DE102014104984A1 - Filtrationsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filtrationsvorrichtung (1, 1‘) bestehend aus einem Gehäuse (2, 2‘) mit einem Einlass (3, 3‘) zur Zufuhr von zu filtrierender Flüssigkeit und einem Auslass (4, 4‘) zur Abfuhr von filtriertem Permeat sowie einem zwischen Einlass (3, 3‘) und Auslass (4, 4‘) angeordneten Filtermodul (5, 5‘) mit wenigstens einer Membranlage (9, 9‘), die flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse (2, 2‘) verbunden ist, wobei dem Filtermodul (5, 5‘) zum Einlass (3. 3‘) hin ein Anströmkanal (11, 11‘) vorgelagert und zum Auslass (4, 4‘) hin ein Abströmkanal (12, 12‘) nachgelagert ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass nach und/oder vor jeder Membranlage (9, 9‘) eine komprimierbare und durchströmbare Zwischenlage (10, 10‘) angeordnet ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Filtrationsvorrichtung bestehend aus einem Gehäuse mit einem Einlass zur Zufuhr von zu filtrierender Flüssigkeit und einem Auslass zur Abfuhr von filtriertem Permeat sowie einem zwischen Ein- und Auslass angeordneten Filtermodul mit wenigstens einer aus mindestens einer Membran bestehenden Membranlage, die flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse verbunden sind, wobei dem Filtermodul zum Einlass hin ein Anströmkanal vorgelagert und zum Auslass hin ein Abströmkanal nachgelagert ist.
  • Stand der Technik
  • Membranadsorber (poröse Adsorptionsmembranen) sind eine etablierte Alternative zu konventionellen chromatographischen Gelen (Definition: Polymerisations- und Polykondensationsharze, vernetzte Polyacrylamid- oder Polydextrangele, Cellulose). Im Unterschied zu Gelen wird das adsorptive Material nicht in Säulen gepackt, sondern bevorzugt in Form von Flachfiltern oder Wickelmodulen ausgeführt; bautechnisch vergleichbar mit Filterkapsulen. Durch die Verwendung von mehreren Lagen entsteht vergleichbar zur Gelchromatographie eine chromatographische aktive Schicht (Bett) mit einer definierten Höhe.
  • Die chromatographische Leistung eines solchen Filtermoduls hängt dabei im Wesentlichen nicht nur von den Eigenschaften des verwendeten adsorptiven Mediums ab (z.B. Flussleistung, Bindekapazität), sondern auch von der Auslegung des Filtermoduls als solches. Eine unvorteilhafte Auslegung der Kanäle z.B. durch über- oder unterdimensionierte Querschnitte, hohes Totvolumen oder Totzonen wirken sich negativ auf die Leistung aus. Leistung bezieht sich hierbei insbesondere auf Durchbruchsverhalten, Druckabfall über das chromatographische Bett, Möglichkeiten zur Entlüftung oder Trennschärfe, aber auch auf den Verbrauch an Puffern für die unterschiedlichen chromatographischen Schritte. Eine der wichtigsten Einflussgrößen für die Auslegung von Filtrationseinheiten ist dabei die Fluiddynamik. Diese beeinflusst maßgeblich Rückvermischungseffekte sowie eine gleichmäßige An- aber auch Abströmung des chromatographischen Bettes.
  • Optimierte Wickelmodule oder Flachfiltermodule sind im Allgemeinen bezüglich ihrer Flussleistung an die Geometrien der Strömungskanäle angepasst, wobei mögliche Totzonen vermieden werden sollen, das heißt, das Totvolumen soll reduziert werden. Das Totvolumen kann dabei als Verhältnis Totvolumen zu Bettvolumen beschrieben werden, wobei das Bettvolumen sich aus Dicke der Membran und verbauter Membranfläche ergibt.
  • Aus der DE 197 11 083 C2 und der DE 197 11 186 A1 ist jeweils eine Filtrationsvorrichtung bestehend aus einem Gehäuse mit einem Einlass zur Zufuhr von zu filtrierender Flüssigkeit und einem Auslass zur Abfuhr von filtriertem Permeat sowie einem zwischen Ein- und Auslass angeordneten Filtermodul, das als Membranadsorbermodul ausgebildet sein kann, bekannt. 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 jeweils einen Ringspalt auf, wobei der äußere Ringspalt einen Abströmkanal und der innere Ringspalt einen Anströmkanal bildet. 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. Das Adsorber- oder Filtermodul kann dabei auch als ein Flachfiltermodul mit gestapelten flachen Membranlagen ausgebildet sein.
  • Es ist bekannt, dass funktionalisierte Membranen quellen, also in ihrer Dicke zunehmen können. Durch den Aufbau aus mehreren Lagen kann somit auch eine anscheinend nur geringfügige Quellung in Summe die Leistung der Filtrationseinheit beeinflussen. Dies trifft insbesondere auf Filtrationseinheiten mit optimierten und damit entsprechend kleinen Kanalquerschnitten zu. Durch die Quellung können sich Kanalquerschnitte verengen und die Packungsdichte des chromatographischen Betts kann erhöht werden. Dies führt zu einer Abnahme der Flussleistung sowie einer Verschlechterung der Strömungsverteilung und reduziert damit die chromatographische Leistung (Anstieg der Durchbruchskurve, Breite des Elutionspeaks, Pufferverbrauch).
  • Neben der allgemeinen Kompression des Membranstapels bedingt durch das Anlegen eines Druckgradienten zwischen Ein- und Ausgang, steigt die Kompression, wie oben beschrieben, durch das Quellverhalten der Membran. Dies hat zur Folge, dass sich der Membranstapel verdichtet. Des Weiteren kann es dazu führen, dass An- und/oder Abströmkanal verengt werden. Diese Effekte verursachen damit eine ungleichmäßige Verteilung bei der Durchströmung des Membranstapels sowie eine Zunahme des Druckabfalls und führen damit zu den beschrieben Nachteilen. Der Effekt steigt entsprechend mit zunehmender Membranlagenanzahl.
  • Aufgabenstellung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten Filtervorrichtungen, insbesondere mit optimierten funktionalisierten Filtermodulen, so zu verbessern, dass die Nachteile, die durch Quellung der Membranen entstehen können, vermieden werden und die Filtervorrichtungen einfach und kostengünstig aufgebaut bzw. herstellbar sind.
  • Darstellung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass nach und/oder vor jeder Membranlage eine komprimierbare und durchströmbare Zwischenlage angeordnet ist.
  • Durch, die Anordnung einer komprimierbaren und durchströmbaren Zwischenlage zwischen mindestens zwei Membranlagen wird die Quellung der Membranlagen ausgeglichen und ein Leistungsverlust der Filtriervorrichtung vermieden. Da unterschiedliche Puffer bzw. deren Komponenten sich unterschiedlich stark auf die Quellung auswirken, führt die Verwendung von komprimierbaren Zwischenlagen weiterhin zu einer geringeren Abhängigkeit des Druckverlustes vom Puffer, so wird z.B. auch das Beladen mit destilliertem Wasser bei geringerem Druckverlust möglich.
  • Durch das Einbringen von Zwischenlagen kann weiterhin eine homogenere Durchströmung von unterschiedlich stark durchströmten Bereichen einzelner Membranlagen (z.B. durch Porengrößenverteilung, Pfropfungsgrad) erreicht werden. So kann sich das Medium in den einzelnen Zwischenlagen relativ homogen verteilen.
  • Das Verhältnis von Totvolumen zu Filtermaterialvolumen liegt bei der erfindungsgemäßen Filtriervorrichtung bevorzugt im Bereich von 1,2 bis 1,6, bei einer Porosität des Filtermaterials von 80%. selbstregulierend durch die Zwischenlagen.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die kompressible Zwischenlage einen geringeren Strömungswiderstand als die Membranlagen auf.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Zwischenlage eine vorgegebene Struktur auf.
  • Der Ausgleich der Quellung der Membranlage wird neben der Kompressibilität der Zwischenlage auch durch die Struktur der Zwischenlage, zum Beispiel Hohlräume auf der Oberfläche, unterstützt.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zwischenlage aus einen Vliesmaterial oder einem Gewebe oder einem porösen Festkörper ausgebildet.
  • Vliese sind durch ihre mechanischen Eigenschaften, wie Kompressibilität und einen viel geringeren Strömungswiderstand im Vergleich zu Membranen, gut geeignet. Vlies bezeichnet allgemein alle aus Fasern bestehende Stoffe welche nach DIN 61210 hergestellt werden (Trockenvliese, Nassvliese, Vliese hergestellt im Extrusionsverfahren etc.). Alternativ können auch andere Zwischenlagen eingesetzt werden, wie z.B. Gewebe oder andere poröse Festkörper. Dabei können auch Zwischenlagen mit unterschiedlichen Eigenschaften (z.B. Dicke, Flächengewicht) eingesetzt werden. Als Fasern sind insbesondere Fasern bestehend aus Kunststoffen, wie Polyalkylene, PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PS (Polystyrol), PU (Polyurethan), Polysulfone, Polyethersulfone, Polyester geeignet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke der Zwischenlage in Abhängigkeit von dem Quellgrad der Membranlagen und den physikalischen Eigenschaften der Zwischenlage vorgegeben.
  • Die zu bevorzugende Dicke der Zwischenlage richtet sich dabei nach dem Quellgrad der Membran sowie den physikalischen Eigenschaften der Zwischenlagen (z.B. Kompressibilität, Oberflächenstruktur). Für Vliese (beispielsweise synthetische Polymere; speziell extrudiertes Spinnvlies) als Zwischenlagen kann folgende Eingrenzung vorgenommen werden, die relevanten physikalischen Eigenschaften können dabei beschrieben werden durch die Kombination aus Flächengewicht, Dicke und Luftdurchfluss:
    • – Dicke von 20–200% der Dicke von der Membranlage, beispielsweise für Sartobind®-Membranadsorber der Firma Sartorius Biotech GmbH ca. 50–400 µm.
    • – Besonders bevorzugt 75–125% der Dicke von der Membranlage, beispielsweise für Sartobind®-Membranadsorber der Firma Sartorius Biotech GmbH ca. 200–330 µm.
    • – Flächengewicht von 10 bis 150 g/m2, besonders bevorzugt von 30 bis 80 g/m2; wobei das Verhältnis Dicke [µm] zu Flächengewicht [g/m2] idealerweise zwischen 3–7 liegt.
    • – Luftdurchfluss von 150 bis 5000 L/(m2·s), besonders bevorzugt 2000–5000 L/(m2·s) (Luftdurchfluss wird für Vliese üblicherweise in dieser Form angegeben. Dabei wird der Wert für technische Vliese bei einer Druckdifferenz von 2mbar gemessen (DIN EN ISO 9237).
  • Ganz allgemein haben sich für die Zwischenlagen Dicken zwischen 0,1 und 0,3 mm als günstig erwiesen.
  • Nach einer bevorzugen Ausführungsform der Erfindung weist der Anströmkanal und/oder der Abströmkanal ebenfalls eine komprimierbare und durchströmbare Zwischenlage auf.
  • Auch kann der Abströmkanal eine relativ starre Zwischenlage aus Gewebe aufweisen, um eine Verengung des Kanalquerschnittes durch den anliegenden Druckgradienten über das Filtermodul zu verhindern.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Filtermodul als ein Flachfiltermodul mit gestapelten flachen Membranlagen ausgebildet. Das Filtermodul kann aber auch als ein Wickelmodul mit einer auf einem Kern aufgewickelten Bahn ausgebildet sein. Dabei ist die Bahn aus wenigstens einer Membranlage und in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Zwischenlage in Teilbereichen zwischen der wenigstens einen Membranlage als Bahn angeordnet.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Membranlagen als Adsorptionsfilter ausgebildet. Insbesondere kann die Filtrationsvorrichtung zur chromatographischen Trennung von Molekülen mittels Membranadsorbern verwendet werden. Die Membranlagen des Adsorptionsfilters können mit gleichen oder verschiedenen Adsorptionseigenschaften ausgestattet sein.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Filtrationsvorrichtung als steril anschließbare Komponente für vorsterilisierte Einheiten mit mindestens einem flexiblen Behälter ausgebildet.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
  • Kurzbeschreibungen der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1: eine Seitenansicht im Schnitt einer Filtrationsvorrichtung mit einem als Flachfiltermodul ausgebildeten Filtermodul,
  • 2: eine Seitenansicht im Schnitt einer Filtrationsvorrichtung mit einem als Wickelmodul ausgebildeten Filtermodul und
  • 3: eine Seitenansicht im Schnitt der Filtrationsvorrichtung von 1 mit schematisch durch Pfeile dargestellter Durchströmung.
  • 4: eine Seitenansicht im Schnitt der Filtrationsvorrichtung von 2 mit schematisch durch Pfeile dargestellter Durchströmung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Eine Filtrationsvorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2, einem Einlass 3, einem Auslass 4 und einem Filtermodul 5.
  • Das Gehäuse 2 weist in vertikaler Richtung oben den Einlass 3 im Bereich eines Deckels 6 und in vertikaler Richtung unten den Auslass 4 im Bereich eines Bodens 7 auf. Die seitliche Gehäusewandung 8 ist in vertikaler Richtung oben durch den Deckel 6 und in vertikaler Richtung unten durch den Boden 7 verschlossen.
  • Zwischen dem Einlass 3 und dem Auslass 4 des Gehäuses 2 ist das Filtermodul 5 angeordnet. Das Filtermodul 5 weist eine Mehrzahl von Membranlagen 9 auf, die mit dem Gehäuse 2 flüssigkeitsdicht verbunden sind, um sicherzustellen, dass alle über den Einlass 3 zugeführte Flüssigkeit die Membranlagen 9 passieren muss und diese nicht unfiltriert umgehen kann. Zwischen den Membranlagen 9 ist in den Ausführungsbeispielen jeweils eine Zwischenlage 10 angeordnet, die durchströmbar und komprimierbar bzw. kompressibel ausgebildet ist. Dem Filtermodul 5 ist zum Einlass 3 hin ein Anströmkanal 11 vorgelagert und zum Auslass 4 hin ein Abströmkanal 12 nachgelagert.
  • Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 1 und 3 ist das Filtermodul 5 als ein Flachfiltermodul 13 mit gestapelten flachen Membranlagen 9 ausgebildet. Zwischen den Membranlagen 9 sind die Zwischenlagen 10 angeordnet. Die flachen Membranlagen 9 sind an ihren umlaufenden Seitenflächen 14 mit der seitlichen Gehäusewandung 8 flüssigkeitsdicht verbunden. Der Anströmkanal 11 und der Abströmkanal 12 verlaufen parallel zu den horizontal angeordneten Membranlagen 9 und sind damit quer zur seitlichen Gehäusewandung 8 angeordnet. 3 zeigt exemplarisch die Flussverteilung im Flachfiltermodul 13.
  • Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 2 und 4 ist das Filtermodul 5‘ als ein Wickelmodul 15 mit einer auf einen vertikal angeordneten Kern 16 aufgewickelten Bahn 17 ausgebildet. Die Bahn 17 besteht aus einer bahnförmigen Membranlage 9‘ und einer bahnförmigen Zwischenlage 10‘ ausgebildet. Durch die Aufwicklung entstehen bezogen auf den Querschnitt ebenfalls eine Mehrzahl von Membranlagen 9‘ zwischen denen die Zwischenlagen 10‘ angeordnet sind. Das Wickelmodul 15 ist in vertikaler Richtung oben von einer oberen Endkappe 18 und in vertikaler Richtung unten von einer unteren Endkappe 19 flüssigkeitsdicht abgedeckt. Die untere Endkappe 19 ist zudem flüssigkeitsdicht mit dem Boden 7‘ des Gehäuses 2‘ verbunden.
  • Der Anströmkanal 11‘ wird von einem äußeren Ringspalt zwischen seitlicher Gehäusewandung 8‘ und der vertikalen Außenfläche 20 des Wickelmoduls 15 gebildet. Der Anströmkanal 11‘ ist über einen zwischen oberer Endkappe 18 und Deckel 6‘ gebildeten horizontalen Kanalraum 21 mit dem Einlass 3‘ verbunden.
  • Der Abströmkanal 12‘ wird von einem inneren Ringspalt zwischen der vertikalen Innenfläche 22 des Wickelmoduls 15 und der seitlicher Außenwandung 23 des Kerns 16 gebildet. Am unteren Ende des Kerns 16 ist der Abströmkanal 12‘ mit dem Auslass 4‘ verbunden.
  • Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1‘
    Filtrationsvorrichtung
    2, 2‘
    Gehäuse
    3, 3‘
    Einlass
    4, 4‘
    Auslass
    5, 5‘
    Filtermodul
    6
    Deckel
    7, 7‘
    Boden
    8, 8‘
    seitliche Gehäusewandung
    9, 9‘
    Membranlagen
    10, 10‘
    Zwischenlage
    11, 11‘
    Anströmkanal
    12, 12‘
    Abströmkanal
    13
    Flachfiltermodul
    14
    Seitenfläche von 9
    15
    Wickelmodul
    16
    Kern
    17
    Bahn
    18
    oberen Endkappe
    19
    unteren Endkappe
    20
    vertikalen Außenfläche von 15
    21
    horizontaler Kanalraum
    22
    vertikalen Innenfläche von 15
    23
    seitlicher Außenwandung von 16
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19711083 C2 [0005]
    • DE 19711186 A1 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 61210 [0017]
    • DIN EN ISO 9237 [0019]

Claims (12)

  1. Filtrationsvorrichtung (1, 1‘) bestehend aus einem Gehäuse (2, 2‘) mit einem Einlass (3, 3‘) zur Zufuhr von zu filtrierender Flüssigkeit und einem Auslass (4, 4‘) zur Abfuhr von filtriertem Permeat sowie einem zwischen Einlass (3, 3‘) und Auslass (4, 4‘) angeordneten Filtermodul (5, 5‘) mit wenigstens einer aus mindestens einer Membran bestehenden Membranlage (9, 9‘), die flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse (2, 2‘) verbunden ist, wobei dem Filtermodul (5, 5‘) zum Einlass (3. 3‘) hin ein Anströmkanal (11, 11‘) vorgelagert und zum Auslass (4, 4‘) hin ein Abströmkanal (12, 12‘) nachgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach und/oder vor jeder Membranlage (9, 9‘) mindestens eine komprimierbare und durchströmbare Zwischenlage (10, 10‘) angeordnet ist.
  2. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (10, 10‘) einen geringeren Strömungswiderstand als die Membranlagen (9, 9‘) aufweist.
  3. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (10, 10‘) eine vorgegebene Struktur aufweist.
  4. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (10, 10‘) aus einen Vliesmaterial oder einem Gewebe oder einem porösen Festkörper ausgebildet ist.
  5. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenlage (10, 10‘) in Abhängigkeit von dem Quellgrad der Membranlagen (9, 9‘) und den physikalischen Eigenschaften der Zwischenlage (10, 10‘) vorgegeben ist.
  6. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anströmkanal (11, 11‘) und/oder der Abströmkanal (12, 12‘) eine komprimierbare und durchströmbare Zwischenlage (10, 10‘) aufweist.
  7. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermodul (5) als ein Flachfiltermodul (13) mit gestapelten flachen Membranlagen (9) ausgebildet ist.
  8. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermodul (5‘) als ein Wickelmodul (15) mit einer auf einem Kern (16) aufgewickelten Bahn (17) aus wenigstens einer Membranlage ausgebildet ist.
  9. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (10‘) in Teilbereichen zwischen der wenigstens einen Membranlage (9‘) als Bahn (17) angeordneten ist.
  10. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranlagen (9, 9‘) als Adsorptionsfilter mit gleichen oder verschiedenen Adsorptionseigenschaften ausgebildet sind.
  11. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrationsvorrichtung (1, 1‘) als steril anschließbare Komponente für vorsterilisierte Einheiten mit mindestens einem flexiblen Behälter ausgebildet ist.
  12. Verwendung der Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrationsvorrichtung (1, 1‘) zur Trennung von Molekülen mittels Membranadsorbern eingesetzt wird.
DE102014104984.5A 2014-04-08 2014-04-08 Filtrationsvorrichtung Withdrawn DE102014104984A1 (de)

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