DE3708733C2

DE3708733C2 -

Info

Publication number: DE3708733C2
Application number: DE3708733A
Authority: DE
Inventors: Dieter 3420 Herzberg De Mantke; Hans-Weddo 3414 Hardegsen De Schmidt
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1986-04-25
Filing date: 1987-03-18
Publication date: 1993-07-29
Also published as: DE3708733A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Spanntrieb für eine Filter anlage für die Ultrafiltration und Mikrofiltration mit nach dem Cross-Flow-Prinzip aufgebauten und betriebenen Filter elementen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Filteranlagen sind bereits bekannt nach der DE-OS 31 27 548 und DE-OS 33 41 262. Die Spanntriebe sind als unelastische Verschraubungen ausgebildet.

Bei derartigen Filterelementen werden die flächigen Membranen in Form von Flachfilterzuschnitten durch Abstandshalter in Form von drainierenden Platten aus Kunststoff oder Gewebezuschnitte in Verbindung mit dünnen Kunststoffrahmen in Abstand gehalten und zumeist durch ein Dichtungsmittel zu einer Filterkassette vereinigt.

Für die Durchführung von Sterilfiltrationen ist es notwendig, daß vor Inbetriebnahme der Filteranlage diese einschließlich der Filterelemente sterilisiert wird. Dies kann bei derartigen Filterelementen nach dem Stand der Technik nur durch eine chemische Sterilisation In-Line oder aber durch eine Autoklavierung der Einzelelemente erfolgen. Für die Autoklavierung der Einzelteile in einem Autoklaven bei 120°C ist auch Voraussetzung, daß es sich bei den einzelnen Materialien um autoklavierbare Materialen handelt. Die In-Line-Sterilisation mit Hilfe chemischer Mittel ist nicht immer erwünscht, da nicht auszuschließen ist, daß Reste der chemischen Sterilisationsmittel im Filterelement verbleiben und das zu filtrierende Produkt kontaminieren. Die Sterilisation der Einzelteile im Autoklaven ist bei größeren Elementen, insbesondere der metallischen Gehäuseteile, nur bei sehr kleinen oder mittelgroßen Anlagen ohne Pumpe möglich aber arbeits aufwendig und umständlich, da die schwere metallische Einspannvorrichtung demontiert in den Autoklaven eingebracht und nachher wieder in den betriebsfertigen Zustand montiert werden müssen. Auch hierbei besteht die Gefahr der Sekundärkontamination.

Andererseits ist es nach dem Stand der Technik bei sogenannten Filterkerzen und Filterelementen mit Kapillar membranen möglich und üblich, diese Filterelemente in den einzelnen Filtergeräten In-Line mit Heißdampf zu sterili sieren. Dies ist möglich, weil bei beiden Filtertypen die Filterelemente keinem mechanischen Preßdruck ausgesetzt werden und eine mechanische Schädigung der einzelnen Materialien unter Temperatureinfluß ausgeschlossen ist.

Eine In-Line-Sterilisation mit Heißdampf bei den eingangs genannten Flachfilterelementen, die zwischen Endplatten bis zur Dichtlage einspannbar sind, konnte bisher nicht durchgeführt werden, weil sich unter dem Temperaturein fluß des Heißdampfes bei 120°C unter gleichzeitigem Druck die einzelnen Materialien dauerhaft verformen, so daß teilweise Strömungswege durch dauernd verformte Gewebe abschnitte oder Dichtungsmaterial blockiert werden. Auch bei dem Betrieb mit heißen Medien z.B. bei der Spülung der Filteranlagen mit Warmwasser mit einer Temperatur von 50-55°C oder bei der Sterilisation mit Heißwasser mit einer Temperatur von 80 bis 86°C machen sich die fehlenden Kompensationsmittel für die Längenausdehnung der Filter elemente nach dem Stand der Technik nachteilig bemerkbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen Spanntrieb zu schaffen, der es ermöglicht, Filteranlagen des eingangs genannten Typs und Gattung auch mit heißen Medien zu betreiben und bedarfs weise auch In-Line mit Heißdampf zu sterilisieren.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindungsgedanke ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Filteranlage mit Spanntrieb,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Spannbüchse in der Stellung für den Filtrationsbetrieb,

Fig. 3 ein entsprechender Schnitt in der Stellung für den Bedampfungsbetrieb,

Fig. 4a/b eine Graphik über die Abhängigkeit der Anpreß kräfte von der Betriebstemperatur beim Sterilisieren und Filtrieren.

Das kassettenförmige Filterelement 1 besteht in üblicher Ausbildung aus selektiv permeablen Flachfiltermembranen 2, Abstandshalter 3 in Form von drainierenden Platten oder Gewebeabschnitten aus Kunststoff und gegebenenfalls weiteren Dichtrahmen aus Kunststoff, die sämtlich aus Materialien gebildet sind, die mindestens bis zu 140°C temperaturbeständig sind. Das Filterelement 1 in Form von mehreren Filterkassetten ist zwischen einer beweglichen Endplatte 4 und einer festen Endplatte 5 mit den Fluidanschlüssen 6, 7, 8 und 9 eingespannt. Die be wegliche Endplatte 4 ist axial auf einem beide End platten 4, 5 verbindenden Gestell 11 verschieblich ge lagert. Mehrere dem Filtergerät zugeordnete Druck manometer 10 geben jeweils den im Filtersystem herrschen den aktuellen Fluiddruck an. Zur Abdichtung der ver schiedenen Strömungswege innerhalb des Filterelementes untereinander und zur Abdichtung der Anschlüsse im Filterelement nach außen hin muß bis zur Erreichung der Dichtlage ein entsprechender Anpreßdruck durch den Spanntrieb und die Spannbolzen auf die bewegliche Endplatte 4 ausgeübt werden. Im vorliegenden Ausführungs beispiel sind zwei Spannbolzen vorgesehen. Es ist auch üblich, mit einem zentralen Spindeltrieb oder mit mehr als zwei Spannbolzen zu arbeiten. Der für Laborgeräte nach dem Stand der Technik übliche unnachgiebige Spanntrieb ist hier durch eine Spannbüchse 13 realisiert, die aus zwei relativ gegeneinander beweglichen koaxialen Büchsenteilen 14, 15 besteht, die unter der Spreizkraft einer Spannfeder 16 stehen, wobei sich das eine Büchsenteil 15 mit seinem Innengewinde 17 auf dem Gewinde 17′ des Spannbolzens 12 abstützt und das andere äußere Büchsenteil 14 sich auf dem inneren Büchsenteil 15 und der beweglichen Endplatte 4 unmittelbar oder aber mittelbar über Distanzhülsen abstützt. Die Spannfeder 16 in Form einer Schraubenfeder ist koaxial zwischen den beiden Büchsenteilen 14, 15 eingeschlossen, die axiale Freigängigkeit der beiden Büchsenteile ist durch Endanschläge 19, 20 begrenzt. Die Größe der Freigängigkeit ist dabei dem Ausdehnungsver halten der Filterelemente 1 entsprechend angepaßt.

Das äußere Ende des inneren Büchsenteiles ist als Schlüsselkopf 18 ausgebildet und dient gleichzeitig dazu, daß sich die beiden Büchsenteile 14, 15 axial führen und dient als Verdrehsicherung.

Vorzugsweise ist zwischen dem einen Ende der Spann feder 16 und dem sich darauf abstützenden Büchsenteil 15 eine Gleitscheibe 22 aus PTFE angeordnet, um den Spanntrieb leichtgängig auszubilden.

Für den normalen Filtrationsbetrieb, bei dem im Filter system ein Fluiddruck von etwa 5 bar herrscht, wird das innere Büchsenteil 15 in die Position gemäß Fig. 2 verdreht, so daß die Federkraft der Spreizfeder 16 blockiert ist und beide Büchsenteile 14, 15 wie ein starres Teil wirken und die bewegliche Endplatte 4 verschieben können, wobei eine Anpreßkraft von 3120 kp erzeugt wird.

Für die In-Line-Bedampfung wird das innere Büchsenteil 15 in die in Fig. 3 gezeigte Position verdreht, so daß sich die Kraft der Spannfeder 16 entfalten kann und sich das äußere Büchsenteil 14 und damit auch die sich darauf abstützende bewegliche Endplatte 4 sich axial begrenzt verschieben kann, wie durch die Endanschläge 19, 20 festgelegt. Als Positionierungshilfe sind auf dem inneren Büchsenteil 15 Markierungen 21 vorgesehen.

Die Arbeitsweise der Anlage ist folgendermaßen. Die Anlage wird üblicherweise mit destilliertem Wasser im normalen Filtrationsbetrieb freigespült, wobei bei normaler Betriebstemperatur von etwa 20°C die Anpreßkraft etwa 3120 kp beträgt und die bewegliche Endplatte 4 etwa die in Fig. 1 und 2 dargestellte Position einnimmt. Im Anschluß hieran erfolgt die Beschickung mit Heißdampf von 120°C durch den Einlaß 6, der das gesamte Filterelement 1 durchströmt und aus den Auslässen 7, 8 und 9 austritt. Bei der Beschickung heizt sich das Filterelement 1 und die Endplatten 4, 5 langsam auf. Ohne Regelung, d.h. fest stehenden Endplatten würde die Druckerhöhung durch ther mische Ausdehnung zu einer peripheren Vergrößerung des Filterelementes und zur inneren Zerstörung führen. Die Spannbüchse 13 wird daher in die Position gemäß Fig. 3 eingestellt.

Wie aus Fig. 4a ersichtlich ist, steigt die Temperatur im Filterelement und Gehäuse nach der Spülphase von 20°C schnell auf die Sterilisierungstemperatur von 120°C an und wird dort in der Sterilisierungsphase längere Zeit gehalten. Die Abkühlung erfolgt konstant bis zur Betriebs temperatur von ca. 20°C für die anschließende Filtration.

Fig. 4b zeigt die gemäß Fig. 4a notwendige Korrektur der Anpreßkraft am Gerät. Die Einspannkraft während der Sterilisation wird durch die Spannbüchse 13 nach Fig. 3 konstant auf etwa 520 kp gehalten und später bis zur Dichtlage für den Filtrationsbetrieb auf ca. 3120 kp durch Einstellen der Spannbüchse 13 in Position nach Fig. 2 erhöht. Fig. 4b zeigt die temperaturabhängige Kraftänderung über die Zeit.

Die Dauer der Bedampfung beträgt z.B. 30 Minuten ent sprechend üblicher Sterilisationsvorschriften. Die bei steigender Temperatur entstehenden Wärmeausdehnungen der Materialien und das sich ändernde Elastizitätsmodul der einzelnen Materialien wird durch selbsttätige Verstellung der beweglichen Endplatte 4 über die Spannbüchse 13 kompensiert.

Nach erfolgter Bedampfung ist wieder die für die eigent liche Filtration notwendige Schließkraft zu erreichen, indem nach der Phase der Abkühlung der Anlage die Anpreßkraft durch Verstellen der Spannbüchse 13 wieder bis zur notwendigen Dichtlage erhöht wird.

Ist das Filterelement nicht für die In-Line-Sterilisation mit Heißdampf vorgesehen, sondern für den Betrieb mit Medien zwischen 50-96°C, kann der Spanntrieb darauf abgestimmte Federelemente und Federwege aufweisen, die den auftretenden Betriebsverhältnissen optimal angepaßt sind.

Claims

1. Spanntrieb für eine Filteranlage für die Ultrafiltration und Mikrofiltration mit nach dem Cross-Flow-Prinzip aufgebauten und betriebenen Filterelementen mit selektiv permeablen Flachfilterzuschnitten, die unter Verwendung von Abstandshaltern zu einem Filterstapel oder einer Filterkassette vereinigt und zwischen Endplatten mit Fluidanschlüssen zur Versorgung und Entsorgung von diese überströmenden Fluids dichtend einspannbar sind, wobei mindestens eine Endplatte mittels des Spanntriebes zur Erreichung der Dichtlage axial verschieblich an einem beide Endplatten verbindenden Rahmen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb mit heißen Medien, insbesondere für die In-Line-Sterilisation mit heißem Wasser oder Heißdampf bis etwa 120°C der Spann trieb durch mindestens eine sich am Gestell (5, 11) bzw. an dessen Spannbolzen (12) einerseits und an der beweglichen Endplatte (4) abstützenden Spannbüchse (13) aus zwei relativ gegeneinander beweglichen, koaxialen Büchsenteilen (14, 15) gebildet ist, die unter der Spreizkraft einer Spannfeder (16) stehen, wobei sich das eine Büchsenteil (15) auf dem Spannbolzen (12) abstützt und das andere Büchsenteil (14) sich auf dem anderen Büchsenteil (15) und der beweglichen Endplatte (4) abstützt und je nach Einstellung der beiden Büchsenteile (14, 15) zueinander die Spannfeder (16) in ihrer Aus dehnung blockiert oder zur Kompensation von Kraft änderungen im Filterelement begrenzt freigängig geführt ist.

2. Spanntrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannfeder (16) als Schraubenfeder ausgebildet ist, die zwischen beiden Büchsenteilen (14, 15) koaxial eingeschlossen ist.

3. Spanntrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das innere Büchsenteil (15) auf dem Gewinde (17′) des Spannbolzens (12) festgelegt und mit dem äußeren Büchsenteil (14) durch eine axiale Führung und Verdrehsicherung (18) gekuppelt ist.

4. Spanntrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem einen Ende der Spann feder (16) und dem sich darauf abstützenden Büchsen teil (15) eine Gleitscheibe (22) aus PTFE angeordnet ist.