DE19724832A1 - Querstromfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Querstromfilter, insbesondere für die Probenvorbereitung, für eine Ultra- oder Mikrofil­ tration im Bereich der Lebensmittelindustrie, der Geträn­ keindustrie, der Abwasseraufbereitung sowie der Umweltana­ lytik, wobei der Querstromfilter mit einer Kunststoffum­ mantelung ausgestattet ist, die einen Querstromraum mit einem Einströmanschluß an dessen zustromseitigem Ende und mit einem Ausströmauslaß an dessen abstromseitigen Ende und mit einer an den Querstromraum im wesentlichen paral­ lel zur Strömungsrichtung grenzenden porösen Membran umschließt, die andererseits an einen Sammelraum grenzt, der einen Filtratausgang hat.

Für die Abtrennung partikulärer Bestandteile aus flüssigen Proben mit Hilfe der Querstromfiltration sind verschiedene Trennvorrichtung in Form von Filterkassetten, Kapillar- oder Rohrmodulen bekannt.

Filterkassetten, bei denen die Verteilung des Fluids über viele kleine Kanäle erfolgt und in denen ein Gewebe oder Netzgitterband als Abstandshalter eingesetzt werden, haben einen hohen Widerstand und neigen zum Verstopfen. Sie sind für Fluide mit hohem Feststoffgehalt nicht geeignet.

Kapillarfilterblöcke haben demgegenüber einen vergleichs­ weise einfachen Aufbau. Sie verstopfen aber ebenfalls sehr schnell bei Fluiden mit hohem Feststoffanteil.

Rohrfiltereinheiten besitzen einen relativ großen Strö­ mungsquerschnitt und verstopfen nicht so leicht. Sie sind jedoch in der Auswahl der Porengroße des Filtermaterials beschränkt und haben wegen der Druckbelastung wie die Ka­ pillarfilterblöcke ein teures stabiles Gehäuse.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Querstromfilter für Probeentnahmen aus mit Feststoffen hoch belasteten Fluiden zu schaffen, das bei relativ geringem Pumpendruck und relativ geringer Pumpenleistung eine hohe Querströmungsge­ schwindigkeit über der Membran ermöglicht und aus wenigen Teilen einfach und preisgünstig hergestellt und leicht zu entsorgen ist.

Die Aufgabe wir dadurch gelöst, daß die Kunststoffummante­ lung aus mindestens einer dünnen Kunststoffolie besteht, die schlauchförmig ausgebildet ist und mit dem Einströman­ schluß und dem Ausströmanschluß verschweißt ist und innen­ seitig mit der annähernd parallel zu ihr angeordneten Mem­ bran entlang deren Randzone verschweißt ist.

Das Querstromfilter besteht aus einem Folienschlauch, des­ sen Stirnseiten in Anschlüssen münden, die einfache, lösbare Verbindungen zu Schläuchen oder Rohren ermögli­ chen. Auf der Innenseite des Folienschlauches ist minde­ stens eine Membran aufgesiegelt. Die Flüssigkeit wird durch die Membran in den Raum zwischen der Membran und dem Folienschlauch gedrückt. In diesem Raum ist ein Drainage­ material angeordnet, das den Abfluß des Filtrats erleich­ tert. In dem Bereich des Folienschlauchs, der durch die Membran abgedeckt wird, befindet sich eine Öffnung, durch die das Filtrat abfließen kann. Der Schlauch ist vorteil­ haft aus zwei gleichen Folien zusammengeschweißt, von denen eine oder beide mit einer Membran bestückt sind.

Für die Filtration von kontaminierten Proben ist es ideal, daß der Querstromfilter aus wenigen Komponenten besteht und sich durch einen geringen Materialeinsatz auszeichnet, so daß er als Einwegfilter einsetzbar ist und problemlos zu entsorgen ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß das Querstromfilter zwischen zwei Platten angeordnet ist, de­ ren Abstand den Durchströmquerschnitt des Querstromfilters begrenzt. Der Strömungsquerschnitt des Querstromfilters läßt sich durch Veränderung des Plattenabstands variieren, wodurch sich bei gegebener Pumpenleistung die Querstromge­ schwindigkeit vorgeben läßt, die im wesentlichen um so größer ist, je kleiner der Querschnitt ist.

Die Platten lassen sich parallel oder auch zum abströmsei­ tigen Ende geneigt einstellen, so daß je nach den Durch­ fluß- und Druckverhältnissen der Gesamtvorrichtung eine optimale Überströmgeschwindigkeitsverteilung in Verbindung mit einer geeigneten Druckverteilung einstellbar ist. Die Distanzeinstellungen der Platten sind vorteilhaft von den Schließmitteln getrennt, damit eine einmal gewählte Ein­ stellung bei einem Filterwechsel erhalten bleibt. Als Dis­ tanzhalteelemente eignen sich Kontermuttern auf den Klemm­ schraubenschäften oder getrennte Stützschrauben.

Die untere Platte ist zweckmäßig mit Füßen versehen, so daß der Querstromfilter darauf abgestellt werden kann und ein Filtratgefäß unter dem Auslauf Platz hat. Es sind je­ doch auch andere Formen der Halterung möglich.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung be­ steht darin, daß die Überströmung der Filtermembran bei Probennahmen mit geringer Pumpleistung oder geringer Um­ wälzung durch geeignete Einengung des Strömungsquerschnit­ tes auf dem erforderlichen Niveau gehalten werden kann.

Weiterhin führt dieser Aufbau zu einem Querstromfilter mit geringem Gewicht und kleinem Transportvolumen, was für ei­ nen mobilen Einsatz vorteilhaft ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 dargestellt.

Fig. 1 zeigt die Perspektivansicht eines Querstromfilters;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt A-A zu Fig. 1 in Höhe des Filtratausgangs;

Fig. 3 zeigt schematisch perspektivisch die Anordnung des Querstromfilters zwischen zwei Platten zur Begrenzung des Strömungsquerschnittes;

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Probennahmefil­ trationvorrichtung mit einer Umwälzpumpe.

Fig. 1 zeigt die Ansicht eines Querstromfiltereinsatzes QF, dessen schlauchförmige Außenhaut aus zwei Folienbögen F1, F2 durch deren randseitiges Verschweißen miteinander und ein Einschweißen von endseitigen Anschlußstücken ASE, ASA hergestellt wurde. Die jeweils umlaufenden Schweißnäh­ te SN sind so gestaltet, daß sie dem Betriebsdruck, von z. B. 1 bar, der bei der Querstromdurchströmung auftritt, standhalten. Auf der Innenseite eines Folienbogens F2 be­ findet sich eine Membran, deren Umriß in der Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie ML gekennzeichnet ist, die allsei­ tig von den Schlauchschweißnähten SN und insbes. denen der Anschlüsse ASE, ASA des Einganges E und des Ausganges A beabstandet ist. Der Abstand DA der Membran M von den Anschlüssen ASE, ASA ist zweckmäßig etwa so groß wie der Durchmesse AD der Anschlüsse. An den Stirnseiten des Folienschlauches sind die Anschlußstücke ASE, ASA einge­ schweißt, die in der gezeigten Ausführung mit einem Außen­ gewinde versehen sind. Als Anschlußstücke können jedoch auch Schnellkupplungen, Bajonettverschlüsse oder dgl. ein­ gesetzt werden. Über die Anschlußstücke wird der Quer­ stromfilter mit den Leitungen verbunden, über die die zu filtrierenden Flüssigkeit zu- und abgeführt wird.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt A-A gemäß Fig. 2 durch den Querstromfilter im Bereich des Filtratausgangs FA. Das Ge­ häuse besteht aus zwei Folienbögen F1, F2, die durch die Schweißnähte SN zur einem Schlauch geformt wurden, der im wesentlichen den Querstromraum QR umschließt. Auf die In­ nenseite des Folienbogens F2, der die im Bild untere Hälf­ te der Filterhaut bildet, ist die Membran M geschweißt worden. Die Schweißränder R begrenzen die aktive Filter­ fläche. Zwischen der Membran und der Außenhaut befindet sich in dem Sammelraum S ein Drainagematerial DM, durch welches der Abfluß des Filtrats zum Filtratausgang FA er­ leichtert wird.

Die Membran M ist jeweils entsprechend der Trennaufgabe aus dem Angebot verschiedener bekannter schweißfähiger Ul­ tra- oder Mikrofiltrationsmembranen ausgewählt. Bevorzugt wird eine Ultrafiltrationsmembran mit einer Trenngrenze im Bereich von 1 bis 1000 kD oder eine Mikrofiltrationsmem­ bran mit einer Porengröße im Bereich von 0,01 bis 20 µm eingesetzt. Bevorzugt ist die Membran in bekannter Weise mit einem Vlies verstärkt. Als Drainagematerial eignen sich bekannte Kunststoffgewebe, Netzgitterband, Vlies oder auch extrudierte Abstandshalter.

Die Membran M liegt auf dem Drainagematerial DM und dieses auf der äußeren Schlauchwandung auf, wodurch eine prak­ tisch ebene Überströmfläche der Membran M ausgebildet ist und die Weite des Querstromraumes QR durch die Plattenabstände WE, WA, der umschließenden festen Platten überall eindeutig bestimmt ist.

Der Filtratausgang FA kann, wie in Fig. 1 gezeigt, in der Durchströmrichtung etwa mittig angeordnet sein oder nahe zum abstromseitigen Ende, wodurch dem in der Strömungs­ richtung entstehenden Druckabfall Rechnung getragen wird.

Der Filtratausgang FA ist mit einem Kragen Ki innenliegend in dem Sammelraum S zwischen der unteren Folie F2 und dem Drainagematerial DM an der Folie F2 angeschweißt und ragt mit einem relativ dünnen Nippel aus dem Schlauch, im Bild nach unten, heraus.

Fig. 3 zeigt einen Querstromfilter zwischen zwei Platten P1, P2 mit denen die Ausdehnung des Folienschlauches be­ grenzt werden kann. In der unteren Platte P1 befindet sich eine Öffnung durch die der Filtratausgang des Querstrom­ filters gesteckt wird. Ohne die Platten würde der Folienschlauch durch den Druck bei der Probenfiltration einen möglichst großen Querschnitt einnehmen, der bei einer bestimmten Umwälzleistung zu einer relativ geringen Überströmungsgeschwindigkeit führt. Um die Filterleistung jedoch hoch zu bringen, wird eine möglichst große Über­ strömungsgeschwindigkeit erzeugt, indem der Querschnitt durch ein Andrücken der Platten eingeengt wird. Die Über­ strömungsgeschwindigkeit läßt sich über den Abstand der Platten gut festlegen. Die Platten werden durch Schrauben oder andere geeignete Schließelemente in einem bestimmten Abstand gehalten und vorzugsweise gegen einstellbare Abstandshalter miteinander leicht lösbar verspannt. Die untere Platte ist zweckmäßig mit Standfüßen ausgerüstet.

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Probennahme- Filtrationsvorrichtung, wobei die zu reinigende Probeflüssigkeit P mittels einer Kreiselpumpe KP aus einem Vorratsgefäß VG gefördert und durch den Querstromfilter QF gedrückt wird. Der Querstromfilter wird durch zwei Platten P1, P2 zusammengehalten, die Teil der Filtervorrichtung sind. Das seitlich austretende Konzentrat K wird in das Vorratsgefäß VG zurückgegeben. Die Filtration wird solange durchgeführt, bis genügend Filtrat F in dem Probennahmegefäß B vorliegt. Die Schrauben 51, 52 halten die Platten P1, P2 zusammen, wobei mit den einstellbaren Distanzhaltern DHE, DHA die Einlaß- und die Auslaßweite WE, WA festgelegt sind.

Claims (14)

1. Querstromfilter mit einer Kunststoffummantelung, die einen Querstromraum (QR) mit einem Einströmanschluß (ASE) an dessen zustromseitigem Ende (E) und mit einem Ausstrom­ auslaß (ASA) an dessen abstromseitigen Ende (A) und mit einer an den Querstromraum (QR) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung grenzenden porösen Membran (M) umschließt, die andererseits an einen Sammelraum (S) mit einem Filtratausgang (FA) grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffummantelung aus mindestens einer dünnen Kunststoffolie (F1, F2) besteht, die schlauchförmig ausgebildet ist und mit dem Einströman­ schluß (ASE) und dem Ausströmanschluß (ASA) verschweißt ist und innenseitig mit der annähernd parallel dazu ange­ ordneten Membran (M) an deren Randzone (R) verschweißt ist.

2. Querstromfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kunststoffummantelung aus zwei spiegelbildli­ chen Folien (F1, F2) besteht, die randseitig miteinander verschweißt sind, und von denen mindestens eine mit einer Membran (M) so besetzt ist, daß zumindest zu den Anschlüs­ sen (ASE, AS) ein Abstand (DA) gegeben ist, der etwa dem Anschlußdurchmesser (AD) entspricht.

3. Querstromfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Sammelraum (S) ein Drainagemate­ rial (DM) angeordnet ist.

4. Querstromfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß als Drainagematerial ein Drahtgewebe aus Kunst­ stoff, ein Netzgitterband oder ein extrudiertes Drainagematerial zum Einsatz kommt.

5. Querstromfilter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (M) eine Ultrafiltrationsmembran mit einer Trenngrenze im Bereich 1 bis 1000 kD ist.

6. Querstromfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Membran (M) eine Mikrofil­ trationsmembran mit einer Porengröße im Bereich von 0,01 bis 20 µm ist.

7. Querstromfilter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran mit einem Vlies verstärkt ist.

8. Querstromfilter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtratausgang (FA) als Stutzen ausgebildet ist und mit einem Kragen (K) in die Kunststoffolie (F2) eingeschweißt ist.

9. Querstromfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Filtratausgang (FA) an dem Sammelraum (S) na­ he dem Ausströmanschluß (ASA) angeordnet ist.

10. Querstromfilter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die schlauchförmige Kunststoffummantelung zwischen zwei festen Platten (P1, P2) auswechselbar angeordnet ist, die so orientiert und zueinander beabstandet sind, daß der Querstromraum (QR) flach parallel zur Membran (M) aussgebildet ist.

11. Querstromfilter nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Platten (P1, P2) in ihrem Abstand (WA, WE) einstellbar sind und öffenbar oder lösbar verbunden sind.

12. Querstromfilter nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Platten (P1, P2) zu- und abstromseitig auf unterschiedliche Abständen (WA, WE) einstellbar sind.

13. Querstromfilter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtratausgang (FA) durch die entsprechend angeordnete Platte (P1, P2) hindurchge­ führt ist.

14. Querstromfilter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils untere Platte (P1) mit Standfüßen (SP') bestückt ist.