-
Tiefenfilterschichten werden seit Jahrzehnten weltweit zur Abscheidung von feinsten Trübstoffen und Mikroorganismen eingesetzt. Sie kombinieren die mechanische Zurückhaltung mit elektrokinetischer Adsorption (positives Zetapotential). Das Grundgerüst bilden hochreine fibrillierte Zellulosefasern und häufig mineralische Perlite, Kieselgure und dergleichen. Neuerdings werden auch mineralstofffreie Tiefenfilterschichten angeboten. Handelsübliche Tiefenfilterschichten haben Dicken zwischen 1 und 6 mm. Am häufigsten liegt die Schichtdicke um 4 mm.
-
Anwendungsfelder für solche Tiefenfilterschichten finden sich in zahlreichen Industriezweigen, wie der Kosmetik-, Pharma-, Lebensmittel-, Getränkeindustrie, Biotechnologie, Chemie usw., insbesondere in der Flüssigkeitsfiltration.
-
Tiefenfilterschichten werden auch heute noch meist als Rechteckzuschnitte oder Ronden in sogenannten Schichtenfiltergeräten eingesetzt. Nachteile dieser Geräte sind zum einen hohe Investitionskosten, zum anderen handelt es sich um offene, schwer steril zu haltende Systeme. Auch ist die Handhabung, insbesondere bei großen Zuschnitten und in Hinblick auf die Abdichtung und Sterilisation (Dämpfen) der Tiefenfilterschichten häufig kompliziert. Oft kommt es zu Tropfverlusten und Verkeimungen außerhalb des Dichtungsbereichs.
-
Diese Nachteile haben zu neuen Konstruktionen und geschlossenen Systemen geführt. Diese sog. Disc Filtermodule, wie sie z. B. in der Druckschrift
DE 19837257A1 beschrieben werden, haben den Nachteil, dass es aufgrund der runden Form bei der Herstellung zu hohen Materialverlusten (ca. 25 bis 35 Prozent) kommt. Für die druckfeste, leckdichte Abdichtung der einzelnen Schichten untereinander und Verbindung der diskusartigen Grundeinheiten und die Gewährleistung einer sicheren Unfiltratzufuhr und Filtratabfuhr sind eine Vielzahl von speziellen Kunststoffteilen nötig, für die Spritzgusswerkzeuge erforderlich sind. Dies umso mehr, je kleiner der Durchmesser der Basisronden ist. Das Gleiche gilt für die Montage. Für diese Module muss weiterhin in die dazu notwendigen, meist teuren Gehäuse investiert werden.
-
Eine neuere Variante ist z. B. in der Druckschrift
US 2011/0186505 A1 beschrieben. Hier muss die Tiefenfilterschichtenbahn zunächst aufwendig gelocht und dann so gewickelt und gepresst werden, dass sich definierte Zu- und Ablaufkanäle bilden. Aufgrund der Konstruktion ergeben sich viele tote Winkel und radiale Strömungen, die zu undefinierten bzw. ungleichmäßigen Belastungen der Tiefenfilterschichtenbahn führt. Die Durchmesser der Zufluss- und Abflusskanäle sind sehr klein, was zu hohen Druckverlusten (indirekt proportional Radius hoch 4) führt und auch bedeutet, dass bei Verstopfung eines Zulaufloches der gesamte Filterkanal nicht mehr genutzt werden kann. Weiterhin werden nur ca. 35% der aufgewickelten Filterbahn für die Filtration genutzt. Der Rest ist konstruktiv nötig und saugt sich auch mit dem zu filtrierenden Medium voll, was zu erheblichen Produktverlusten, Produktverschleppungen und mikrobiologischen Problemzonen führt und auch zur Folge hat, dass feuchte Elemente sehr schwer und schwierig zu handhaben sind. Auch für diese Module sind spezielle Gehäuse nötig.
-
Neuere Generationen der Disc Systeme haben im Fokus, die Stabilität in Hinblick auf die Sterilisation und Rückspülung zu optimieren.
-
Anwendungsbezogen ergeben sich vor allem Probleme bei der Rückspülung. Durch die Rückspülbarkeit kann die Standzeit der Tiefenfilterschicht deutlich verbessert werden. Dies ist nötig, um die Kosten der Konfektionierung der Filterschichten zu den Modulen abzupuffern. Standzeitverlängerung durch Rückspülbarkeit bedeutet aber auch, dass sich Rüstzeiten stark reduzieren lassen, was bei einem Kostenvergleich zur klassischen Schichtenfilterfiltration eine entscheidendende Rolle spielt. Durch die Optimierung der Rückspülbarkeit ergeben sich naturgemäß mehr Filtrations- und damit auch Sterilisationszyklen.
-
Gemeinsam ist den Disk Systemen, ein relativ hoher Durchmesser (bis 450 mm) mit der Folge, dass spezielle Gehäuse benötigt werden.
-
Auch stellt insbesondere das Nassgewicht bereits bei den Grundmodulen häufig ein Problem dar.
-
Die Druckschrift
DE 3911826C2 beschreibt Tiefenfilterkerzen mit der Dimension von zylindrischen Standardfilterelementen wie sie später beschrieben werden, die laut Beschreibung auch aus Tiefenfilterschichtenbahnen erzeugt werden können. Diese Tiefenfilterschichtenbahnen haben entlang der Bahn unterschiedliche Filtereigenschaften und ergeben aufgewickelt einen mehrlagigen Filterzylinder, bei dem sich z. B. in Filtrationsrichtung die Abscheidequalität stufenweise ändert.
-
Nachteil eines solchen Elements mit Tiefenfilterschichten ist zum einen, dass die wirtschaftliche Herstellung von Tiefenfilterschichten mit unterschiedlicher Abscheidequalität, in sehr kurzer Abfolge, sehr schwierig ist. Zum anderen ist wegen der Dicke handelsüblicher Tiefenfilterschichten die Abstufungsmöglichkeit sehr eingeschränkt.
-
Weil die Schicht als Spirale aufgewickelt ist entspricht der Außendurchmesser der maximal möglichen Anströmfläche. Übliche Fluxraten erfordern deshalb einen energetisch sehr ungünstigen hohen Anströmdruck der zusätzlich noch stark erhöht werden muss, weil mehrere dicke, immer engere Filterschichten, mit immer geringer werdenden Anströmflächen in Folge zu durchströmen sind. Diese Nachteile können kaum durch eine erhöhte Schmutzaufnahme kompensiert werden. Solche Systeme spielen deshalb in der Praxis keine Rolle.
-
Standardfilterkerzen im Sinne der genannten Druckschrift haben üblicher Weise einen Durchmesser von 50 bis 80 mm, häufig um 70 mm. Dabei handelt es sich um Standarddimensionen, die sich weltweit etabliert haben. Diese Elemente werden einzeln oder zu mehreren (bis 100 Stück und mehr) parallel in Filtergehäusen betrieben. Standardlängen sind ca. 250, 500, 750 und 1000 mm bzw. 10, 20, 30, 40 Inch. Auch die handelsüblichen Anschlussadapter zu den Gehäuseöffnungen haben sich ohne Normungsvorschriften weltweit etabliert. Es gibt vielleicht 10 verschiedene Varianten, wobei 4 Varianten 80% der Gehäuse betreffen.
-
Diese Standardfilterkerzen enthalten in der Regel als filtertechnisch relevantes Filtermedium meist sehr dünne, flexible Membranfilter oder Filtervliese sowie Drainagevliese oder -gewebe.
-
Die Filtermedien werden zusammen mit anderen Zusatzlagen entweder sternförmig plissiert, mit einer Naht versehen und als gefaltetes Endlosband um einen Stützkern formiert oder bahnförmig um diesen Stützkern gewickelt oder auch auf diesem Stützkern direkt erzeugt. Im ersten Fall ergibt sich ein Filter mit großer direkt anströmbarer Filteroberfläche, im zweiten Fall ein Tiefenfiltermedium mit relativ geringer direkt anströmbarer Filteroberfläche aber großem inneren Filtervolumen, dass so gestaltet werden kann, dass sich bei minimiertem Druckverlust gezielt wandernde Filterkuchen bilden, die selbst zur gewünschten Abscheidung beitragen.
-
Die Druckschrift
G 8814683.9 beschreibt weiterhin die Möglichkeit bei gewickelten Elementen dieser Art eine radiale und tangentiale (Vergrößerung der anströmbaren Filteroberfläche) Strömung zu kombinieren. Tiefenfilterschichten mit einer Dicke von 1 mm und mehr werden als Filtermedien jedoch nicht genannt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb Filterelemente mit integrierten Tiefenfilterschichten zu realisieren, bei denen eine möglichst große Filterfläche bei minimiertem Druckverlust gleichmäßig und direkt anströmbar ist. Idealer Weise sollten diese Filterelemente, die Dimension von sog. Standardfilterkerzen mit einem Durchmesser von 50 bis 80 mm, insbesondere um 70 mm haben.
-
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es Konstruktionen zu finden, bei denen aus den erfindungsgemäßen Standardfilterkerzen neue Einzelelemente erzeugt werden können, die deutliche Vorteile gegenüber dem beschriebenen neuerem Stand der Technik für Tiefenfilterelemente in Disc Konfiguration haben und deren Gehäuse-, Adaptions- und Peripheriekonzepte nutzen können.
-
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch Filterelemente mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und 12 gelöst. Spezielle Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Demnach ist im einsatzfähigen, erfindungsgemäßen Filterelement 17 zumindest eine Tiefenfilterschicht 1 Bestandteil einer Filtereinheit 5, die ein verformbares, geschlossenes Filterband 9 mit einer Innenseite 6 und einer Außenseite 7 bildet, wobei bei der Filtration entweder die gesamte Außenseite 7 oder die gesamte Innenseite 6 des Endlosfilterbandes 9 von der zu behandelnden Flüssigkeit angeströmt wird.
-
Weiterhin können gemäß der Erfindung durch Bündelung von zwei oder mehreren der erfindungsgemäßen Filterelemente 17 neue Einzelelemente 20 erzeugt werden, in denen die erfindungsgemäßen Filterelemente 17 parallel betrieben werden und eine gemeinsame Sammelkappe 21 für Filtrat oder Unfiltrat haben, die über einen Gehäuseanschluss 24 mit dem Filtergehäuse 22 verbunden werden kann.
-
In dieser Druckschrift wird die Kombination der integrierten Tiefenfilterschicht 1 mit Filter- 10, 10' ..., Drainage- 11, 11' ... und stabilisierenden Lagen 12, 12' ... als Filtereinheit 5 bezeichnet.
-
Die in dieser Druckschrift genannten Meltblownvliese werden nach dem sog. Meltblownverfahren hergestellt. Dabei wird parallel zu einer Faserschar, die durch Extrusion erzeugt wird, heiße Luft mit hoher Geschwindigkeit verströmt. Dabei werden die Fasern verstreckt und fibrilliert und bilden auf einem Ablagesieb ohne Zusatzstoffe ein Filtervlies. Je nach Arbeitsbedingungen können Fasern mit einem Durchmesser von 20 μm bis unter 1 μm erzeugt werden.
-
Unter dem Begriff Flüssigkeitsfiltration versteht man die Behandlung von flüssigen Systemen aller Art, also auch Emulsionen (z. B. Milch), Flüssigkeitsgemischen, Suspensionen, kolloidale Lösungen usw. und auch Systeme, die erst bei höheren Temperaturen flüssig werden (Gelatine, Fette, ...). Ziel ist es dabei Partikel, Kolloide, Bakterien, Hefen usw. abzuscheiden, aber auch Emulsionen zu brechen. In jedem Fall umfasst der Begriff alle Anwendungen, in denen bereits heute Tiefenfilterschichten in den verschiedensten Filter-Systemen Verwendung finden.
-
Der Begriff Abscheidevermögen bezieht sich auf die Größe und Menge der zurückgehaltenen Partikel, Kolloide, Bakterien usw.. Besseres Abscheidevermögen bedeutet also es werden vergleichsweise noch kleinere oder mehr Partikel, Kolloide, Bakterien usw. zurückgehalten.
-
Mit Disc Systemen oder Disc Konfigurationen werden in dieser Druckschrift Filterelemente bezeichnet, wie sie z. B. in der Druckschrift
DE 19837257A1 beschrieben sind.
-
Der Erfindungsgedanke ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen:
-
1 eine Filtereinheit 5 als geschlossenes Filterband 9
-
2 eine Tiefenfilterschicht 1 als Bestandteil einer Filtereinheit 5 als geschlossenes Filterband 9 mit einer Seitennaht 8
-
3a bis 3c Querschnitte durch ausgewählte Filtereinheiten 5
-
4a bis 4c Querschnitte durch beispielhafte Seitennahtgestaltungen 8
-
5a und 5b zur Darstellung der Strömungswege 14, 15 Querschnitte durch schematische Anordnungen eines Stützkerns 13 im Inneren des Endlosfilterbandes 9 vor dessen Verformung
-
5c zur Darstellung der Strömungswege 14, 15 einen Querschnitt durch eine Anordnung gemäß 5b nach der Verformung
-
6a Querschnitt eines erfindungsgemäßen Filterelementes 17 mit einem Außendurchmesser von 67 mm mit einem Außenstützkörper 16
-
6b ein erfindungsgemäßes Filterelement 17 mit einem Außendurchmesser von 67 mm Eine Stirnseite ist mit einem Gehäuseanschlussadapter mit Bajonettverschluss 18 abgedichtet. Die andere Seite ist mit einer geschlossenen Endkappe 19 abgedichtet.
-
7a die Stirnseite einer exemplarische Bündelanordnung 20 von erfindungsgemäßen Filterelementen 17, bei der die gesamte Stirnseite des Bündels 20 mit Ausnahme der Öffnungen der Stützkerne 13 leckdicht verschlossen ist Die Sammelkappe 21 für Filtrat oder Unfiltrat ist noch nicht angebracht.
-
7b einen Querschnitt durch eine exemplarische Bündel-Anordnung 20 von erfindungsgemäßen Filterelementen 17 bei der an die Stirnseite von 7b eine Sammelkappe 21 für Filtrat oder Unfiltrat, die gleichzeitig einen Anschluss 24 für die Anbindung an das Filtergehäuse 22 hat, angeschweißt wurde
-
7c die geschlossene Stirnseite einer exemplarischen Bündelanordnung 20 von erfindungsgemäßen Filterelementen 17
-
Die erfindungsgemäßen Filterelemente 17, 17' enthalten als Hauptfiltermedium mindestens eine verformbare Tiefenfilterschicht 1, 1' die zusammen mit weiteren Filter- 10, 10', Drainage- 11, 11' ... und stabilisierenden Lagen 12, 12' ... eine sog. Filtereinheit 5 bilden. In Kombination mit solchen Zusatzlagen 10, 11, 12 kann die Leistungsfähigkeit der Filterschicht 1 voll genutzt und eine sichere Filtration, Rückspülung bzw. Regeneration und Sterilisation gewährleistet werden. Das verformbare geschlossene Filterband 9 mit einer Filtereinheit 5 in die mindestens eine Tiefenfilterschicht 1 integriert ist, ist schematisch in 1 dargestellt.
-
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Filterelemente 17 sind vielfältig.
-
Standardtiefenfilterschichten 1, insbesondere sog. steril filtrierende Schichten 1 haben in der Regel eine Dicke um 4 mm. Diese Dicke resultiert aus der Kombination der Anforderungen Sterilfiltrationsvermögen, Trubaufnahme aber auch Nassfestigkeit bei der Handhabung und Sterilisation sowie insbesondere der mechanische Festigkeit bei der Abdichtung der feuchten Randzonen in den Schichtenfiltergeräten.
-
Nassfestigkeit, mechanische Stabilität und Trubaufnahme spielen in den erfindungsgemäßen Filterelementen 17 eine untergeordnete Rolle, weil diese Eigenschaften durch später beschriebene Maßnahmen ausreichend sicher gestaltet werden können. Dadurch kann die Dicke der Schichten für solche erfindungsgemäßen Filterelementen 17 auf die Hälfte und weniger reduziert werden, ohne dass z. B. das Sterilfiltrationsvermögen beeinträchtigt wird. Dünnere Tiefenfilterschichten 1 bedeuten aber, dass weniger Material benötigt wird, dass die Verformbarkeit erleichtert wird, dass sich der Filterwiderstand reduziert, dass mehr direkt anströmbare Filterfläche im Filterelement 17 untergebracht werden kann und somit bei gleichem Differenzdruck eine entscheidend höhere Menge an Filtrat gewonnen werden kann.
-
Gegenüber dem eingangs beschriebenen Stand der Technik in Form von Disc Systemen mit einer Vielzahl an abzudichtenden Rändern, (potentielle Fehlstellen) und einem über 25 prozentigen Materialverlust bei der Rondenerzeugung, gibt es bei den erfindungsgemäßen Filterelementen 17 nahezu keinen Verschnitt. Egal, wie lang die Filterelemente sind, es müssen immer die gleichen Stirnflächen abgedichtet werden. Bei endlos Tiefenfilterbändern 9 mit Seitennaht 8, wie sie im Folgenden beschrieben werden, erhöht sich nur die Länge der abzudichtenden Seitennaht 8.
-
Weiterhin liegen bei den erfindungsgemäßen Filterelementen 17 alle Materialien der Filtereinheit 5 dicht und kompakt aneinander, so dass sich in Hinblick auf die Handhabung, Filtration, Sterilisation (z. B. Pulsationen beim Dampfdurchtritt) und Regeneration (z. B. Druckstöße bei der Rückspülung) ein äußerst stabiles System ergibt.
-
Es ist durchaus möglich endlose Tiefenfilterbänder 9 nahtlos herzustellen. Die meisten Maschinen zur Herstellung von Tiefenfilterschichten 1 stellen aber Bahnware her, aus denen Filterplatten oder -ronden geschnitten werden.
-
Zum Erzeugen eines Endlos-Tiefenfilterbandes 9 ist es deshalb nötig zwei gegenüberliegenden Enden bzw. Ränder 2, 3 des Tiefenfilterzuschnittes 1 unter Ausbildung einer Naht 8 leckdicht miteinander zu verbinden.
-
Diese Naht 8 kann z. B. dadurch erzeugt werden, dass sich die Enden 2, 3 überlappen oder aneinander stoßen und in der Überlappungszone oder Fügezone durch Pressung, Verschweißung oder Verklebung leckdicht miteinander verbunden werden.
-
Wichtig ist, dass die Verpressung, Verschweißung oder Verklebung während der Umformung und während der Filtrations-, Rückspül- und Sterilisationszyklen unversehrt bleibt. In Hinblick auf diese Belastungen hat sich aus der Vielzahl der Möglichkeiten einer Nahtausbildung 8 eine Variante als besonders vorteilhaft erwiesen. Dabei werden die Enden bzw. Räder 2, 3 der Tiefenfilterschicht 1 nicht starr miteinander verbunden, sondern der Zwischenraum zwischen den Enden 2, 3 wird mit einem oder mehreren flexiblen Materialstreifen 4, 4' ... überbrückt, wobei die Materialstreifen 4, 4'... eine leckdichte Anbindungen 23, 23' an die Enden 2, 3 der Tiefenfilterschicht 1 haben. Mindestens einer der Materialstreifen 4, 4' ... muss naturgemäß genauso gut oder besser abscheiden, wie die Tiefenfilterschicht 1. Denkbar ist z. B. ein Streifen 4, 4' ... eines Membran-Mikrofilters, aber z. B. auch fluiddichte Folien können Verwendung finden.
-
4a bis 4c zeigen Varianten, wie die Materialstreifen 4, 4'... die Enden 2, 3 der Filterschicht 1 miteinander verbinden und an welchen Stellen sie an den Enden 2, 3 leckdicht angebunden 23 sind. Welche Variante gewählt wird hängt z. B. davon ab, von welcher Seite die Filtereinheit 5 angeströmt wird, welche Druckstöße z. B. beim Rückspülen oder der Sterilisation auftreten, welcher Sicherheitsbedarf (Doppellagen) gewünscht oder gegeben ist usw..
-
Tiefenfilterschichten 1, 1' haben üblicher Weise zwei unterschiedliche Seitenflächen 6, 7. Herstellungsbedingt ergibt sich eine glatte und eine eher aufgeraute Seite. Letztere wird auch als Luftseite, die andere als Siebseite bezeichnet. Diese Siebseite liegt beim Herstellprozess auf einem Siebband auf, über welches das Wasser der Fasersuspension abgesaugt wird. Diverse Hersteller von Tiefenfilterschichten 1 geben an, dass deren Tiefenfilterschichten 1 einen asymmetrischen Aufbau haben, d. h. die Luftseite ist offener als die Siebseite. Bei der klassischen Filterschichtenfiltration mit Rechteckzuschnitten im Schichtenfilter wird deshalb im Allgemeinen die Luftseite angeströmt, um eine höhere Trubaufnahme zu erreichen. Betrachtet man aber modernere Produkte und Verfahrensweisen wie z. B. die erfindungsgemäßen Filterelemente 17, so steht nicht mehr die Trubaufnahme allein im Vordergrund, sondern vor allem auch die Rückspülbarkeit und Regenerationsfähigkeit. Über 50 Sterilisations- und Spülzyklen sind bei solchen Filterelementen 17 durchaus üblich. Andererseits zeigen Versuche, dass es insbesondere bei sehr fein filtrierenden Filterschichten 1 mit der Asymmetrie der Filterschichten 1 nicht weit her ist. Für die Regeneration oder Abspülung von der Oberfläche kann es aber sehr entscheidend sein, ob die Oberfläche glatt oder strukturiert ist. Es muss also anwendungsbezogen entschieden werden, welche der Schichtseiten 6, 7 angeströmt wird. Um die Produktvielfalt zu reduzieren kann es deshalb z. B. von Vorteil sein, wenn die Filtereinheit 5 so gestaltet ist, dass beide Schichtseiten 6, 7 gleichermaßen angeströmt, rückgespült oder sterilisiert werden können, ohne dass man das erfindungsgemäße Filterelement 17 austauschen muss.
-
Die 3a bis 3c zeigen Beispiele von Filtereinheiten 5. In 3a befinden sich beidseitig der Filterschicht 1 Drainageschichten 11, 11' die den Zu- und Ablauf der Flüssigkeit ermöglichen und zusätzlich dem System, insbesondere aber der Tiefenfilterschicht 1 mit seiner geringeren Nassfestigkeit, die nötige Stabilität, vor allem bei der Rückspülung, geben. In 3b sind anströmseitig zusätzlich ein Vorfiltermedium 10 und ein Spinnvlies 12 integriert. Das Spinnvlies 12 gibt besondere Stabilität bei der Rückspülung und verhindert eine Blockade des Drainageweges 14. Das Vorfiltermedium 10 ist z. B. ein Meltblownvlies und dient dazu die Standzeit der Tiefenfilterschicht 1 zu erhöhen. Dabei ist sowohl die Tagesstandzeit, als auch die Gesamtstandzeit zu betrachten. Bezüglich der Tagesstandzeit hält das Vorfiltermedium 10 anteilig gröbere Verunreinigungen zurück, die sonst auf der Tiefenfilterschicht 1 landen und diese frühzeitig verblocken würden. Bezogen auf die Gesamtstandzeit verhindert das Vorfiltermedium 10, das sich auf der Oberfläche der Tiefenfilterschicht 1 gröbere Partikel anreichern, die bei der Sterilisation denaturieren und zu einer Filterkuchenkruste führen, die bei der Rückspülung zwar schnell aufbricht, aber nicht abgeschwemmt wird und bei der Filtration dafür sorgt, dass die Oberfläche der Tiefenfilterschicht 1 schnell erneut verblockt.
-
Die Variante in 3b erlaubt ein Betreiben in beide Richtungen, d. h. sowohl die Innenseite 6, als auch die Außenseite 7 der Filterschicht 1 sind anströmbar. Die Filtereinheit 5 ist aber so aufgebaut, dass während der Filtration die Außenseite angeströmt werden sollte.
-
In 3c ist eine Variante einer Filtereinheit 5 dargestellt, bei der, bezogen auf alle Abläufe der Filtration, die Filterschicht 1 gleichermaßen und alternativ von außen 7 oder von innen 6 angeströmt werden kann.
-
Eine große Bedeutung kommt der Auswahl der Vorfiltermedien 10 zu. Vorteilhaft sind Vliese 10, meist auf der Basis von Polypropylen, die nach dem Meltblownverfahren hergestellt werden. Diese Vliese 10 können sehr dünn (weit unter 100 μm) gestaltet werden, wodurch der Durchflusswiderstand minimiert werden kann. Andererseits muss das Vorfiltermedium 10 so fein filtrieren, dass der Schutz der Tiefenfilterschicht 1 gegeben ist und bei der Rückspülung die Partikel, die auf der Tiefenfilterschicht 1 abgeschiedenen waren, über die Vorfilterschicht 10 zurückpassieren können und bei der Rückspülung auch der Vorfilter 10 selbst gut freigespült werden kann.
-
Sowohl ein verbessertes Abscheidevermögen, als auch eine verbesserte Rückspülbarkeit des Vorfiltermediums 10 kann dadurch erreicht werden, dass man Meltblownvliese 10 durch Druck- und oder Thermobehandlung komprimiert. Diese Behandlung ist auch bei gröberen Vliesen 10 sinnvoll, weil dadurch nicht nur die Porenstruktur verengt wird, sondern es wird auch die Dicke der Vliese 10 reduziert, die Oberflächen der Vliese 10 geglättet und die mechanische Stabilität und Flexibilität der Vliese 10 entscheidend erhöht.
-
Weil die Meltblownvliese 10 sehr dünn, d. h. mit geringer Flächenmasse hergestellt werden können, kann es je nach Partikelbelastung sinnvoll sein, 2 oder mehrere Meltblownvliese 10, 10' ... hintereinander zu schalten, um die Schutzwirkung und oder Rückspülbarkeit zu verbessern. Im Fokus muss natürlich bleiben, dass der Gesamtwiderstand der Filtereinheit nicht zu hoch wird.
-
Bei den erfindungsgemäßen Filterelementen 17 wird das Endlosband 9 der Filtereinheit 5 z. B. um einen Stützkern 13 herum verformt, der sich im Inneren des Endlosbandes 9 befindet (5a bis 5c). Es entstehen dabei Konfigurationen bei denen die gesamte Außenseite 7 oder Innenseite 6 des Filterbandes 9 angeströmt werden können. Durch die Art und Weise der Verformung ergeben sich auch die Weglängen 14, 15 für die Zu- und Abströmung der Flüssigkeit (5a, 5b, 5c).
-
Bei 5a befindet sich der Stützkern 13 im Inneren und an einem Ende des flachgedrückten Endlosbandes 9. Wickelt man das Band 9 der Filtereinheit 5 spiralig um den Stützkern 13 ergibt sich für den Abfluss- oder Zuflusskanal bzw. Drainageweg 15 im Inneren des Endlosbandes 9 eine Länge, die ungefähr der Hälfte des Umfangs des Endlosbandes 9 der Filtereinheit 5 mit integrierter Tiefenfilterschicht 1 entspricht. Das bedeutet bei einem Filterelement 17 mit ca. 70 mm Durchmesser einen sehr langen Drainageweg 15 von über 25 cm, was energetisch (starker Druckabfall) sehr nachteilig ist, auch wenn man über die Drainagelagen 10, 10' eingreifen kann. Anzustreben und bevorzugt ist eine Drainagelänge 14, 15 von unter 15 cm, ähnlich den Gegebenheiten in Modulen von Disc Systemen mit ca. 30 bis 40 cm Durchmesser.
-
5b zeigt, dass sich durch die Verlagerung des Stützkerns 13 in die Mitte des flachgedrückten Endlosbandes 9 und anschließender Verformung zur Konfiguration, wie sie in 5c dargestellt ist, für die Abfluss- oder Zuflusskanäle 15 im Inneren des Endlosbandes 9 eine Länge ergibt, die kleiner als 25% des Umfangs des Endlosbandes 9 der Filtereinheit 5 mit integrierter Tiefenfilterschicht 1 ist. Das würde bei einem Filterelement 17 mit ca. 70 mm Durchmesser einen Drainageweg 15 von unter 15 cm bedeuten.
-
Natürlich kann man durch andere Falt- und Verformungskonfigurationen auch noch kürzere Drainagewege 14, 15 erreichen. Dadurch gestaltet sich der Verformungsvorgang aber deutlich schwieriger, ohne dass sich strömungstechnisch entscheidende Vorteile ergeben. Dies insbesondere bei Filterelementen 17 mit einem bevorzugtem Durchmesser von unter 80 mm (70 mm Kerzen).
-
Weshalb als Bauform der Wahl die sog. 70 mm Kerzen bevorzugt ist, wurde bereits bei der Darstellung des Standes der Technik ausführlich beschrieben.
-
Demnach hat sich weltweit aus der Praxis heraus ein Standard etabliert, was die Gehäusegrößen, die Kerzendimensionen und die Anbindung (Adaption) 18 der Filterelemente 17 an das Filtergehäuse 22 angeht. Es gibt diverse Lösungen von einfachen, manuell bedienbaren Gehäusen bis zu vollautomatischen Anlagen.
-
In den Filtergehäusen 22 werden die 70 mm Kerzen (Filterelemente) 17 einzeln oder zu mehreren (bis 100 Stück und mehr) parallel betrieben. Standardlängen sind ca. 250, 500, 750 und 1000 mm bzw. 10, 20, 30, 40 Inch. Auch die Varianten an handelsüblichen Anschlussadaptern 18 ist erfreulicherweise begrenzt. 4 Varianten betreffen ca. 80% der Gehäuse 22, ohne dass es Normvorschriften gibt.
-
Bevorzugte Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, erfindungsgemäße Filterelemente 17 zu realisieren, die in den oben beschriebenen Filtergehäusen 22 betrieben werden können. Dazu müssen alle Filterelementkomponenten so dimensioniert werden und die Verformungskontur des verformbaren, geschlossenen Endlosfilterbandes 9 so gewählt werden, dass sich ein zumindest annähernd zylindrisches Filterelement 17 mit einem Maximaldurchmesser von 80 mm ergibt. Zur Ausbildung und Erhaltung der äußeren zylindrischen Struktur ist es von Vorteil die umgeformte Filtereinheit 5 in einen durchbrochenen, zylindrischen Außenstützkörper 16 einzubringen. Dieser Außenstützkörper 16 erhöht zusätzlich die Stabilität des Filterelementes 17 und erleichtert auch die Handhabung beim Ein- und Ausbau.
-
Bevorzugt wird weiterhin, dass alle Komponenten inklusive der Abdichtungsmaterialien außer der Schicht selbst aus Polypropylen gefertigt sind. Dieses Polymer ist chemisch inert, dampfsterilisierbar und gilt als physiologisch unbedenklich.
-
Weiterhin können gemäß der Erfindung durch Bündelung (Clusterbildung) von zwei oder mehreren der erfindungsgemäßen Filterelemente 17 neue Einzelelemente 20 (Filtercluster) erzeugt werden, in denen die erfindungsgemäßen Filterelemente 17 parallel betrieben und über eine Sammelkappe 21 für Filtrat oder Unfiltrat, mit einem Filtergehäuse 22 verbunden werden können.
-
7a zeigt schematisch die abgedichtete Stirnseite eines solchen Clusters (Filterelementbündels) aus sieben erfindungsgemäßen Filterelementen 17. Offen sind die Öffnungen der Stützkerne 13 aus denen das Filtrat ausfließt oder in die das Unfiltrat einfließt. 7b zeigt dieselbe Stirnseite nachdem eine Sammelkappe 21 aufgeschweißt wurde. In diese Sammelkappe 21 münden alle Öffnungen der Stützkerne 13. Die Sammelkappe 21 hat einen Anschluss 24, der die Anbindung zum Filtergehäuse 22 erlaubt. 7c zeigt die gegenüberliegende, geschlossene Stirnseite des Kerzenbündels (Filterelementbündels) 20. Entweder sind, wie abgebildet, die einzelnen Filterelemente 17 zusammen vollflächig abgedichtet oder die Stirnseiten der einzelnen sieben Filterelemente 17 sind jede für sich abgedichtet. Weil der Außenstützkörper 16 Durchbrechungen hat, kann die zu behandelnde Flüssigkeit problemlos zu allen erfindungsgemäßen Filterelementen 17 gelangen oder das Filtrat von diesen abfließen, auch wenn die Filterelemente eine dichteste Packung bilden oder, wie in 7c abgebildet, keine Zuströmung von der Stirnseite möglich ist.
-
Die Bündelung von Filterelementen 20 hat z. B. die Vorteile, dass es Einsparungen bei der Herstellung und bei den Rüstzeiten gibt. Es wird nur ein Adapter 18 und nicht 7 Stück benötigt. Das Personal muss nur ein Element 20 einsetzen oder austauschen und nicht sieben Elemente 17. Weiterhin lassen sich Filtergehäuse 22 von Disc Systemen problemlos nutzen.
-
Bei den Disc Systemen, welche im Stand der Technik beschrieben wurden, können höhere Flächen nur durch Übereinanderstapeln von Grundmodulen (Höhe 250 bis 300 mm), die gegeneinander abgedichtet und gesichert werden müssen, erzeugt werden. Dahingegen sind die erfindungsgemäßen Filterelementbündeln 20 aus einem Stück.
-
Durch die geeignete Wahl des Durchmessers der erfindungsgemäßen Filterelemente 17 mit integriertem Tiefenfilter 1, deren Anzahl, Länge und deren Anordnung (bevorzugt dichteste Packungen) in einem Filterelementbündel 20 lassen sich problemlos und baukastensystemartig vielfältige Konfigurationen und Filterflächen erzeugen. Die Länge des erfindungsgemäßen Filterelements 17 kann durchaus, soweit dies sinnvoll ist (teure Medien, Anlagenauslegung, ...), zwischen 2 cm und 200 cm variieren.
-
Ausführungsbeispiele
-
Beispiel 1
-
6a zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Filterelementes 17. 6b das gesamte Element 17. Das Filterelement 17 ist mit einem Außenstützkörper 16 versehen. Die Länge von Anschlussadapter 18 zu geschlossener Endkappe 19 beträgt 250 mm. Die mittig offene Anschlussseite ist mit einem Anschlussadapter 18 mit doppeltem Bajonettverschluss versehen, die andere Seite ist mit einer geschlossenen Kappe 19 verschlossen. Der Außendurchmesser des Außenstützkörpers 16 ist 67 mm, der Innendurchmesser 61 mm. Der Außendurchmesser des Innenstützkerns 13 beträgt 21 mm. Die Dicke der Filtereinheit 5 ergibt sich zu 4 mm, davon entfallen 2 mm auf die Tiefenfilterschicht 1. Die Filterfläche der Tiefenfilterschicht 1 beträgt 0,16 m2. Bei einer Länge von 1000 mm ergibt sich z. B. eine direkt anströmbare Filterfläche von 0,65 m2 pro Filterelement 17.
-
Die Filtereinheit 5 enthält als Hauptfilter eine mineralstofffreie, steril filtrierende Tiefenfilterschicht 1 und als Vorfilter ein druckverdichtetes Meltblownvlies 10. Die Filtereinheit 5 wird von der Außenseite 7 her angeströmt. Der längste Anströmweg 14 beträgt 12,5 cm, der längste Abströmweg 15 14 cm.
-
Beispiel 2
-
Werden sieben erfindungsgemäße Filterelemente 17 aus Beispiel 1 mit einer Länge von 750 mm, wie in den 7a bis 7c dargestellt, gebündelt, so ergibt sich ein Filterelementbündel 20 aus einem Stück mit einem Durchmesser von ca. 200 mm und einer direkt anströmbaren Filterfläche von 3,5 m2. Erweitert man das Filterelementbündel 20 aus den 7a bis 7c um weitere 12 erfindungsgemäße Filterelemente 17, also einen zusätzlichen Kreis an erfindungsgemäßen Filterelementen 17, so ergibt sich ein Filterelementbündel 20 mit einem Durchmesser von ca. 335 mm und einer direkt anströmbaren Filterfläche von 9,5 m2. Verwendet man anstatt der 750 mm langen Filterelemente 17, Filterelemente 17 mit einer Länge von 1000 mm, so erhöht sich die direkt anströmbare Filterfläche auf 12,6 m2.
-
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 19837257 A1 [0004, 0026]
- US 2011/0186505 A1 [0005]
- DE 3911826 C2 [0010]
- DE 8814683 U [0016]
