DE19714959A1 - Schlauchfilter zur Flüssigkeitsfiltration - Google Patents

Schlauchfilter zur Flüssigkeitsfiltration

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Description

Kompressible sehr feine Partikel, die zur Bildung schleimiger Schlämme neigen, sind aus großen Flüssigkeitsvolumina nur sehr schwer abzuscheiden. Eine Möglichkeit ist die Zentrifugation. Sie kann sehr feine Partikel mit einem geringen Masseunterschied zur umgebenden Lösung nur bei sehr hohen Gravitationskräften - die mit technischen Zentrifugen im Allgemeinen nicht erreicht werden - abscheiden. Bei der Zentifugation kann es außerdem zum Aufschwimmen (Flotation) der spezifisch leichteren Inhaltsstoffe kommen, so daß man hier drei Fraktionen unterscheiden muß, das Sediment, den Überstand und das Flotat. Die Filtration ergibt hingegen nur zwei Fraktionen, das Filtrat und den Filterkuchen. Aber auch mit Hilfe der Filtration ist es schwierig feine kompressible Partikel zurückzuhalten, weil diese nur bis zu ihrem kritischen Druck im Filterkuchen ihre Struktur beibehalten und bei Druckanstieg zunehmend kollabieren.
Dies bedeutet für die Kuchenfiltration, bei der zunächst mit einer einfachen Filtration an der Filterfläche begonnen wird, die dann aber zunehmend in eine reine Kuchenfiltration übergeht, bei der wiederum zunehmend kleinere Partikel abgeschieden werden, was die effektive Porengröße weiter vermindert und den Filtrationswider­ stand entsprechend erhöht, daß hoher Druck sowie unkontrollierte Druckanstiege vermieden werden müssen.
Zum Umgehen solcher Schwierigkeiten verwendet man meist Flock­ ungs- und Filtrationshilfsmittel, wobei deren Funktionstrennung oft nicht möglich ist. Die Flockungshilfmittel stellen selbst Polyelektrolyte da, die mit den Inhaltsstoffen adsorptive Verbin­ dungen unterschiedlicher Art eingehen und dann zusammen mit diesen Ausfällungen in Flockenform bilden. Filtrationshilfsmittel sind hingegen im Idealfall inert, porös und nicht kompressible. Sie lagern sich dem Filterkuchen ein und bewirken, daß dieser bei Druckanstieg nicht mehr kollabiert und so leichter entwässert werden kann. Beide Arten der Zusätze bringen zusätzliche Kosten, erhöhen das Kuchenvolumen und bergen die Gefahr in sich Verunrei­ nigungen einzuschleppen. Außerdem sind sie unerwünscht, wenn es gilt Inhaltsstoffe des Filterkuchens rückzugewinnen.
Die hier beschriebene Vorrichtung ist dafür ausgelegt Fein­ filtrationen ohne Zusatzstoffe durchführen zu können, um dann den Filterkuchen leichter weiterverarbeiten zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden Filterschläuche horizontal gelagert und für die Feinfiltration zusätzlich um ihre Achse - ähnlich wie ein Trommelfilter - gedreht. Der Unterschied zu diesem besteht darin, daß hier von innen nach außen filtriert wird und desweiteren darin, daß die Entleerung dikontinuierlich erfolgt. Hierin besteht eine gewisse Ähnlichkeit zu der unter DE 17 61 716.2 und 21 06 078 beschriebenen Röhrenfilterpresse. Dort wird der Filterkuchen von außen hydraulisch zusammengepreßt und anschließend mit einem Stempel ausgeworfen. Im hier beschriebenem Falle erfolgt die Entleerung hingegen wahlweise durch oberflächiges Antrocknen mit anschließenden Austrag des partiell entwässerten wurstförmigen Filterkuchens, oder zur Beschleunigung des Ablaufes durch Austausch der Schlauchmodule und deren externen Entleerung.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied ergibt sich aus der Filtration mit horizontalen, insbesondere rotierenden Schlauchfiltern. Durch die Bewegung während der Filtration kommt es zu eine sehr gleichförmige Schichtbildung über den ganzen Filtermantel. Dies erleichtert eine reproduzierbare Kuchen­ filtration und insbesondere auch ein reproduzierbares Waschen des Kuchens - was bei einem Kuchen ungleichmäßigen Schichtaufbaues in diesem Umfange nicht möglich wäre. Dieser Vorteil kann darüber­ hinaus dazu genutzt werden nicht nur zu waschen sondern auch mit geeigneten Flüssigkeiten aus dem gewonnenen Kuchen Stoffe zu extrahieren. Wir sehen deshalb an dieser Stelle ein beträchtliches Anwendungspotential für die Rohstoffrückgewinnung aus Prozeßwasser­ strömen oder sogar aus Abwasser.
Die Schlauchmodule und das Gehäuse sind so konstruiert, daß durch Einblasen von sauberer Luft unter Reinraumbedingungen gearbeitet werden kann, was diese Ausführungsform auch für die Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie interessant macht.
Diese Filtration läßt sich durch eine integrierte automatische Trübungsmessung auf einen vorgegebenen Sollwert einregulieren. Diese Filterleistung ist normalerweise nur mit teurem Filter­ material möglich. Bei dem Filterschlauch handelt es sich hingegen um einen Pfennigartikel.
1. Beispiel Stabilisierung eines horizontal liegenden Schlauchfilters und erleichterter Ablauf des Filtrates durch eine außen liegende Schraubenfeder
Ein rundgewebter Textilschlauch Fig. 1, (1) (mittlere Porenweiten bis hinab zu 1 µ sind erhältlich) wird in eine Schraubenfeder (2), mit etwas geringerem Innendurchmesser als der Schlauchaußen­ durchmesser, eingezogen. An die Enden der Schraubenfeder sind Ringe (3) angeschweißt. Der Zulauf (5) ist über eine Schelle (4) mit dem Schlauch verbunden. Der Unterteil der Schelle ist Bestandteil des Troges dem die Schraubenfeder und die Ringe innen aufliegen. Wird die Schelle geöffnet so läuft etwa noch im Schlauch befindliche Flüssigkeit in den Trog (7) und kann über den Filtratablauf (8) aufgefangen werden.
Der Auslauf des Filterschlauches, auf der rechten Seite der Abbildung, ist entweder mit einer Kappe (6) oder ein Ventil verschlossen bzw. beim Einsatz zur Voreindickung offen und in den beiden letzten Fällen dann genauso wie der Zulauf ausgebildet. Im ersten Falle handelt es sich um eine End- A und im zweiten Falle um eine Crossflow-Filtration B. (vergl. auch Fig. 6, 7 und 8).
Das Filterelement wird mit seinen Trog (7) in ein nach außen abgeschirmtes Gestell (Fig. 5) gelegt, daß der exentrisch sitzende Auslauf (8) sowie der Zu- bzw. Auslauf (5) außerhalb des Gehäuses liegen. Dies ist durch die begrenzende Außenwand (9) dargestellt (vergl. in Fig. 5 die Durchtrittsöffnung 23).
Die Anordnung B wird bevorzugt zur Vorkonzentrierung eingesetzt, weil bei ihr, wegen des tangentialen Stoffstromes, die Kuchenbildung an der Schlauchunterseite zu vernachlässigen ist.
2. Beispiel Filterschlauch mit Vorrichtung zur Bewegung des Filtermediums
Fig. 2 zeigt die verschiedenen Möglichkeiten, wie die in Fig. 1 dargestellte Schraubenfeder, wenn sie an ihren Enden Zahnräderkränze trägt, in Position gehalten und dabei gedreht werden kann.
A zeigt die zweckmäßigste Anordnung der Zahnkränze (3) und der Antriebsräder (10) auf der starren Antriebsachse (11), wenn die Schraubenfeder gestreckt eingebaut wird (wie durch die Pfeile angedeutet ist).
B zeigt die zweckmäßigste Anordnung der Zahnkränze (3) und der Antriebsräder (10) auf der starren Antriebsachse (11), wenn die Schraubenfeder gestaucht eingebaut wird ( wie durch die Pfeile angedeutet ist).
C zeigt die zweckmäßigste Anordnung der Zahnkränze (3) und der Antriebsräder (10) auf der längenvariablen Antriebsachse (12), wenn die Schraubenfeder spannungslos eingebaut wird und über einen externen Stellantrieb (13) in ihrer Länge verändert werden kann. In den hier beschriebenen Beispielen wird die den Schlauch unterstützende Schraubenfeder um diesen herum gedreht. Dabei kann sie aber gleichzeitig über eine externe Welle gedehnt (A), gestaucht (B) und entweder gedehnt oder gestaucht (C) werden. Eine Kombination dieser Bewegungen führt zu einer peristaltischen Bewegung des gefüllten, der Schraubenfeder aufliegenden, Schlauch­ teiles.
3. Beispiel Unabhängiger Antrieb von Filterschlauch und Schraubenfeder
In Fig. 3 ist dargestellt wie der Filterschlauch (1), durch Über­ wurfmutter (14) mit einem Rohr (13) verbunden, während des Betriebes im Schraubenfederendring (3) lagert und gedreht wird, wobei das Rohr außerdem auf dem Trog (7) und der Gehäusewand (9) lagert. Das Rohr wird direkt über ein Zahnrad (10, links unten) angetrieben. Die Schraubenfeder wird unabhängig von einer Antriebswelle (11) über zwei mit festen Abstand darauf sitzende Zahnräder angetrieben. Der Zu- bzw. Auslauf (15) ist mit dem Schlauchhalter über eine Wellendichtung (17) beweglich verbunden. In diesem Beispiel sind der Antrieb für Schlauch und Schraubenfeder von einander unabhängig. Entsprechend werden zwei Motoren zum Antrieb benötigt. Man kann aber auch mit nur einem Motor auskommen, wenn man die beiden Zahnräder auf der linken Seite (10) ineinander greifen läßt. Die relative Rotationsgeschwindigkeit beider Wellen wird dann vom Übersetzungsverhältnis der beiden Zahnräder bestimmt.
4. Beispiel Antrieb von Filterschlauch und Schraubenfeder über eine gemeinsame Welle
Die in Fig. 4 gezeigte Antriebsart leitet sich von der in Fig. 2 dargestellten Anordnungen des Antriebes ab. Durch einen Stellmotor (13) wird eine Welle (12) in ihrer Länge verändert, so daß entweder nur der Schlauch (Position B), Schlauch und Schraubenfeder (Position C, entspricht Fig. 2C) oder nur die Schraubenfeder (Position D, entspricht Fig. 2B) gedreht werden. Das als Schlauchhalter dienende Rohr trägt hierzu im Vergleich zum dritten Beispiel zwei zusätzliche Platten, die eine dient zum Antrieb und die andere nimmt den Druck der konischen Feder (16) auf. Die Feder sitzt zur Zentrierung auf einem Ring, der der Ge­ häusewand (9) anliegt. Die Kappe des Endstückes (15) ist trichter­ förmig ausgebildet und trägt einen Anschlag. Die Kappe ist zu­ gleich Zu- bzw. Auslauf. Sie hat ein Innengewinde und wird auf eine Hülse (18) mit Abdichtung (19) aufgeschraubt. Die Hülse hat ebenfalls einen Anschlag und sitzt auf einer Wellendichtung (17).
5. Beispiel Verwendung als Crossflow-Modul
Fig. 6 zeigt die Anordnung in der Crossflow-Filtration. Dies Verfahren eignet sich vor allem zur Vorkonzentrierung. Es hat sich gezeigt, daß die in Fig. 1 beschriebene Anordnung für die Cross­ flow-Filtration allein ausreichend ist. Ist der Filterschlauch nicht mehr durchgängig kann er leicht zusammen mit dem Trog gegen ein neues Modul ausgetauscht werden. Kommt es allerdings darauf an den Filterkuchen zu waschen, zu trocknen oder steril zu arbeiten muß man mit einem drehbaren Filterschlauch arbeiten und wählt die in Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellte Anordnung.
Zeichenerklärung: A Zulauf, B Konzentrat, C Filtrat.
6. Beispiel Filtration am rotierenden Filterschlauch mit automatischer Trübungsmessung
Hat man es mit großen Volumina zu tun empfiehlt es sich das Ausgangsvolumen (Fig. 6 A) zunächst über die Crossflow-Filtration zu konzentrieren (B) und anschließend endzufiltrieren (Fig. 7). Zeigt dann das Filtrat noch eine zu hohe Trübung (bei 28 gemessen) wird es zunächst über zwei Ventile (24, 25) und eine druckbegrenzte Pumpe (26, PS = Pressure switched) solange unter Rotation des Filters zurückgeführt (C1, ES = Extinktion switched) bis die gewünschte Klärung erreicht wird und die Lösung abgeleitet werden kann (C2). Bei einem zu starken Druckabfall wird über ein Ventil (24) mit der Pumpe (27) weitere Lösung nachgeliefert. Fig. 8 zeigt eine typische Kombination von einem Crossflow- und drei parallelgeschalteten Endfiltern.
7. Beispiel Waschen und Trocknen des Filterkuchens
Will man nach abgeschlossener Filtration einen von Filtrations­ flüssigkeit freien Kuchen erhalten, muß man mit Flüssigkeit nach­ waschen. Hierzu muß lediglich eine Waschflüssigkeit in A, Fig. 8 an die rotierenden Filter angeschlossen werden bis keine Filtratinhaltsstoffe mehr aus dem Kuchen eluieren (ES Extinktionsmessung bei 28). Ist die gemessene Extinktion stabil kann die zirkulierende Waschflüssigkeit bei C2 abgelassen werden. Es kann sich dann ein weiterer Waschzyklus anschließen oder es kann aber auch getrocknet werden. Zum Trocknen wird der weitere Zulauf unterbunden und steriles Gas eingeblasen (40, 41, 29), welches die Restflüssigkeit austreibt. Zusätzlich wird aber auch durch den Gasstrom im Filtergehäuse (Fig. 5, 20) die Schlauchoberfläche getrocknet. Die Flüssigkeit wird also sowohl über Kapillarkräfte im Filterkuchen sowie über den Gasstrom vom Schlauchinneren nach außen transportiert.
8. Beispiel Automatischer Filterbetrieb mit Waschen, Reextraktion und Trocknen des Filterkuchens
Im vorherigen Beispiel wurde gezeigt wie die verschiedenen Arten der Filtration, das Nachwaschen und das Trocknen in der Behandlung des Filterkuchens eingesetzt werden können. Darauf aufbauend wird in diesem Beispiel gezeigt, wie dieser Prozeß automatisch abläuft. Dies schließt eine Reextraktion von Kucheninhaltsstoffen mit ein. Hierzu verwendet man am zweckmäßigsten mehrere Filtermodule des in Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellten Bauprinzipes kombiniert mit einem Filtergehäuse wie in Fig. 5 dargestellt. Auch das Gehäuse selbst ist aus Modulen aufgebaut. Es hat einen Deckel A, in dem sich die oben gelegenen Antriebswellen mit Zahnrädern (21) sowie Stutzen zum Gaseinblasen (20) befinden.
Der Boden C enthält Aussparungen zur Aufnahme der Sammeltröge (7) und der Schlauchmodule sowie Löcher (23) zur Durchführung der Trogausläufe (8).
Zwischen Boden und Deckel können Modulträgerelemente B eingesetzt werden, die jeweils die oben genannten Vorrichtungen tragen. Hierdurch ist es möglich die Filtrationsanlage durch stapeln mehrerer Modulträger etagenweise auszubauen.
Fig. 9 zeigt das Verfahrensschema. Die zu filtrierende Lösung A befindet sich in einem Mischgefäß (36). Sie wird über ein 2/3 Wegeventil (32) von einer druckbegrenzten (PS) Pumpe (27) angesaugt und über 3/3 Wegeventile (31), die bei zu starken Druckanstieg schließen, durch die rotierende Filterschläuche (1) gepreßt. Aus den Filtern fließt das Konzentrat B zurück in das Mischgefäß wohingegen das Filtrat C solange es trüb ist in einen Behälter (39) gesammelt wird. Sobald ein vorgegebener Trübungswert unterschritten ist schaltet das Auslaßventil (35) um und das saubere Filtrat wird gesammelt. Kurzfristig werden jetzt die Ventile (32, 33 und 34) umgeschaltet, damit die Pumpe (27) aus dem Gefäß (39) das noch trübe Filtrat absaugen und erneut über die Filter leiten kann. Anschließend wird die Filtration nach Umschalten des Ventiles (32) wieder aus dem Mischgefäß (36) gespeist. Die Filtration kann nun als Crossflow- oder auch als Endfiltration fortgesetzt werden.
Bei der Crossflow-Filtration wird immer ein beträchtlicher Anteil des Filterkuchens im Mischgefäß verbleiben. Dies ist fürs Waschen und Reextrahieren von Vorteil. Zum Waschen bzw. zum Reextrahieren wiederholt man den soeben beschriebenen Prozeß mit der Waschlösung (37) bzw. mit der Reextraktionslösung (38). Nachteilig ist die Crossflow-Filtration hingegen für eine vollständige Gewinnung des Filtrates. Hierfür ist eine Endfiltration günstiger. Hierzu schließt über das Ventil (30) lediglich den Auslauf bei B. Die Pumpe läuft bei rotierenden Filtern weiter. Ein zu starker Druckanstieg schließt die zuführenden Ventile (31) oder schaltet die Pumpe vorübergehend ab. Ist dann das Vorlagegefäß leer, schließt das untere 31er-Ventil, welches den Flüssigkeitsstrom reguliert, wohingegen das obere 31er-Ventil, welches den Gaszustrom reguliert, sich öffnet. Durch das Gas wird so die Restflüssigkeit ausgeblasen. Zum Trocknen läuft die Anlage mit rotierenden Filtern und schlauchinternem und externem Gasstrom weiter.

Claims (11)

1. Eine Filtrationsvorrichtung, bestehend aus einem Gewebeschlauch mit Einspannvorrichtungen für die Schlauchenden und einer mechanischen Unterstützung für sein Gewebe, ist dadurch gekennzeichnet, daß die zuströmende Flüssigkeit in den horizontal gelagerten Schlauch geleitet wird. Die mechanische Unterstützung besteht aus einer Schraubenfeder, die den Filterschlauch außen umschließt und in horizontaler Lage auf Distanz zur Unterlage hält. Bei der Unterlage handelt es sich um ein trogförmiges Gefäß mit seitlichen Auslauf. Dieses dient sowohl zum Sammeln und Ableiten des Filtrates als auch zur Positionierung der als Schlauchhalterung dienenden Schraubenfeder.
2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfeder über zwei Zahnkränze an ihren Enden, mit Hilfe einer obenliegenden Antriebswelle mit mindestens zwei festsitzen­ den Zahnrädern, im trockenen Trogoberteil gedreht werden kann.
3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtungen des Filterschlauches Zahnkränze tragen, die über zwei Zahnräder den Filterschlauch um seine Längsachse innerhalb der Schraubenfeder drehen können.
4. Die Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rotationsbewegungen unabhängig von einander durch zwei Antriebssysteme ausgeführt werden können.
5. Die Vorrichtung aus Kombination von Anspruch 2 und 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß beide Rotationsbewegungen alternativ über die selbe Antriebswelle ausgeführt werden. Hierzu ist die An­ triebswelle über Stellmotoren in ihrer Länge veränderbar. Die Längenänderung bewirkt, daß die auf der Antriebswelle fest­ sitzende Zahnräder, in Abhängigkeit von ihrem gegenseitigen Ab­ stand verschiedene Funktionen auslösen. Bei großem Abstand wird der Filterschlauch gespannt und kann gleichzeitig innerhalb der Schraubenfeder gedreht werden, bei mittleren Abstand können Schlauch und Schraubenfeder gemeinsam gedreht werden und bei geringem Abstand wird die Schraubenfeder zusammengepreßt und kann getrennt vom Filterschlauch gedreht werden.
Zur Positionierung und Rückstellung der zentralen Schraubenfeder ist es notwendig deren Enden durch periphergelagerte Federn zusätzlich anzupressen.
6. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß ihre Zu- und Ableitungen über Schnellkupplungen verbunden werden, wodurch die Filtermodule leicht eingebaut, kombiniert und auch ausgetauscht werden können.
7. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie bevorzugt im Durchfluß, mit Zu- und Auslauf jeweils an den Schlauchfilterenden, zur Konzentrierung und Extraktion von Suspensionen und Emulsionen unter Bedingungen der Crossflow-Filtration eingesetzt wird.
8. Die Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6 ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie bevorzugt in der Endfiltration zur Gewinnung und Reinigung des Filterkuchens, mittels Tiefenfiltration durch den Filterkuchen selbst, eingesetzt wird. Das Filtrat wird dabei, solange zur erneuten Filtration über den abgeschiedenen Filterkuchen mittels zweier Ventile und einer Pumpe zurückgeleitet bis die gewünschte Klärung des Filtrates erreicht ist.
9. Die Vorrichtungen nach Anspruch 1 bis 8 sind dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einzeln oder auch in Kombination miteinander zur Filtration eingesetzt werden und sich in einem gemeinsamen Filter­ gehäuse befinden. Das Gehäuse mit seinem Inhalt kann durch Zu­ führung eines sterilen Gasstromes keimfreigehalten und temperiert werden. Da der Gasstrom direkten Zutritt zu den Außenflächen der Filterschläuche hat kann dieser am Ende des Filtrationsvorganges zur Trocknung der Filterkuchen eingesetzt werden.
10. Die Vorrichtung nach Anspruch 9 ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Deckel, Boden und zumindest einem Modulträger­ element besteht, wodurch die einzelnen Module leicht zugänglich sind und auch während der Filtration ausgetauscht werden können. Durch Stapelungung mehrerer Trägerelemente vervielfältigt sich die Filter- bzw. Trockenleistung der Vorrichtung entsprechend.
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