verbunden. Dazu ist die Zentralwelle in einem Lagergehäuse 2 gelagert, in dem zwei Radialkugellager und ein Axialkugellager angeordnet sind. Die Filtrationseinheit 14 umfasst alle um die Hochachse oszillierenden Komponenten oberhalb des Grundrahmens 1, insbesondere die Zentralwelle 3, einen unteren Filterelementteller 4, ein Querstromfiltermodul 5, einen oberen Filterelementteller 6, eine Spannmutter 7, einen Spannring 8, einen Einlass 11, einen Permeatauslass 12, einen Retentatauslass 13 sowie Ringkanäle 46, 48.
Die Zentralwelle 3 ist fest mit der Filtrationseinheit 14 verbunden, indem sie fest mit dem unteren Filterelementteller 4 verbunden ist. Der Filterelementteller 4 trägt das Querstromfiltermodul 5 und dichtet es mittels O-Ringen ab. Auch die Zentralwelle 3 und der untere Filterelementteller 4 sind gegeneinander abgedichtet. Das Querstromfiltermodul 5 umschließt als Hohlzylinder die Zentralwelle 3. Das Querstromfiltermodul 5 wird am oberen Ende durch den oberen Filterelementteller 6 fixiert und mittels O-Ringen abgedichtet. Mittels der Spannmutter 7 wird axial die vertikale Druckkraft auf das Querstromfiltermodul 5 aufgebracht. Mithilfe des Spannrings 8 wird eine torsionssteife Verbindung des Querstromfiltermoduls 5 zur Zentralwelle 3 hergestellt.
Der Grundrahmen 1 trägt weiterhin den Antrieb 9, welcher die drehbaren Komponenten, insbesondere die Filtrationseinheit 14 um eine vertikale Schwingungsachse in eine rotatorische Oszillationsbewegung versetzt. Die hierbei durch die rotatorisch schwingende Masse eingebrachten Kräfte werden durch eine zentrale Torsionsfeder 10 im vorgegebenen Frequenztakt aufgenommen. Dies führt dazu, dass die drehbaren Komponenten insbesondere die Filtrationseinheit 14 nach Wegfall der durch den Antrieb 9 erzeugten Kraft in die Ausgangsposition zurückgeführt wird. Die zentrale Torsionsfeder 10 ist am unteren Ende fest mit dem Grundrahmen 1 und am oberen Ende fest mit der drehbaren Zentralwelle 3 verbunden. Durch diese Anordnung und Konstruktion müssen im kontinuierlichen Betrieb durch die Antriebsenergie nur die thermischen und reibungsbedingten Verluste ausgeglichen werden.
In der schematischen Darstellung der 1 ist ein Querstromfiltermodul 5 mit vertikaler Membrananordnung, einem sog. Wickelmodul, dargestellt. Ebenso können bei dieser Erfindung Rohr- bzw. Hohlfasermodule, Flachmembranmodule oder andere kommerziell erhältliche oder speziell angefertigte Querstromfiltermodule eingesetzt werden.
Die partikelhaltige zu filternde Flüssigkeit 50 wird über einen Einlass 11 der Filtrationseinheit 14 zugeführt und über einen Ringkanal 46 gleichmäßig über die untere Stirnseite 42 des zylinderförmigen Querstromfiltermoduls 5 verteilt. Der Volumenstromanteil der Flüssigkeit, welcher durch das Querstromfiltermodul 5 nicht gefiltert wird, der partikelangereicherte Volumenanteil oder das sog. Retentat 54, wird von der oberen Stirnseite 44 des Filtermoduls 5 über einen Ringkanal 48 durch den Retentatauslass 13 abgeführt. Der Volumenstromanteil der zu filternden Flüssigkeit 50, welcher durch das Querstromfiltermodul 5 gefiltert wird, der partikelreduzierte Volumenanteil, das sog. Permeat 52, wird nach innen durch die Zentralwelle 3 hindurch abgeleitet und oben über den Permeatauslass 12 abgeführt.
Der Antrieb 9 versetzt die die Filtrationseinheit 14 in eine oszillierende Bewegung um eine Schwingungsachse 40, die durch die Zentralwelle 3 verkörpert wird. Die Schwingungsachse 40 ist vertikal ausgerichtet, was konstruktive Vorteile mit sich bringt. Durch die Oszillationsbewegung der Filtrationseinheit 14 wird es dem Retentat 54 erleichtert, die vom Permeat 52 zurückgelassenen Partikel, welche auf der Oberfläche der Membran des Querstromfiltermoduls 5 anhaften, abzulösen und mitzuführen. Hierdurch wird es möglich, die erforderliche Geschwindigkeit in Querstromrichtung Q des Retentats 54, also der Strömung quer zur Filtrationsrichtung F der Membran, im Vergleich zu klassischen Querstromfiltrationssystemen signifikant zu reduzieren, was die Verweildauer des Retentats im Querstromfiltermodul 5 vergrößert und damit die Filtereffektivität verbessert.
Die zu filternde partikelhaltige Flüssigkeit 50 bewegt sich bevorzugt senkrecht von unten nach oben durch das Querstromfiltermodul 5. Durch den Transmembrandruck zwischen dem Einlass 11 und dem Retentatauslass 13 wird ein Teil der partikelbeladenen Flüssigkeit 50 in Filtrationsrichtung F durch eine semipermeable Membran hindurchgepresst. Hierbei lässt die durchgedrückte Flüssigkeit einen Großteil der mitgeführten Partikel an der Eintrittsseite der Membran zurück und bildet den partikelreduzierten Volumenstrom 52. Die auf der Eintrittsseite der Membran verbleibende Flüssigkeit nimmt die zurückgelassenen Partikel auf und wird so zum partikelangereicherten Volumenstrom 54. Der partikelangereichte Volumenstrom 54 wird dann weiter in Querstromrichtung Q durch das Querstromfilterelement 5 hindurchgeleitet und über den Permeatauslass 13 abgeführt.
Die rotatorische Oszillationsbewegung um die Schwingungsachse erfolgt im Wesentlichen senkrecht zur Querstromrichtung Q. Die Querströmung ist daher von der Schwingungsbewegung der trägen Flüssigkeitsvolumina in den einzelnen Kanälen des Querstromfilterelements 5, die zum großen Teil zur Ablösung der Partikel von der Membran führt, unbeeinflusst. Dadurch ergibt sich eine signifikante Entkoppelung der Wandschubspannung von dem Transmembrandruckgradienten, also dem Druckgefälle von der Einströmseite der Membran hin zur gegenüberliegenden Seite der Membran, so dass beide Werte unabhängig voneinander optimiert werden können.
2 zeigt eine Aufsicht einer Querstromfiltrationsvorrichtung 100 mit einer gleichläufigen Anordnung von vier Antrieben 9, die um die Zentralwelle 3 angeordnet sind, wobei der rechte Teil der Figur einen Schnitt auf Höhe des Lagergehäuses 2 zeigt. Eine andere Anzahl von Antrieben 9 ist je nach Anwendungsfall ebenfalls möglich. Die Antriebe 9 sind wie dargestellt Kurzhub-Linearantriebe, die hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betrieben werden können. Bei der Ausführungsform gemäß 2 sind die Antriebe 9 bevorzugt Kurzhub-Pneumatikzylinder oder Gleichstrommagnetzylinder. Die von ihnen erzeugte Kraft wird über Schubstangen auf den unteren Filterelementteller 4 übertragen und in einen Drehimpuls gewandelt. Dieser dreht die gesamte Filtrationseinheit 14 in gewünschtem Maße und leitet die rotatorische Oszillationsbewegung ein. Eine Rückstellung der Oszillationsbewegung erfolgt über die Federkraft der Torsionsfeder 10. Die Oszillationsfrequenzen decken einen Bereich von 1 bis 60 Hz ab, wobei 5 bis 30 Hz bevorzugt sind.
Industriell erhältliche Querstromfiltermodule 5 weisen bevorzugt maximal einen Durchmesser von ca. 300 mm und eine Höhe bzw. Länge von 1000 mm auf. Bevorzugt werden bei den beschriebenen Ausführungsformen wesentlich größere Querstromfiltermodule 5 verwendet, die einen Durchmesser von ca. 600 mm aufweisen können. Die maximale Auslenkung, die sog. Amplitude, beträgt am Außendurchmesser des Querstromfiltermoduls 5 in etwa 10°, was bei dem angegebenen Durchmesser von 600 mm eine Amplitude von ca. 52 mm bedeutet. In einem Querstromfiltrationssystem 100 mit einem Querstromfiltermodul 5 mit einem Durchmesser von 600 mm und einer Höhe von 600 mm beträgt die oszillierende Gesamtmasse ca. 330 kg. Sie setzt sich zusammen aus der Masse des Querstromfiltermoduls 5, den weiteren drehbaren Komponenten des Systems und der Flüssigkeitsfüllung, dem sog. inneren Volumen.
Bei Verkleinerung des Durchmessers des Querstromfiltermoduls 5 auf 300 mm und Beibehaltung der restlichen Parameter verringert sich die oszillierende Gesamtmasse auf unter 100 kg. Bei noch kleineren Querstromfiltermodulen ist die deutliche Reduzierung der Gesamtmasse offensichtlich. Das Querstromfiltrationssystem 100 ist für alle bekannten Membrantrennbereiche, wie Mikrofiltration MF, Ultrafiltration UF, Nanofiltration NF und umgekehrte Osmose RO einsetzbar.
Dies führt zu unterschiedlichen Antriebs- und Schwingungsanordnungen für die Erzeugung der Oszillationsbewegung. Alle bereits beschriebenen bzw. im Nachfolgenden beschriebenen Ausführungsformen haben wenigstens einen Antrieb 9 und wenigstens eine Feder 10, 16, wobei je nach gewählter Variante mehrere Antriebe 9 und/oder Federn 10, 16 Vorteile bieten können. Die Größe der oszillierenden Komponenten und damit die Massenträgheit sind ein Faktor bei der Festlegung der Antriebs-Feder-Kombination.
3 zeigt eine Aufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer gegenläufigen Anordnung von vier Antrieben 9. Die Antriebe 9 sind jeweils paarweise gegenläufig angeordnet und jeweils mit Rückstellfedern 16 ausgestattet. Als Alternative zu der in 1 vorgestellten zentralen Torsionsfeder 10 ist es ebenfalls möglich, mit den in 3 dargestellten Rückstellfedern 16 die gewünschte Rückstellung der Oszillationsbewegung nach Wegfall der eingebrachten Antriebskräfte zu erzeugen. Die gewünschte Rückstellung der Oszillationsbewegung kann auch durch eine Kombination von zentraler Torsionsfeder 10 und Rückstellfedern 16 erzeugt werden.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Querstromfiltrationsvorrichtung 100 ohne zentrale Torsionsfeder 10, wobei der linke Teil der Figur einen Teilschnitt durch die Rotationsachse der Zentralwelle 3 zeigt. Hierbei sind die Antriebe 9 wie in 3 mit mindestens einer Rückstellfeder 16 ausgestattet, welche die Funktion der zuvor beschriebenen zentralen Torsionsfeder 10 übernimmt.
Die 5A und 5B zeigen eine weitere Ausführungsform einer Querstromfiltrationsvorrichtung 100, die einen Antrieb 19 mit Ausgleichsmasse 22 und Schubkurbelmechanik 20, 21 zur Erzeugung der rotatorischen Oszillationsbewegung aufweist.
Diese Ausführungsform wird besonders in Umgebungen mit erhöhten Anforderungen an Geräuscharmut verwendet. Zum Antrieb wird bevorzugt ein Elektromotor 19 benutzt, der permanent ein Kurbelrad 20 antreibt, welches über eine Schubstange 21 den unteren Filterelementteller 4 in eine oszillierende Bewegung versetzt. Der Motor 19 selbst ist auf einer Schwungscheibe 22 montiert. Motor 9 und Schwungscheibe 22 bilden zusammen mit der Lagerhülse 23 eine äquivalente Gegenmasse zu der darüber liegenden Filtrationseinheit 14 und oszillieren dazu gegensinnig, das heißt um 180° phasenversetzt. Auf diese Weise können die bei der Phasenumkehr auftretenden Massekräfte vom Grundrahmen 1 weitgehend ferngehalten werden. Diese Massenkräfte sind aufgrund der hinzugekommenen Schwungmasse nun in etwa doppelt so groß wie bei den zuvor beschriebenen Varianten, und erfordern somit starke Rückstellfedern 16. Diese Rückstellfedern 16 werden zwischen dem unteren Filterelementteller 4 und der Schwungscheibe 22 mithilfe von Spannpratzen 25 unter Vorspannung gelagert. Der Grundrahmen 1 und das Lagergehäuse 2 sind daher die einzigen feststehenden Komponenten der Querstromfiltrationsvorrichtung 100.
Für kleinere Querstromfiltrationsvorrichtungen 100, z. B. in Pilot- oder Scale-Up-Anwendungen kann auf die eigene Lagerung der Filtrationseinheit 14 verzichtet werden, wenn als Antrieb ein entsprechend dimensionierter Elektromotor 19 verwendet wird, der die Filtrationseinheit 14 direkt trägt.
6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Querstromfiltrationsvorrichtung 100 mit fremd gekühltem elektrischem Scheibenläufermotor 26. Der fremd gekühlte Scheibenläufermotor 26 hat ein erstes Wellenende 24, welches mit dem unteren Filterelementteller 4 fest verbunden ist, und ein zweites Wellenende 27, welches mit einer Rückstellfeder 16 fest verbunden ist. Die Wicklungen des Scheibenläufermotors 26 werden beim Anlauf kurzzeitig erregt, bis bevorzugt ein Winkel von bis zu 10° zurückgelegt ist. Nach anschließender Rückstellung durch die Rückstellfeder 16 erfolgt jeweils erneut ein Erregungsimpuls im wählbaren Frequenztakt von 5 bis 60 Hz, das entspricht einem Erregungsimpuls einer Dauer von 8 bis 100 ms. Dieser nur oszillierende Scheibenläufermotor 26 benötigt eine Fremdkühlung, beispielsweise eine Wassermantelkühlung, wie sie in 6 beispielhaft dargestellt ist.
Die 7A und 7B zeigen eine Ausführungsform einer Filtrationseinheit 14 bei welcher die obere und untere Endkappe des Querstromfiltermoduls 5 für eine schlupffreie Übertragung der Oszillationsbewegung von der Zentralwelle 3 oder dem unteren Filterelementteller 4 auf das Querstromfiltermodul 5 angepasst ist. Zusätzlich ist ein inneres Stützrohr 28 vorgesehen, welches das Querstromfiltermodul 5 nach innen an der Zentralwelle 3 zentriert und die Oszillationsbewegung überträgt.
Der grundsätzliche Aufbau der einsetzbaren Querstromfiltermodule 5 entspricht abgesehen von den oben beschriebenen Anpassungen den im Markt gebräuchlichen Konstruktionen. Hierbei sind bevorzugt Spiralwickel-, Rohr-, Flachmembran- und Hohlfasermodule verwendbar, wobei das gesamte Spektrum der Membran-Rückhaltecharakteristiken abgedeckt wird, insbesondere Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und umgekehrte Osmose. Hiermit kann ein sehr breiter Anwendungsbereich und unterschiedliche Systemgrößen mit verschiedenen Funktionen bedient werden.
Zum Einsatz solcher Querstromfiltermodule 5 können jedoch an den umgebenden Gehäusekomponenten, insbesondere an innerem Stützrohr 28, der unteren und oberen Endkappe sowie am Modulaußenzylinder, Veränderungen vorgenommen werden, um bei den angeführten Massen eine bessere Übertragung der Oszillationsbewegung ohne Schlupf sicherzustellen. Dies wird beispielsweise durch eine formschlüssige Verbindung des Querstromfiltermoduls 5 mit der Zentralwelle 3 sowie mit den unteren und oberen Filterelementtellern 4, 6 erreicht. Zugstangen 31 am Außenradius der Filtrationseinheit 14 ziehen den unteren und oberen Filterelementteller 4, 6 aufeinander zu und klemmen das Querstromfiltermodul 5 zwischen sich fest. Am grundsätzlichen Aufbau des Querstromfiltermoduls 5, insbesondere an dessen eigentlichem Filter, ändern diese Veränderungen jedoch nichts.
Wie in den 7A und 7B gezeigt, wird die Zentralwelle 3 bevorzugt als Vielkeilwelle ausgeführt und das innere Stützrohr 28 des Querstromfiltermoduls 5 mit entsprechenden Nuten 29 versehen. Des Weiteren sind der untere und obere Filterelementteller 4, 6 mit Nuten 29 ausgeführt, in die entsprechende Elemente in Form von Stegen 30 der unteren und oberen Endkappen des Querstromfiltermoduls 5 greifen. Die über den Umfang gleichmäßig verteilten Zugstangen 31 stellen den Kraftschluss am Umfang des Querstromfiltermoduls 5 bereit. Durch diese formschlüssige Verbindung des zylindrischen Querstromfiltermoduls 5 innen sowie an den beiden Endkappen mit den oszillierenden Komponenten der Filtrationseinheit 14 wird im Betrieb eine Torsionsbelastung des Querstromfiltermoduls 5 selbst ausgeschlossen. Ohne zumindest einen Teil der Kraftschlussverbindungen 3, 28, 29, 30 wäre bei den bevorzugten Winkelgeschwindigkeiten und Massen ein Schlupf unvermeidlich.
In 8 ist eine Variante der Filtrationseinheit 14 dargestellt, die mehr als ein Querstromfiltermodul 5, 5' aufweist. Durch das zusätzliche Querstromfiltermodul 5' ergibt sich eine größere Länge des Flüssigkeitsdurchgangs und damit eine deutlich längere Verweilzeit der partikelbeladenen Flüssigkeit in den Querstromfiltermodulen 5, 5'. Damit kann die Filterleistung auch bei Verwendung üblicher Querstromfilterlängen deutlich verbessert werden, was eine Filterung der Flüssigkeit in Einmalpassage möglich macht. Auch ist es möglich, zwei unterschiedliche Querstromfiltermodule 5, 5' zu verwenden, was eine Anpassung der Querstromfiltermodule 5, 5' an den sich an Partikeln aufkonzentrierenden Querstrom möglich macht.
Zwischen den Querstromfiltermodulen 5, 5' ist eine Zwischenplatte 62 angeordnet. Diese ermöglicht einerseits einen Durchgang des Querstroms und dichtet die beiden Querstromfiltermodule 5, 5' miteinander ab. Weiterhin ist die Zwischenplatte ebenfalls mit radialen Nuten 29 ausgestattet, so dass in diese in Elemente 30 in Form von radialen Stegen 30 der Stirnseiten der Querstromfiltermodule 5, 5' zur Kraftübertragung eingreifen können. Bevorzugt ist die Zwischenplatte 62 aus Kunststoff hergestellt.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Querstromfiltrationsvorrichtung 100, bei der das Querstromfiltermodul 5 als Flachmembranmodul ausgebildet ist. Das Querstromfiltermodul 5 weist Flachmembranpakete 64 aus je zwei übereinander und horizontal angeordneten Flachmembranen auf, die kreisringförmig ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform tritt die partikelbeladene Flüssigkeit 50 durch einen Einlass 11 an der hohlen Zentralwelle 3 ein und überströmt die Flachmembranpakete 64 von innen nach außen, wie durch die Querstromrichtung Q angedeutet. Ein Teil des Flüssigkeitsstromes tritt durch die Membranen hindurch, wie durch die Filterrichtung F beispielhaft angedeutet und bildet den partikelreduzierten Volumenanteil 52 der Flüssigkeit. Dieses Permeat 52 wird durch Kanäle 60 am Außenzylinder des Querstromfiltermoduls 5 aufgenommen und an den Permeatauslass 12, der in 9 beispielhaft am unteren Ende der Filtrationseinheit 14 angeordnet ist, weitergeleitet. Der andere Teil des Flüssigkeitsstromes reichert sich an Partikeln an und bildet den partikelangereicherten Volumenanteil 54 der Flüssigkeit. Bevorzugt ist dieser Volumenanteil 54 durch die Filtration so an Partikeln angereichert, dass er nach einer Einmalpassage durch das Querstromfiltermodul 5 direkt weiterverarbeitet werden kann. Das sich so ergebene Retentat 54 wird über separate Kanäle 60 am Außenzylinder des Querstromfiltermoduls 5 aufgenommen und an den Retentatauslass 13, der in 9 beispielhaft am oberen Ende der Filtrationseinheit 14 angeordnet ist, weitergeleitet.
Durch die rotatorische Oszillationsbewegung, die senkrecht zur Querstromrichtung Q verläuft, erfolgt auch bei dieser Ausführungsform eine signifikante Entkoppelung der Wandschubspannung vom Transmembrandruckgradienten, also dem Druckgefälle von der Einströmseite der Membran hin zur gegenüberliegenden Seite der Membran, so dass beide Werte unabhängig voneinander optimiert werden können. Somit ermöglicht auch diese Querstromfiltrationsvorrichtung ein Filtern einer partikelbeladenen Flüssigkeit in Einmalpassage.
Bezugszeichenliste

1: Grundrahmen
2: Lagergehäuse
3: Zentralwelle
4: unterer Filterelementteller
5, 5': Querstromfiltermodul
6: oberer Filterelementteller
7: Spannmutter
8: Spannring
9: Antrieb
10: Torsionsfeder
11: Einlass
12: Permeatauslass
13: Retentatauslass
14: Filtrationseinheit
16: Rückstellfeder
19: Elektromotor
20: Kurbelrad
21: Schubstange
22: Schwungscheibe
23: Lagergehäuse
24: erstes Wellenende
25: Pratzen
26: Scheibenläufermotor
27: zweites Wellenende
28: Stützrohr
29: Nut
30: Element, Steg
31: Zugstange
40: Schwingungsachse
42: untere Stirnseite des Querstromfiltermoduls
44: obere Stirnseite des Querstromfiltermoduls
46: unterer Ringkanal
48: oberer Ringkanal
50: partikelbeladene Flüssigkeit
52: Permeat, partikelreduzierter Volumenanteil
54: Retentat, partikelangereicherter Volumenanteil
60: Kanäle für Retentat oder Permeat
62: Zwischenplatte
64: Flachmembranpakete
100: Querstromfiltrationsvorrichtung
F: Filtrationsrichtung
Q: Querstromrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/050815 A1 [0007]
EP 1702664 A2 [0008]
US 4952317 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Melin, Th. und Rautenbach, R., Membranverfahren, Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, Springer Verlag Berlin u. Heidelberg, 3. Auflage 2007 [0004]
Munir, Ch. Handbuch Ultrafiltration, B. Behr Verlag GmbH & Co., Hamburg, 2. Auflage, 1990 [0004]

Claims

Querstromfiltrationsvorrichtung (100) zum Aufteilen von partikelbeladenen Flüssigkeiten in einen partikelreduzierten und einen partikelangereicherten Volumenanteil, aufweisend: a. einen Einlass (11) zum Einbringen einer partikelbeladenen Flüssigkeit (50); b. einen Permeatauslass (12) zum Abführen eines partikelreduzierten Volumenanteils (52) der Flüssigkeit; c. einen Retentatauslass (13) zum Abführen eines partikelangereicherten Volumenanteils (54) der Flüssigkeit; d. ein von der partikelbeladenen Flüssigkeit durchströmtes Querstromfiltermodul (5) mit definierter Querstromrichtung (Q) und senkrecht dazu stehender Filtrationsrichtung (F) und mindestens einer Filtermembran, welche den partikelreduzierten Volumenanteil (52) der Flüssigkeit vom partikelangereicherten Volumenanteil (54) der Flüssigkeit trennt; und e. einen Antrieb (9), welcher das Querstromfiltermodul (5) in eine rotatorische Oszillationsbewegung um eine Schwingungsachse (40) versetzt.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Querstromrichtung (Q) des Querstromfiltermoduls (5) parallel zur Schwingungsachse (40) verläuft.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Querstromfiltermodul (5) zylinderförmig oder hohlzylinderförmig ausgebildet ist und von der partikelbeladenen Flüssigkeit (50) stirnseitig angeströmt wird, so dass die Querstromrichtung (Q) durch das Querstromfiltermodul (5) hindurch, parallel zur Schwingungsachse (40) des Querstromfiltermoduls (5) verläuft.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, wobei der Einlass (11) und der Retentatauslass (13) je über einen Ringkanal (46, 48) mit je einer Stirnseite (42, 44) des Querstromfiltermoduls (5) in Verbindung stehen.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1–4, wobei das Querstromfiltermodul (5) als ein Spiralwickelmodul, ein Rohrmodul oder ein Hohlfasermodul ausgebildet ist.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Querstromfiltermodul (5) als Flachmembranmodul ausgebildet ist, welches Flachmembranpakete (64) aus horizontal angeordneten Flachmembranen aufweist, wobei die partikelbeladene Flüssigkeit (50) die Flachmembranpakete (64) von innen nach außen überströmt.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 6 wobei der partikelreduzierte Volumenanteil (52) der Flüssigkeit und der partikelangereicherte Volumenanteil (54) der Flüssigkeit durch separate Kanäle (60) am Außenzylinder des Querstromfiltermoduls (5) aufgenommen werden und die Kanäle (60) entweder mit dem Permeatauslass (12) oder dem Retenatauslass (13) in Verbindung stehen.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Zufuhr der partikelbeladenen Flüssigkeit (50) über eine hohle Zentralwelle (3) erfolgt.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1–8, wobei die Schwingungsachse (40) durch eine Zentralwelle (3) bereitgestellt wird, welche durch den Antrieb (9) oszillierend angetrieben wird.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1–9, weiterhin aufweisend: a. mindestens eine Rückstellfeder (16); und/oder b. mindestens eine Torsionsfeder (10).
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1–10, wobei der Antrieb einen Rotationsmotor (19, 26) oder mindestens einen Linearaktuator (9) aufweist.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 11, wobei der Rotationsmotor ein fremdgekühlter Scheibenläufermotor (26) ist, der oszillierend betrieben wird.
Querstromfiltrationsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1–12, wobei das Querstromfiltermodul (5) Elemente (30) aufweist, über die es unmittelbar oder mittelbar über Filterelementteller (4, 6) mit der Zentralwelle (3) formschlüssig in Eingriff steht.
Querstromfiltrationsverfahren zum Aufteilen von partikelbeladenen Flüssigkeiten in jeweils einen partikelreduzierten und einen partikelangereicherten Volumenanteil, aufweisend die nachfolgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Querstromfiltermoduls (5), mit einer definierten Querstromrichtung (Q) und senkrecht dazu stehender Filtrationsrichtung (F) und mit mindestens einer Filtermembran, welche einen partikelreduzierten Volumenanteil (52) der Flüssigkeit von einem partikelangereicherten Volumenanteil (54) der Flüssigkeit trennt; b. Versetzen des Querstromfiltermoduls (5) in eine rotatorische Oszillationsbewegung um eine Schwingungsachse (40); c. Zuführen einer partikelbeladenen Flüssigkeit (50) über mindestens einen Einlass (11) an das Querstromfiltermodul (5); d. Überströmen der mindestens einen Filtermembran mit der partikelbeladenen Flüssigkeit (50) in Querstromrichtung (Q) zum Aufteilen der partikelbeladenen Flüssigkeit (50) in den partikelreduzierten Volumenanteil (52) und den partikelangereicherten Volumenanteil (54) der Flüssigkeit; e. Abführen des partikelreduzierten Volumenanteils (52) über einen Permeatauslass (12); und f. Abführen des partikelangereicherten Volumenanteils (54) über einen Retentatauslass (13).
Querstromfiltrationsverfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Querstromfiltermodul (5) zylinderförmig oder hohlzylinderförmig ausgebildet ist und in Schritt c von der partikelbeladenen Flüssigkeit (50) stirnseitig angeströmt wird, so dass die Querstromrichtung (Q) durch das Querstromfiltermodul (5) hindurch, parallel zur Schwingungsachse (40) des Querstromfiltermoduls (5) verläuft.
Querstromfiltrationsverfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Querstromfiltermodul (5) als Flachmembranmodul ausgebildet ist, welches Flachmembranpakete (64) aus horizontal angeordneten Flachmembranen aufweist und die partikelbeladene Flüssigkeit (50) die Flachmembranpakte (64) von innen nach außen überströmt.
Querstromfiltrationsverfahren gemäß einem der Ansprüche 14–16, wobei die partikelbeladene Flüssigkeit (50) das Querstromfiltermodul (5) in Einmalpassage durchströmt.