DE3805299A1 - Integralfilter zur abscheidung von fluidinhaltsstoffen und gehaeuse dafuer - Google Patents
Integralfilter zur abscheidung von fluidinhaltsstoffen und gehaeuse dafuerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Integralfilter mit spezifischer und
gestufter Abscheidecharakteristik für Fluidinhaltsstoffe
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches und ein
Filtergehäuse dafür.
Bei Kraftstoff- und Ölfiltern ist es bekannt (DE-OS
31 03 723, DE-OS 28 40 117 und US-PS 42 53 954), Zwischen
räume zwischen Filterelementen anzuordnen, um in einer
ersten Filterstufe abgetrennte Stoffe, z. B. Wasser oder ein
Erstfiltrat aus dem Zwischenraum abzuführen.
Die Begriffe Filtereinheit, Filterelement (Basis-Filter
element, Groß-Filterelement), Filtergehäuse und Filter
vorrichtung werden im Text zum Stand der Technik gemäß
folgender Definitionen verwendet:
Die Summe der filterwirksamen Einzelschichten, einschließ
lich der Schutzfilterschichten (Schutz bei Verarbeitung und
während des Einsatzes im Gerät) und Drainageschichten,
eines individuellen Filterelementes wird im Folgenden
FILTEREINHEIT genannt.
Eine mit Sicherheitsgliedern (z. B. Rückstausicherung und
Kern mit Filterkerzen) ausgerüstete Filtereinheit, die so
verarbeitet (z. B. Verguß der Stirnseiten, Anbringen von
Adaptern) wurde, daß sie direkt (als Basis-Filter
element) oder nach Zusammenfügen mehrerer Basis-Filter
elemente zu Groß-Filterelementen in ein Filtergehäuse
filtrationswirksam eingesetzt werden kann, wird im
Folgenden FILTERELEMENT genannt.
Eines oder mehrere Filterelemente werden in einem
FILTERGEHÄUSE eingesetzt und parallel geschaltet betrieben.
In einer Filtrationsvorrichtung werden z. B. mehrere
Filtergehäuse in Serie geschaltet. Mit entsprechenden
Armaturen, Peripheriegeräten und Medien- und Energiequellen
wird der Filtrationsprozeß gesteuert.
Bei der Erfindung handelt es sich z. B. um integrierte
rohrförmige Filterelemente für die Filtration der
verschiedensten Fluide (Flüssigkeiten und/oder Gase mit
diversen Inhaltsstoffen; von der echten über kolloidalen
Lösung über die Suspension, die Emulsion, das Aerosol, den
Rauch usw. bis hin zum Flüssigkeits- oder Gasgemisch).
Bei bekannten Filterelementen ist das Filtrationsziel
jeweils die Separation aller oder bestimmter Inhaltsstoffe
des Fluids. Je nach Anwendung sind das Permeat (Filtrat)
oder das Retentat (Konzentrat) oder auch beide von
Interesse.
Die Qualität und Quantität der Abscheidung steht im
direkten Zusammenhang mit den eingesetzten Filtermedien und
Filtrationsmethoden.
Die Filtermedien können adsorptiv, absorptiv, elektro
chemisch, chemisch, katalytisch und mechanisch (Tiefen-,
Siebwirkung) wirken. Solche Filtermedien gibt es heute in
vielfältiger Verwendungsform als Pulver, Granulat,
Stapelfaser oder monofiles Fasergewirr, Fäden, Planfilter
(Rundfilter, Bögen, Rollenware), Filtermatten, Filter
schichten und gesinterte, gefräste oder anders erzeugte
Filtrationskörper.
Man unterscheidet weiterhin zwischen Tiefenfiltern und
Siebfiltern. Erstere sind dadurch gekennzeichnet, daß die
Ausschlußgröße nicht absolut betrachtet wird und physika
lische Parameter die Separationsqualität entscheidend
beeinflussen. Zu den klassischen Siebfiltern zählen neben
definierten Geweben (im Gegensatz zu Vliesen) die
sogenannten Membranfilter der Abscheidequalität von Mikro
filtern, Ultrafiltern und Filter für die Reverse Osmose.
Zur Klasse der "dichten" Membranfilter zählen Filter zur
Gastrennung, Pervaporation, Ionenaustauschmembranen und
dergleichen.
Die Verwendung dieser Filtermedien hat in den letzten
Jahren sprunghaft zugenommen. Dies gilt insbesondere für
die Gruppe der Membranfilter, die heute so stabil
hergestellt und verarbeitet werden können, daß Filterele
mente mit ausreichender Filterfläche realisiert werden und
in Modulbauweise zu größerflächigen Systemen vereinigt
werden können. Diese werden häufig in Kombination mit
Tiefenfiltersystemen eingesetzt, wobei in den meisten
Fällen die Tiefenfilter in der oder den Vorfiltrations
stufen eingesetzt werden und die Aufgaben haben, das Fluid
so vorzureinigen, daß die Sicherheitsstufe(n) bzw. End
filtrationsstufe(n) wirtschaftlich eingesetzt werden
können.
Durch gestufte und spezifische Vorfiltration und entspre
chender Stufung in der Endfiltration läßt sich die
Standzeit (Durchflußleistung bis zur irreversiblen Ver
blockung) und somit die Wirtschaftlichkeit des Gesamt
filtrationssystems anwendungsbezogen optimieren. Der
Einsatzbereich der oben angesprochenen Filterelemente ist
sehr weit gestreut. Sie sind unerläßlich in der pharma
zeutischen, der Elektro- und Halbleiterindustrie, der
Biotechnologie, der Medizintechnik, der chemischen
Industrie, der Energie liefernden Industrie, beim Umwelt
schutz und in der Lebensmittelindustrie (Molkereien,
Getränke, Lebensmittelgrundstoffe).
Derartige rohrförmige Filterelemente, auch im Fachbereich
als Filterkerzen bezeichnet, sind in den verschiedensten
Ausführungsformen, in plissierter, gewickelter Form mit den
verschiedensten gestuften mehrlagigen Filtermaterialien
bekannt. Die nachfolgend aufgeführten Druckschriften zum
Stand der Technik bilden Beispiele für derartige Filter
kerzen:
DE-OS 19 50 068,
US-PS 34 52 877,
DE-AS 10 29 345,
DE-OS 33 18 940,
DE-OS 26 45 634,
GB-OS 21 52 471
US-PS 34 52 877,
DE-AS 10 29 345,
DE-OS 33 18 940,
DE-OS 26 45 634,
GB-OS 21 52 471
Bei der spezifischen Vorfiltration oder gestuften
Filtration wird heute so verfahren, daß verschiedene
Filtrationsstufen diskontinuierlich oder kontinuierlich
hintereinandergeschaltet werden. So wird zum Beispiel bei
der Herstellung von Wein häufig eine Grob- oder Fein
separation mittels Zentrifuge und eine diskontinuierliche
Weinschönung durchgeführt und anschließend der Wein über
einen sogenannten Schichtenfilter (offenes System mit
Schichtenfilterplatten in einer Schichtenfilterpresse oder
geschlossenes System mit lampionförmig angeordneten
"Tellern" aus Schichtenfiltereinheiten) filtriert bevor die
sogenannte End- bzw. Sterilfiltration über Membran
filterkerzen erfolgt. Durch unterschiedliche Dimensio
nierung der in Serie geschalteten Gehäuse und Variation der
Gehäusebestückung kann die Anzahl der jeweils notwendigen
Filtereinheiten aufeinander abgestimmt werden.
Der Nachteil derartiger spezifischer und gestufter
Filtration ist zum einen die Diskontinuität und zum anderen
die System- und Verfahrensvielfalt die eine Vielzahl von
Geräten, insbesondere Filtergehäusen, die die diversen
Filterelemente aufnehmen, erfordert. Mit jedem zusätzlichen
Gerät bzw. Gehäuse erhöht sich nicht nur der Platzbedarf
sondern erhöhen sich vor allem die Investitionskosten für
Geräte, Armaturen und Peripheriegeräte sowie die Kosten für
die Bedienung und Wartung (Rüstzeiten, Zeitbedarf für
Spülen, Benetzen, Prüfen, Sterilisieren, Reinigen). Die
Gefahr von Sekundärkontamination und Prozeßstörungen und
damit verbundenen Produktverlusten und/oder Produkt
schädigungen wächst überproportional.
Ein erster Versuch, die spezifische und gestufte Filtration
wirtschaftlicher zu machen, sind z. B. Filterkerzen in deren
Filtereinheit Tiefenfilter vor Membranfilter mehrlagig,
flächig übereinander angeordent sind und/oder Membranfilter
mit verschiedener Abscheidecharakteristik (Porengröße,
Cut-Off) in Serie innerhalb eines Elementes angeordnet
werden.
Ein Nachteil dieser Lösung ist z. B. im Falle von Plis
sierungen, daß die diversen filterwirksamen Schichten einer
Filtereinheit immer im Verhältnis 1 : 1 zusammenwirken.
Entsprechend schwierig ist es, Filtermedien zu finden, die
eine optimale Ausnutzung der Filterkapazität (alle
Schichten blockieren gleichermaßen) erlauben. Zum anderen
ist die Anzahl der maximal integral zusammenwirkenden
Schichten schon rein fertigungstechnisch begrenzt. Mit der
Zahl der in einer Filtereinheit zusammenwirkenden Filter
schichten wächst weiterhin das Risiko, daß bei Prüfung der
Filterwirksamkeit des Filterelementes bereits ein kleiner
Defekt einer einzelnen Filterschicht wertvolles, an sich
integeres Material, verworfen werden muß.
Weiterhin wird es mit zunehmender Anzahl der filter
wirksamen Komponenten immer schwieriger, die Wirksamkeit
der Einzelkomponente im Verband der fertigen Filtereinheit
zu überprüfen und die Prüfergebnisse zu interpretieren.
Am Beispiel plissierte Membranfilter kann diese Prüf
problematik erläutert werden.
Mikrofiltersysteme insbesondere zur Sterilfiltration werden
vor und nach der Filtration sog. Integritätstests unter
worfen, die die Filtrationssicherheit sicherstellen sollen.
Hierzu gehören der Bubble-Point bzw. Blasendrucktest, der
Druckhaltetest und der Diffusionstest. Diese Tests
korrelieren mit destruktiven Belastungstests, den sog.
Bacteria-Challenge-Tests, bei denen mit standardisierten
Testkeimen nach standardisierter Testmethode die Leistungs
fähigkeit von Membranfiltern bzw. Membranfilterprodukten
festgestellt wird.
Trotz Automatisierung dieser physikalischen Integritäts
prüfung birgt diese Art der Prüfung erhebliche
Unsicherheiten. Diese Unsicherheit wächst überproportional
mit der Vergrößerung der Filterfläche.
Große (individuell prüfbare) Filterflächen werden heute
dadurch erzeugt, daß kleinere Basiselemente individuell
geprüft und dann axial zu größeren Einheiten vereinigt
(verschweißt, verklebt, dichtend gesteckt . . .) werden.
Diese Groß-Filtereinheiten werden erneut einer Prüfung
unterworfen. Defekt geprüfte bzw. nicht funktionsfähige
Filtereinheiten werden verworfen.
Eine weitere Fläche (Leistungs-)vergrößerung erfolgt durch
Parallelschalten mehrerer solcher Groß-Filtereinheiten
(z. B. Mehrfachkerzen) in Großgehäusen.
Abgesehen von dem großen Prüfaufwand ist der große Nachteil
dieser Konzeption, daß trotz Automatisierung nur eine
Kollektivmessung durchgeführt wird, d. h. zwischen
individuellen Defekten einzelner Filterelemente in einem
Groß- bzw. Mehrfachgehäuse kann ebensowenig unterschieden
werden wie zwischen individuellen Defekten einzelner
Basiselemente aus denen ein Groß-Filterelement zusammen
gesetzt ist. Bei großen Flächen wird, abgesehen davon, daß
bereits bei niederigen Ausschußraten die Wirtschaflichkeit
nicht mehr gegeben ist, zumindest für den Druckhalte- und
Diffusionstest eine Interpretation des Testergebnisses
immer schwieriger und kritischer.
Bei diesen Methoden wird das Volumen des durch die Filter
einheit des zu testenden Filterelementes diffundierenden
Testgases bzw. der dadurch verursachte Druckabfall auf der
Anströmseite bestimmt. Das erlaubte Diffusions-Volumen
wächst theoretisch proportional mit der Filterfläche. Die
Praxis zeigt aber, daß dieses Diffusionsvolumen auch durch
andere Parameter wesentlich beeinflußt wird. Hierzu ge
hören Temperatur, Schichtdicke, Benetzungsverhalten, die
chemische Natur der Filtermedien, die chemische Natur der
Medien mit der die Filtereinheit verarbeitet wird. Das
Diffusionsvolumen setzt sich also aus den unterschied
lichsten Anteilen zusammen. Während durch echte Defekte
hervorgerufene Diffusion aufgrund der Größenordnung bei
kleinflächigen Systemen eindeutig erkannt werden können,
ist dies bei großflächigen Systemen nicht mehr möglich, da
erlaubte Diffusion und durch geringe aber schädliche
Defekte hervorgerufene Diffusion von gleicher Größen
ordnung sind. Dies ist auch der Grund dafür, daß eine
visuelle Bestimmung des Blasen-Punktes bei Großgehäusen
äußerst schwierig ist.
Es kann festgestellt werden, daß sich alle Vorschläge,
Filterelemente in einem Großgehäuse individuell und
wirtschaftlich zu prüfen, nicht durchgesetzt haben.
Bei nicht bestandenem Integritätstest und nach Betriebs
störungen während der Produktion (Filtration) ist es
deshalb häufig nötig, die Funktionsfähigkeit der einzelnen
Filterelemente zu prüfen. Hierzu müssen meist die Filter
gehäuse entleert, die Filterelemente ausgebaut und einzeln
geprüft werden. Mit der Zahl der Filtergehäuse wächst
natürlich der Zeit-, Personal- und Kostenaufwand und
gleichermaßen die Menge an Produktverlust und die Gefahr
der Produktbeschädigung und Sekundärkontamination.
Ein weiterer Nachteil von in verschiedenen Gehäusen in
Serie geschalteten Filtereinheiten bekannter Art ist, daß
bei Ausfall oder Defekt nur eines vorgeschalteten Elements
häufig das gesamte nachgeschaltete Filtergehäuse in Mit
leidenschaft gezogen wird, d. h. alle Elemente dieses
Gehäuses verblocken vorzeitig.
Große Filterflächen werden heute immer unerläßlicher, wenn
die Filtration als Separationsmethode wirtschaftlich bzw.
konkurrenzfähig bestehen will.
Neben der Abscheidequalität bestimmen drei Kriterien die
Wirtschaftlichkeit und Sicherheit von Filtrationssystemen:
- - Standzeit
- - Durchfluß pro Fläche und Zeit
- - Prüfbarkeit
Der Problemkreis Prüfbarkeit ist mehrfach beschrieben
worden.
Weiterhin wurde der Problemkreis Standzeit eingehend
erläutert. Anzumerken bleibt hier, daß heute vermehrt
versucht wird "blockierte" bzw. nicht mehr filter
wirksame Filtereinheiten zu regenerieren. Dies geschieht
z. B. durch Einsatz chemischer Reinigungsmittel, der
natürlich durch die chemische Kompatibilität des Systems
limitiert ist sowie durch Spülvorgänge mit wirksamen
Spülmedien in oder entgegen der Filtrationsrichtung.
Die Nachteile der Spülmethoden liegen darin, daß bei
Spülung in Filtrationsrichtung nachgeschaltete Filter
einheiten oder Vorrichtungen ungebühr belastet werden
können, wenn nicht apparativ aufwendig und meist auch kost
spielig By-Pass-Leitungen installiert werden. Andererseits
birgt die Rückspülung (entgegen der Filtrationsrichtung)
immer die Gefahr einer Zerstörung des Filterelementes. Dies
ist besonders kritisch an der Endstelle und sollte vor
allem vermieden werden können, wenn die Endstelle selbst
nicht verblockt ist sondern ein vorgeschaltetes Filter
element, welches nicht individuell angesteuert werden kann.
Der Problemkreis Durchfluß pro Zeit und Fläche ist
natürlich auch an die Abscheidecharakteristik, die Prüf
problematik und Standzeitproblematik gekoppelt. Meist wird
diese Problematik durch hohe frei zugängliche Fläche bei
entsprechender Dimensionierung und Gestaltung von Zu- und
Abläufen sowie der Strömungsführung gelöst. Im Falle der
Gasfiltration heißt dies bei handelsüblichen Filterkerzen
vergrößerter Kerninnendurchmesser (Flächenverlust!) und
viele Einzeleinheiten geringer Bauhöhe (Prüfbarkeit,
Gerätkosten!) auf einer Gehäuseebene.
Der Nachteil dieser Problemlösung ist kongruent zu den
obigen Ausführungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit
einfachen Mittteln die Nachteile der bekannten Filterein
heiten bzw. Filterelemente zu beseitigen, d. h. für die
spezifisch abgestufte Filtration (Mehrfachfiltration) einen
kompakten, den vorgegebenen Filtrationsraum in einem um
gebenden Gehäuse gut ausnutzenden und die verwendeten
Filtermaterialien optimal nutzendes Integralfilter zu
schaffen, welches gezielt Problemlösungen erlaubt,
wirtschaftlich herstellbar und bedienungsfreundlich ist,
ohne daß durch die Lösung der vorgenannten Teilaufgaben der
Integralfilter gegenüber gängigen Individual-Filter
elementen nach dem Stand der Technik eine Verschlechterung
bezüglich seiner möglichen Prüfbarkeit nach den verschie
densten Prüfkriterien erfährt und ohne daß eine Ver
schlechterung der Versorgungs- und Entsorgungsmöglichkeiten
des Integralfilters damit erkauft wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Haupt
anspruch angegebenen Merkmale gelöst, indem nämlich
mindestens zwei Filterelemente mit ihren Durchmessern so
abgestuft sind, daß der vom Rohrmantel umschlossene
Hohlraum des jeweils größeren Filterelementes (Haupt
filterelement) zur Aufnahme mindestens eines kleineren
Filterelementes (Subfilterelement) dient und mindestens
eines dieser mehreren Filterelemente ein auf Integrität
geprüftes oder prüfbares Filterelement (Integritätsfilter)
bildet. Dies bedeutet, daß ein vom Innenmantel umschlos
sener Hohlraum zur Aufnahme mindestens eines eigenständigen
Grund-Filterelementes dient, welches die nächstfolgende
oder parallel geschaltete Filterstufe bildet.
Durch die Anordnung eines Filterelementes in dem Filter
element läßt sich der Flächenbedarf der unterschiedlich
gearteten und unterschiedlich teueren Filterelemente dem
tatsächlichen Bedarf bei der Filtration der verschiedensten
Medien anpassen und zwar durch Kombination verschiedener
standardisierter Baueinheiten. Da die Filterelemente in den
einzelnen Filterstufen funktionsmäßig eigenständige Ele
mente bilden, können diese auch eigenständig beim Her
steller und auch beim Benutzer innerhalb eines gemeinsamen
Gehäuses in situ z. B. auf Integrität geprüft werden, wenn
entweder der Zwischenraum zwischen zwei Filterelementen
oder der innere Hohlraum individuell angesteuert bzw.
angeströmt und die Druckverhältnisse stromaufwärts oder
stromabwärts kontrollierbar sind oder bestimmte Filter
schichten so geschaltet sind, daß auch nachgeschaltete oder
vorgeschaltete Elemente individuell prüfbar werden. Dabei
ist es von Vorteil und ausreichend, daß innerhalb der ver
schiedenen Filtrationsstufen lediglich die Filterelemente
einer Filtrationsstufe, vorzugsweise die sogenannte
Sicherheits-Filtrationsstufe (Integritätsfilter) und
hierbei flächenmäßig kleinste Filterelemente, geprüft
werden. Der Ausschuß und Prüfaufwand kann durch Prüfung vor
dem Zusammenbau erheblich veringert werden. Durch Inte
gration diverser spezifisch und abgestuften Filterelemente
zu einem Integralfilter ist auch die Handhabung beim Ein-
und Ausbau in umgebende Großgehäuse aus Edelstahl
vereinfacht.
Der Erfindungsgedanke ist in mehreren Ausführungsbeispielen
anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch ein
Filtergehäuse mit eingesetztem Integralfilter
element nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Variante dazu,
Fig. 3 in schematisch vereinfachter Darstellung einen
Vertikalschnitt durch ein Filtergehäuse mit einem
Integralfilter aus vier Einzelfilterelementen in
Parallel- und Reihenschaltung der Filterelemente,
Fig. 4 in entsprechender Darstellung ein Gehäuse mit
Integralfilter aus vier Einzelfilterelementen in
Reihenschaltung der Filterelemente,
Fig. 5 bis 16 in schematisch und vereinfachter Darstellung
Querschnitte durch verschiedene Filterkombi
nationen bezüglich der Anzahl von Filterstufen,
Geometrien, Material und Filtertypen und
Fig. 17 bis 33 schematische Vertikalschnitte durch Gehäuse und
Integralfilter in mehreren Varianten für ver
schiedene Anwendungsfälle.
Ein für den Einsatz in der Getränkeindustrie unter Ver
wendung des erfindungsgemäßen Integralfilters F geeigne
tes Gehäuse aus Edelstahl besteht gemäß Fig. 1 aus der
Gehäudebasis 1 mit drei Anschlüssen A 1, A 2, A 3 für die
Versorgung und Entsorgung des auf Gehäusebeinen 5 abge
stützten Gehäuse 1 bis 12. Das glockenförmige Gehäuse
oberteil 2 mit einem Verstärkungskranz 8 ist unter
Zwischenlage von elastischen O-Ringdichtungen 23 mit Hilfe
von über den Umfang verteilt angeordneten Spannelementen 6
dichtend mit der Gehäusebasis 1 verbunden. Das Gehäuse
oberteil 2 hat an seiner höchsten Stelle einen Entlüftungs
stutzen 10 mit einer Ventilanordnung 11. Das Gehäuse
oberteil 2 kann mit Hilfe der Handgriffe 12 nach Lösen der
Spannelemente 6 ganz von der Gehäusebasis 1 entfernt
werden, so daß für die Bestückung und Entfernung des Inte
gralfilters F die Gehäusebasis 1 auch von innen her frei
zugänglich ist. Der zentral angeordnete Anschluß A 2 geht in
eine Gehäusedurchbrechung über, die den eigentlichen
Sterilraum 14 bildet und der nachfolgend näher beschriebene
Integralfilter F greift mit einem Verbindungsadapter 27 mit
Stutzen 15 mittels O-Ringdichtungen 23 in diese Gehäuse
durchbrechung ein. Mehrere über den Umfang der Gehäusebasis
1 angeordnete Verriegelungselemente 7 können mit Verriege
lungsnasen 30 am Verbindungsadapter 27 in Eingriff gebracht
werden, so daß der Integralfilter F insgesamt in axialer
Richtung verriegelt ist und gegen einen Rückstau aus den
Anschlüssen A 2 bis A 3 gesichert ist. Das Gehäuse 1, 2 hat
z. B. einen Innendurchmesser von 317 mm und eine Innenhöhe
von etwa 1300 mm, so daß ein Integralfilter von 260 mm
Durchmesser und 1050 mm Länge im Gehäuse positioniert
werden kann.
Die beiden Filterkerzen K 1 und K 2 sind bezüglich ihrer
Grundelemente mit Ausnahme ihrer Größe und Filtermate
rialien im wesentlichen aus einander entsprechenden Bau
elementen aufgebaut. Jede der beiden Filterkerzen K 1 und K 2
besteht aus einem ringförmigen, im Querschnitt U-förmigen
Stirnadapter 21, 21′ bzw. 20, 31, 20′, 31′ dem eigentlichen
rohrförmigen Filterelement F 1 bzw. F 2 die an den Stirn
seiten mittels Dichtungsmittel 22 mit den Stirnadaptern
21, 21′ und 20, 31, 20′, 31′ leckdicht verbunden sind. Gitter
förmige bzw. perforierte äußere Sicherungsglieder 24 bzw.
24′ und innere Sicherungsglieder 25 bzw. 25′ geben den
Filterkerzen K 1 bzw. K 2 bzw. den entsprechenden Filterele
menten F 1, F 2 die nötige radiale und axiale Stabilität für
die Druck- und Zugbelastungen, die während der Prüfung und
während des Filtrationsvorganges im Gehäuse 1, 2 auftreten.
Diese perforierten Sicherungsglieder 24, 24′ bilden aber
auch bei engster Anordnung der integrierten Filterkerze in
sich strömungstechnisch Zwischenräume Z, (Z 1-Z 4), die sich
mit Fluid (Gas oder Flüssigkeit) während des Betriebes der
Filtereinheit füllen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Stirnadapter 20, 31
der äußeren Filterkerze K 1 zweiteilig aufgebaut, d. h. der
ringförmige Stirnadapter 20 ist mit Hilfe einer aufge
schweißten Verschlußplatte 31 oder mit Hilfe eines
Verschlußadapters oberseitig verschlossen. Das Verschluß
element 31 (Verschlußadapter) kann auch als Einfüllöffnung
für nicht dargestellte Filterhilfsmittel dienen, welche in
den Zwischenraum Z 1 zwischen der Filterkerze K 1 und K 2 ein
lagerbar sind. Entsprechend hat der Stirnadapter 20′ ein
Verschlußelement 31.
Die beiden Filterkerzen K 1 und K 2 können natürlich
dieselbe Bauhöhe und eine gemeinsame Verschlußplatte 31
haben, wobei auch hier Zentrierungselemente und Nuten für
die Aufnahme von Schweiß- oder Klebemittel die Montage und
Integration erleichtern.
Der Anschlußadapter 27 hat auf seiner den Filterkerzen K 1,
K 2 zugewandten Oberseite ein Zentrierungselement 29, das in
den Zwischenraum Z 1 hinreicht und die Zentrierung und
Montage der Filterkerzen K 1, K 2 mit dem Verbindungsadapter
27 erleichtert. Die Stirnadapter 21, 21′ werden durch
Klebung, Spiegelschweißung oder Ultraschallschweißung in
der bei 28 angedeuteten Zone mit dem Anschlußadapter 27
leckdicht verbunden, so daß in den Trübraum 13 des Gehäuses
über den Anschluß A 1 eingeführtes Fluid bestimmungsgemäß
nur durch das Filterelement F 1 in den Zwischenraum Z 1 und
von dort aus durch das Filterelement F 2 in den Kern 14′ und
von dort aus in den Sterilraum 14 dringen kann. Anstelle
der dauerhaften Verbindung ist auch eine Verbindung durch
Adapter mit O-Ringdichtungen möglich.
Zur Versorgung und Entsorgung des Zwischenraumes Z 1
zwischen der Filterkerze K 1 und K 2 mit Prüfmedien (Gas oder
Flüssigkeit), Spülmedien, Reinigungsmedien, Sterilisations
medien, Filterhilfsmitteln ist dieser Zwischenraum Z 1
mittels eines Adapterstutzens 32 mit dem Anschluß A 3 ver
bunden. Sämtliche Anschlüsse bzw. Zuleitungen sind
üblicherweise mit Absperrventilen 11 ausgestattet, um eine
individuelle Regelung zu ermöglichen.
Für bestimmte Einsatzfälle bei der Filtration von Flüssig
keiten kann es notwendig sein, den Zwischenraum Z 1 in den
Trübraum 13 zu entgasen. Zu diesen Zweck ist in dem
Verschlußelement 31 ein hydrophober Belüftungsfilter B 1
angeordnet oder das Filterelement weist einen hydrophoben,
gasdurchlässigen Flächenanteil auf.
Will man auf den relativ groß gehaltenen Zwischenraum Z 1
verzichten, so können unter Verwendung modifizierter
Stirnadapter 20, 31, 21 die Filterkerze K 2 direkt mit dem
Adapter der Filterkerze K 1 leckdicht verbunden werden.
Dabei kann entweder die Plissierhöhe des Filterelementes F 1
oder F 2, das heißt die Faltentiefe und damit die Filter
fläche vergrößert werden, so daß sich die Außenfläche des
Filterelementes F 2 unter Wegfall seines äußeren Sicherungs
gliedes 24′ direkt an das innere Sicherungsglied 25 der
Filterkerze K 1 anlegen kann. Die Einzelprüfbarkeit vor und
nach dem Zusammenbau der Filterkerze K 2 bleibt dennoch voll
erhalten, da ein kleinerer Freiraum durch die perforierten
Stützglieder 24, 25 selbst erhalten bleibt.
Die in Fig. 2 dargestellte Variante entspricht im Aufbau
der Ausführung nach Fig. 1. Abweichend ist der Anschluß A 3
des Gehäuses in Form eines Rohres 17 in einem Freiraum
zwischen Integralfilter F und Innenseite des Gehäuseober
teils 2 bis in dessen oberen Freiraum geführt und mit einem
flexiblen Rohrstück 17′ und Kupplungsstück 18 mit einem
Adapterstutzen 32′ des Integralfilters F lösbar verbunden.
Dieser kann bei abgenommenem Oberteil 2 über eine Art
Bajonettverschluß 7, 30 mit der Gehäusebasis 1 verriegelt
und mit dem Kupplungsstück 18 verbunden werden.
Die Filterkerze K 1 ist in sich aus zwei plissierten Filter
elementen F 1 etwa gleicher großer Filterfläche aufgebaut.
Der dabei gebildete Zwischenraum Z ist in dieser Ausfüh
rungsform nicht separat ansteuerbar.
Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Filtervorrichtung
aus Gehäuse und Integralfilter F entspricht sinngemäß der
Vorrichtung wie sie in Fig. 1 dargestellt und beschrieben
ist. Entsprechende Teile sind mit entsprechenden Bezugs
zeichen versehen. Es handelt sich hierbei um eine vier
mechanisch miteinander verbundenen und zu einer Einheit
integrierten Filterkerzen K 1 bis K 4 mit den Filterele
menten F 1-K 4, welche paarweise strömungstechnisch parallel
geschaltet sind. Es handelt sich hierbei um einen
Integralfilter F, welcher bevorzugt für die Gasfiltration
einsetzbar ist und zwar im Hinblick auf eine geringe Anzahl
von Filterstufen jedoch mit Bedarf an großer Filterfläche.
Auch hier können selbstverständlich die Filterkerzen K 1 bis
K 4 dieselbe Bauhöhe haben, um den zur Verfügung stehenden
Raum optimal auszunutzen. Diese zeichnerische Darstellung
wurde lediglich zur Verdeutlichung der verschiedenen
Variationsmöglichkeiten gewählt. Die Filterkerzen K 2 und K 3
sind dabei die auf Integrität geprüften bzw. in situ prüf
baren Elemente, wenn wie dargestellt überströmt wird.
Auch die Zwischenräume Z 1 bis Z 3 werden bezüglich ihrer
Größe nach filtrationstechnischen Erfordernissen gewählt.
Die sinngemäß aufgebaute Filtervorrichtung mit Integral
filter F gemäß Fig. 4 zeigt ein Integralfilter F aus vier
ineinander gesteckten Filterkerzen K 1 bis K 4, welche
strömungstechnisch in Reihe geschaltet sind, wobei die
Zwischenräume Z 1 bis Z 3 und der Hohlkern 14′ über den
Anschlußadapter 27 durch Anschlüsse A 1 bis A 5 mit Medien
der verschiedensten Art versorgbar und entsorgbar und
filtrationstechnisch ansteuerbar sind.
Alle in den Fig. 1 bis 4 durch Pfeile angegebenen
Strömungsrichtungen sind selbstverständlich entsprechend
den jeweiligen Filtrations- und Prüfbedingungen umkehrbar
bzw. frei wählbar. Bedarfsweise können die Zwischenräume Z 1
bis Z 3 und weitere durch Belüftungsfilter B 1 gemäß Fig. 1
entlüftet und durch Rohranschlüsse 17, 17′ angesteuert
werden, so daß auch eine gewisse axiale Überströmung
erreicht werden kann. Der umlaufende Zwischenraum Z kann
mit einem oberen und einen in Unfangsrichtung versetzt an
geordneten Anschluß ausgestattet sein, so daß ein Art
Tangentialströmung des eingebrachten Mediums erzwungen
wird. Durch spiralförmige Strömungsleiter, die auch als
Abstandshalter wirken können, kann diese Strömungsführung
noch verstärkt werden - siehe Fig. 27 und Fig. 31 bis 33.
Großgehäuse zur Aufnahme von mehr als einem Filterelement
sind bekannt z. B. durch DE-PS 33 35 938. Zur Aufnahme eines
Integralfilters nach Fig. 1 ist der Anschluß A 3 für den
Adapteranschluß 32 durch den Sterilraum bis auf die Außen
seite des Gehäuses hindurch geführt. Die Kerzenstutzen 15
aller Filterkerzen münden im gemeinsamen Sterilraum. Jeder
Integralfilter F ist daher über den zugeordneten Stutzen
A 3, 32 und Zwischenraum Z 1 ansteuerbar.
Die in den Fig. 5 bis 16 schematisch dargestellten
Querschnitte der einzelnen Filterkerzen sind konstruktiv
analog dem vorstehend beschriebenen Integralfilter F gemäß
Fig. 1 bzw. den beschriebenen Modifikationen aufgebaut.
Fig. 5 und 6 zeigen dabei Stufungen bezüglich der Kerzen
durchmesser. Fig. 7 und 8 zeigen Varianten bezüglich
mehrerer Filtrationsstufen. Fig. 9 und 10 zeigen
Variationen innerhalb einer Filterstufe bezüglich der
Anordnung mehrerer identischer Filterkerzen. Fig. 11 zeigt
Variationen mehrerer Filterstufen bezüglich der Filtermate
rialien. Fig. 12 und 13 zeigen mehreckige Rohrmäntel in
plissierter Form. Fig. 14 bis 16 zeigen Varianten bezüg
lich der Abstimmung von Flächen und Filtermaterial in den
verschiedenen Stufen. Gleichermaßen betreffen die Varianten
Filterkerzen mit verschiedenen Materialien in den einzelnen
Filterstufen, mit verschiedenen Filtermaterialkombinationen
in einzelnen Filterstufen, mit verschiedenen Porengrößen
und geprüfter oder ungeprüfter Filterelemente (Integritäts
filter) in der letzten Stufe.
Die in den Figuren verwendeten Kurzbezeichnungen haben die
nachfolgende Bedeutung
Fig. 5: K 1 (Filter-)Kerze 1 und
Fig. 6: K 2Kerze 2 Fig. 7: TFTiefenfilter Fig. 8: K 3Kerze 3 Fig. 9: K 2 aKerze 2 a innerhalb einer Stufe Fig. 10: K 2 bKerze 2 b K 2 cKerze 2 c FHFilterhilfsmittel im Zwischenraum Z Fig. 7: TF-MTiefen-Filter Material in Zwischen raum Z 1 Fig. 9, 10: FHFilterhilfsmittel Fig. 11: K 1 TFKerze 1, Tiefen-Filter TF-M 1Tiefen-Filter-Material 1 K 2 TFKerze 2, Tiefen-Filter TF-M 2Tiefen-Filter-Material 2 K 3 MFKerze 3, Membran-Filter Fig. 14: TF ITiefen-Filter I und Fig. 15: TF IITiefen-Filter II Fig. 16: TF/MF ITiefen-Filter/Membran-Filter I geprüft TF/MF IIgrob Tiefen-Filter/Membran-Filter II grob
Fig. 6: K 2Kerze 2 Fig. 7: TFTiefenfilter Fig. 8: K 3Kerze 3 Fig. 9: K 2 aKerze 2 a innerhalb einer Stufe Fig. 10: K 2 bKerze 2 b K 2 cKerze 2 c FHFilterhilfsmittel im Zwischenraum Z Fig. 7: TF-MTiefen-Filter Material in Zwischen raum Z 1 Fig. 9, 10: FHFilterhilfsmittel Fig. 11: K 1 TFKerze 1, Tiefen-Filter TF-M 1Tiefen-Filter-Material 1 K 2 TFKerze 2, Tiefen-Filter TF-M 2Tiefen-Filter-Material 2 K 3 MFKerze 3, Membran-Filter Fig. 14: TF ITiefen-Filter I und Fig. 15: TF IITiefen-Filter II Fig. 16: TF/MF ITiefen-Filter/Membran-Filter I geprüft TF/MF IIgrob Tiefen-Filter/Membran-Filter II grob
Wie die systematische Aufgliederung, die keinen Anspruch
auf Vollständigkeit erhebt, zeigt, sind mit der Erfindung
die verschiedensten Kombinationen der heute auf dem Markt
befindlichen Filtermaterialien und zukünftiger Filtermate
rialien möglich. Die innerste Filterkerze kann auch aus
einem Bündel von Kapillarmembranen, die mit entsprechenden
stirnseitigen Adaptern ausgestattet sind, gebildet sein.
Die Begriffe Tiefenfilter, Membranfilter, Ultrafilter,
Mikrofilter haben die in der Fachliteratur definierte
Bedeutung. Unter Filterhilfsmittel sind insbesondere
Kieselgur, Perlite, Asbest, Zellstoff, Ionenaustausch
medien, Trockenmittel, katalytisch wirkende Medien und
Aktivkohle zu verstehen.
Unter Wirkstoffen und katalytischen Stoffen sind auch Hefen
und andere Mikroorganismen sowie den jeweiligen speziellen
Filtrationsprozeß fördernde Stoffe zu verstehen, die ent
weder in den Zwischenraum Z 1 zwischen zwei Filterkerzen ein
gelagert werden oder aber zwischen zwei Filterschichten
einer Filterkerze oder als Immobilien innerhalb einer
Filtermembran angeordnet sind und den Filtrationsprozeß
günstig beeinflussen.
Nachfolgend sind einige praktische Ausführungsbeispiele für
spezielle Probenlösungen beschrieben.
Die Anordnung der beschriebenen Kerze entspricht Fig. 1.
Die Radien- und Flächenverhältnisse lassen sich mit Fig. 5
beschreiben.
Es handelt sich um einen Integralfilter F zur Herstellung
von partikel- und kolloidarmen Wasser geringer Leit
fähigkeit, wie es z. B. im Labor, in der chemischen
Industrie und als Vorstufe in der Halbleiterindustrie
benötigt wird. K 1 enthält z. B. Filterschichten aus
Glasfaserfiltern zur Abscheidung von Kolloiden.
Der Zwischenraum Z 1 ist gefüllt mit einem Ionenaustauscher-
Medium (FH), das applikationsspezifisch wählbar ist. Eine
In-Situ-Regeneration ist ebenso möglich, wie der Austausch
über den Anschluß A 3.
K 2 wirkt als Partikelfänger und enthält Polypropylen-
Filter-Vliese.
K 1 und K 2 können vor dem Zusammenbau individuellen
Prüfungen unterzogen werden.
Die Anordnung der beschriebenen Kerze entspricht Fig. 1.
Die Radien- und Flächenverhältnisse lassen sich mit Fig. 5
oder Fig. 6 beschreiben.
Für die Klarfiltration von Spirituosen reichen häufig
Tiefenfiltermedien wie Glasfasermedien, Kieselgur, Papier
filter und dgl. aus. Befindet sich aber die Filteranlage in
einer Abfüllinie, so kommt es bei Prozeßunterbrechungen,
Druckstößen usw. häufig zu Kolloiddurchbrüche, die zur
Trübung des Filtrats führen. In automatisierten Anlagen
wird die Trübung des Filtrats permanent opisch kon
trolliert. Jede Störung führt zur Abschaltung der Abfüll
anlage. Anfahr- und Abschaltvorgänge bewirken jedoch bei
Tiefenfiltern aber immer die Gefahr von "Durchbrüchen". Der
diese Tiefenfilter enthaltenden Kerze K 1 wird deshalb
innerhalb des integralen Filterelements in der Filter
kerze K 2 ein echter Siebfilter nachgeschaltet, der auch bei
Druckstößen keinen Durchbruch von Trübungsstoffen erlaubt.
Diese Kerze ist flächenmäßig so dimensioniert, daß sie auch
bei Teilverblockung für den Durchfluß pro Zeit nicht den
limitierenden Faktor darstellt. Solche echte Siebfilter
einheiten enthalten bevorzugt Mikrofilter (Membranfilter)
im Porengrößenbereich um 1 µm.
Die Klärschärfe kann durch Einbringung z. B. von Kiesel
guren (FH) in den Zwischenraum Z 1 zusätzlich erhöht werden.
Insbesondere die Membranfilterkerze K 2 kann vor dem
Zusammenbau (ex situ) einer Integritätsprüfung unterzogen
werden. Auch eine Prüfung im Gehäuse in situ ist möglich.
Diese kann z. B. mittels Druckhaltetest in einem Groß
gehäuse, das mehrere Integralfilter enthält, kollektiv
geschehen. Durch die minimierte Filterfläche des
Sicherheits- und Prüfelements ist bereits eine
ausgezeichnete Sicherheit gegeben.
Jedoch lassen sich bei geeigneter Druckregelung die
Integralfilter auch individuell ansteuern und prüfen, ohne
daß das Gehäuse entleert werden muß.
Entleert wird jeweils nur der Zwischenraum Z 1.
Weiterhin führt das Trüb-Laufen einer Kerze K 1 nur zur
individuellen Verblockung dieses Intergralfilters durch
Verblockung von K 2. Die anderen Integralfilter eines
Großgehäuses filtrieren störungsfrei weiter. Nachge
schaltete Kerzengehäuse werden nicht defektbedingt
belastet, so lange alle K 2-Kerzen integer sind.
Die Anordnung der beschriebenen Kerze entspricht Fig. 1.
Die Radien- und Flächenverhältnisse lassen sich mit Fig. 5
beschreiben.
Bestimmte Flüssigkeiten, z. B. Bier, enthalten trotz
Vorklärung und Vorfiltration in der sog. Sterilisations
stufe (Kaltsterilisation durch Abscheidung mediumschädi
gender Mikroorganismen mittels Mikrofilter) noch so viel
"kollidale Anteile", daß eine wirtschaftliche Filtration
herkömmlich kaum möglich ist. Dies gilt z. B. auch für die
Serumfiltration, wenn es gilt, Mycoplasmen im Bereich
0,1 µm abzutrennen.
Eine Möglichkeit besteht darin, durch Hintereinander
schalten mehrerer, hinsichtlich ihrer Abscheidungscharak
teristik ähnlicher Filter stufenweise eine Keimreduzierung
zu bewirken, ohne das die "ersten" Filterelemente früh
zeitig verblocken. Hierbei wird häufig mit mehreren hinter
einander geschalteten Filtergehäusen gearbeitet und bei
Verblockung bzw. Teilverblockung von "Erst-Filterstufen"
die Bestückungen der Gehäuse ausgetauscht bzw. die ver
blockte Stufe entfernt und alle anderen um eine Stufe
vorgerückt oder die verblockte Stufe ausschließlich durch
eine neue Bestückung ersetzt.
Dies führt zu nicht mehr definierbaren Mischbestückungen
und widerspricht häufig rechtlichen Bestimmungen, die nur
eine einmalige Benutzung erlauben. Mischbestückung, d. h.
manche Filterelemente werden weit häufiger Sterilisations
zyklen ausgesetzt als andere, andere Elemente werden, weil
teil- oder ganz verblockt einem permanenten Differenz
druck ausgesetzt. Beides führt zu (teilweise latenten)
Schädigungen, die die Filtrationssicherheit stark mindern.
Enthalten das großflächige Filterelement K 1 und das
kleinflächige, den Durchfluß pro Zeit nicht limitierende,
Filterelemente K 2 bzw. Integritätsfilter K 2 hinsichlich
ihrer Abscheidecharakteristik ähnliche Filterelemente, so
kann ohne die oben beschriebenen Nachteile eine
wirtschafliche "homogene" Serienfiltration erfolgen.
Verblockte Filterelemente werden verworfen.
Insbesondere die Membranfilterkerze K 2 kann vor dem
Zusammenbau einer Integritätsprüfung unterzogen werden.
Auch eine Prüfung im Gehäuse in situ ist möglich. Diese
kann z. B. mittels Druckhaltetest in einem Großgehäuse, das
mehrere Integralfilter enthält, kollektiv geschehen. Sollen
nur die Membranfilterkerzen K 2 geprüft werden, so muß K 1
hydrophobe Randzonen oder Plissierungen enthalten oder der
Zwischenraum Z 1 über ein im Verschlußelement 31 inte
grierten Belüftungsfilter B 1 be- bzw. entlüftbar sein.
Durch die minimierte Filterfläche der Sicherheits- und
Prüfelemente K 2 ist bereits eine ausgezeichnete Sicherheit
gegeben. Jedoch lassen sich bei geeigneter Druckregelung
die Integralfilter auch individuell ansteuern und prüfen,
ohne das das Gehäuse entleert werden muß. Entleert wird
jeweils nur der Zwischenraum Z 1.
Weiterhin führt ein Defekt einer Kerze K 1 nur zur indivi
duellen Verblockung dieses Integralfilters durch Ver
blockung von K 2. Die anderen Integralfilter eines Groß
gehäuses filtriert störungsfrei weiter. Nachgeschaltete
Kerzengehäuse werden nicht defektbedingt belastet, so
lange alle K 2-Kerzen integer sind.
Die Anordnung der beschriebenen Kerze entspricht Fig. 4.
Beispiel 4 unterscheidet sich von Beispiel 3 dahingehend,
daß Lösungen filtriert werden sollen, die Kolloide und/oder
Partikel mit stark differenzierter Größenverteilung
enthalten. Hierzu ist eine vielfältige Stufenfiltration
nötig. Wirtschaftlich ist dies nur möglich, wenn das in
dividuell prüfbare Sicherheitselement K 4, getrennt von den
eigentlich filterwirksamen Elementen vor dem Zusammen
bau und in situ prüfbar ist. Dies ist mittels der Inte
gralfilter möglich.
K 1 bis K 3 bilden die großflächigen, zahlreichen Membran
filterstufen (Abscheidestufen) enthaltenden filterwirk
samen Elemente, während K 4 das flächenminimierte Prüf- bzw.
Sicherheitselement darstellt. In den Zwischenräumen F 1 bis
F 3 können applikationsspezifisch bestimmte Filtermedien
eingebracht werden, K 2 und K 3 können je nach Applikation
entfallen.
Insbesondere die Membranfilterkerze K 4 kann aber auch vor
dem Zusammenbau (ex situ) einer Integritätsprüfung
unterzogen werden. Auch eine Prüfung im Gehäuse in situ ist
möglich. Diese kann z. B. mittels Druckhaltetest in einem
Großgehäuse, das mehrere Integralfilter enthält, kollektiv
geschehen. Sollen nur die Membranfilterkerzen K 4 geprüft
werden, so muß K 1 bis K 4 hydrophobe Randzonen oder
Plissierungen enthalten oder die Zwischenräume Z 1 bis Z 3
über ein im Verschlußelement 31 integrierten Belüftungs
filter B 1 be- bzw. entlüftbar sein. Durch die minimierte
Filterfläche des Sicherheits- und Prüfelements K 4 ist
bereits eine ausgezeichnete Sicherheit gegeben. Jedoch
lassen sich bei geeigneter Druckregelung die Integral
filter auch individuell ansteuern und prüfen, ohne daß das
Gehäuse entleert werden muß. Entleert wird jeweils nur der
Zwischenraum Z 3 vor dem Prüfelement. Weiterhin führt ein
Defekt einer Kerze K 1 bis K 3 nur zur individuellen Ver
blockung dieses Integralfilters durch Verblockung von K 4.
Die anderen Integralfilter eines Großgehäuses filtrieren
störungsfrei weiter. Nachgeschaltete Kerzengehäuse werden
nicht defektbedingt belastet, so lange alle K 4-Kerzen
integer sind.
Die Anordnung der beschreibenen Kerze entspricht Fig. 1.
Die Radien- und Flächenverhältnisse lassen sich mit Fig. 6
beschreiben.
Das hier beschriebene integrale Filterelement enthält eine
Mikrofiltereinheit und Ultrafiltereinheit. Dieses integrale
Filterelement wird entgegen der normalen Filtrations
richtung betrieben. Die Filtereinheiten sind ensprechend
geschaltet.
Mit diesem Integralfilter läßt sich hochreines Spülwasser
für die Mikrochip-Herstellung erzeugen. Kerze K 1 enthält
die Mikrofiltereinheit. Kerze K 2 enthält, die wegen der
verminderten Durchlässigkeit flächenmäßig wesentlich
größere Ultrafiltereinheit. K 1 dient zur Abscheidung von
Mikroorganismen, während durch die Ultrafiltereinheit noch
kleinere Partikel oder Moleküle bis hin zu Pyrogenen
abgeschieden werden sollen. Bei keiner oder geringer
Abnahme (geringem Verbrauch) des Ultrafiltrats über
Anschluß A 1 kann das Mikrofiltrat über den Gehäuse
stutzen und über vorgeschaltete Filterelement sowie K 2
rezirkuliert werden. Hierdurch bleibt das System immer im
Gleichgewicht, Wachstum von Mikroorganismen wird ver
hindert und auch ein gewisser Cross-Flow-Reinigungs-Effekt
für die Oberfläche der Ultrafiltereinheit kann angenommen
werden.
Beide Membranfilterelemente können vor dem Zusammenbau
einer Integritätsprüfung unterzogen werden. Auch eine
Prüfung im Gehäuse ist möglich. Diese kann z. B. mittels
Druckhaltetest in einem Großgehäuse, das mehrere integrale
Filterelemente enthält, kollektiv geschehen. Sollen nur die
Membranfilterkerzen K 2 geprüft werden, so wird das Prüf
medium (Preßluft beim Druckhaltetest) über den Innen
kern der Integralfilter zugeführt. Durch minimierte
Filterfläche des Sicherheits- und Prüfelements K 2 ist
bereits eine ausgezeichnete Sicherheit gegeben. Jedoch
lassen sich bei geeigneter Druckregelung die K 1 und K 2-
Elemente der Integralfilter auch individuell ansteuern und
prüfen, ohne daß das Gehäuse entleert werden muß. Entleert
wird jeweils nur der Zwischenraum Z 1.
Weiterhin führt der Defekt einer Kerze K 2 nur zur indivi
duellen Verblockung dieses Integralfilters durch Ver
blockung von K 1. Die anderen Integralfilter eines Groß
gehäuses filtrieren störungsfrei weiter. Nachgeschaltete
Kerzengehäuse werden nicht defektbedingt belastet, so lange
alle K 1-Kerzen integer sind.
Die Anordnung der beschriebenen Kerze entspricht Fig. 3.
Die Radien- und Flächenverhältnisse sind so gewählt, daß K 1
und K 4, K 2 und K 3 jeweils gleiche Größenordnung haben.
Die Filtermedien bzw. Filtereinheiten von K 1 bis K 4 sind
permanent hydrophob (z. B. PTFE. Polypropylen). K 1 und K 2
sowie K 4 und K 3 sind in Serie geschaltet. Die Zwischenräume
Z 1 und Z 2 zwischen K 1 und K 2 und K 4 und K 3 sind frei oder
z. B. mit Trocknungsmedien oder Aktivkohle gefüllt.
Natürlich können die Elemente K 2 und K 3 und somit auch die
Zwischenräume entfallen, wenn das Hauptaugenmerk auf großer
Filtrationsfläche liegt.
Die Einzelstückprüfung von K 2 bis K 3 vor dem Zusammen
bau spart Kosten und erhöht die Sicherheit.
Zur In-Situ-Prüfung vergleiche die vorhergehenden
Beispiele.
Das Element ist weiterhin so aufgebaut, daß es in beide
Strömungsrichtungen gleichermaßen betrieben werden kann,
daß alle Strömungskanäle optimal aufeinander abgestimmt
sind und die Bildung von Kondenswasserzonen gänzlich
ausgeschlossen ist.
Die nachfolgenden schematisiert aufgelisteten Ausführungs
beispiele in Verbindung mit den Schemata von Integralfilter
und Gehäuse gemäß Fig. 17 bis 33 machen die vielseitigen
Varianten des Erfindungsgedankens in der Form von Partikel-
Vorfilter-, Kolloid-Vorfilter-, Vorfilter-Mikroendfilter-,
Mikrofilter-, Ultrafilter-, Pervaporations- und Chromoto
graphie-Kerzen deutlich.
Claims (26)
1. In ein umgebendes Gehäuse mit Fluidanschlüssen ein
schließbares Integralfilter zur Abscheidung von Fluid
inhaltsstoffen, dessen permeabler Rohrmantel aus
mehreren rohrförmigen Filterelementen mit unterschied
lichen Filtereigenschaften besteht, deren Querschnitte
so abgestuft sind, daß ein kleineres vom größeren
Filterelement gegebenenfalls unter Bildung eines
Zwischenraumes, umfangen ist und bei dem die beiden
Rohrenden durch Verschluß- und Anschlußadapter eingefaßt
und an Fluidräume des Gehäuses adaptierbar sind, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens eines der Filterelemente
ein auf Integrität geprüftes oder prüfbares Filter
element (Integritätsfilter K 1; K 2, K 3; K 4) bildet.
2. In ein umgebendes Gehäuse mit Fluidanschlüssen ein
schließbares Integralfilter zur Abscheidung von Fluid
inhaltsstoffen, dessen permeabler Rohrmantel aus
mehreren rohrförmigen Filterelementen mit unterschied
lichen Filtereigenschaften besteht, deren Querschnitte
so abgestuft sind, daß ein kleineres vom größeren
Filterelement gegebenenfalls unter Bildung eines
Zwischenraumes, umfangen ist und bei dem die beiden
Rohrenden durch Verschluß- und Anschlußadapter eingefaßt
und an Fluidräume des Gehäuses adaptierbar sind, dadurch
gekennzeichnet, daß von den zu einem Gesamtfilter (F)
integrierten Filterelementen (K 1 bis K 4) mindestens
eines ein innerhalb des Gesamtfilters (F) adaptierter
und in diesem in situ auf Integrität prüfbares Filter
(Integritätsfilter K 1; K 2, K 3; K ) bildet.
3. In ein umgebendes Gehäuse mit Fluidanschlüssen ein
schließbares Integralfilter zur Abscheidung von Fluid
inhaltsstoffen, dessen permeabler Rohrmantel aus
mehreren rohrförmigen Filterelementen mit unterschied
lichen Filtereigenschaften besteht, deren Querschnitte
so abgestuft sind, daß ein kleineres vom größeren
Filterelement gegebenenfalls unter Bildung eines
Zwischenraumes, umfangen ist und bei dem die beiden
Rohrenden durch Verschluß- und Anschlußadapter eingefaßt
und an Fluidräume des Gehäuses adaptierbar sind, dadurch
gekennzeichnet, daß durch einen von außen separat an
steuerbaren und beaufschlagbaren Zwischenraum (Z 1 bis
Z 3) zwischen zwei Filterelementen (K 1 bis K 4) Sektionen
des Gesamtfilters (F) wahlweise auf Integrität prüfbar,
mit Fluid und Füllstoffen versorgbar und entsorgbar
sind.
4. In ein umgebendes Gehäuse mit Fluidanschlüssen ein
schließbares Integralfilter zur Abscheidung von Fluid
inhaltsstoffen, dessen permeabler Rohrmantel aus
mehreren rohrförmigen Filterelementen mit unterschied
lichen Filtereigenschaften besteht, deren Querschnitte
so abgestuft sind, daß ein kleineres vom größeren
Filterelement gegebenenfalls unter Bildung eines
Zwischenraumes, umfangen ist und bei dem die beiden
Rohrenden durch Verschluß- und Anschlußadapter eingefaßt
und an Fluidräume des Gehäuses adaptierbar sind, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens eines der Filterelemente
ein auf Integrität geprüftes oder prüfbares Filter
element (Integritätsfilter K 1; K 2, K 3; K 4) und daß zwischen
dem Integritätsfilter (K 1; K 2, K 3; K 4) und einem stromauf
wärts vorgelagerten, vorzugsweise nächstfolgenden
Filterelement ein umlaufender Zwischenraum (Z 1 bis Z 3)
angeordnet ist, welcher über einen hydrophoben Gas
filter (B 1) Verbindung zu einem stromaufwärts vorge
lagerten Fluidraum (13) eines umschließenden Filter
elementes und/oder Gehäuses (1, 2) hat.
5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Filterelemente (K 1, K 2; K 3, K 4; K 2 a, K 2 b, K 2 c)
gemeinsame Filterstufen bilden und strömungstechnisch
parallel angeordnet sind.
6. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Filterelemente (K 1 bis K 4) strömungstechnisch in
Reihe angeordnet sind.
7. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zwischenraum (Z 1) zwischen ineinandergreifenden
Filterelementen (K 1 bis K 4, K 2 a K 2 b, K 2 c) wahlweise
eingelagerte filterwirksame Mittel, Wirkstoffe,
Katalysatoren und/oder Wärmetauschermedien aufweist oder
mit solchen beschickbar ist.
8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (F 1, F 2) innen- und
außenseitig durch perforierte Sicherungsglieder (24, 24′,
25, 25′) eingeschlossen ist.
9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die perforierten Sicherungsglieder
(24, 24′, 25, 25′) auf den Mantelflächen der Filterelemente
(K 1, K 2) entsprechend dem vom Fluidstrom bestimmten
Druckgefälle jeweils die Stützglieder des Filter
elementes der benachbarten Filterstufe bilden.
10. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die die einzelnen Filterstufen
bildenden Filterelemente (K 1, K 2, K 3, K 4) durch an ihren
Stirnseiten angeordnete Adapter (21, 21′, 27, 31) unlösbar
zu einer Baueinheit verbunden sind.
11. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die die einzelnen Filterstufen
bildenden Filterelemente (K 1, K 2, K 3, K 4) durch an ihren
Stirnseiten angeordnete Adapter (20, 20′, 22, 21′) lösbar
miteinander verbunden sind.
12. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Filterele
mente (K 1 bis K 4) im Querschnitt als Rundrohr oder
Mehreckrohr ausgebildet sind.
13. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (F 1, F 2, F 3, F 4) aus
mehreren Filterschichten kombiniert ist.
14. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (F 1, F 2, F 3, F 4) aus
plissierten Filterschichten gebildet ist.
15. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rohrmantel (F 1, F 2, F 3, F 4) aus
gewickelten Filtermaterialen gebildet ist.
16. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
gekennzeichnet durch Filterschichten aus Glasfaser
filtern zur Abscheidung von Kolloiden in einer strom
aufwärts gelegenen ersten Filterstufe (K 1), einem
nachfolgenden, im Zwischenraum (Z 1) zwischen der ersten
und zweiten Filterstufe (K 2) angeordnetem Ionen
austauschermedium (FH) und einer Filterstufe (K 2) als
Partikelfänger aus Polypropylen-Filter-Vlies.
17. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, zur Klar
filtration (z. B. von Spirituosen) gekennzeichnet
durch Tiefenfiltermedien aus Glasfaserfiltern, Kiesel
gur und/oder Papierfiltern in einer stromaufwärts
gelegenen ersten Filterstufe (K 1), einer nachfolgenden
Siebfiltereinheit (K 2) in Form von Membranfiltern mit
einer Porengröße um 1 µm.
18. Versorgungs- und Entsorgungsanschlüsse aufweisendes
Filtergehäuse mit einer Gehäusebasis und einem damit
verbindbaren glockenförmigen Oberteil zur Aufnahme
eines rohrförmigen Integralfilters aus mehreren
ineinander geschachtelten Filterelementen mit umlaufen
den Zwischenräumen zwischen Filtersektionen, dessen
Enden zur Bildung im Gehäuse abgetrennter Fluidräume
Verschluß- und Anschlußadapter aufweisen, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens zwei mit dem Integral
filter (F) kuppelbare und ansteuerbare Gehäusean
schlüsse (A 2, A 3, A 4, A 5) für die wahlweise innere
Versorgung und/oder Entsorgung des Integralfilters (F)
mit Prüfmittel, Sterilisationsmittel, Wärmetauscher
mittel, zu filtrierendem Fluid, Filterspülmittel und
Füllstoffen und mindestens zwei Gehäuseanschlüsse (A 1
und 10) zur Versorgung und/oder Entsorgung eines vom
Integralfilter (F) abtrennbaren Gehäuseraumes (13)
vorgesehen sind.
19. Filtergehäuse nach Anschluß 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gehäuseanschlüsse (A 2, A 3, A 4, A 5) für die innere
Versorgung und Entsorgung des Integralfilters (F) im
Basisteil (1) angeordnet sind.
20. Filtergehäuse nach Anschluß 19, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gehäuseanschluß für den umlaufenden Zwischen
raum (Z 1 bis Z 3) mit dem einen Ende und ein weiterer
Gehäuseanschluß mit dem anderen Ende des Integral
filters (F) kuppelbar ist.
21. Filtergehäuse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gehäuseanschluß (A 2) für die Hauptentsorgung
bzw. Versorgung des Integralfilters (F) in der Gehäuse
basis (1) angeordnet und ein Anschluß (A 3) für die
wahlweise Ansteuerung eines Zwischenraumes (Z 1) des
Integralfilters (F) von der Gehäusebasis (1) aus durch
ein zwischen der Außenseite des Integralfilters (F) und
der Innenseite des Gehäuseoberteils (2) geführtes Rohr
(17, 17′) gebildet ist, welches an seinem in den oberen
Freiraum (13) des Gehäuses (1, 2) geführten Ende ein
Kupplungstück (18) zum Adaptieren mit einem am oberen
Rohrende (17′) des Integralfilters (F) liegenden
Anschluß (32′) für den Zwischenraum (Z 1) kuppelbar ist.
22. Filtergehäuse nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Gehäusebasis (1) konzentrisch zum Haupt
anschluß (A 2) für den zugeordneten Integralfilter (F)
mit Verriegelungselementen (30) des Integralfilters (F)
korrespondierenden Verriegelungselemente (7) zur axialen
Sicherung und gegebenenfalls gegen ungewolltes Ver
drehen des Integralfilters (F) angeordnet sind.
23. Filtergehäuse nach Anschluß 21, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gehäuseanschluß (A 2) für die Hauptentsorgung
bzw. Versorgung des Integralfilters (F) etwa im Zentrum
des letzteren in der Gehäusebasis (1) angeordnet und um
dieses Zentrum herum mit dem Anschlußadapter (15, 27)
des Integralfilters (F) Verriegelungselemente (7, 30)
zur axialen Sicherung und gegebenenfalls Verdreh
sicherung des Integralfilters (F) angeordnet sind.
24. Filtergehäuse nach den Ansprüchen 18 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Durchführung von Perva
porationsprozessen das Gehäuse (1, 2) aufheizbar ist
bzw. eine Wärmetauschereinrichtung hat.
25. Filterelement nach einem der Ansprüche 3 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß im umlaufenden Zwischen
raum (Z 1 bis Z 3) von außerhalb des Gehäuses (1, 2)
beheizbare oder kühlbare Stäbe, Platten oder Spiralen
angeordnet sind.
26. Verwendung von Filtergehäuse und Integralfilter nach
Merkmalen der vorstehenden Ansprüche und Beispiele zum
Massenaustausch durch Diffusion, Filtration, Adsorp
tion, Pervaporation und Chromatographie.
Priority Applications (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SARTORIUS AG, 3400 GOETTINGEN, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |