DE19832658C1 - Filterelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein Filterelement beschrieben, bei dem die Eigenschaften des Filtermaterials durch die Einbettung in Verankerungselementen nicht negativ beeinflußt werden. Erfindungsgemäß weisen die Verankerungselemente (1) im Einbettbereich des Filtermaterials (6) ein hydrophiles thermoplastisches Elastomer auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement mit einem Filtermaterial, insbesondere einem gewickelten und/oder plissierten Filtermaterial, aus einem hydrophilen Polymer, das in Verankerungselemente, wie Endkappen und/oder Adapter, eingebettet ist.

Poröse Filtermembranen werden aus den verschiedensten thermoplastischen Materialien hergestellt, wie z. B.: Polypropylen, Polyamid, aromatisches Polyamid, Polyimid, Polysulfon, Polyethersulfon, Zellulosederivate, Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen.

Derartige Filtermembranen werden häufig in plissierter oder gewickelter Form zu sogenannten Membranfilterkerzen weiterverarbeitet, die in Verankerungselemente, in den meisten Fällen in sogenannte Endkappen, eingebettet werden. In der US 3 457 339 wird die Herstellungsmethode von diesen Filterelementen beschrieben. Membranfilterkerzen, welche nach dieser oder ähnlichen Methoden hergestellt worden sind, zeichnen sich dadurch aus, daß sie nach Benetzung mit einem geeigneten Medium auf Integrität testbar sind, insbesondere wenn das verwendete Membranmaterial Porengrößen im Bereich von 0,04-5 µm besitzt.

In den meisten Applikationen werden für die Benetzung der Membranfilterkerzen Wasser oder wässrige Lösungen verwendet. Die Benetzung der Filterelemente ist umso leichter möglich, je hydrophiler die verwendeten Bestandteile sind. Aus diesem Grunde werden in den meisten Fällen für die sogenannte Sterilfiltration von Flüssigkeiten hydrophile Membranwerkstoffe, wie zum Beispiel Polyamide oder Zellulosederivate, verwendet. Je nach Anwendung und Anforderung an das Membranmaterial ist es jedoch notwendig, andere Membranmaterialien zu verwenden, welche im Hinblick auf Chemikalienbeständigkeit, verringerte Proteinadsorption oder thermische Beständigkeit Vorteile besitzen. Diese Eigenschaften werden z. T. von Membranmaterialien erfüllt, welche eher zu den hydrophoben Membranwerkstoffen gezählt werden können. Damit auch diese hydrophobe Membranen auf einfache Art und Weise benetzt werden und Verwendung in obengenannten Filterkerzen finden können, müssen diese in speziellen Verfahren hydrophil gemacht werden. Beispiele hierfür finden sich in der EP 0 571 871 B1, EP 0 082 433 B1, EP 0 228 072 B1, EP 245 000 A3 und EP 0 186 758 B2.

Allen Arbeiten gemeinsam ist das Ziel, eine einfache Benetzung des Membranmaterials zu gewährleisten und somit zu ermöglichen, daß das Filterelement nach Benetzung auf Integrität getestet werden kann. Dennoch kann es trotz ausgeprägter Hydrophilie der Membranen im fertigen Filterelement zu Problemen bei der Benetzung kommen, welche in erster Linie durch das Endkappenmaterial verursacht werden.

Verschiedene Verfahren wurden alle mit dem Ziel entwickelt, das Problem der Hydrophobierung bzw. der thermischen Schädigung in der Randzone zu mindern bzw. zu eliminieren.

In der EP 0 096 306 A2 wird ein spezielles Verfahren der Randversiegelung beschrieben. Hydrophile Membranfilter, wie zum Beispiel Nylonfilter, werden durch einen heißsiegelbaren Polysterfilm, weicher einseitig mit einem lösungsmittelfreien Polyethylenüberzug als Schmelzkleber versehen ist, versiegelt.

In der EP 03 27 025 B1 werden poröse Membranfilter beschrieben, die aufgrund einer Überführung der Membranstruktur auf einer Membranseite in einen filmartigen Zustand fluidundurchlässige Stellen aufweisen.

Die EP 00 36 315 B1 beschreibt neben einem Heißsiegel- und einem mechanischen Verfahren darüber hinaus einen Prozeß, bei dem der empfindliche Bereich der porösen Filtermembranen durch Vergießen mit Leim behandelt wird.

In der WO 95/14525 wird ein Verfahren der partiellen Hydrophilierung des empfindlichen Bereiches der porösen Filtermembran beschrieben, wobei die erfindungsgemäß modifizierte hydrophile Membran in ihrem imprägnierten und für die Einbettung vorgesehenen Bereich vorzugsweise mindestens um das Doppelte hydrophiler sein muß als in den unbehandelten Membranbereichen.

In der DE 296 20 189 U1 wird ein aufwendiges Verfahren beschrieben, bei dem hydrophile, poröse Membranen zumindest in ihren Randabschnitten mit einem porösen Flächengebilde aus thermoplastischen Polymerfasern verbunden (laminiert) werden.

Allen obengenannten Verfahren gemeinsam ist die Notwendigkeit in einem oder mehreren Arbeitsschritten, den empfindlichen Bereich des porösen Filtermaterials behandeln zu müssen, bevor die Einbettung der Membran in die Endkappe erfolgen kann. Dieses ist jedoch mit einem erhöhten Arbeitsaufwand und daraus resultierend mit sehr hohen Kosten verbunden.

Materialien für Endkappen werden in der EP 0 096 306 A2, WO 95/14525, DE 296 20 189 U1 und insbesondere in der US 3,457,339 genannt.

Die EP 0 096 306 A2 zählt folgende Polymere auf: Polyolefine (Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Polyisobutylen), Polyamid, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyacrylnitril, Polyester, Polycarbonat, Polymethacrylat, Polyalyl und Polyoximethylen. Polytetrafluorethylen und Polytrifluorchlorethylen können ebenfalls eingesetzt werden. Polypropylen wird bevorzugt für die Filtration von biologischen Flüssigkeiten verwendet.

Die WO 95/14525 nennt darüber hinaus noch Polysulfon und die DE 296 20 189 U1 Polyethersulfon.

In der US 3,457,339 werden noch Polystyrol, Zelluloseacetat, Ethylzellulose, Zelluloseacetatbutyrat, Vinylchlorid, Vinylacetatcopolymer, Vinylydinchlordiphenylchloridcopolymer, Polyvinylbutyal, Polytrifluorchlorethylen und Polymethylmethacrylat genannt. Als Filtermaterial werden die unterschiedlichsten Materialien genannt, die mit solchen Endkappenmaterialien kombiniert werden können.

Allen Schriften ist gemeinsam, daß ausschließlich thermoplastische Polymere als geeignet für Endkappen aufgezählt werden.

Üblicherweise werden zur Herstellung von Filterelementen die Enden der Filtermaterialien, wie z. B. Membranen, wenige Millimeter in die vollständig geschmolzene oder aber nur oberflächlich angeschmolzene Endkappe eingetaucht. Bei dem Einbetten des Membranmaterials in Endkappen- Schmelzen von synthetischen Thermoplasten und der anschließenden Erstarrung des Siegelmaterials, können unerwünschte Veränderungen an den Membranen im Hinblick auf physikalische Eigenschaften innerhalb und unmittelbar außerhalb des Fixierungsbereiches eintreten.

Membranen, welche beispielsweise aus Polyvinylidendifluorid, Polysulfon, Polyethersulfon oder aus Polytetrafluorethylen bestehen, können nicht in obengenannte Endkappen-Materialien verankert werden, ohne daß massive thermische Schädigungen an der Membran auftreten.

Polypropylen wird immer dann verwendet, wenn eine leichte Benetzbarkeit der Filterelemente mit Wasser bzw. wässrigen Lösungen zum Zwecke des Integritätstests nicht erforderlich ist (bzw. mit alkoholischen Lösungen benetzt werden kann), oder wenn die Glasübergangstemperaturen bzw. Schmelztemperaturen der Membranmaterialien eine Verwendung der obengenannten hydrophilen Endkappenmaterialien nicht zulassen. Deshalb ist man bei diesen Membrantypen auf Polypropylen mit dem Nachteil der Randzonen-Hydrophobierung angewiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filterelement zu schaffen, bei dem die Eigenschaften des Filtermaterials durch die Einbettung in Verankerungselemente nicht negativ beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Verankerungselemente mindestens im Einbettbereich des Filtermaterials ein hydrophiles thermoplastisches Elastomeres aufweisen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß für die erfolgreiche Einbettung von Filtermaterialien in Verankerungselementen, wie in Endkappen, die Beachtung der Schmelz- bzw. Glasübergangstemperaturen der Filterwerkstoffe, die Schmelztemperaturen der Endkappenmaterialien sowie die Benetzungsfähigkeit der Endkappenmaterialien von Bedeutung ist.

Je höher die Schmelzpunkte der Filtermaterialien sind und je niedriger die Temperaturen der oberflächlich aufgeschmolzenen Materialien der Verankerungselemente sind, umso geringer sind die möglichen negativen Temperatureinflüsse der Materialschmelze auf das Filtermaterial. Andererseits müssen die Verankerungselemente auch noch bei Temperaturen von bis zu 145°C eine ausreichende mechanische Stabilität besitzen, da diese Temperaturen sehr häufig mehrmals in Form einer Dampfsterilisation zur Sterilisierung der Filterelemente angewendet werden. Das Filtermaterial darf durch diesen Vorgang keinesfalls aus dem verankerten Bereich herausgerissen werden, sondern muß sicher verankert bleiben, um nach Abkühlung und Benetzung des Filterelementes den Integritätstest zu bestehen und eine einwandfreie Sterilfiltration zu gewährleisten.

Bei den erfindungsgemäß eingesetzten thermoplastischen Elastomeren handelt es sich um Polymere, die bei niedrigen Temperaturen einen gummielastischen Zustand aufweisen, in dem sie nicht bleibend umformbar sind, und die bei höheren Temperaturen in einen viskosen Zustand übergehen und in diesem Zustand wie Thermoplaste verarbeitbar sind. Dieses thermoplastische Elastomer läßt sich genauso zu Verankerungselementen verarbeiten wie Thermoplaste, mit dem zusätzlichen Vorteil der relativ niedrigen Schmelztemperaturen, die unter 180°C liegen. Je nach chemischem Aufbau besitzen diese Materialien eine ausgezeichnete Hydrophilie mit einer gewissen Flexibilität, was insbesondere bei dem Einbetten von empfindlichen Membranmaterialien von großem Vorteil ist.

Erreicht werden diese Eigenschaften dadurch, daß gleichzeitig im Polymer weiche und elastische Segmente mit hoher Dehnbarkeit und niedriger Glasübergangstemperatur (im nachfolgenden Tg genannt), sowie harte, kristallisierbare Segmente mit niedriger Dehnbarkeit und hohem Tg sowie Neigung zur Vernetzung vorliegen.

Die Weich- und Hartsegmente müssen miteinander unverträglich sein und als individuelle, sich nicht durchdringende Phasen vorliegen.

Hauptmerkmal solcher thermoplastischer Elemente sind thermolabile, reversibel spaltbare Vernetzungsstellen.

Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt der verwendeten thermoplastischen Elastomere 5°C bis 50°C niedriger als der Schmelzpunkt des Filtermaterials, was durch entsprechende Einstellung der Anteile der Hart- und Weichsegmente ermöglicht wird.

Vorzugsweise ist das thermoplastische Polymer ein Polyether-Polyamid-Block- Copolymer.

Durch Variierung der Molmassenverhältnisse zwischen den Polyamid Anteilen und den Polyethylen-Anteilen resultieren thermoplastische Elastomere mit unterschiedlichen mechanischen und chemischen Eigenschaften.

Polyether-Polyamid-Block-Copolymere haben folgende Vorteile:

• - hohe mechanische Eigenschaften
• - gute Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen
• - gute dynamische Eigenschaften
• - leichte Verarbeitbarkeit
• - eng begrenzter Schmelzpunkt, der durch die Polyamid Anteile beeinflußt ist.

Am Beispiel der Polyether-Block-Amide konnte gezeigt werden, daß mit diesen Materialien auch sehr gute Benetzungs- und Wiederbenetzungsergebnisse erzielt werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß aufgrund der zweiphasigen Struktur (lineare, regelmäßige Ketten von steifen Polyamid- und flexiblen Polyethersegmenten) verschiedene Materialtypen mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen hergestellt werden können. Diese Schmelztemperaturen liegen alle in einem für die Einbettung insbesondere von Membranmaterialien in Verankerungselemente günstigen Temperaturbereich von 148°C-174°C (Methode ASTM D 2117) und liegen somit erheblich unter dem Schmelzpunkt von vergleichbaren Polyamid-Homopolymeren oder Polybutylenterephthalat-Polymeren mit vergleichbaren hydrophilen Eigenschaften.

Weitere bevorzugte thermoplastische Elastomere (als TPE abgekürzt) sind Styroltypen, Elastomerlegierungen, Polyurethane und Polyetherester, deren charakteristische Bestandteile in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt sind:

Hierbei bedeuten

SBS, SIS, SBC Styrol-Triblock-Copolymere
TP-NR thermoplastischer Naturkautschuk
TP-NBR thermoplastischer Acrylnitril-Butadien-Kautschuk

Mit thermoplastischen Elastomeren ist es nun möglich, insbesondere Membranmaterialien mit niedrigen Schmelzpunkten ohne aufwendige Zusatzverfahren und -behandlungen zumindest in ihren Randabschnitten in hydrophile Verankerungselemente einzusenken, ohne eine Beeinträchtigung bzw. Verlust der Hydrophilie oder Beschädigung der Membran durch zu hohe Einsenktemperaturen befürchten zu müssen.

Außer Membranen können natürlich auch beliebige andere Filtermaterialien in dem thermoplastischen Elastomer verankert werden, da es aufgrund der sehr ähnlichen Schmelztemperaturen als Ersatz für Polypropylen dienen kann. Insbesondere bei denjenigen Applikationen, bei denen größtmögliche Hydrophilie auch im Randzonenbereich gewünscht wird.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, die Bestandteile der Verankerungselemente aus unterschiedlichen Materialien herzustellen.

Vorzugsweise können die Bestandteile der Verankerungselemente aus thermoplastischen Elastomeren unterschiedlicher Schmelztemperaturen bestehen.

So kann die Filterelement-Spitze beispielsweise aus Polyether-Blockamid- Materialien hergestellt werden, deren Schmelzpunkt hoch eingestellt ist. Dieses mechanisch am meisten beanspruchte Teil besitzt aufgrund des hohen Schmelzpunktes eine ausgezeichnete mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen. Mittels vorzugsweise der Spiegelschweißung läßt sich dieses Teil mit Endkappen aus niedrigschmelzenden Copolymeren verbinden. Dadurch ist es nun möglich geworden, beispielsweise temperaturempfindliche Membranmaterialien schonend in hydrophiles Verankerungsmaterial einzubetten und gleichzeitig aufgrund der Verwendung der speziellen Spitzenteile aus dem gleichen Material aber mit höherem Schmelzpunkt Filterelemente herzustellen, welche auch für Filteraufgaben mit mehrfacher Sterilisation bei höheren Temperaturen (105°C-145°C) geeignet sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, das Verankerungselement aus einem beliebigen Polymer, z. B. aus PP, herzustellen, das mit einem thermoplastischen Elastomer im Einbettbereich des Filtermaterials beschichtet ist.

Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Filterelement Filtermaterialien aus Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphenylsulfon, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Zellulosederivaten, Polyamid, aromatischem Polyamid, Polyimid oder Polypropylen verwendet.

Das Filtermaterial ist vorzugsweise eine Filtermembrane mit einer Porengröße von 0,01 bis 10 µm, vorzugsweise 0,1 bis 3 µm.

Die Filtermembrane können ein integriertes, poröses Flächengebilde als Stützmaterial aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei Endkappen im Schnitt.

Es wurden plissierte Filterkerzen mit Membranen eines Porendurchmessers von 0,2 µm und einer Membranfläche von 0,7 m² gefertigt, wobei sowohl Membranen aus Polysulfon, als auch aus Polyethersulfon zur Einsenkung verwendet und mit unterschiedlichen Verfahren getestet wurden. Die Membranen wurden zum Vergleich in Polypropylen- und Polyether-Blockamid- Endkappen verankert. Die Benetzung dieser Filterkerzen wurde mittels Luftdiffusionsmessung (Druckhaltetest oder Integritätstest) bei 2,7 bar jeweils nach Benetzung unter den folgenden Bedingungen geprüft:

• 1. Spülen mit Wasser bei einer Druckdifferenz von 0,3 bar über einen Zeitraum von 10 Minuten
• 2. Spülen mit Wasser bei einem Differenzdruck von 1,0 bar über einen Zeitraum von 10 Minuten
• 3. Spülen mit Wasser bei einem Differenzdruck von 4,0 bar über einen Zeitraum von 10 Minuten
• 4. Spülen mit Wasser bei einem Differenzdruck von 0,3 bar über einen Zeitraum von 10 Minuten, sodann Wasserdampfbehandlung bei einem Überdruck von 0,5 bar über einen Zeitraum von 20 Minuten gefolgt von erneutem Spülen mit Wasser bei einem Differenzdruck von 0,3 bar über einen Zeitraum von 10 Minuten.

Beispiel 1

Plissierte Polysulfon-Membranen werden in Polypropylen- und Polyether- Blockamid-Endkappen verankert und die Benetzungsfähigkeit der Filterelemente überprüft:

Durchschnittswerte der gemessenen Luftdiffusion (mL/min) von 8 Filterkerzen

Beispiel 2

Die Filterelemente aus Beispiel 1 wurden über einen Zeitraum von 20 min. bei einem Differenzdruck von 0,2 bar mit Wasser gespült, anschließend während 12 Stunden bei 80°C getrocknet und die Wiederbenetzungsfähigkeit überprüft:

Durchschnittswerte der gemessenen Luftdiffusion (mL/min) von 8 Filterkerzen

Beispiel 3

Plissierte Polyethersulfon-Membranen wurden in Polypropylen- und Polyether- Blockamid-Endkappen verankert. Die vorher gespülten und getrockneten Filterelemente wurden dann in trockenem Zustand bis zu 10mal autoklaviert. Die Benetzungsfähigkeit der Filterelemente wurde nach jedem Autoklavieren durch Spülen der Elemente mit Wasser bei einem maximalen Differenzdruck von 0,3 bar über einen Zeitraum von 10 min. anhand der Luftdiffusionsmessung bei 2,7 bar überprüft:

Die Filterkerzen, welche mit Polyether-Blockamid-Endkappen ausgestattet sind, zeigen deutliche Benetzungs- und Wiederbenetzungsvorteile. Selbst unter dramatischen Bedingungen wie Autoklavieren von trockenen Filterelementen ist die Wiederbenetzbarkeit der Filterelemente gut und gleichmäßig. Es können sehr niedrige Benetzungsdrücke gewählt werden, um die Elemente vollständig zu benetzen, im Gegensatz zu den mit Polypropylen-Endkappen ausgestatteten Elementen, welche mit zunehmender Zyklenanzahl nicht mehr vollständig benetzen.

In der Fig. 1 ist ein Verankerungselement 1 dargestellt, das eine Endkappe 3 und eine Spitze 2 aufweist. In die Endkappe 3 ist ein plissiertes Filtermaterial 6 eingebettet, das als Filtermembran 7 mit integriertem porösen Flächengebilde 8 dargestellt ist. Das Verankerungselement 1 besitzt unterschiedliche Materialien. Die Endkappe 3 ist vollständig aus einem thermoplastischen Elastomer mit niedrigem Schmelzpunkt gefertigt, während die Spitze 2 aus einem thermoplastischen Elastomer mit hohem Schmelzpunkt hergestellt ist. Die Spitze 2 und Endkappe 3 sind mittels Spiegelschweißung miteinander verbunden.

In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der das Verankerungselement 1 in dem dem Filtermaterial 6 abgewandten Bereich 4 aus Polypropylen besteht, das im Einbettbereich des Filtermaterials 6 mit einem thermoplastischen Elastomer 5 beschichtet ist. Aufgrund der ähnlichen Schmelzpunkte ist der Einbettvorgang auf einfache Weise möglich, indem das Material aufgeschmolzen wird. Die Tatsache, daß das Filtermaterial 6 auch im Polypropylenmaterial 4 eingebettet ist, hat keine Auswirkungen auf die Hydrophilie des Filtermaterials, weil im Übergangsbereich das Filtermaterial 6 in einer Schicht aus thermoplastischen Elastomeren 5 eingebettet ist. Die Dicke der Schicht 5 beträgt beispielsweise 3 mm. Typische Schichtdicken liegen im Bereich von 0,5 bis 4 mm.

Claims (9)

1. Filterelement mit einem Filtermaterial, insbesondere einem gewickelten und/oder plissierten Filtermaterial, aus einem hydrophilen Polymer, das in Verankerungselemente, wie Endkappen und/oder Adapter, eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente (1) mindestens im Einbettbereich des Filtermaterials (6) ein hydrophiles thermoplastisches Elastomeres aufweisen.

2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des thermoplastischen Elastomeren 5 bis 50°C niedriger liegt als der Schmelzpunkt des Filtermaterials.

3. Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomer ein Polyether-Polyamid-Blockcopolymer ist.

4. Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomer ein Butadien-Styrol-Block-Copolymer, ein Styroltyp, eine Elastomerlegierung, Polyurethan oder ein Polyetherester ist.

5. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Bestandteile (2, 3) der Verankerungselemente (1) aus thermoplastischen Elastomeren unterschiedlicher Schmelztemperaturen bestehen.

6. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungselemente (1) aus einem Polymer bestehen, das mit einem thermoplastischen Elastomer (5) im Einbettbereich des Filtermaterials (6) beschichtet ist.

7. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (6) aus Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphenylsulfon, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Cellulosederivaten, Polyamid, aromatischem Polyamid, Polyimid oder Polypropylen besteht.

8. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (6) eine Filtermembran (7) mit einer Porengröße von 0,01 bis 10 µm ist.

9. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembranen (7) ein integriertes, poröses Flächengebilde (8) als Stützmaterial aufweisen.