DE2653875A1

DE2653875A1 - Vorrichtung fuer die ultrafiltration

Info

Publication number: DE2653875A1
Application number: DE19762653875
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Chem Dr Franken; Dietmar Dipl Chem D Nussbaumer; Horst Dipl Chem Dr Perl; Ludwig Weickhardt
Original assignee: Sartorius Membranfilter GmbH
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1976-11-26
Filing date: 1976-11-26
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DE2653875B2; DE2653875C3

Description

Vorrichtung für die Ultrafiltration
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Ultrafiltration, insbesondere für die Filtration von Blut, bestehend aus einer Vielzahl von spaltförmigen Filterkammern, die auf wenigstens einer Seite von einem Filtermedium begrenzt sind, unter welchem ein Filtratablauf vorgesehen ist, und die mit einer Zuführung für das zu filtrierende Medium und mit einer Abführung für das durch das Filtrieren aufkonzentrierte Medium versehen ist.
Eine derartige bekannte Vorrichtung besteht aus einer Vielzahl von übereinanderliegenden rechteckigen Kunststofffilterplatten. Jede Filterplatte hat auf ihren beiden Flächen parallel zur Längsrichtung verlaufende Stege. Bei zwei übereinander angeordneten Filterplatten liegen die Stege aufeinander und halten zwischen sich das Filtermedium. Parallel zu den Stegen sind Rillen ausgespart, auf denen das Filtermedium aufliegt, wobei der Raum zwischen dem Rillenboden und dem Filtermedium für den Filtratablauf benutzt wird. Die zwischen den Stegen und den Filtermedien gebildeten spaltförmigen Filterkammern haben eine Spalthöhe, d. h. einen Abstand der wirksamen Abschnitte der Filtermedien, von wenigstens 300 u.
Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß die spaltförmigen Filterkammern sehr lang sind, was große Druckdifferenzen zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Filters erfordert. Die hohen Einlaßdrucke können zu Beschädigungen an organischen Komponenten des zu filtrierenden Mediums führen. Es hat sich außerdem gezeigt, daß sich mit der Zeit bei der bekannten Vorrichtung auf dem Filtermedium eine als Sekundärfilter wirkende Schicht absetzt, die einerseits zur Erhöhung des Strömungswiderstandes beiträgt, was nur durch eine Erhöhung des Aufgabedrucks ausgeglichen werden kann, und andererseits eine Filterschicht bildet, die sich durch den anliegenden Druck immer mehr verdichtet, so daß schließlich keine Filtrierung mehr stattfinden kann.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich mit ihr bei vernünftigen Druckdifferenzen zwischen der Filtereinlaß- und -auslaßseite mit einfachen Mitteln gute Filterleistungen erzielen lassen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von der Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Höhe jeder spaltförmigen Filterkammer zwischen 8 und 150 P liegt und daß ihre Breite so groß und ihre Länge so kurz bemessen ist, daß bei für das zu filtrierende Medium zulässigen Drucken in den spaltförmigen Filterkammern in gleichen Abständen von der Aufgabestelle im wesentlichen der gleiche, die Filtrierung nicht beeinträchtigende Strömungswiderstand vorhanden ist.
Es hat sich gezeigt, daß der Differenzdruck zur Spaltlänge direkt proportional und umgekehrt proportional zur Spaltbreite ist, wobei die Abhängigkeit der Druckdifferenz von der Spalthöhe bei einer vorgegebenen Menge mit der dritten Potenz eingeht. Außerdem hat sich gezeigt, daß die Aus bildung des Sekundärfilters, also die sich auf der Filteroberfläche absetzende Schicht, direkt proportional von der Spalthöhe abhängt. Deshalb muß die Spalthöhe möglichst klein gehalten werden, um auch die Sekundärschicht klein zu halten.
Die untere Grenze der Spalthöhe wird einerseits von der Größenordnung der in dem zu filtrierenden Medium vorhandenen Moleküle und andererseits von der zulässigen Druckbelastung des zu filtrierenden Med;Lurns bestimmt. Die obere Grenze der Spalthöhe wird hauptsächlich von der Ausbildung des Sekundärfilters beeinflußt. Ein weiterer Einflußfaktor ist die Strömungsgeschwindigkeit des zu filtrierenden Mediums auf der Filterfläche. Mit Abnahme der Strömungsgeschvindigkeit erfolgt eine Zunahme der Aufkonzentration und somit eine Erhöhung der Viskosität, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit weiter re duziert wird bzw. der Strömungswiderstand erhöht wird Die gute Filterleistung ergibt sich unter anderem dann# wenn dafür gesorgt wird, daß bei gleicher Spalthöhe an allen Orten, die gleich weit von der Aufgabestelle des zu filtrierenden Mediums entfernt sind, der gleiche Strömungswiderstand herrscht.
Bei einer vorteilhaften Aus führ#ungs form der Vorrichtung beträgt die Spaltlänge 5 bis 150 mm.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung beträgt die Spalthöhe 1o bis 120 y, wobei die Spaltlänge zweckmäßigerweise 1o bis 120 mm beträgt.
Als günstig hat sich erwiesen, daß die Breite der spaltförmigen Filterkammern mit der Entfernung von der Aufgabestelle des zu filtrierenden Mediums derart zunimmt, daß die dadurch bestimmte lokale Verringerung des Strömungswiderstandes durch den lokalen zusätzlichen Strömungswiderstand infolge der Viskositätszunahme des der Filtration unterliegenden Mediums ausgeglichen wird. Diese Maßnahme trägt zur lokalen Konstanthaltung des Strömungswiderstandes bei.
Die Filterkammern sind gewöhnlich zwischen übereinander angeordneten Filterplatten ausgebildet, auf denen das Filtermedium gehalten ist, wobei die Höhe der spalthörmigen Filterkammer durch den Abstand zwischen übereinanderliegenden Filtermedien undloder zwischen einem Filtermedium und einer Wand eines die Filterplatten umschließenden Gehäuses festgelegt ist.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist es erforderlich, daß die Spalthöhe sehr genau bemessen ist. Wenn die diesbezüglich erforderlichen Arbeiten zu aufwendig werden, kann dafür gesorgt werden, daß sich der lokal gleiche Strömungswiderstand von selbst einstellt.
Dies kann einerseits dadurch erreicht werden, daß in der spaltförmigen Filterkammer zwischen dem Filtermedium und der Filterplatte ein flaches elastisches poröses Druckkissen angeordnet ist.
Andererseits kann die gleiche Wirkung dadurch erreicht werden, daß zwischen zwei Filterplatten mit darauf liegendem Filtermedium ein elastisches undurchlässiges Druckkissen angeordnet ist, welches jeweils die eine Wand der spaltförmigen Filterkammer bildet.
Das Druckkissen bildet einen Druckausgleichskörper, der sich während des Durchströmens der Flüssigkeit entsprechend den Druckverhältnissen an seiner Oberfläche verformt. Dadurch wird über die Flüssigkeit überall der gleiche lokale Strömungswiderstand erzeugt.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform hat die Vorrichtung rechteckige Filterplatten, deren spaltförmige Filterkammern von einer gemeinsamen, sich in Richtung der langen Seite erstreckenden Aufgabe mit zu filtrierendem Medium beaufschlagt sind und parallel zu den Schmalseiten durchströmt werden, wobei die Ablaufrillen für das Filtrat in jeder Filterplatte unter dem Filtermedium im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung der spaltförmigen Filterkammer verlaufen. Durch diese Anordnung der Ablaufrillen wird das Eindrücken des Filtermediums in die Rillen begrenzt, so daß die gewünschte Spalthöhe genau eingestellt werden kann.
Zweckmäßigerweise werden bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung mehrere rechteckige Filterplatten in einer Ebene hintereinander angeordnet, wobei für die Zuführung des zu filtrierenden Mediums ein zu den Schmalseiten paralleler Kanal auf der einen Seite des so gebildeten Filterelementes und für die Abführung des filtrierten Mediums ein weiterer, zu den Schmalseiten paralleler Kanal auf der anderen Seite des Filterelementes vorgesehen ist.
Die Filterplatten bzw. mehrere Filterplatten zusammenfassende Filterelemente können einschließlich Zu- und Ableitungen aus Kunststoff einstückig hergestellt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind die Filterplatten kreisförmig ausgebildet, wobei die Zuführung des zu filtrierenden Mediums und die Abführung des Filtrates im zentralen Bereich des die Filterplatten umschließenden Gehäuses vorgesehen sind. Das Gehäuse ist dabei im wesentlichen zylindrisch. Es kann jedoch auch eine andere rotationssymmetrische Form haben, wobei die Durchmesser der Filterplatten entsprechend anzupassen sind.
Dabei ist zwischen dem Außenumfang der Filterplatten und der Gehäusewand eine Sammelkammer für das filtrierte Medium vorgesehen. Diese Sammelkammer ist zeckmaßigerweise mit einem im zentralen Bereich des Gehäuses vorgesehenen Auslaß für das Abführen des filtrinK¢ ##dÄ#o#erI)unden.
Die spaltförmigen Filterkammern haben bei dieser Ausführungsform seitlich begrenzende Stege, die sich längs Radien der kreisförmigen Filterplatten erstrecken, wodurch mit zunehmendem Radius eine zunehmende Spaltverbreiterung gegeben ist, die entsprechend der vorstehend gegebenen Regel bezüglich des Strömungswiderstandes bemessen wird.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung.
Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung.
Fig. 4 zeigt einen Teil des Schnittes längs der Linie IV-IV von Fig. 3.
Fig. 5 ist ein Schnitt längs der Linie V-V von Fig. 4.
Fig. 6 zeigt in einer Ansicht wie Fig. 3 eine erste Modifizierung der Vorrichtung in der Ausführung von Fig. 3.
Fig. 7 zeigt in einer Ansicht wie Fig. 6 eine zweite Modifizierung der Vorrichtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem im wesentlichen quaderförmigen Gehäuse 1, in welchem übereinander eine Vielzahl von im wesentlichen rechteckigen plattenförmigen Filterelementen lo gegeneinandergehalten angeordnet sind. Jedes Filterelement 1o besteht aus einer Vielzahl von im wesentlichen rechteckigen Filterplatten 2, die je Filterelement 10 in der in Fig. 1 gezeigten Weise hintereinander angeordnet sind. Jeder Filterplatte 2 ist eine sich über die eine ganze Längsseite erstreckende Zuführung 4 für zu filtrierendes Medium und auf der gegenüberliegenden Längs seite eine Abführung 5 für das filtrierte Medium zugeordnet. Die Zuführung 4 und die Abführung 5 je Filterplatte 2 sind zwischen zwei aufeinanderliegenden Filterelementen lo gebildete Kanäle. Längs der einen Schmalseite eines jeden Filterelementes 1o erstreckt sich eine jeweils mit einem Einlaß 3 im Gehäuse 1 verbundene Zuleitung 7 und auf der gegenüberliegenden Längsseite eine jeweils mit einem Auslaß 6 im Gehäuse 1 verbundene Ableitung 8 für das filtrierte Medium. Die Zuleitung 7 und die Ableitung 8 sind Kanäle, die wie die Zuführung 4 und die Abführung 5 der Filterplatten 2 ausgebildet sein können.
Zwischen den einzelnen Filterplatten 2 sind spaltförmige Filterkammern 16 ausgebildet, die parallel zu den Schmalseiten der Filterplatten 2 zwischen der Zufüh#rung 4 und der Abführung 5 verlaufen. Die spaltförmigen Filterkammern 16 werden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von zwei Filtermedien 11 aus für die Ultrafiltration geeignetem Material begrenzt, die zwischen Stegen 12 von übereinanderliegenden Filterplatten 2 gehalten sind. Der Abstand der Stege 12 fixiert die Breite einer jeden spaltförmigen Filterkammer 16.
In Durchströmungsrichtung ist jede Filterkammer 2 mit zu den Stegen 12 parallelen Vorsprüngen 13 versehen, auf denen die Filtermedien 11 aufliegen. Zwischen den Vorsprüngen 13 werden Filtratrillen 9 gebildet, über die das durch die Filtermedien 11 filtrierte Filtrat abgeführt wird, was in Fig. 2 durch den Pfeil 14 veranschaulicht ist. Aus dem Gehäuse 1 wird das Filtrat über Auslaßstutzen 14' abgeführt, wobei jedoch auch ein im Gehäuse befindlicher Sammelkanal vorgesehen werden kann, so daß ein einziger Abführstutzen genügen würde.
Die Länge der spaltförmigen Filterkammern 16 ist durch den Abstand zwischen der Zuführung 4 und der Abführung 5 einer jeden Filterplatte 2 festgelegt. Wie erwähnt, ist die Breite einer jeden Filterkammer 16 durch den Abstand der Stege 12 fixiert. Die Höhe einer jeden spaltförmigen Filterkammer 16 ist durch den Abstand zwischen den Filtermedien 11 gegeben und ist in Fig. 2 mit 15 bezeichnet. Man sieht, daß dieser Abstand etwas zwischen einem Minimum und einem Maximum variiert, wobei das Minimum durch den Abstand der Fii:termedien 11 aufliegend auf den Vorsprüngen 13 vorgegeben ist, während sich der maximale Abstand zwischen den sich etwas in die Filtratablaufrillen 9 einwölbenden Filtermedien 11 ergibt. Die Spalthöhe 15 beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa So Bei der in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Ausführungsform sind die Filterplatten 2 kreisförmig ausgebildet und von einem zylindrischen Gehäuse 1 umschlossen. Die Filterplatten 2, die in genau festgelegten Abständen übereinander angeordnet sind, haben radiale Stege 12 (Fig. 4), auf denen das Filtermedium 11 aufliegt. Dadurch erhält man sich radial zum Außenumfang des Gehäuses 1 hin erweiternde spaltförmige Filterkammern 16, wobei diese Erweiterung so festelegt ist, daß die Abnahme des Strömungswiderstandes infolge der Zunahme der Breite der Kammern 16 durch die Steigerung des Strömungswiderstandes infolge der Viskositätserhöhung des der Filtration unterliegenden Mediums aufgrund der Aufkonzentration ausgeglichen wird.
Die Zuführung des zu filtrierenden Mediums erfolgt über einen im zentralen Bereich des Gehäuses 1 angeordneten Einlaß 3 und über dazu fluchtend ausgerichtete, auf der gleichen Achse liegende Zuführungen 7, von denen aus das zu filtrierende Medium in die spaltförmigen Filterkammern 16 strömt, wobei eine derartige Kammer auch zwischen der einlaßseitigen Wand des Gehäuses 1 und dem Filtermedium 11 der benachbarten Filterplatte 2 ausgebildet ist. In Umfangsrichtung sind auf jeder Filterplatte 2 verlaufende Filtratablaufrillen 9 vorgesehen, die zwischen Vorsprüngen 13, wie dies aus Fig. 5 zu ersehen ist, ausgebildet sind. Von diesen Filtratablaufrillen 9 wird das Filtrat über radiale Kanäle, veranschaulicht durch die Pfeile 14, und eine im mittleren Bereich des Gehäuses 1 liegende, zur Mittelachse parallele Ableitung 8 zum Filtratabführstutzen 14' geführt. Das filtrierte Medium wird längs der gehäuseumfangsseitigen Abführung 5 zu einem Auslaß 6 auf der Oberseite des Gehäuses 1 geführt, der ebenfalls im zentralen Bereich des Gehäuses 1 angeordnet ist.
Die in den Figuren 6 und 7 gezeigten Aus führungs formen der Vorrichtung entsprechen im wesentlichen der von Fig. 3.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausfthrungsform ist zwischen dem Filtermedium 11 und der Filterplatte 2 ein ;elastisches poröses Druckkissen für die selbsttätige Einstellung des Strömungswiderstandes angeordnet. Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist zwischen den auf den Filterplatten 2 aufliegenden Filtermedien 11 ein elastisches Druckkissen 18 mit einer undurchlässigen Außenhaut angeordnet. Dieses Druckkissen dient ebenfalls zur selbsttätigen Einstellung des Strömungswiderstandes. Die Druckkissen 17 und 18 sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen ringförmig ausgebildet.

Claims

ANSPRUCHE s Vorrichtung für die Ultrafiltration, insbesondere für die Filtration von Blut,bestehend aus einer Vielzahl von spaltförmigen Filterkammern, die auf wenigstens einer Seite von einem Filtermedium begrenzt sind, unter welchem ein Filtratablauf vorgesehen ist, und die mit einer Zuführung für das zu filtrierende Medium und mit einer Abführung für das durch das Filtrieren aufkonzentrierte Medium versehen ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Höhe jeder spaltförmigen Filterkammer (16) zwischen 8 und 150 p liegt und daß ihre Breite so groß und ihre Länge so kurz bemessen ist, daß bei für das zu filtrierende Medium zulässigen Drucken in den spaltförmigen Filterkammern (16) in gleichen Abständen von der Aufgabestelle (4) im wesentlichen der gleiche, die Filtrierung nicht beeinträchtigende Strömungswiderstand vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Spaltlänge 5 bis 150 mm beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Spalthöhe lo bis 120 p beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Spaltlänge io bis 120 mm beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Breite der spaltförmigen Filterkammern (16) mit der Entfernung von der Aufgabestelle (4) des zu filtrierenden Mediums derart zunimmt, daß die dadurch bestimmte lokale Verringerung des Strömungswiderstandes durch den lokalen zusätzlichen Widerstand infolge der Viskositätszunahme des der Filtration unterliegenden Mediums ausgeglichen wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die spaltförmigen Filterkammern (16) zwischen übereinander angeordneten Filterplatten (2) ausgebildet sind, auf denen das Filtermedium (11) gehalten ist, wobei die Höhe dieser spaltförmigen Filterkammern (16) durch den Abstand zwischen übereinander liegenden Filtermedien (11) und/oder zwischen einem Filtermedium (11) und einer Wand eines die Filterplatten (2) umschliessenden Gehäuses (1) festgelegt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in jeder spaltförmigen Filterkammer (16) zwischen dem Filtermedium (11) und der Filterplatte (2) ein flaches elastisches poröses Druckkissen (17) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen zwei Filterplatten (e) mit aufliegendem Filtermedium (11) ein elastisches undurchlässiges Druckkissen (18) angeordnet ist, welches jeweils die eine Wand der spaltförmigen Filterkammer (16) bildet.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch rechteckige Filterpiatten (2), deren spaltförmige Filterkammern (16) von einer gemeinsamen, sich im Bereich der langen Seite erstreckenden Zuführung (4) mit zu filtrierendem Medium beaufschlagt sind und parallel zu den Schmalseiten durchströmt werden, wobei die Ablaufrillen- (9) für das Filtrat in jeder Filterplatte (2) unter dem Filtermedium (11) im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung der spaltförmigen Filterkammern (16) verlaufen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß mehrere rechteckige Filterplatten (2) in einer Ebene hintereinander angeordnet sind, wobei für die Zuführung des zu filtrierenden Mediums eine zu den Schmalseiten parallele Zuleitung (;?) auf der einen Seite des so gebildeten Filterelementes (mio) und für die Abführung des filtrierten Mediums eine zu den Schmalseiten parallele Ableitung (8) auf der anderen Seite des Filterelementes (ao) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Filterplatten (2) kreisförmig ausgebildet sind, wobei die Zuführung (4) des zu filtrierenden Mediums und die Abführung (14?) des Filtrates im zentralen Bereich des die Filterplatten (2) umschließenden Gehäuses (1) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach#Anspruch 11, g e k e n n z e i c h -n e t durch eine zwischen dem Außenumfang der Filterplatten (2) und der Gehäusewand vorgesehene Sammelkammer für das filtrierte Medium.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, g e k e n n z e i c h -n e t durch einen im zentralen Bereich des Gehäuses (1) vorgesehenen Auslaß (6) für das Abführen des filtrierten Mediums.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die die spaltförmigen Filterkammern (16) seitlich begrenzenden Stege (12) sich längs Radien der kreisförmigen Filterplatten (2) erstrecken
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die FI1-terplatten (2) und Filterelemente (10) aus Kunststoff bestehen.