DE3708734A1 - Verfahren zum betrieb einer filteranlage, welche mit unterschiedlich temperierten medien fuer die ultrafiltration und mikrofiltration nach dem cross-flow-prinzip beaufschlagt wird und filteranlage zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Filteranlage, welche mit unterschiedlich temperierten Medien für die Ultrafiltration und Mikrofiltration von nach dem Cross-Flow-Prinzip aufgebauten und betriebenen Filter­ elementen beaufschlagt wird und betrifft gleichzeitig derartige Filteranlagen, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, 2 und 5. Derartige Filteranlagen sind bereits bekannt nach der DE-OS 31 27 548 und DE-OS 33 41 262.

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, insbesondere der metallischen Gehäuseteile, ist nur bei sehr kleinen oder mittelgroßen Anlagen ohne Pumpe möglich aber arbeitsaufwendig und umständlich, da die schwere metallische Einspannvorrichtung demontiert in den Autoklaven eingebracht und nachher wieder in den betriebs­ fertigen 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 keinen mechanischen Preßdruck ausgesetzt werden und eine mechanische Schädigung der einzelnen Materialien unter Temperatureinfluß ausgeschlossen ist.

Eine In-Line-Sterilisation nit 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 sich 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 Fil­ tration mit erhöhten Temperaturen oder bei der Spülung der Filteranlage mit Warmwasser mit einer Temperatur von 50-55°C oder bei der Sterilisation mit Heißwasser mit einer Temperatur von 80-86°C machen sich die fehlenden Kompen­ sationsmittel für die Längenausdehnung der Filterelemente nach dem Stand der Technik nachteilig bemerkbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, Filteranlagen des eingangs genannten Typs und Gattung auch mit heißen Medien zu betreiben und bedarfsweise auch In-Line mit Heißdampf zu sterilisieren.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindungsgedanke ist am extremsten Beispiel einer Heißdampfsterilisation in einem Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Filteranlage mit Regeleinrichtung und

Fig. 2a/b eine Graphik über die Abhängigkeit der Anpreß­ drücke 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 einen beide End­ platten 4,5 verbindenden Gestell 11 verschieblich ge­ lagert und kann über einen mechanischen, motorisch betätigten Spindeltrieb oder aber wie hier dargestellt, durch ein hydraulisches Kolbenzylinderaggregat 10 mit Hydraulikpumpe P zur Erzeugung eines Anpreßdruckes verstellt werden.

Der Anschluß 6 bildet beispielsweise den Anschluß für das zu behandelnde Fluid Fl, welches die eine Seite der einzelnen Membranabschnitte 2 überströmt und aus dem Anschluß 9 austritt. Ein Teil des eingespeisten Fluides Fl durchdringt die Membranabschnitte 2, überströmt deren Rückseite und verläßt als Filtrat F 2 die beiden An­ schlüsse 7 und 8. Mindestens der stromabwärts am ent­ ferntesten von Fluideinlaß 6 liegende Anschluß 8 weist einen Temperatursensor 13 auf, der über eine elektrische Leitung 18 an eine vorzugsweise programmgestützte Regel­ einrichtung 16 angeschlossen ist. Bei größeren und axial sehr langen Filtrationsanlagen mit einer Vielzahl von kassettenförmigen Filterelementen 1 empfiehlt es sich, die Temperaturmessung durch mehrere Temperatursensoren 12, 14, die über Leitungen 17, 19 ebenfalls an die Regeleinrich­ tung 16 angeschlossen sind, an mehreren Stellen zu messen. Die Regeleinrichtung 16 ist ihrerseits über die Leitung 20 an die Hydraulikpumpe P und über die Leitung 21 an den Drucksensor 15 des hydraulischen Kolbenzylinderaggregats 10 angeschlossen.

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 der Anpreßdruck etwa 120 bar beträgt und die bewegliche Endplatte 4 etwa die in Fig. 1 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, was über die Temperatursensoren 12, 13, 14 gemessen und an die Regeleinrichtung 16 weitergeleitet wird. Ohne Regelung, d.h. feststehenden Endplatten würde die Druckerhöhung durch Temperaturausdehnung zu einer peri­ pheren Vergrößerung des Filterelementes und zur inneren Zerstörung führen.

Wie aus Fig. 2a 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 z.B. von ca. 20°C für die anschließende Filtration.

Fig. 2b zeigt die gemäß Fig. 2a notwendige Druckkorrektur am Gerät. Der hydraulische Einspanndruck während der Sterilisation wird konstant auf etwa 20 bar geregelt und später bis zur Dichtlage für den Filtrationsbetrieb auf ca. 120 bar erhöht. Fig. 2b zeigt die temperaturabhängige Druckänderung 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 geregelte Verstellung der beweglichen Endplatte 4 über die Hydraulikeinrichtung P 10 und Drucksensor 15 kompensiert.

Nach erfolgter Bedampfung ist wieder der für die eigent­ liche Filtration notwendige Schließdruck zu erreichen, indem in der Phase der Abkühlung der Anlage der Anpreßdruck wieder bis zur notwendigen Dichtlage erhöht wird.

Sinngemäß erfolgt die Regelung, wenn die Filteranlage aus dem Zustand der Normaltemperatur zwischen 10 und 20°C mit höher temperierten Medien zwischen 50 und 95°C z.B. mit Spülwasser, Sterilisationswasser oder zu filtrierenden heißen Medien betrieben wird.

Die vom Hersteller für das Filterelement 1 ermittelten Charakteristika können über ein elektronisches Programm­ modul oder über eine Programmtastatur in die elektronische Regeleinrichtung 16 eingegeben werden. Sinngemäß erfolgt die druck- und temperaturabhängige Regelung auch während des eigentlichen Filtrationsbetriebes, wenn z.B. mit höheren Temperaturen als 20°C filtriert wird, wobei über eine längere Betriebsdauer sich ändernde Parameter eben­ falls im Regelungsprogramm Berücksichtigung finden können.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betrieb einer Filteranlage, welche mit unterschiedlich temperierten Medien für die Ultra­ filtration und Mikrofiltration von nach dem Cross-Flow- Prinzip aufgebauten und betriebenen Filterelementen mit selektiv permeablen Flachfiltermenbranen beaufschlagt wird, die unter Verwendung von Abstandshaltern zu einen Filterstapel oder Filterkassette vereinigt sind und zwischen Endplatten mit Fluidanschlüssen zur Versor­ gung und Entsorgung der Filterflächen mit diese über­ strömendem Fluid dichtend einspannbar sind, wobei mindestens eine Endplatte mittels eines Spanntriebes zur Erreichung der Dichtlage axial verschieblich an einem beide Endplatten verbindenden Rahmen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage über mindestens einen Fluidanschluß (6) nit dem temperierten Medium beaufschlagt wird, daß gleichzeitig über einen in einem vom Medium beaufschlagten Strömungsweg der Filteranlage stromabwärts die Temperatur des Mediums oder dadurch entstandene Expansionsdrücke abgegriffen werden und der Anpreßdruck auf das Filterelement (1) in der Phase zunehmender Erwärmung des Filterelementes (1) und in der Phase der Abkühlung temperaturabhängig bis zur Dichtlage derart geregelt wird, daß der Anpreßdruck in Abhängig­ keit von der im Filterelement (1) herrschenden Tempe­ ratur jeweils innerhalb der Elastizität der das Filter­ element bildenden einzelnen Materialien bleibt.

2. Verfahren zum Betrieb einer Filteranlage, welche mit unterschiedlich temperierten Medien für die Ultra­ filtration und Mikrofiltration von nach dem Cross-Flow- Prinzip aufgebauten und betriebenen sowie autoklavier­ baren Filterelementen mit selektiv permeablen Flach­ filtermembranen beaufschlagt wird, die unter Verwendung von Abstandshaltern zu einen Filterstapel oder Filter­ kassette vereinigt sind und zwischen Endplatten mit Fluidanschlüssen zur Versorgung und Entsorgung der Filterflächen mit diese überströmenden Fluid dichtend einspannbar sind, wobei mindestens eine Endplatte mittels eines Spanntriebes zur Erreichung der Dichtlage axial verschieblich an einen beide Endplatten verbinden­ den Rahmen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Anlage über mindestens einen Fluidanschluß (6) In-Line mit Heißdampf von etwa 120°C derart beaufschlagt wird, daß sämtliche von Fluid durchströmbaren Strömungs­ wege der Endplatten (4, 5) und des Filterelementes (1) sterilisiert werden, daß gleichzeitig über einen in einem vom Heißdampf beaufschlagten Strömungsweg der Filteranlage stromabwärts die Temperatur des Heißdampfes oder dadurch entstandene Expansionsdrücke abgegriffen werden und der Anpreßdruck auf das Filterelement (1) in der Phase zunehmender Erwärmung des Filterelementes (1) zu Beginn der Sterilisation und in der Phase der Abkühlung nach der Sterilisation temperaturabhängig bis zur Dichtlage derart geregelt wird, daß der Anpreßdruck in Abhängigkeit von der im Filterelement (1) herrschen­ den Temperatur jeweils innerhalb der Elastizität der das Filterelement bildenden einzelnen Materialien bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums an der Auslaßseite (7, 8, 9) des Filterelementes (1) gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperatur des Mediums im Strömungs­ weg zwischen der Einlaßseite und der Auslaßseite des Filterelementes (1) gemessen wird und die Regelung des Anpreßdruckes aufgrund der Temperaturmessung an mehreren Stellen erfolgt.

5. Filteranlage, welche mit unterschiedlich temperierten Medien beaufschlagt wird, für die Ultrafiltration und Mikrofiltration von nach den Cross-Flow-Prinzip aufge­ bauten 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 der Filterflächen mit diese überströmenden Fluid dichtend einspannbar sind, wobei mindestens eine Endplatte mittels eines Spanntriebes zur Erreichung der Dichtlage axial verschieblich an einem beide Endplatten verbinden­ den Rahmen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, in dem vom jeweiligen Medium beaufschlagbaren Strömungsweg der Filteranlage mindestens ein Temperatursensor (12, 13, 14) angeordnet ist, der Spanntrieb für die bewegliche Endplatte (4) durch einen motorischen Stelltrieb (P 10) mit Drucksensor (15) gebildet ist und Temperatur­ sensor(en) (12, 13, 14) und Drucksensor (15) Teil eines den Anpreßdruck des Stelltriebes (P 10) temperatur­ abhängig steuernden Regeleinrichtung (16) bilden.