DE2715733A1

DE2715733A1 - Vorrichtung fuer die ultrafiltration

Info

Publication number: DE2715733A1
Application number: DE19772715733
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: 1977-04-07
Filing date: 1977-04-07
Publication date: 1978-10-19
Also published as: DE2715733C2; IL53283A

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 15o Die 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 führen dazu, daß sich die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung verziehen, d. h.
ihre Formstabilität verlieren, so daß die gewünschten Spalthöhen nicht mehr beibehalten werden. Außerdem können diese Einlaßdrucke zu Beschädigungen an organischen Komponenten des zu filtrierenden Mediums führen. Zudem bildet sich bei der bekannten Vorrichtung auf dem Filtermedium durch Abscheidung ein Sekundärfilter, wodurch die Filtrierbedingungen im Laufe des Betriebs sich immer mehr verschlechtern.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht 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, über lange Zeit konstante Filterleistungen auch bei extrem kleinen gleichmäßigen Spalthöhen erzielen lassen.
Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen dem Filtermedium und der einen Kammerwand eine im wesentlichen inkompressible formstabile Materialschicht mit einer eine Vielzahl von Erhöhungen aufweisenden Schulter vorgesehen ist, wobei die Erhöhungen eine lichte Weite von 0 bis 2,5 mm und eine Höhe zwischen o,1 und o,5 mm aufweisen.
Zweckmäßigerweise wird die Materialschicht von einem Gewebe gebildet, das eine lichte Maschenweite von 0 bis 2,5 mm und eine Fadenstärke von o,1 bis o,5 mm aufweist.
Die auf diese Weise ausgebildete Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie sehr einfach hergestellt werden kann, da es genügt, ein aus Kunststoffäden hergestelltes Gewebe oder eine in der entsprechenden Form geprägte dünne Folie als Unterlage für das Filtermedium zu verwenden. Die Spalthöhe bildet sich dadurch, daß das Filtermedium durch Überdruck auf dem Filter oder durch Unterdruck unter dem Filter die Struktur der Unterlage annimmt. Damit bildet sich eine Vielzahl von gleichartigen Strömungskanälen. Die sich ergebende Spalthöhe kann sehr klein sein und beispielsweise zwischen 8 und 150 p liegen. Die Filterleistung hat sich im Langzeitversuch als äußerst gut erwiesen.
Die lichte !taschenweite liegt zweckmäßigerweise zwischen o,5 und 2 rrm,während die mittlere Fadenstärke vorzugsweise zwischen o,2 und o,3 mm liegt, wobei bei Geweben aus Kunststoffäden die Fadenstärke mit dem mittleren Fadendurchmesser gleichzusetzen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Filtratabführelement, das aus einem Filtrat durchlassenden Material besteht, in einer Aussparung im Gewebe angeordnet und mit dem Filtratauslaß verbunden.
Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn die Vorrichtung mehrere Filterkammern aufweist. In diesem Fall sind mehrere in einem Gehäuse angeordnete Filterelemente vorgesehen, die aus einer Materialschicht mit einer eine Vielzahl von Erhöhungen aufweisenden Struktur bestehen, die bzw. das auf wenigstens einer Seite abdichtend von Filtermedium bedeckt ist. Aufgrund dieser Struktur ergibt sich eine Vielzahl von Berührungspunkten durch die die äußerst konstante Spalthöhe genau definiert ist.
Bei einer solchen Vorrichtung gibt es zwei Filterelemente, die auf der einen Seite von der jeweiligen Kammerwand bedeckt sind, während die übrigen Filterelemente allseitig von Filtermedium bedeckt sind.
Bei einer solchen Vorrichtung sind vorteilhafterweise die Filtratabführelemente der Filterelemente abdichtend aufeinandergedruckt fluchtend zum Filterauslaß angeordnet.
Die Stärke der Filtratabführelemente wird dabei abhängig von der Fadenstärke festgelegt.
Das Filtratabführelement kann in Stärkenrichtung abdichtend durch das Filtermedium bzw. die Filtermedien hindurchgehen.
Es ist jedoch auch möglich, daß jedes Filtratabführelement eine Durchgangsöffnung hat und von dem Filtermedium bzw.
den Filtermedien mit Ausnahme der Durchgangsöffnung abdichtend abgedeckt ist, wobei die Durchgangsöffnungen zueinander und zum Filtratauslaß fluchtend angeordnet sind.
Die fluchtend ausgerichteten Durchlaßöffnungen erleichtern durch Einführen eines Stiftes die Montage der Filterelemente in der gewünschten Ausrichtung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Filterelemente kreisförmig ausgebildet und haben eine mittige Zuführung für das zu filtrierende Medium. Die Auslässe für das Filtrat und das aufkonzentrierte Medium sind im Umfangsbereich vorgesehen.
Durch das elastische poröse scheibenförmige Filtratabführelement werden die Filterelemente dichtend gegeneinandergedrückt. Zu filtrierendes Medium, wie Blut, kann also nicht in den Filtratkanal eindringen. Das Filtrat kann durch die poröse Dichtung in den Kanal fließen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Filterelemente rechteckig, wobei die Zuführung für das zu filtrierende Medium im Bereich des einen Randes und die ~ führung für das aufkonzentrierte Medium im Bereich des gegenüberliegenden Randes vorgesehen ist.
Die Vorrichtung mit mehreren Filterelementen kann sehr billig hergestellt werden, so daß die Vorrichtung einen typischen Wegwerfmodul bildet. Die Montage der Vorrichtung ist äußerst einfach. Es werden zwei Gehäuseteile mit den entsprechenden Anschlüssen vorgesehen, an deren gegenüberliegenden großen Innenseiten die stirnseitigen Filterelemente angeordnet werden, d. h. die Filterelemente, bei denen die gewebeartige Oberflächenstruktur#in in die Innenseite geprägt ist oder auf die ein entsprechendes Gewebe aufgebracht ist. Die vollautomatisch in Serienfertigung hergestellten Filterelemente werden mittels Zentrierstifte in Form eines Paketes in der richtigen Stellung in das Gehäuse eingesetzt. Anschließend werden die Gehäusehälften unter einem solchen Vordruck verschweißt, daß die Filtratabführelemente abdichtend gegeneinanderliegen und die gewünschte Nennspalthöhe in Betrieb der Vorrichtung erreicht wird.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt die Einzelheit II von Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung.
Fig. 4 zeigt ein Filterelement der Vorrichtung von Fig. 3.
Fig. 5 zeigt eine Teildraufsicht auf die Vorrichtung von Fig. 3.
Fig. 6 zeigt im Längsschnitt eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung.
Fig. 7 zeigt ein Filterelement der Vorrichtung von Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse mit einer ersten Kammerwand 4 und einer im Abstand gegenüberliegenden, dazu parallelen zweiten Kammerwand 5.
Die Kammerwände 4 und 5 sind durch einen Rand 11 miteinander verbunden. Die Kammerwände 4 und 5 sollen einen Kreis bilden. In der Mitte der ersten Kammerwand 4 ist ein Einlaß 1 für das zu filtrierende Medium vorgesehen. In der Nähe des Randes 11 ist in der ersten Kammerwand 4 ein Auslaß 2 für das Filtrat angeordnet. Diametral gegenüberliegend ist am Rand 11 ein Auslaß 3 für das aufkonzentrierte Medium vorgesehen. Auf der Innenseite der ersten Kammerwand 4 ist ein Gewebe 6 angeordnet, wobei anstelle des Gewebes 6 die Innenfläche der Kammerwand 4 so geprägt sein kann, daß eine eine Vielzahl von Erhöhungen auR^eisende Struktur entsteht. Im Bereich des Einlasses 1 ist das Geebe 6 ausgespart. Das Gewebe 6 ist auf der der Kammerwand 4 gegenüberliegenden Seite von einem Filtermedium 7 abdichtend abgeschlossen. Bei Ultrafiltern verwendete Filtermedien sind bekannt. Bei einer in dem Gewebe 6 unterhalb des Auslasses 2 für das Filtrat angeordneten Aussparung sitzt ein Filtratabführelement 8 aus einem filtratdurchlässigen Material Aus der in Fig. 2 gezeigten Einzelheit ist zu ersehen, daß zwischen den Fäden 10 des Gewebes 6 auch dann zusammenhängende freie Räume 9 bleiben, wenn sich beim Betriebsdruck das Filtermedium 7 etwas in diese freien Räume hineinzieht. Hierdurch werden die Spalthöhen gebildet. Die Kammerwand 5 berührt das Gewebe an den Gewebekreuzungspunkten. Somit ergibt sich die Spalthöhe aus den Gewebeabmessungen. Sie liegt zwischen 8 und 15o Das durch den zentralen Einlaß 1 zugeführte Medium verteilt sich und durchströmt entsprechend den Pfeilen den Spalt 20 radial nach außen zu dem Ringkanal 15, wo das aufkonzentrierte Medium gesammelt und durch den Auslaß 3 abgeführt wird. Das durch das Filtermedium 7 hindurchgehende Filtrat fließt längs der miteinander verbundenen freien Räume 9 des Gewebes 6 durch das poröse Filtratabführelement 8 zum Filtratauslaß 2.
Bei der in den Figuren 3 bis 5 gezeigten zweiten Ausführungsform sind anstelle des in Fig. 1 gezeigten einzigen Filterelementes 12, das auf der einen Seite von der ersten Kammerwand 4 begrenzt wird, zwei Filterelemente 12 vorgesehen. Das eine Filterelement 12 wird von der Kammerwand 4, das andere von der Kammerwand 5 auf der einen Seite begrenzt. Zwischen den Filtermedienseiten dieser Filterelemente 12 sind zwei weitere Filterelemente 12a angeordnet, die auf beiden Seiten von einem Filtermedium 7 umschlossen sind, das abdichtend in einem inneren und äußeren Rand 14 verschweißt ist. Die ringförmig ausgebildeten Gewebe 6 haben Aussparungen, in denen Filtratabführelemente 8 eingesetzt sind, die stirnseitig von den Filtermedien 7 mit Ausnahme einer Durchlaßöffnung 13 ab gedeckt sind. Die Durchlaßöffnungen 13 der Filtratabführelemente 8 sind fluchtend zueinander angeordnet und münden in den Auslaß 2.
Das durch den zentralen Einlaß 1 zugeführte zu filtrierende Medium strömt von dem zentralen Hohlraum in die Spalten 20 und in den Spalten 20 radial nach außen, wobei es aufkonzentriert, im Ringkanal 15 gesammelt und durch den Auslaß 3 abgeführt wird. Das durch die Filtermedien 7 hindurchgehende Filtrat gelangt über die freien Räume in dem Gewebe zu den Filtratabführelementen 8, durch die das Filtrat hindurchgeht und über die Durchgangsöffnungen 13 und den Filtratauslaß 2 abgeführt wird.
Die in den Figuren 7 bis' 8 gezeigte Ausführungsform ist im Gegensatz zu der der Figuren 3 bis 5 rechteckig. Der Einlaß 1 für das zu filtrierende Medium ist im Bereich des einen schmalen Randes der Vorrichtung vorgesehen, der Auslaß 3 für das aufkonzentrierte Medium im Bereich des gegenüberliegenden schmalen Randes. Der Filtratauslaß 2 ist in der Nähe des Einlasses 1 angeordnet. Die übrige Ausbildung der Vorrichtung entspricht der der Figuren 3 bis 5.
Durch die Vielzahl der sich aus den Gewebekreuzungspunktenergebenden Abstandspunkte, in denen sich die Filter berühren, wird die Gleichmäßigkeit des Spaltes erzielt.
Da sich das Filter unter Überdruck bzw. Unterdruck durchwölbt, ergeben sich hieraus die Spalten. Die Dichtungen dienen nur der Filtratabfuhr und, da sie elastisch sind, der Abdichtung der Spalte gegen den Filtratkanal.
Beispiel tdt der Vorrichtung von Fig. 3 wird heparinisiertes Rinderblut filtriert. Die Überströmleistung beträgt joo ml/min.
Die verwendeten Gewebe haben eine Fadenstärke von o,28 mm.
Die lichte Maschenweite wird variiert und beträgt 1,4, 1,o und 0,63 mm. Man erhält als Filtratleistung 27, 50 bzw.
75 ml/min, wenn der Differenzdruck zwischen der Eingangs-und Ausgangsseite o,17, o,22 bzw. o,25 bar beträgt.
Weitere Versuche haben gezeigt, daß die Vorrichtung bei Rinderblut bis zu einer Aufkonzentration von 40 % wirksam arbeitet.

Claims

ANSPRÜCHE 1. Vorrichtung für die Ultrafiltration, insbesondere für die Filtration von Blut, bestehend aus wenigstens einer spaltförmigen Filterkammer, die auf wenigstens einer Seite von einem Filtermedium begrenzt ist, unter welchem ein Filterablauf vorgesehen ist, und die eine Zuführung für das zu filtrierende Medium und eine Abführung für das durch Filtrieren aufkonzentrierte Medium aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens zwischen dem Filtermedium (7) und der einen Kammerwand (4) eine im wesentlichen inkompressible formstabile Materialschicht (6) mit einer eine Vielzahl von Erhöhungen aufweisenden Struktur vorgesehen ist, wobei die Erhöhungen eine lichte Weite von O bis 2,5 mm und eine Höhe zwischen o,l und o,5 mm aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Materialschicht aus einem Gewebe mit einer lichten Maschenweite zwischen 0 und 2,5 mm und einer Höhe zwischen o,1 und o,5 mm besteht
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die lichte Maschenweite zwischen o,5 und 2 mm und die mittlere Fadenstärke zwischen o,2 und o,3 mm liegen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Filtratabführelement (8), das aus einem Filtrat durchlassenden Material besteht, in einer Aussparung im Gewebe (6) angeordnet ist und mit dem Filtratauslaß (2) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche mehrere Filterkammern aufweist, g e k e n n -z e i c h n e t durch mehrere in einem Gehäuse angeordnete Filterelemente (12, 12a), die aus einer Materialschicht (6) mit einer eine Vielzahl von Erhöhungen aufweisenden Struktur bestehen, das auf wenigstens einer Seite abdichtend von Filtermedium (7) bedeckt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die nicht der Yvammerwand (4, 5) zugeordneten Filterelemente (12) allseitig von Filtermedium (7) bedeckt sind.
7. Vorrichtung nach anspruch 5 oder 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Filtratabführelemente (8) die Filterelemente (12, 12a) abdichtend aufeinanderdrückend fluchtend zu dem Filtratauslaß (2) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stärke der Filtratabführelemente (8) abhängig von der Fadenstärke festgelegt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß jedes Filtratabführelement (8) eine Durchgangsöffnung (13) hat und von dem Filtermedium bzw. den Filtermedien mit Ausnahme der Durchgangsöffnung (13) abdichtend abgedeckt ist, wobei die Durchgangsöffnungen (13) zueinander und zum Filtratauslaß (2) fluchtend angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch kreisförmige Filterelemente (12) mit einer mittigen Zuführung (1) für das zu filtrierende Medium und durch im Umfangsbereich vorgesehene Auslässe (2, 3) für Filtrat und aufkonzentriertes Medium.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, g e -k e n n z e i c h n e t durch rechteckige Filterelemente (12) mit einer Zuführung (1) für das zu filtrierende Medium im Bereich des einen Randes und mit einer Abführung (3) für das aufkonzentrierte Medium im Bereich des gegentiberliegenden Randes.