DE10220704A1

DE10220704A1 - Molekularfilteranordnung mit aktiven Filterelementen

Info

Publication number: DE10220704A1
Application number: DE2002120704
Authority: DE
Inventors: Albrecht Vogel; Peter Krippner; Manfred Wetzko; Christian J Schmidt; Antonio Ruzzu; Rolf Merte; Jan Czyzewski
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Molekularfilteranordnung zum Filtern molekularer Partikel (2) aus einem Fluid (3), welches ein poröses Filtersieb (1) durchströmt, wobei die im Fluid (3) enthaltenen molekularen Partikel (2) im Filtersieb (1) zurückbleiben und wobei die Porengröße des Filtersiebes (1) größer ist als die Größe der zu filternden molekularen Partikel (2) und wobei ferner das Filtern mittels einer Vielzahl von aktiven Filterelementen in Form von Rezeptormolekülen (5) erfolgt, welche an der Oberfläche (4) des Filtersiebes (1) angeordnet sind, um die zu filternden Partikel (2) zu binden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Molekularfilteranordnung zum Filtern molekularer Partikel aus einem Fluid, welches ein poröses Filtersieb durchströmt, wobei die im Fluid enthaltenen molekularen Partikel im Filtersieb zurückbleiben.
In der Filtertechnik kommen gewöhnlich poröse Strukturen zum Einsatz, um aus gasförmigen und/oder flüssigen Stoffen kleinste Partikel bis hinunter zu Molekülen herauszufiltern. Das Einsatzgebiet von Molekularfilteranordnungen erstreckt sich beispielsweise auf die Reinigung industrieller Abluft oder auf eine Ausfilterung bestimmter Stoffe, um diese einer weiteren Analyse zugänglich zu machen.

Aus der DE 41 17 261 A1 geht eine gattungsgemäße Molekularfilteranordnung hervor, welche ein vorzugsweise aus Zeolithen bestehendes Filtersieb zur Trennung von gasförmigen und/oder flüssigen Stoffen umfasst. Die Zeolithe sind hier von einer Schicht einer Substanz umschlossen, die so ausgebildet ist, dass die Diffusionsgeschwindigkeit eines oder mehrerer bestimmter Stoffe aus einer Gruppe von adsorptionsfähigen Stoffen verlangsamt wird, um die Filterwirkung herbeizuführen. Durch die Verwendung von Zeolithen für das Filtersieb wird eine poröse Struktur mit einer einstellbaren, definierten Porengröße erzeugt. In der Adsorptionstechnik werden meist synthetisch hergestellte Zeolithe verwendet, die beispielsweise aus einer Mischung von Natriumaluminat und Wasserglas hergestellt sind. Die regelmäßige Kristallstruktur des Zeoliths ist so aufgebaut, dass zwischen den miteinander verbundenen Molekülen Hohlräume, sogenannte Mikroporen, gebildet werden. Diese Mikroporen sind über außenliegende Zuführungsporen mit der Umgebung oder anderen Kristallen verbunden. Um die Porengröße eines aus Zeolithen aufgebauten porösen Filtersiebes zu beeinflussen, erfolgt eine definierte synthetische Herstellung der Zeolithe. Durch die gesteuerte Synthese der Zeolithe entstehen in ihrer Größe genau definierte Mikroporen. Auch die Zuführungsporen zu den Mikroporen haben einen genau definierten Durchmesser. Es werden daher solche Stoffe durch das Filtersieb adsorbiert, deren kleinster Moleküldurchmesser ein wenig kleiner als der Porendurchmesser des Zeoliths ist. Auf diese Weise ist eine selektive Trennung von Stoffen nach ihrem unterschiedlichen Moleküldurchmesser möglich.

Ein Nachteil der bekannten Molekularfilteranordnung besteht darin, dass aufgrund der geringen Porengröße der Fluiddurchsatz durch das Filtersieb recht gering ist. Es erfolgt im Prinzip nur eine mechanische Filterung aufgrund der Porengröße, so dass eine Selektion lediglich aufgrund der Größe der zu filternden molekularen Partikel erfolgt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Molekularfilteranordnung zum Filtern molekularer Partikel aus einem Fluid zu schaffen, die einen hohen Fluiddurchsatz mit einer hohen Selektivität verbindet.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Molekularfilteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Porengröße des erfindungsgemäßen Filtersiebes weit größer als die Größe der zu filternden molekularen Partikel ist, wobei das Filtern mittels einer Vielzahl von aktiven Filterelementen in Form von Rezeptormolekülen erfolgt, welche an der Oberfläche des Filtersiebes angeordnet sind, um die zu filternden Partikel zu binden.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen aktiven Filtersiebes liegt insbesondere darin, dass die Filterwirkung nicht mehr durch dessen Porengröße bestimmt ist, sondern dass durch die zum Einsatz kommenden chemischen oder biochemischen Rezeptormoleküle höhere Fluiddurchsätze durch das Filtersieb möglich sind. Die Art der zum Einsatz kommenden Rezeptormoleküle bestimmt damit die Filterwirkung und lässt eine hohe Selektivität zu. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Filtersieb eine vergleichsweise geringere Verstopfungswahrscheinlichkeit auf.

Besonders günstige Filterergebnisse ergeben sich - wie Versuche erwiesen - bei einer 2 bis 20 mal größeren Porengröße des Filtersiebes gegenüber der Größe der zu filternden molekularen Partikel.

Die biochemischen und/oder chemischen Rezeptormoleküle, welche die Filterwirkung herbeiführen, werden vorzugsweise durch Beschichten auf die Oberfläche des Filtersiebes fest aufgebracht. Als Oberfläche des Filtersiebes wird im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl die Außenoberfläche, als auch die innenliegende, durch die poröse Struktur des Filtersiebes bestimmte Oberfläche verstanden.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass zum Herauslösen der gefilterten molekularen Partikel eine Spülung des Filtersiebes mit einem Lösungsmittel erfolgt, dessen Bindung zu den molekularen Partikeln größer ist als die Bindung der molekularen Partikel zu den Rezeptormolekülen. Bei diesen Bindungskraftverhältnissen lassen sich die im Filtersieb gebundenen molekularen Partikel wieder hieraus entfernen, um diese beispielsweise einer weiteren Analyse zugänglich zu machen oder zu entsorgen. Somit erfolgt das Herauslösen der gefilterten molekularen Partikel aus dem Filtersieb anders als bisher; in herkömmlicher Weise erfolgte das Herauslösen durch einfaches Spülen des mechanischen Filtersiebs, was unter Umständen mit Ultraschallunterstützung erfolgte.

Dem gegenüber können die molekularen Partikel erfindungsgemäß beispielsweise mit einem lipophilen Ende sowie mit einem hydrophilen Ende bei dominantem hydrophilem Charakter versehen sein, so dass das lipophile Ende zuerst an entsprechende Rezeptormoleküle gebunden wird, während das hydrophile Ende noch frei bleibt. Zum Herauslösen des gefilterten molekularen Partikels durch Spülen mit Wasser als Lösungsmittel wird anschließend das Molekül aufgrund seiner überwiegend hydrophilen Eigenschaft wieder vom Rezeptormolekül abgelöst und nach außen gespült.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Filtersiebes mit aktiven Filterelementen,
Fig. 2 eine schematische Detaildarstellung über das Anlagern der zu filternden molekularen Partikel an das Filtersieb, und
Fig. 3 eine schematische Detaildarstellung über das Herauslösen der gefilterten molekularen Partikel aus dem Filtersieb.
Gemäß Fig. 1 wird ein Filtersieb 1 einer - nicht weiter im Detail gezeigten - Molekularfilteranordnung von einem molekulare Partikel 2 enthaltenen Fluid 3 durchströmt. Das Filtersieb 1 besteht aus einem porösen festen Körper, dessen unregelmäßige Porengröße sehr viel größer als die Größe der ihn durchströmenden Partikel 2 ist. Die Oberfläche 4 des Filtersiebes 1 ist mit einer Vielzahl von aktiven Filterelementen in Form von Rezeptormolekülen 5 besiedelt. Die Rezeptormoleküle 5 sind fest auf die Oberfläche 4 des Filtersiebes 1 aufgebracht, hier durch Beschichten.
Wie Fig. 2 detaillierter verdeutlicht, lagern sich die im Fluid 3 enthaltenen molekularen Partikel 2 während des Durchströmens des porösen Filtersiebes 1 an die Rezeptormoleküle 5 an, wodurch dem Fluid 3 die molekularen Partikel 2 entzogen werden. Durch diese Funktionsweise erfolgt das Filtern des Fluids 3. Die molekularen Partikel 2 dieses Ausführungsbeispiels verfügen über ein lipophiles Ende 6, so dass sich die molekularen Partikel 2 durch die herrschenden Bindungskräfte hierüber am korrespondierenden Rezeptormolekül 5 anlagern. Das dem lipophilen Ende 6 des molekularen Partikels 2 gegenüberliegende Ende ist als hydrophiles Ende 7 ausgebildet. Das molekulare Partikel 2 besitzt einen dominanten hydrophilen Charakter.
In der Fig. 3 ist detailliert der Vorgang des Herauslösens der gefilterten molekularen Partikel 2 aus dem Filtersieb 1 durch ein Spülen des Filtersiebes 1 mit Wasser als Lösungsmittel 8 veranschaulicht. Auf Grund des dominanten hydrophilen Charakters der molekularen Partikel 2 binden sich diese beim Kontaktieren mit dem Lösungsmittel 8 an das Lösungsmittel 8, so dass die Bindung zu den Rezeptormolekülen 5 in Folge dessen aufgelöst wird. Die somit aus dem porösen Filtersieb 1 herausgelösten molekularen Partikel 2 können nachfolgend beispielsweise einer Stoffanalyse oder dergleichen zugänglich gemacht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, die vom Schutzbereich der Ansprüche umfasst sind. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte unregelmäßige Struktur des porösen Filtersiebes beschränkt. Das in Verbindung mit der Erfindung zum Einsatz kommende Filtersieb kann durchaus auch eine regelmäßige Struktur besitzen. Allein ausschlaggebend ist die Beachtung der vorstehend angegebenen Größenverhältnisse relativ zu den zu filternden molekularen Partikeln, so dass die Vorteile der vorliegenden Erfindung voll zum Tragen kommen. Weiterhin besteht keine Beschränkung dahingehend, dass die zu filternden molekularen Partikel über den beschriebenen lipophilen und/oder hydrophilen Charakter verfügen müssen. Die erfindungsgemäße Filterwirkung entfaltet sich bereits dann, wenn die Rezeptormoleküle hinsichtlich ihrer Bindungskräfte korrespondierend zu den zu filternden molekularen Partikeln ausgebildet sind. Auch eine Kombination unterschiedlich gearteter Rezeptormoleküle innerhalb ein und desselben porösen Filtersiebes sind möglich. Bezugszeichenliste 1 Filtersieb
2 Partikel
3 Fluid
4 Oberfläche
5 Rezeptormolekül
6 Lipophiles Ende
7 Hydrophiles Ende
8 Lösungsmittel

Claims

1. Molekularfilteranordnung zum Filtern molekularer Partikel (2) aus einem Fluid (3), welches ein poröses Filtersieb (1) durchströmt, wobei die im Fluid (3) enthaltenen molekularen Partikel (2) im Filtersieb (1) zurückbleiben, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße des Filtersiebes (1) größer ist als die Größe der zu filternden molekularen Partikel (2), und dass das Filtern mittels einer Vielzahl von aktiven Filterelementen in Form von Rezeptormolekülen (5) erfolgt, welche an der Oberfläche (4) des Filtersiebes (1) angeordnet sind, um die zu filternden Partikel (2) zu binden.

2. Molekularfilteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße des Filtersiebes (1) in etwa 2 bis 20 mal größer ist als die Größe der zu filternden Partikel (2).

3. Molekularfilteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Filtersiebes (1) durch Beschichten mit den biochemischen und/oder chemischen Rezeptormolekülen (5) versehen ist.

4. Molekularfilteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herauslösen der gefilterten molekularen Partikel (2) eine Spülung des Filtersiebes (1) mit einem Lösungsmittel (8) erfolgt, dessen Bindung zu den molekularen Partikeln (2) größer ist als die Bindung der molekularen Partikel (2) zu den Rezeptormolekülen (5).

5. Molekularfilteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die molekularen Partikel (2) über ein lipophiles Ende (6) sowie über ein hydrophiles Ende (7) mit einem dominanten hydrophilen Charakter verfügen.

6. Molekularfilteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel (8) reines Wasser zum Einsatz kommt, das mit dem dominanten hydrophilen Ende (7) der molekularen Partikel (2) zusammenwirkt.