DE3041729A1

DE3041729A1 - Membranfiltereinheit, wegwerfbare filterpatrone mit mehreren membranfiltereinheiten und verfahren zum verbinden eines filters mit einem aus kunststoff bestehenden traeger

Info

Publication number: DE3041729A1
Application number: DE19803041729
Authority: DE
Inventors: Wayne S. Litchfield N.H. Merrill
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 1979-11-05
Filing date: 1980-11-05
Publication date: 1981-05-14
Also published as: JPS56129016A; GB2090543B; GB2090543A; SE8007745L; GB2063089A; CA1148094A; FR2468397A1; SE447795B; JPS6243723B2; GB2063089B; DE3041729C2; FR2468397B1

Description

3041723

MILLIPORE CORPORATION
Bedford, MA 01730
V.St.A.

Membranfiltereinheit, weswerfbare Filterpatrone mit mehreren Membranfiltereinheiten und Verfahren zum Verbinden eines Filters mit einem aus Kunststoff bestehenden Träger

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 6 bzw. 11.

Die Erfindung betrifft im einzelnen das Filtrieren, insbesondere Membranfilterpatronen und Bauteile sowie Verfahren zu deren Herstellung.

Membranfilter aus zahlreichen polymeren Materialien sind bekannt und bestehen im allgemeinen aus dünnen porösen Strukturen mit Porositäten zwischen etwa 50-80 Vol.%. Sie sind verhältnismässig zerbrechlich und werden für gewöhnlich mit zahlreichen Arten von mechanischen Trägern oder Verstär-

130020/0892

kungen verwendet. Die Stromungsdurclisätze von Flüssigkeiten durch diese Membranen je Flächeneinheit sind von der Porengrösse abhängig und nehmen mit abnehmender Porengrösse ab. Zur Erzielung hoher Strömungsdurchsätze durch Filter mit feinen Poren, z. B. von unter 1 Mikron, werden verhältnismässig grosse Filterflächen benötigt. Diese Filterflächen wurden bisher vorgesehen durch Anwendung von grossen einzelnen Filtern oder einer grossen Anzahl von parallelgeschalteten Einzelfiltern. Zur Verwendung bei kritischen Anwendungen, etwa bei der Sterilisierung, müssen solche Membranen und ihre Tragvorrichtung frei von Leckstellen oder Fehlern sein, die das Hindurchtreten von kleinen Teilchen oder Organismen ermöglichen.

Bisher wurden zahlreiche kleine Filter von Hand zur Parallelströmung mit tragenden Platten und der zugehörigen Vc dichtung zusammengebaut, anschliessend getestet und gegebenenfalls sterilisiert, und zwar häufig am Ort des Benutzers unter beträchtlichen Kosten und Unannehmlichkeiten. Die Vorgänge müssen wiederholt werden, wenn der Handzusammenbau den erforderlichen Tests nicht genügt. Die mechemischen Teile werden im allgemeinen gereinigt und wieder verwendet, wobei nur die Filter erneuert werden. Eine bisher in wegwerfbarem Kunststoff ausgeführte Anordnung wurde auch mit gegeneinander beweglichen Teilen mechanisch befestigt.

Einzelne grossflächige Membranfilter wurden eben oder zylindrisch getragen oder zur Anordnung in kompakten Gehäusen gefaltet. Die Halter für ebene Membranen sind für eine gegebene Filterfläche gross, sind für gewöhnlich nicht wegwerfbar und erfordern auch ein Zerlegen, Beinigen, Wiederzusammenbauen und Testen bei jedem Filterwechsel. Das Falten von zerbrechlichen Membranen erzeugt Spannungskonzentrationen an den Faltungsstellen, gestattet ein Biegen der zerbrechlichen Membranen bei Gebrauch , erfordert normalerweise zwischengeschaltete Strömungssiebe an einer oder beiden der stromauf- und stromab-

130020/0892

gelegenen Seiten, erfordert ein Einbetten und Klebstoffe zum Abdichten der Enden und einander überlappender Säume und erfordert eine beträchtliche Handarbeit. Da von Bedeutung für mögliche Fehler an den Falten, Säumen oder Enden wird manchmals ein gesonderter ebener Endfilter in Reihe mit den gefalteten Patronen verwendet als zusätzliche Sicherheit bei kritischen .Anwendungen, z. B. beim Sterilisieren von pharmazeutischen und intravenösen Flüssigkeiten. Zusätzlich erhöht die Anwendung einer Anzahl von unterschiedlichen Materialien bei der Konstruktion von gefalteten Patronen die Quellen für in das Filtrat gelangende extrahierbare Stoffe.

Hauptaufgabe der Erfindung ist die Schaffung von neuartigen Membranfilterpatronen, darin verwendeten neuartigen Bauteilen und eines neuartigen Verfahrens zum Binden und Siegeln einer Filtermembran an einem Träger. Weitere Aufgaben umfassen die Schaffung von neuartigen Filterpatronen, die wegwerfbar sind, die das Falten der Filtermembran vermeiden, die zur wirtschaftlichen Herstellung und zum leichten Test auf Unversehrtheit leicht automatisierbar sind, die eine minimale Anzahl von Materialien verwenden und die leicht in einer Vielzahl von Grossen unter Verwendung üblicher Teile vorgesehen werden können. Weitere Aufgaben und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung.

Die lösung dieser Aufgaben erfolgt erfindungsgemäss durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 6 bzw. 11.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäss einem Aspekt bildet die Erfindung eine Membranfiltereinheit aus zur Verbindung mit ähnlichen Filtereinheiten zu wegwerfbaren Stapeln, wobei sich die Filtereinheit auszeichnet durch eine zentrale öffnung für eine hindurchtretende axiale Flüssigkeitsströmung und durch einen dünnen aus Kunststoff bestehenden Träger mit einer an seiner oberen und un-

130020/0892

teren Oberfläche befestigten porösen Filtermembran, wobei jede der Oberflächen innere und äussere in Umfangsrichtung verlaufende Stege und dazwischen angeordnete Rippen aufweist, die im wesentlichen eine gemeinsame Ebene bilden, wobei jede Filtermembran ständig an die Oberfläche der Stege und der in der Ebene liegenden Rippen gesiegelt ist, und wobei jede tragende Oberfläche zwischen einer zentralen Öffnung und dem inneren Steg eine Verbindungseinrichtung aufweist zur Verbindung mit einer komplementären Verbindungseinrichtung einer darüberliegenden Membranfiltereinheit, wobei sich die Verbindungseinrichtung an wenistens einer der tragenden Oberflächen über die Oberfläche der angrenzenden Filtermembran hinaus erstreckt, wobei der Träger zwischen den Filtermembranen und der zentralen Öffnung gelegene innere Kanäle für Flüssigkeit aufweist und wobei die Öffnung und die Kanäle die einzigen Flüssigkeitswege durch die Membranfiltereinheit bilden. Vorzugsweise ist der Träger aus Kunststoffmaterial hergestellt und sind die FiItermembranen hiermit dadurch mechanisch verbunden, dass gelöstes Material vom Träger in die Membranporen eindringt, was im folgenden beschrieben wird.

Die Trägerkonstruktion kann in beliebiger Weise ein- oder mehrteilig erfolgen. Wenn der Träger aus einem Teil besteht, sind vorzugsweise der innere Steg und die Verbindungseinrichtung einer Trägerfläche gegenüber dem inneren Steg und der Verbindungseinrichtung der anderen Oberfläche gegenüber der Achse der zentralen Öffnung versetzt, wobei die inneren Kanäle des Trägers innerhalb des dazwischen liegenden versetzten Teils enden. Wenn der Träger aus zwei oder mehreren Teilen besteht, sind diese vorzugsweise miteinander verschweisst zur Bildung einer einteiligen Konstruktion aus einem einzigen Material, wobei eines der Teile beide äusseren Stege enthält, die zur Vermeidung von Leckverlusten flüssigkeitsdicht miteinander vereinigt sind.

Bei einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine wegwerfbare Filterpatrone vorgesehen mit einem Stapel der oben beschrie-

130020/0892

schriebenen Gütereinheiten, die einstückig und flüssigkeitsdicht an den Yerbindungseinriclitungen miteinander verbunden sind zur Bildung eines zentralen axialen Strömungskanals, der an einem Ende gegen Flüssigkeitsströmung abgedichtet ist und eine mit dem anderen Ende verbundene Ansehlusseinrichtung aufweist zur Verbindung mit einer Flüssigkeitsleitung, wobei die miteinander verbundenen Verbindungseinriclitungen benachbarte Filtermembranen in Abstand halten und dazwischen einen ausserhalb der Einheiten gelegenen Strömungskanal bilden. Die Einheiten haben vorzugsweise Träger aus demselben Kunststoffmaterial und sind durch Warm- oder Lösungsmittelschweissen an ihren Verbindungseinrichtungen miteinander verbunden. Die Eilterpatronen können in herkömmlichen Patronengehäusen verwendet werden mit einem Einlass und Auslass für Flüssigkeiten, die mit dem Umfang bzw. der zentralen Öffnung der Filterpatrone in Verbindung stehen. Der normale Strömungsweg für Flüssigkeiten durch die Filterpatrone erfolgt somit vom Umfang aus, zwischen den Filtermembranen benachbarter Filtereinheiten, durch die Filtermembranen und inneren Kanäle und in die zentrale öffnung. Eine umgekehrte Strömung bei etwas verringerten Drücken ist ebenfalls möglich, da die Filtermembranen mit den dazwischen liegenden tragenden Rippen und auch den Randstegen verbunden sind und auch gegen einen Rückdruck gut gehalten werden.

Alternativ können die Filterpatronen an ihren eigenen wegwerfbaren Gehäusen befestigt und abgedichtet sein, die Endkappen und ein mittleres Abstandsstück aufweisen können, wobei die Endkappen den Flüssigkeitseinlass und -auslass zur Filterpatrone bilden. Die Endkappen können identisch sein. Die Anzahl der Filtereinheiten in der Filterpatrone kann lediglich durch Ändern der Höhe des mittleren AbstandsStücks verändert werden. Vorzugsweise bestehen die Endkappen und das Abstandsstück des Gehäuses aus demselben Kunststoff wie die Filtereinheitträger und sind auch durch Schweissen miteinander verbunden und abgedichtet. Das heisst, dass nur zwei Materialien verwendet werden, nämlich das Kunststoffmaterial des

130020/0892

Träger und Gehäuses und das Material der Filtermembran. Es werden keine Klebstoffe, Vergussmassen, O-Ringe oder dgl. benötigt, wodurch extrahierbare Stoffe und mechanische Belastungen auf Grund der thermischen Ausdehnung und Zusammenziehung auf ein Minimum gebracht werden.

Gemäss einem dritten Aspekt umfasst die Erfindung ein neuartiges und vorteilhaftes Verfahren zum Abdichten eines mikroporösen Filters an den Rändern und an den dazwischen liegenden Rippen oder dgl. eines Trägers. Das Verfahren ist sicher und reproduzierbar, leicht automatisierbar und vermindert die Beschädigung des Filters und das Zusetzen des Filtervolumens. Das Verfahren zeichnet sich aus durch Verwendung eines Trägers, dessen Kunststoffmaterial von demjenigen des Filteraaterials abweicht, durch Absorbieren einer gegebenen Menge eines den Filter nicht lösenden Lösungsmittels für das Trägermaterial in die Poren des Filters, durch Berühren des Trägers mit dem angefeuchteten Filter, durch Aufrechterhalten der Berührucs während einer Zeit, die ausreicht zum Anlösen des Oberflächsrmaterials des Trägers und zum Eindringen eines Teils des Oberf ächenmaterials in die Poren des Filters, und durch Entfernen des Lösungsmittels, vorzugsweise durch Trocknen. Vorzugsweise werden die Filterporen mit Lösungsmittel ohne wesentlichen Oberflächenüberschuss gefüllt. Zweckmässig kann der Filter mit überschüssigem Lösungsmittel gesättigt und zum Entfernen des Überschusses gedreht werden. Zwischen dem Träger und dem Filter ist nur ein minimaler Berührungsdruck erforderlich, was eine mechanische Beschädigung der Filtermembran vermeidet.

Der Aufbau des resultierenden Filters mit Träger unterscheidet sich in überlegener Weise von Aufbauten, die durch herkömmliche Techniken erhalten werden, bei denen Wärme, Lösungsmittel oder Klebstoff auf den Träger aufgebracht werden. Durch das Verfahren dringt der Trägerkunststoff nur in die über den Rippen oder dgl. befindlichen Membranporen ein

1 30020/0892

BAD ORIGINAL

ohne bedeutende seitliche Ausbreitung, die die Filterfläche verschliesst. Der eingedrungene Kunststoff braucht sich nicht (und tut dies normalerweise auch nicht) durch die Filtermembran erstrecken, wodurch über den Rippen entfernt hiervon gelegene Teile mit schräg durch die Filtermembran verlaufenden Kanälen freigelassen werden- Die gegenwärtige Erfahrung z. B. zeigt, dass bei gegebenem Fluid, Druck und Tragkonstruktion das Vorgehen nach der Erfindung den Strömungsdurchsatz nur um etwa 15 % verringert. Die Bippen haben zur Verminderung der Berührung vorzugsweise eine gekrümmte Oberfläche.

Das neuartige Verbindungsverfahren ist bei jeder Tragkonstruktion mit feinen Trageigenschaften anwendbar, wie sie z. B. in den US-PS 3 854- 907, 3 730 353 und 3 ^-71 019 gezeigt ist. Bisher wurden aus Gründen des Verschlusses, der Kontrolle und dgl. fein verrippte oder gesickte Träger nicht mit den Filtern verbunden (verklebt). Das Verbinden durch das hier beschriebene Vorgehen ist praktisch und kann einen bedeutenden Rückstromschutz gegen Druckstösse vorsehen und in einigen Fällen das Erfordernis von Rückschlagventilen vermeiden. Die vorliegende Technik ist auch zweckmässig anwendbar beim Aufschichten von Membranen auf Kunststoffasernträgern, etwa gewebtem Stoff oder ungewebtem Filz mit Spunbonded-Filamenten zur Verstärkung.

Die Erfindung betrifft kurz zusammengefasst neuartige Membranfiltereinheiten, die sich zum Stapeln und Verbinden zu einstückigen, wegwerfbaren Patronen eignen und wahlweise ein einstückiges wegwerfbares Gehäuse aufweisen. Die Membranfiltereinheiten haben einen dünnen Kunststoffträger mit ebenen Membranen, die mit ihren oberen und unteren Flächen ständig verbunden sind. Der Träger hat eine zentrale Öffnung, einen dichtenden Rand und auf jeder Oberfläche innere und äussere in Umfangsrichtung verlaufende Stege mit dazwischen angeordneten Rippen oder ähnlichen Vorsprüngen, wobei die Filtermembranen mit den Stegen und Rippen verbunden und darauf abgedichtet sind. Jede an die zentrale Öffnung angrenzende

130020/089 2

Trägeroberfläche hat eine in Umfangsrichtung verlaufende Verbindungs- und Abstandseinriehtung zum im Abstand erfolgenden Verbinden aufeinander gestapelter Membranfiltereinheiten. Es ist auch ein neuartiges Verfahren zum Verbinden einer Filtermembran mit einem !Präger angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Filterpatrone nach der Erfindung ;

Fig. 2 eine Seitenansicht der !Filterpatrone von Fig. 1;

Fig. 3 einen senkrechten diametralen Schnitt durch die Filterpatrone von Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine vergrösserte teilweise Draufsicht auf einen Teil eines zweiteiligen Filterträgers nach der Erfindung;

Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche teilweise Draufsicht auf den zweiten Teil des zweiteiligen Trägers;

Fig. 6 einen Schnitt 6-6 von Fig. 4;

Fig. 7 einen Schnitt 7-7 von Fig. 5;

Fig. 8 einen Schnitt 8-8 von Fig. 4;

Fig. 9 einen Schnitt 9-9 von Fig. 5;

Fig.10 einen der Fig. 6 und 7 ähnlichen Schnitt der beiden Teile im zusammengebauten Zustand zusammen mit gestrichelt dargestellten darüberliegenden Filtereinheiten ;

Fig.11 einen der Fig. 8 und 9 ähnlichen Schnitt der zusammen-

130020/0892

gebauten beiden tragenden Teile;

Fig.12 eine verkleinerte teilweise Draufsieht der Rückseite des Tragteils von Fig. 4;

Fig.13 eine verkleinerte teilweise Draufsient der Rückseite des Teils von Fig. 5,

Fig.14 einen der Fig. 3 ähnlichen diametralen senkrechten Schnitt einer Filterpatrone nach der Erfindung eingebaut in einem herkömmlichen nicht wieder verwendbaren Patronenhalter;

Fig.15 eine teilweise Draufsicht auf einen alternativen einteiligen Filterträger;

Fig.16 eine teilweise Draufsicht der Rückseite des Trägers von Fig. 15;

Fig.17 einen teilweisen Schnitt 17-17 von Fig.15.

Fig. 1 bis 3 zeigt eine in sieh geschlossene Filterpatrone

2
mit beispielsweise 500 cm Filterfläche. Die Filterpatrone enthält ein Gehäuse 20 mit einer oberen Endkappe 22, einer unteren Endkappe 24 und einer dazwischen befindlichen Abstandshülse 26. Die Endkappen 22 und 24 und die Abstandshülse 26 bestehen vorzugsweise aus demselben Kunststoffmaterial und sind bei 28 und 30 durch Wärme oder Lösungsmittel aneinandergeschweisst. Die Endkappen 22 und 24 haben eine Endfeder, während das Abstandsstück 26 die komplementären Nuten aufweist. Die Endkappe 22 ist mit einem Anschluss 32 versehen zur Verbindung mit einer Auslassleitung ,einer Rohrleitung oder dgl., die an der Schweißlinie 34 mit der Endkappe, verschweisst ist. Unterhalb des Anschlusses 32 hat die Endkappe 22 einen konzentrischen Ring 36 zur Verbindung mit einer Filtereinheit 38, was im folgenden vollständiger beschrieben ist. Der Ring 36 und der Anschluss 32 ha-

130020/0892

ben eine Verbindungseinriehtung zur Verbindung eines Stapels von Filtereinheiten oder Scheiben 38 im Gehäuse 22 mit einer nicht gezeigten Auslassleitung.

Eine Entlüftung 40 beliebiger Bauart befindet sich in der Endkappe 22 und ermöglicht die Entlüftung des Gehäuses beim Anfahren. Dieses kann z. B. ein handbetätigtes Öffnungsventil enthalten, das zum Entlüften geöffnet und danach geschlossen wird. Die Entlüftung 4-0 ist mit einer abnehmbaren Kappe 41 versehen.

Die Endkappe 24- gleicht der Endkappe 22 und ist mit einem an der Schweisslinie 44 hiermit verbundenen Einlass 4-2 versehen. Die Endkappe 24- kann gegebenenfalls mit einer Entlüftung 40 versehen werden und ist sonst mit der Endkappe 22 identisch. Eine Entlüftung an jedem Ende des Gehäuses gestattet die Verwendung der Filterpatrone mit irgendeinem oben befindlichen Ende. Die Endkappe 24· hat einen dem Ring 36 ähnlichen Ring Der Ring 36ist jedoch nicht mit dem inneren Stapel von FiIterscheiben 38 verbunden. Stattdessen ist an die unterste Filterscheibe 38 eine mit äusseren Rippen 49 oder dgl. versshene Endkappe 48 gesiegelt, die auf den Innenumfang des Rings 46 ruht zur Verhinderung einer Abdichtung gegen eine Einlassströmung.

Bei Gebrauch tritt eine zu filternde Flüssigkeit in den Einlass 42 ein, strömt um den Aussenumfang des .Stapels aus Filtereinheiten 38, tritt in die dazwischen befindlichen Räume ein und tritt durch einen zentralen Kanal innerhalb des Stapels durch die Filter hindurch, aus denen das Filtrat aus dem Anschluss 32 zur Auslassleitung austritt.

Eine Ausführungsform der Filtereinheit 38 ist in Fig. 4 bis 13 dargestellt und enthält zwei ineinander passende Teile 50 und 52. Der Teil 50 enthält einen flachen scheibenförmigen Abschnitt 54 (Fig. 13), der konzentrische abstehende Rippen

130020/0892

enthält und mit radial abgeschnittenen Kanälen 58 unterhalb der Rippen 56 versehen ist. Der Teil 50 hat einstückig mit der Basis oder dem Abschnitt 54· ausgebildet einen massiven Rand 60 mit oberen und unteren ebenen Stegen 62 und 64. Der Teil 50 ist auch mit einem inneren in Umfangsrichtung verlaufenden Steg 66 versehen. Der innere Steg 66 und der äussere Steg 64 bilden zusammen mit den Flächen der dazwischen liegenden Rippen 56 eine gemeinsame Ebene, mit der eine FiItermembran 68 in noch zu beschreibender Weise verbunden ist. Beide Teile 50 und 52 haben zentrale Öffnungen 70 bzw. 72 für eine hindurch erfolgende axiale Strömung von Flüssigkeit. Zwischen der Kante der Öffnung 70 und dem inneren in Umfangsrichtung verlaufenden Steg 66 hat der Teil 50 eine abstehende in Umfangsrichtung verlaufende Verbindung seinr ichtung 74· zum ständigen Verbinden mit einer komplementären Verbindung einer darüberliegenden Filtereinheit 38 zum Verriegeln der beiden Einheiten miteinander und zum im Abstand halten ihrer angrenzenden Filtermembranen derart, dass zwischen ihnen eine Flüssigkeit strömen kann. Die Verbindungseinrichtung 74- kann eine beliebig geformte Oberfläche haben, ist aber zweckmässig, wie dargestellt, an ihrer Oberfläche mit einer abstehenden Zunge oder Feder versehen.

Der Teil 52 passt gemäss Fig. 10 und 11 in den Teil 50 und ist hiermit ständig verbunden zur Bildung eines einteiligen Trägers für Filtermembranen 58, die mit dessen oberer und unterer Fläche zu verbinden sind. Der Teil 52 hat einen ebenen zentralen Abschnitt 60 (Fig. 12) ähnlich dem Abschnitt 54 des Teils 50 und ist auch mit abstehenden Rippen 82 und radialen Kanälen 84 versehen, die durch die Rippen 82 überbrückt sind. Der Teil 52 hat einen äusseren Rand 56, der in den Rand 60 des innerhalb des Stegs 72 befindlichen Teils 50 passt. Der Teil 52 hat einen inneren in Umfangsrichtung verlaufenden Steg 78, der bei Zusammenbau mit dem Teil 50 gemäss Fig. 10 und 11 mit dem Steg 62 und den Oberflächen der Rippen 82 eine gemeinsame Ebene bildet. Zwischen der Öffnung 72 und dem Steg 78 ist der Teil 52 mit einer abstehenden

130020/0892

— \ ( —

Verbindungseinrichtung 86 versehen, die eine zur Zunge oder Feder der Verbindungseinrichtung 74 des Teils 50 komplementären Nut aufweist.

Wenn die Teile 50 und 52 zusammengebaut und miteinander verbunden sind, vorzugsweise durch Schweissen mit Wärme oder Lösungsmittel, ist ein einteiliger Träger 88 für Filtermembranen 68 gebildet. Die Filtermembranen 68, von denen sich je eine auf den oberen oder unteren Flächen des Trägers 88 befindet, sind mit den Stegen 66 und 64 und den Oberteilen der Rippen 56 ständig verbunden, während die Stege 62 und 68 mit den Oberflächen der Bippen 82 verbunden sind.

Gemäss Fig. 10 hat die fertiggestellte Filtereinheit 88 um die Öffnung 70, 72 eine Nabe mit der Verbindungseinrichtung 74 auf der einen Seite und der Verbindungseinrichtung 86 auf der anderen Seite, wobei beide Verbindungseinrichtungen zueinander komplementär sind. Gemäss der gestrichelten Darstellung in Fig. 10 sind ähnliche Filtereinheiten 38 darüber angeordnet und an ihren Verbindungseinrichtungen, vorzugsweise durch Losungsmittelschweissen, miteinander verbunden. Die Filtereinheiten 38 mit einem fertiggestellten Träger 88 und mit den beiden Filtermembranen 68 können zu Stapeln gewünschter Höhe miteinander verbunden und gemäss Fig. 3 innerhalb des Gehäuses 20 befestigt sein. Die Grosse der Filterpatrone kann durch Veränderung der .Anzahl von enthaltenen Filtereinheiten 38 und durch Verändern der Höhe des Abstandsstücks 26 verändert werden.

Die Kanäle 58 und 84 der Teile 50 bzw. 52 enden in Öffnungen 90 bzw. 92 an den zentralen Öffnungen 70 bzw. 72 der Teile 50 bzw. 52. Beim Einbau des Teils 52 in Teil 50 können die Kanäle 58 und 84 ausgefluchtet sein, was eine Ausfluchtung für die Öffnungen 90 und 92 ergibt, aber nicht erforderlich ist. Der Zwischenraum zwischen den Rippen 56 und 82 bildet gekrümmte Kanäle, durch die die durch die Filtermembranen 68 hindurchtretende Flüssigkeit zu den radialen Kanälen

130020/0892

58 bzw. 84 und dann durch die Öffnungen 80 und 82 in die zentrale Öffnung 7O₁ 72 der Filtereinheit 38 strömen kann. Diese Zwischenräume zwischen den Rippen und den radialen Kanälen bilden innere Durchtritte für die Flüssigkeit, die durch die Filtermembranen 68 zur zentralen Öffnung 70, 72 strömt, von der aus das Filtrat axial zum Anschluss 32 und zu einer Auslassleitung strömt. Vorzugsweise bestehen alle Teile der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Filterpatrone mit Ausnahme der Filtermembranen 68 aus einem gemeinsamen Kunststoffmaterial, z. B. Polycarbonat, und sind durch Wärme oder Lösungsmittel zu einer starren einteiligen Konstruktion zusammengeschweisst. Die resultierende Filterpatrone kann sterilisiert und in einer in Reihe erfolgenden Filteranwendung verwendet, weggeworfen und mit einem Minimum an Kebenzeit, Arbeit und Unannehmlichkeit leicht ersetzt werden. Während Klebstoff oder andere ständige Bindemittel zum Zusammenbauen der Teile der Filterpatrone angewendet werden können, wird, wie beschrieben, das Schweissen bevorzugt und kann durch automatisierte Vorgänge erfolgen. Eine derart zusammengebaute Filterpatrone besteht aus nur zwei Materialien, nämlich aus dem das Gehäuse und die Filterträger bildenden Kunststoff und dem Material der Filtermembran. Diese minimale Anzahl von Materialien vermindert nicht nur die hiermit verbundenen Kosten und Arbeitsvorgänge, sondern minimiert auch die extrahierbaren Materialien.

Die Filtermembranen 68 bestehen aus mikroporösen gegossenen Filmen oder miteinander verbundenen oder vliesförmigen Fasern mit einer Porengrösse von vorzugsweise weniger als etwa 25 Mikron. Derartige Filtermembranen und Verfahren zu ihrer Herstellung aus einer Vielzahl von polymeren Materialien sind bekennt. Dadurch, dass die Filtermembranen eben sind, keine Falten aufweisen und zwischen ihren Umfangsrändern mit tragenden Rippen verbunden sind, sind sie gegen eine Strömung in beliebiger Richtung gut verankert und nicht den Belastungen des Faltens oder Biegens während des Gebrauchs unterworfen.

130020/0892

Die Filtermembranen 68 können in beliebiger Weise mit den Trägern 88 verbunden werden. Gemäss der Erfindung wird gedoch ihre Verbindung durch das folgende Vorgehen bevorzugt. Eine gegebene Menge eines Lösungsmittels für das Kunststoffmaterial des Trägers, das für die Filtermembran kein Lösungsmittel ist, wird in den Membranporen aufgenommen. Die Filtermembran wird leicht auf die Stege und Eippenflachen des Trägers gedrückt. Das Lösungsmittel löst das Kunststoffmaterial, vorzugsweise ein Thermoplast, des Trägers auf und saugt Teile hiervon in die über den Flächen der Stege und Rippen liegenden Membranporen, jedoch nicht wesentlich in die zwischen den Rippen befindlichen Strömungskanäle. Hierdurch wird eine feste Verankerung mit einem Minimum an Verschluss des Filtervolumens vorgesehen. Eine gegebene Lösungsmittelmenge kann vorgemessen und aufgebracht werden und verteilt sich durch Kapillarität über die Membran. Es wurde jedoch vorzugsweise als zweckmässig gefunden, die Membran zu drehen, um überschüssiges Lösungsmittel auf die Filtermembran aufzutragen und diesen Überschuss durch Fliehkraft zu entfernen. Dieses Vorgehen sättigt die Membranporen im wesentlichen ohne Überschuss und ist leicht zu automatisieren. Nach einer leichten Berührung, die ausreicht zum Saugen des Kunststoffs in die Membranporen wird die Filtermembran getrocknet. Dies ist kein kritischer Vorgang. Ein normales Lufttrocknen nach einer Verweilzeit von 60 Sekunden oder weniger hat sich als geeignet herausgestellt. Für die bevorzugten Materialien reicht eine Verweilzeit von 3 Sekunden aus. Jedes geeignete Lösungsmittel für einen Kunststoff enthaltenden Träger 88 kann verwendet werden.

Ein sorgfältiges Testen hat erwiesen, dass der obige Verbindungsvorgang die Filtermembran. flüssigkeitsdicht gegen Flüssigkeitsströmung mit Ausnahme durch die Membran bindet oder anklebt. Es wurde auch gezeigt, dass die durch den Flüssigkeitsstrom verschlossene Fläche der Filtermembran wesentlich kleiner als bei der Verwendung anderer Verbindungstechniken ist, z. B. durch unmittelbares Auftragen des Lösungsmittels auf den Trägerkunststoff durch die Anwendung

130020/0892

von Wärme und Druck. Die resultierende Bindung ist wenigstens teilweise mechanisch, wobei Querschnitte durch derartige Filtermembranen Fortsetzungen des Trägermaterials zeigen, das die an den Träger angrenzenden Porenabschnitte füllt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen der Träger und das Gehäuse 20 aus Polycarbonat, während die Filtermembran 68 aus einem gegossenen Polyvinylidenfluorid besteht. Die Filtermembran wird durch Lösungsmittel mit ihrem Träger verschweisst, die Filtereinheiten werden an ihren Verbindungseinrichtungen verschweisst, während die Gehäuseteile durch Lösungsmittel miteinander verschweisst sind, wobei Trichloräthylen als Lösungsmittel verwendet wird. Die Anschlüsse an den Endkappen 22 und 24 sind durch Anwendung von Ultraschall mittels Wärme vorgeschweisst. Es können andere geeignete Materialien verwendet werden.

Eine alternative Filterpatrone aus gestapelten Scheiben oder Filtereinheiten 38 ist in Fig. 14 gezeigt und befindet sich in einem wieder verwendbaren Patronenhalter 106 herkömmlicher Auslegung. Die Filterpatrone enthält mehrere Filtereinheiten 38, die an ihren Verbindungseinrichtungen miteinander verbunden sind zur Bildung eines zentralen axialen Strömungskanals, der durch eine hiermit verbundene Kappe 100 an seinem unteren Ende verschlossen ist. Das obere Ende des zentralen Strömungskanals ist mit einer Verbindungseinrichtung 102 versehen, die einen mit einer O-Eingdichtung 104 versehenen hohlen Zylinder aufweist. Der Patronenhalter 106 hat eine Kappe 112 mit einem Einlass 108 für einen Zutritt von Flüssigkeit zum Umfang der Filtereinheiten 38, und hat einen Auslass 110 sowie eine Basis 114. Die Basis 114 und die Kappe 112 haben ineinander passende Gewinde 116, die an einem O-Eing 118 abdichten. Es können andere geeignete Dichtmittel verwendet werden. Zur Sterilisierung von Fluiden wird ein herkömmliches Gehäuse aus nicht-rostendem Stahl mit einer Dichtung und einer äusseren Klemme bevorzugt. Die

130020/0892

Kappe 112 ist unterhalb des Einlasses 110 zur Aufnahme der Terbindungseinrichtung 102 ausgenommen, wobei die Wände der Ausnehmung zur Bildung einer Flüssigkeitsdichtung mit dem O-Ring 104 zusammenarbeiten«

Ein alternativer einteiliger Träger 150 für eine Filtereinheit nach der Erfindung ist in I¹Xg. 15 bis 17 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform hat die Scheibe an ihrem, äusseren Umfang einen Rand 120, der an seiner oberen und unteren Oberfläche mit Stegen 122 und 124- versehen ist. Es sind in Umfangsrichtung verlaufende innere Stege 126 und 128 vorgesehen, die mit den in Umfangsrichtung verlaufenden äusseren Stegen 122 bzw. 124 gemeinsame Ebene bilden, mit denen die Filtermembranen in der oben beschriebenen Weise verbunden sind. Zwischen den Stegen 122 und 126 sind Rippen 130 vorgesehen. In ähnlicher Weise sind zwischen den inneren und äusseren Stegen 124 und 128 auf der gegenüberliegenden Fläche des Trägers Rippen 132 vorgesehen. Die Rippen 130 und 132 sind über der Trägerfläche regelmässig verteilt und schneiden sich vorzugsweise unter einem Winkel von 90 zur Bildung einer Gitterstruktur, durch die Flüssigkeiten strömen können.

Der in Umfangsrichtung verlaufende innere Steg 128 ist radial versetzt und liegt innerhalb des Stegs 126, wobei sich die Rippen 130 dazwischen durch den Spalt erstrecken zur Bildung eines strukturellen Trägers und von Flüssigkeitskanalen in die zentrale Öffnung 134. Zwischen der zentralen Öffnung 134 und den Stegen 126 und 128 sind Verbindungseinrichtungen 136 bzw. 138 vorgesehen. Die Verbindungseinrichtungen 136 und 138 haben im wesentlichen ebene äussere Oberflächen, die sich über die Oberfläche der hiermit verbundenen Filtermembranen hinaus erstrecken. Die Tragscheiben können abwechselnd zueinander verkehrt gestapelt werden, wobei die Verbindungseinrichtungen 136 benachbarter Tragscheiben zur ständigen Verbindung mit den Verbindungseinrichtungen 138 einer weiteren drüberliegenden Trägerscheibe in Verbindung stehen. Alternativ können zwei Sätze von Trägerscheiben vorgesehen sein, die

130020/0892

mit der Ausnahme identisch sind, dass eine Trägerscheibe eine mit einer Zunge oder leder versehene Verbindungseinrichtung aufweist, während die andere Trägerscheibe eine mit einer komplementären Nut versehene Verbindungseinrichtung aufweist. Der alternative Träger von Pig. 15 bis 17 kann in Stapeln verbunden sein zur Bildung eines zentralen Strömungskanals und aufgenommen in seinem eigenen wegwerfbaren Gehäuse oder, wie oben beschrieben, in einem herkömmlichen wieder verwendbaren Gehäuse.

Während die Verbindungseinrichtung an den Oberflächen der Filtereinheiten 38 und die Träger 150 zweckmässig sich jeweils von der Oberfläche der Scheibe über die angrenzende Membran hinaus erstrecken können, zur Bildung eines Abstands zwischen benachbarten Scheiben, kann eine Kupplungseinrichtung hiervon die gesamte oder den grössten Teil der gewünschten Höhe oder des gewünschten Abstands vorsehen.

Während die Filterträger im vorliegenden zweckmässig und der Klarheit wegen als rund beschrieben sind und innere und äussere in Umfangsrichtung verlaufende Stege aufweisen, können die Träger jede andere geeignete Form, z. B. oval oder vieleckig, haben, wobei derartige Formen in den obigen Ausdrucken mit eingeschlossen sind. Während die zentrale Strömungsöffnung und der Patronenkanal vorzugsweise rund und axial angeordnet ist, kann in ähnlicher Weise diese Öffnung gegebenenfalls aussermittig verlaufen oder andere Formen haben. Auch soll der hier verwendete Ausdruck "Eippen" jede beliebige feine kontinuierliche oder unterbrochene Tragkonstruktion umfassen, die zum Vorsehen eines mechanischen Trägers für die Filtermembran von Nutzen ist und Strömungswege für die durch die Filtermembranen hindurchtretenden Flüssigkeiten vorsieht. Zusätzlich zu den dargestellten unterbrockenen oder kontinuierlichen Eippen, können z. B. ausgefluchtete oder zufällig angeordnete abstehende Sicken von beliebigem Querschnitt verwendet werden.

130020/0892

Die Erfindung ist von Nutzen in Verbindung mit faserhaltigen oder gegossenen mikroporösen und ultrafiltrierenden Membranen mit einer Porengrösse von kleiner als etwa 25 Mikron, vorzugsweise kleiner als etwa 1 Mikron. Die Erfindung kann als Vorfilter oder als Endfilter für Blut, Bakterien oder dgl. verwendet werden. Sie ist insbesondere von Nutzen als Sterilisiereinheit für Flüssigkeiten. Bei Gebrauch als Endfilter können in den Filterpatronen Vorfiltermaterialien enthalten sein zum Schutz der endgültigen Filtermembranen 68. Derartige grobe Filter können über den Filtermembranen 68 angeordnet sein, oder es kann ein Zylinder aus Vorfiltermaterial mit dem Umfang des Stapels aus Filtereinheiten verbunden sein, was in Fig. 3 bei 160 gestrichelt dargestellt ist. Gegossene mikroporöse Membranfilter werden bevorzugt.

Wie oben beschrieben, erleichtert das dreiteilige integrale Gehäuse von Fig. 1 bis 3 das Verändern der Patronengrösse. Gegebenenfalls kann jedoch das Abstandsstück 26 weggelassen werden, wobei die geeignet bemessenen Endkappen mit komplementären und unmittelbar miteinander zu verbindenden Rändern versehen sein können.

130020/0892

e e

54·

r s e

it

Claims

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ 800Q München 22 - Steinsdorfstr, IO 6o4-31.625P(31.626H) 5. Nov. 198o ■Ansprüche

1. Membranfiltereinlieit zur Verbindung mit ähnlichen Einheiten zu integrierten wegwerfbaren Stapeln, gekennzeichnet

- durch eine zentrale öffnung (70, 72) für eine hindurchtretende axiale Flüssigkeitsströmung und

- durch einen dünnen aus Kunststoff bestehenden Träger (88) mit einer an seiner oberen und unteren Oberfläche befestigten porösen FiItermembran (68),

- wobei jede der Oberflächen innere und äussere in Umfangsrichtung verlaufende Stege (66, 78; 62, 64) und dazwischen angeordnete Hippen (56, 82) aufweist, die im wesentlichen eine gemeinsame Ebene bilden,

- wobei jede Filtermembran (68) ständig an die Oberflächen der Stege (66, 78; 62, 64) und der in der Ebene liegenden Rippen (56, 82) gesiegelt ist,

- und wobei jede tragende Oberfläche zwischen einer zentralen Öffnung (70, 72) und dem inneren Steg (66, 78) eine Verbindungseinrichtung (74; 86) aufweist zur Verbindung mit einer komplementären Verbindungseinrichtung einer darüberliegenden Membranfiltereinheit,

- wobei sich die Verbindungseinrichtung (74) an wenigstens einer der tragenden Oberflächen über die Oberfläche der angrenzenden Eiltermembran (68) hinaus erstreckt,

- wobei der !Träger (88) zwischen den ELltermembranen (68) und der zentralen öffnung (70, 72) gelegene inne-

604-(MCA-107)

re Kanäle für Flüssigkeit aufweist und

- wobei die Öffnung (70, 72) und die Kanäle die einzigen Flüssigkeitswege durch, die Membranfiltereinheit bilden (z. B. Fig. 4 bis 13).

2. Membranfiltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Träger (88) aus zwei miteinander verbundenen Teilen (50, 52 ) besteht,

- wobei jedes Teil (50, 52) die Rippen (56, 82), den inneren Steg (66,78) und die Verbindungseinrichtung (74, 86) einer Oberfläche trägt, und

- wobei eines (50) der Teile (50, 52) eine.n abgedichteten äusseren Rand (60) trägt, der die äusseren Stege (62, 64) der beiden Oberflächen enthält (z. B. Fig. 4 bis 13).

3. Membranfiltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Träger (88) ein einteiliges Gussteil ist,

- dass der innere Steg (128) und die Verbindungseinrichtung (138) einer Oberfläche sich, im Abstand innerhalb des inneren Stegs (126) und der Yerbindungseinrichtung (136) der anderen Oberfläche befinden und

- dass die inneren Kanäle im Zwischenraum zwischen den jeweiligen inneren Stegen (126, 128) enden (Fig. 15 bis 17).

4. Membranfiltereinheit nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet,

- dass sich die Rippen (130) an einer tragenden Oberfläche über den Zwischenraum zwischen den beiden inneren Stegen (126, 128) erstrecken und

- dass die Spalte zwischen den verlängerten Rippen (130) einen mit der zentralen Öffnung (134) in Verbindung stehenden Teil der inneren Kanäle bilden (Fig. 17).

5. Membranfilter einheit nach, einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch, gekennzeichnet,

- dass der !Träger (88) aus einem von der Filtermembran· (68) abweichenden Kunststoffmaterial besteht,

- dass die Filtermembranen (68) hiermit durch das Kunststoffmaterial des Trägers (88) verbunden sind, das sich in die Poren der mit den Stegen (66, 78; 62, 64) und den dazwischen angeordneten Rippen (56; 82) in Berührung stehenden Filtermembran (68) hineinerstreckt, und

- dass die Poren der zwischen den Rippen (56, 82) befindlichen Filtermembranen (68) im wesentlichen frei vom Material des Trägers (88) sind (z. B. KLg. 4 bis 13).

6. Wegwerfbare FiIterpatrone mit mehreren Membranfiltereinheiten nach Anspruch 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Membranfiltereinheiten (38) an den Verbindungseinrichtungen (74, 86) ständig aufeinandergestapelt in Verbindung stehen zur Bildung eines zentralen axialen Strömungskanals für Flüssigkeiten,

- dass der zentrale Strömungskanal an einem Ende abgedichtet ist und eine Verbindungseinrichtung (36) aufweist, die mit dem anderen Ende zur Verbindung mit einer Flüssigkeitsleitung ständig verbunden ist, qnd

- dass die miteinander verbundenen Verbindungseinrichtungen (74, 86) benachbarte Filtermembranen (68) im Abstand halten zur Bildung eines dazwischenliegenden Strömungskanals für eine ausserhalb der Membranfiltereinheiten (38) befindliche Flüssigkeit (z. B. Fig. 3)·

7· Wegwerfbare Filterpatrone mit mehreren Membranfiltereinheiten nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Membranfiltereinheiten (38) an den Vörbindungseinrichtungen (74, 86) ständig aufeinander gestapelt in Verbindung stehen zur Bildung eines zentralen axialen Strömungskanals für Flüssigkeiten,

130020/0892

- dass der zentrale Strömungskanal an einem Ende abgedichtet ist und eine Verbindungseinrichtung (36) aufweist, die mit dem anderen Ende zur Verbindung mit einer Flüssigkeitsleitung ständig verbunden ist,

- dass die miteinander verbundenen Verbindungseinrichtungen (74-, 86) benachbarte Filtermembranen (68) im Abstand halten zur Bildung eines dazwischen liegenden Strömungskanals für eine ausserhalb der Membranfiltereinheiten (38) befindliche Flüssigkeit,

- dass der Träger (88) auf einem von der Filtermembran (68) abweichenden Kunststoff material besteht,

- dass die Filtermembranen (68) hiermit durch das Kunststoffmaterial des Trägers (88) verbunden sind, das sich in die Poren der mit den Stegen (66, 78 j 62, 64-) und den dazwischen angeordneten Rippen (56; 82) in Berührung stehenden Filtermembran hineinerstreckt, und

- dass die Poren der zwischen den Rippen (56, 82) befindlichen Filtermembranen (68) im wesentlichen frei vom Material des Trägers (88) sind (z. B. Fig. 3 bis 13).

8. Filterpatrone nach Anspruch 7»
dadurch gekennzeichnet,

- dass alle Teile der Filterpatrone mit Ausnahme der Filtermembranen (68) aus einem gemeinsamen Kunststoff bestehen und

- dass alle Teile einstückig miteinander verschweisst sind.

9. Filterpatrone nach Anspruch 7»
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Filterpatrone Filtermembranen (68) mit einer Porengrösse von etwa 1 Mikron aufweist und

- dass sich die Filterpatrone zur Sterilisierung von Flüssigkeiten eignet.

130020/0892

10. Filterpatrone nach. Anspruch 7»
gekennzeichnet

- durch ein Gehäuse (20) mit einer Endkappe (22; 24) für jedes Ende und mit einem dazwischen liegenden Abstandsstück (26),

- wobei das Abstandsstück (26) eine Eingriffseinrichtung (28, 30) für jede Endkappe (22, 24) aufweist und einstückig iarangeschweisst ist,

- wobei eine Endkappe (24) am abgedichteten Ende des zentralen Strömungskanals einen Einlass (42) für Flüssigkeit aufweist und

- wobei die andere Endkappe (22) eine Verbindungseinrichtung (36) aufweist, die mit dem anderen Ende des Strömungskanals verbunden ist (Fig. 3)·

11. Verfahren zum Verbinden eines Filters mit einem aus Kunststoff bestehenden Träger,

gekennzeichnet

- durch Aufnehmen einer gegebenen Menge an Lösungsmittel in den Poren des Filters, wobei das Lösungsmittel den Träger, jedoch nicht den Filter löst,

- durch Berühren des trockenen Trägers mit dem angefeuchteten Filter,

- durch Aufrechterhalten der Berührung bis das Lösungsmittel den Träger löst und einen Teil hiervon in die Poren einlässt und

- durch Entfernen des Lösungsmittels.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Poren des Filters ohne Überschuss im wesentlichen mit Lösungsmittel gefüllt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die überschüssige Flüssigkeit zum Füllen der Poren auf den Filter aufgebracht wird und

- dass der Überschuss durch Drehen der Membran entfernt

wird.

130020/0892