DE2324845A1

DE2324845A1 - Osmose- oder filtereinrichtung fuer speisefluessigkeiten

Info

Publication number: DE2324845A1
Application number: DE2324845A
Authority: DE
Inventors: Samuel Alan Hill; Barry David George Mantle
Original assignee: Babcock and Wilcox Ltd
Current assignee: Babcock International Ltd
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1973-05-17
Publication date: 1973-12-06
Also published as: CH567871A5; JPS4966574A; FR2185029A1; FR2185029B1; AU5596073A; CA1000619A; US3823829A; GB1414784A

Description

IIIPL-IIB. BIlCB WPL-ϊΗΟ.

Düsseldorf, den 16. Mai 1973 KK/sch 6

Mü WkVk

Babcock & ¥ilcox_s Limited

Cleveland House
St. James's Square
London SW1Y 4LN

Osmose- oder Filtereinrichtung für Speiseflüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur osmotischen bzw.
umkehrosmotischen Behandlung oder zur besonders feinen
Filtrierung verschiedener lösungsartiger Speiseflüssigkeiten. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung.

Wenn eine als Lösung zu bezeichnende Flüssigkeit einer umkehrosmotischen oder besonders feinen Filterbehandlung ausgesetzt wird, wird die zu behandelnde, hier als Speiseflüssigkeit
bezeichnete Lösung in Berührung mit einer Seite einer,
semipermeablen Membran gebracht und einem Druck unterworfen,
der über dem osmotischen Druck der Lösung liegt. Das Lösungsmittel durchdringt dann die semipermeable Membran und läßt
den aufgelösten Stoff oder die gelösten Moleküle zurück, wodurch sich eine Konzentrierung der Lösung auf der Druckseite der
Membran einerseits ergibt und andererseits auf der drucklosen Seite reines Lösungsmittel zur Verfügung steht.

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Im praktischen Betrieb erbringen die bekannten Membranen jedoch kein absolut perfektes Ergebnis bezüglich des Durchlasses reinen Lösungsmittels und des vollständigen Zurückhaltens des aufgelösten Stoffes, und deshalb liegt der Erfindung ganz allgemein die Aufgabe zugrunde, hier eine Verbesserung zu schaffen. Dabei wird in diesem Rahmen unter dem Begriff Membran eine Membran zur besonders feinen Filterung verstanden, die einerseits den Durchtritt des Lösungsmittels gestattet und andererseits zum Zurückhalten des aufgelösten Stoffes oder sonstiger in der Flüssigkeit enthaltener Teilchen geeignet ist.

Einer umkehrosmotisehen Behandlung werden in großem Umfang wässerige Lösungen unterworfen, beispielsweise bei der Entsalzung von Seewasser und Reinigung von Brackwasser, wobei das durch die Membran hindurchtretende Wasser das gewünschte Erzeugnis ist. Ein anderes Beispiel ist die Konzentrierung von Naturprodukten wie Fruchtsäften, Käsewasser (Molke) und verschiedenen Zuckerlösungen, wobei die Lösung nach Abgabe überschüssigen Wassers zurückerhalten wird.

Bei vielen derartigen Lösungen können sehr hohe osmotische Drücke entwickelt werden, und dadurch ist die Druckdifferenz über die semipermeable Membran bei derartigen Behandlungen meistens höher, da der künstlich zugeführte Druck den natürlichen osmotischen Druck überwinden muß. Drücke zwischen 300 psig und 1500 psig (etwa 20 und 100 kp/cm ) können als ganz normal bezeichnet werden.

Angesichts dessen ist es erforderlich, daß die Membran, welche gewöhnlich aus einem dünnen biegsamen Kunststoff-Polymerisat-Streifen mit weniger als 1 mm Dicke besteht, von einer starren Basis getragen wird, um zu verhindern, daß sie ballonartig aufgeblasen wird. Eine herkömmliche Einrichtung entsprechend einem früheren Vorschlag zu diesem Zweck weist eine semipermeable Membran in Röhrenform auf, wobei die Röhre in Berührung mit

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einer durchlässigen starren Tragröhre steht. Besonders einfach ist es, .wenn die semipermeable Membran als eine koaxiale Röhre, innerhalb der Bohrung der durchlässigen Tragröhre angeordnet ist, wobei im Gebrauch die unter Druck stehende Speiseflüssigkeit in Richtung nach unten durch die gewöhnliche Bohrung" der Röhren tritt und das ausgefilterte Lösungsmittel in die durchlässige Tragröhre und darum herum strömt. Bei einer· alternativen Einrichtung kann die Membran außerhalb der Tragröhre in einem unter Druck stehenden Gefäß angeordnet sein, welches die Speiseflüssigkeit mit dem gefilterten Lösungsmittel enthält ₉ welche in die Bohrung der Tragröhre eintritt. Bei beiden Arten von röhrenförmigen Einrichtungen ergibt sich jedoch an den Enden der Röhren die Schwierigkeit, daß eine, wirksame Abdichtung erforderlich ist, um zu verhindern/ daß die unter Druck stehende Speiseflüssigkeit zur Rückseite der Membran durchsickert und sich mit dem gefilterten -Lösungsmittel vermischt.

Im besonderen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der erwähnten Zweckbestimmung zu schaffen«, welche röhrenförmige Bauteile enthält, die an ihren Enden hinreichend abgedichtet sind und sich einfach und schnell herstellen oder zusammensetzen lassen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe geschieht nach der Erfindung durch eine gattungsgemäße Einrichtung mit wenigstens einem röhrenförmigen Bauteil, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes röhrenförmige Bauteil eine röhrenförmige semipermeable Membran" aufweist, die von einer koaxialen durchlässigen Tragröhre gehalten wird, welche mit nachgiebigen Endstücken ausgerüstet ist, wobei sich die Membran an jedem Ende radial über , die Endfläche des entsprechenden nachgiebigen.Endstückes der Tragröhre erstreckt, und daß eine Abdichtungsvorrichtung vorgesehen ist, um die Membran in ständige abdichtende Berührung mit den Endflächen der nachgiebigen Endstücke der Tragröhre zu zwingen.

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Die semipermeable Membran kann aus allen den Werkstoffen hergestellt sein, die in der Technik der umkehrosmotischen Behandlung (reverse osmosis) verwendet werden. Zweckmäßig ist ein besonders behandeltes Kunststoff-Polymerisat, beispielsweise Celluloseacetat.

Die durchlässige Tragröhre kann aus jedem Werkstoff hergestellt sein, der starr und widerstandsfähig genug ist, um den zugeführten Drücken standzuhalten, und der gegenüber den durch ihn hindurchgeleiteten Lösungsmitteln, meistens Wasser, inert ist. So ist es möglich, gesinterten Kohlenstoff, keramische Werkstoffs und dergleichen einzusetzen, aber ein besonders bevorzugtes Material ist glasfaserverstärktes Kunstharz. Die Durchlässigkeit (Porosität) der Tragröhre kann hervorgerufen werden, indem ein Material benutzt wird, welches schon von seiner Struktur her feine Löcher und Kanäle besitzt. Die Durchlässe können jedoch auch beispielsweise durch feine Bohrarbeit erzeugt werden.

Durchlässige Bauteile aus Kunstharz, die insbesondere mit Glasfasern oder Kohlenstoffasern verstärkt sind, werden in der Technik bereits vielfach verwendet, und derartige Bauteile sind auch hier vorzuziehen. Wenn die Porosität derart beschaffen ist, daß nur eine radiale Strömung des Lösungsmittels ermöglicht wird, können längslaufende und/oder umfängliche Nuten und Kanäle in der Röhre hergestellt werden, um das Sammeln oder Verteilen des gefilterten Lösungsmittels zu unterstützen.

Die nachgiebigen Endstücke der Tragröhre können nach einer Ausführungsform der Erfindung integrale Teile der Tragröhre sein, wobei die Enden bearbeitet worden sind, beispielsweise mit chemischen Mitteln, um sie nachgiebig zu machen. Nach einer anderen Ausführungsform können die Enden auch zusätzliche Teile seih, die dem Hauptteil oder Körper der Tragröhre hinzugefügt sind, beispielsweise aufgeschraubt oder festgeklemmt sind.

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Die nachgiebigen Endstücke können auch einfach die Form von einer Schicht oder mehreren Schichten aus nachgiebigem Werkstoff haben, die auf die Enden der Röhre aufgebracht sind, so daß sie mit dem Haupiteil der Röhre zu einem einzigen Stück verwachsen. Bevorzugt wird die Ausbildung einer einstückigen Röhre mit integrierten Endstücken^ welche entweder durch Bearbeitung der Röhre oder durch Aufbringung einer Materialschicht hervorgerufen sind.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung laufen die nachgiebigen Endstücke in eine flache Endfläche aus₉ welche rechtwinklig zur Achse der Röhre steht,-jedoch sind auch kegelstumpfförmige oder abgerundete Gestaltungen der Fläche möglich. Außerdem kann vorgesehen sein, daß koaxial kreisförmige Furchen in der Endfläche angeordnet sind₉ um linienförmige Abdichtungen zu ergeben .t

Zweckmäßigerweise werden die nachgiebigen Endstücke aus einem Kunststoff-Polymerisat gebildet. Dieses ist vorzugsweise gleich mit dem Polymerisat, welches bei der Ausbildung der semipermeable^ Membran verwendet wirdj, wobei jedoch ein Unterschied darin besteht₉ daß das Polymerisat der Endstücke nicht semipermeabel zu sein braucht.

In denjenigen Fällen, wo mehr als ein röhrenförmiges Bauteil vorhanden ist, sind die röhrenförmigen Bauteile vorteilhaft in Serie geschaltet*

Die Erfindung umfaßt auch einen Vorschlag für ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung zur umkehrosraotischen Behandlung oder sehr feinen Filterung verschiedener Speiseflüssigkeiten, wobei die Einrichtung wenigstens ein röhrenförmiges Bauteil , aufweist, welches eine röhrenförmige semipermeable Membran ent-' hält, die von einer koaxialen durchlässigen Tragröhre gehalten wird. Das erfindungsgemäße Kennzeichen dieses Verfahrens besteht darin, daß ein nachgiebiger Werkstoff an den Endstücken

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der Tragröhre vorgesehen wird, alsdann eine röhrenförmige semipermeable Membran an der Tragröhre angeordnet und dann die Membran radial über die Endflächen der nabhgiebigen Endstücke gesetzt und Abdichtungsvorrichtungen derart gegen die Membran gelegt werden, daß eine ständige abdichtende Berührung mit der jeweiligen Endfläche der nachgiebigen Endstücke aufrechterhalten wird.

Die semipermeable Membran kann in röhrenförmiger Gestalt vorgeformt sein, und beim Einsetzen können bekannte Techniken verwendet werden.

Eine alternative Durchführungsform besteht erfindungsgemäß darin, daß die semipermeable Membran an Ort und Stelle gegossen wird, d. h. an die mit den nachgiebigen Endstücken versehene Tragröhre angegossen wird. Vorzugsweise wird die Membran in ,diesem Falle an die innere zylindrische Oberfläche der Tragröhre angegossen.

Im Falle des Einsetzens einer vorgeformten halbdurchlässigen Membran in die Tragröhre wird eine röhrenförmige Membran, die größer als die Tragröhre ist, in Stellung gebracht , so daß NSie sich durch die Tragröhre erstreckt und an deren beiden Enden darüber hinaus. Diejenigen Teile der Membran, die sich über die Tragröhre hinaus erstrecken, werden auf eine bekannte Art und Weise erweicht, beispielsweise mittels Anwendung einer chemischen Substanz wie einem Plastifizierungsmittel auf die Oberfläche der röhrenförmigen Membran, die an die Tragröhre angrenzt und sich über sie hinaus erstreckt. Alsdann werden die Endstücke der dort erweichten röhrenförmigen Membran über die Tragröhre zurückgerollt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, welches nachstehend beschrieben wird. Es zeigen:

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Pig. 1 eine teilweise geschnittene, vereinfacht dargestellte Seitenansicht eines Satzes von röhrenförmigen Bauteilen,

Fig. 2 eine Stirnansicht entsprechend Fig. 1,

Fig. 3 einen Teil der Darstellung von Fig. 1 in vergrößerter Wiedergabe.

Wie sich insbesondere aus Fig. 1 und 3 ergibt, werden röhrenförmige semipermeable Membranen 2 an der Innenseite von damit koaxialen durchlässigen Tragröhren 4 gehalten. Die Enden der Röhren 4 sind in offen auslaufenden Bohrungen von Halteblöcken 6 angeordnet und darin befestigt, wobei die Blöcke 6. an-den Enden von Hülsen 7 sitzen. Die'Tragröhren 4 haben nachgiebige Lagen (pads) 8 aus einem Polymerisat-Werkstoff, welche die Endstücke der Röhren bilden»

Die Tragröhren 4 enden ein wenig unterhalb der Außenflächen der Halteblöcke 6, so daß sich Ausnehmungen ergeben, in denen jeweils ringförmige Dichtungsscheiben 12 angeordnet sind. Diese Dichtungsscheiben haben eine solche Dicke ₉ daß sie eine vollständige Abdichtung gegenüber Verbindungsblöcken 14 bilden, die auf die Halteblöcke 6 aufgebolzt sind, um die Membranen 2 zwischen den nachgiebigen Lagen 8 der Röhren 4 und den Dichtungsringen 12 einzuklemmen. Die Verbindungsblöcke -14 enthalten U-förmig gestaltete röhrenförmige Durchgänge 16 von einem Durchmesser, der gleich dem inneren Durchmesser der Tragröhren 4 ist, und sie sind derart mit den Blöcken 6 verbunden, daß die Durchgänge 16 eine fortlaufende Strömungsverbindung innerhalb der Röhren 4 mit den Membranen 2 ergeben (Fig. 1). Jeder Halteblock 6 hat ein Paar parallele Bohrungen 18, und die Tragröhren 4 sind im Verhältnis zu den Verbindungsblöcken 14 darin so angeordnet, daß sich ein sinusförmiger. Strömungsweg entsprechend der strichpunktierten Linie 20 in Figur 1 ergibt.

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Beim Zusammensetzen der röhrenförmigen Bauteile ist darauf zu achten, daß scharfe Kanten und lose Fasern von den Enden der Tragröhren 4 mit einem Schmirgel- oder Poliermittel, beispielsweise Schleifpapier, entfernt werden, nach—dem die Tragröhre mit einem Halteblock 6 am jeweiligen Ende verbunden worden ist. Eine dünne Schicht von Celluloseacetat-Lösung, beispielsweise eine 15 %i-ge Lösung von Celluloseacetat (Handels quali tat E 39S-6) in Aceton (Marke "Anaion") wird nun auf die Enden der Röhre auf gebracht, und an der Luft trocknen gelassen, um die nachgiebigen Lagen 8 zu bilden. Alsdann wird die semipermeable Membran in Form einer fortlaufenden Rolle einer abgeflachten Röhre vor dem Einsetzen ungefähr 4 in. (etwa 10 cm) langer als die Tragröhre abgeschnitten.

Die Membrane wird eingesetzt, in—dem eine Klammer, beispielsweise vom Typ "Alligator", an der Membrane angebracht und die Klammer durch die Tragröhre gezogen wird, gefolgt von einem Aufblasen der röhrenförmigen Membrane, wobei allerdings ein sehr sanfter Gas- oder Luftstrom zugeführt wird, um die Membrane gegen die Tragröhre zu drücken. Sobald die Membrane in die Tragröhre eingesetzt ist, wird sie ausgerichtet oder "getrimmt", so daß sie sich über die Enden der Röhre hinaus erstreckt, und zwar um einen Betrag, der ungefähr gleich der Wandstärke der Tragröhre ist. Bei einem glasfaserverstärkten Kunstharz als Werkstoff für die Röhre liegt dieser Betrag ungefähr bei 1/8" (etwa 3 ram).

Alsdann wird in sparsamer Weise ein Placticizer (Erweichungsmittel) auf die äußere Oberfläche der Membran aufgegeben, soweit diese Oberfläche außerhalb der Tragröhre liegt, und es schließt sich eine Einwirkungsdauer von ungefähr 2 Minuten an, um die Membran an dieser Stelle zu erweichen. Nun wird die über die Tragröhre hinausragende Membran nach außen gedrückt, um sich über das Ende der Tragröhre zu legen, und zwar mittels Einführung eines Ballons in das Ende der röhrenförmigen Membran

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und Tragröhre mit anschließendem Aufblasen des Ballons.

Die nachgiebige Dichtung 12, welche aus Gummi hergestellt und mit einem Schmiermittel versehen sein kann, wird dann gegen die Membran in Stellung gebracht, alsdann werden die Verbindungsblöcke 14 an die Halteblöcke 6 .gebolzt, und damit werden die Dichtungen 12 zusammengepreßt.

Wenn es zur Erzielung einer absoluten Dichtung erforderlich sein sollte, kann noch ein Klebemittel zwischen der semipermeablen Membran und dem nachgiebigen Endstück an der Tragröhre und/o4er zwischen der Membran und der nachgiebigen Dichtungsscheibe eingebracht werden. Im Anschluß an den Zusammenbau der röhrenförmigen Bauteile werden diese mit Wasser durchgespült, um das Erweichungsmittel von der Membran abzuwaschen. Nachfolgend wird das Wasser durch die röhrenförmigen Bauteile unter einem Druck hindurchgeleitet, der. größer als der Betriebsdruck ist, und zwar für ungefähr 15 Minuten.

Zur Vereinfachung sind sämtliche Halteblöcke 6 von identischer Formgebung, ebenso die Verbindungsblöcke 14. Wenn ein Halteblock ein Bohrungspaar, wie es vorstehend beschrieben ist, aufweist, kann dieses Bauteil als ein Paar von Einzelbohrungs-Halteblöcken, die schon miteinander verbunden sind, betrachtet werden, oder aber auch einfach als Doppelblock. In ähnlicher Weise sind die Verbindungsblöcke 14 mit den U-förmigen Durchlässen zweckmäßigerweise von identischer Form ohne Rücksicht darauf, ob sie nun die zwei Bohrungen eines Doppelhalteblocks 6 zusammen verbinden oder die benachbarten Bohrungen von zwei getrennten Halteblocks, einzeln oder doppelt, zusammenfassen. Hierzu sind sämtliche Bohrungen von gleichem Durchmesser und haben dieselbe Stellung im Verhältnis zu den Löchern für die Bolzen, und die Bolzenlöcher sind außerdem von einer konstanten Anordnung, so daß sämtliche Blöcke miteinander verbunden werden können, wie es gewünscht wird, wobei jeweils die Bohrungen miteinander fluchten.

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Obschon Halteblöcke mit einem Bohrungspaar vorstehend be- , schrieben worden sind und auch bevorzugt werden, ist zu bemerken, daß Halteblöcke mit anderen Zahlen von Bohrungen angefertigt werden können, unter der Voraussetzung, daß sie das Mehrfache von gleichen Einzelbohrungsblöcken bilden und zwei oder mehr ähnliche oder unähnliche Blöcke aneinander befestigt werden können, um einen Doppelbohrungsblock oder mehrfaches davon darzustellen. In entsprechenderVeise können die Verbindungsblöcke 14 mit den U-förmigen Durchlässen als Mehrfachblöcke mit mehreren Durchlässen gestaltet werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung und in den nachfolgenden Patentansprüchen offenbarten Merkmalen des Anmeldungsgegenstandes können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen, wesentlich sein.

Patentansprüche 309849/0905

Claims

Patentansprüche 'S

1. Einrichtung zur umkehrosmotischen oder sehr fein filtrierenden Behandlung verschiedener Speiseflüssigkeiten, mit wenigstens einem röhrenförmigen Bauteil, dadurch' gekennzeichnet, daß jedes röhrenförmige Bauteil eine röhrenförmige semipermeable Membran (2) aufweist, die von einer . koaxialen durchlässigen Tragröhre (4) gehalten wird, welche

. mit nachgiebigen Endstücken (8) ausgerüstet ist, wobei sich die Membran (2) an jedem Ende radial über die Endfläche des entsprechenden nachgiebigen Endstückes (8) der Tragröhre (4) erstreckt, und daß eine Abdichtungsvorrichtung (12) vorgesehen ist, um die Membran (2) in ständige abdichtende Berührung mit den Endflächen der nachgiebigen Endstücke der Tragröhre (4) -zu zwingen»

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die semipermeable Membran'(2) innerhalb der durchlässigen Tragröhre (4) des betreffenden röhrenförmigen Bauteiles angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die röhrenförmigen Bauteile in Bezug auf das Durchströmen des Mediums in Serienschaltung miteinander verbunden sind.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebigen Endstücke (8) aus einem Kunststoff-Polymerisat gebildet sind.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymerisat mit dem bei der Bildung der semipermeablen Membran (2) verwendeten Polymerisat formelmäßig identisch ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässigen Tragröhren (4) im Bereich ihrer Endstücke in Halteblöcken (6) angeordnet sind, die von Hülsen (7) aufgenommen werden, welche die durchlässigen Tragröhren (4) umgeben.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässigen Tragröhren (4) in Bohrungen (18) der Halteblöcke (6) angeordnet sind, wobei die äußeren Endflächen der nachgiebigen Endstücke (8) in einwärtiger Richtung mit Abstand von den äußeren Endflächen (10) der Halteblöcke (6) zwecks Bildung eines Sitzes für Abdichtungsmittel (12) •gelegen sind, und daß Verbindungsblöcke (14) mit Durchlässen (16), die eine Strömungsverbindung zwischen den durchlässigen Tragröhren (4) gestatten, auf den äußeren Endflächen (10) der Halteblöcke (6) befestigt sind, wobei hierdurch über die Dichtungsmittel (12) die Membran (2) in ständige dichte Berührung mit den nachgiebigen Endstücken (8) der betreffenden Tragröhre/;(4) gezwungen wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragrohren (4) als eine Bank von Röhren mit konstanten Abständen nebeneinander angeordnet sind und sämtliche Halteblöcke (6) sowie Verbindungsblocke (14) von identischer Gestalt sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach Anspruch oder 1 und einem oder mehreren der weiteren vorangehenden .Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst eine röhren-

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förmige semipermeable Membran einer Tragröhre zugeordnet, alsdann die Membran am Ende radial über die Endflächen der nachgiebigen Endstücke der Tragröhre gelegt und daraufhin ein Dichtungsmittel gegen die umgelegten Membranteile gedrückt wird, damit eine ständige dichtende Berührung mit den Endflächen der nachgiebigen Endstücke aufrechterhalten wird.

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