DE3818860C2

DE3818860C2 -

Info

Publication number: DE3818860C2
Application number: DE3818860A
Authority: DE
Inventors: Massoud Prof. Dr. 3400 Goettingen De Karbachsch; Manfred 6200 Wiesbaden De Pett
Original assignee: Seitz Filter Werke Theo and Geo Seitz GmbH and Co
Current assignee: Pall Filtersystems GmbH
Priority date: 1988-06-03
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1990-11-22
Also published as: JPH0243925A; US4983288A; DE3818860A1; JPH0622657B2; FR2632208A1; GB8912882D0; GB2219221A; FR2632208B1; GB2219221B

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere eine Filterkerze, aus mindestens einer Filtermembran als Vorfilter und mindestens einer Filtermembran als Endfilter.

Aus derartigen Filterelementen, die eine Membranfilterkombination darstellen, werden beispielsweise Filterkerzen oder Filterscheibenelemente hergestellt, die zum Filtrieren von makromolekularen bzw. kolloidalen Lösungen, zur Partikelfiltration von Wasser, zur Filtration von Lösungsmitteln sowie zur Sterilfiltration von pharmazeutischen, biotechnologisch erzeugten Präparaten sowie Lebensmitteln eingesetzt werden.

Bekannt sind Filterelemente, die aus zwei Membranfiltern bestehen, wobei beide Filtermembrane Poren mit gleichen Durchmessern aufweisen (sogenannte homogene Bauweise). Weiterhin sind Membranfilter bekannt, bei denen das Vorfilter und das Endfilter unterschiedliche Porengrößen aufweisen (sogenannte heterogene Bauweise).

Bei all diesen bekannten Membranfiltern handelt es sich ausnahmslos um Membranfilter mit gleicher oder unterschiedlicher Porengröße, entweder in symmetrischer oder in asymmetrischer Porengeometrie und gleicher chemischer Zusammensetzung. Aufgrund der schwammartigen Struktur der Porenmembrane wird nachfolgend unter "Pore" nicht ein durchgehendes Loch, sondern eine durchgehende Kanalstruktur verstanden. Diese "Poren" werden als symmetrisch bezeichnet, wenn die Membran über den gesamten Membranquerschnitt die gleiche Porenstruktur besitzt. Von asymmetrischen oder kegelstumpfförmigen Poren wird gesprochen, wenn die Membran eine Kanalstruktur besitzt, deren Durchmesser sich mit zunehmender Eindringtiefe ändert. Für eine derartige Porenstruktur wird der Begriff asymmetrische Porenstruktur verwendet. Als Materialien finden Polyamid, Zelluloseazetat, Polysulfon, Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) Verwendung.

Die Filterelemente gemäß der homogenen Bauweise haben den Nachteil, daß die Standzeit relativ gering ist, da die Feststoffteilchen bzw. kolloidalen Trübstoffe die Poren des ersten Filters verstopfen, so daß das Endfilter überhaupt nicht mehr filtrationswirksam ist, oder nur ganz gering belastet wird.

Bei den Membranfilterelementen nach der heterogenen Bauweise werden die größeren Teilchen durch die großen Poren des Vorfilters zurückgehalten und die kleineren Teilchen passieren die erste Membran und werden dann von den kleineren Poren des Endfilters zurückgehalten. Bei diesen Membranfiltern sind die Standzeiten gegenüber den Membranfiltern gemäß der homogenen Bauweise größer.

Bei den Filterelementen, die aus Filtermembranen mit asymmetrischer Porengeometrie gleicher chemischer Zusammensetzung in homogener bzw. heterogener Bauweise gebaut sind, sind zwar die Standzeiten der Filterelemente länger als bei Filterelementen aus Membranen mit symmetrischen Poren in homogener bzw. heterogener Bauweise, aber die Filtrationssicherheit, z. B. das Rückhaltevermögen von kleinen Mikroorganismen bei der Sterilfiltration, ist nicht abgesichert.

Aufgabe der Erfindung ist daher ein Filterelement, daß sich durch größere Standzeit bei mindestens gleicher Filtrationssicherheit gegenüber den bekannten Membranfiltern auszeichnet.

Dieses Ziel wird mit einem Filterelement gelöst, bei dem das Vorfilter eine asymmetrische Porenstruktur mit Poren aufweist, deren Durchmesser in Strömungsrichtung abnimmt, das Endfilter eine symmetrische Porenstruktur mit Poren aufweist und das Vorfilter eine andere chemische Zusammensetzung aufweist als das Endfilter.

Der Kern der Erfindung besteht somit in der Kombination mindestens zweier Membranen unterschiedlicher Materialien und unterschiedlicher Porengrößen und Porengeometrie. Obwohl die Einzelmembrane für sich als auch die Kombination von Vor- und Endfilter aus gleichen Materialien bekannt waren, war es überraschend, welche verbesserten Eigenschaften durch die erfindungsgemäße Kombination (Hybridtechnik) erzielt werden.

Durch die asymmetrische Gestaltung der Poren des Vorfilters können wesentlich mehr große Feststoff teilchen zurückgehalten werden (auch Abscheidung innerhalb der Tiefe der Membran) als bei einem Filter mit symmetrischen Poren (überwiegend Oberflächenabscheidung). Dadurch erhöht sich die Standzeit des Filters. Die kleinen Teilchen, die die erste Membran passieren, werden auf dem Endfilter abgeschieden. Durch die symmetrische Struktur der Poren sorgt diese Membran gleichzeitig für eine erhöhte Sicherheit bei der Filtration (z. B. sterile Filtration).

Bei der Herstellung von Membranfilterelementen aus synthetischen Polymeren ist es vom verfahrenstechnischen Gesichtspunkt her schwierig bzw. unmöglich, mit demselben Verfahren und aus demselben Polymer Membranfilterelemente mit kleinerer Porengröße in symmetrischer Porenstruktur und Membranfilterelemente mit größerer Porengröße in asymmetrischer Porenstruktur herzustellen. Je nach dem Herstellungsverfahren und den verwendeten Polymeren ist es außerdem nicht einfach und in wirtschaftlichen Grenzen möglich, grobe, bzw. feine definierte Porenstrukturen zu erzeugen.

So ist es z. B. bei Nylon66 einfach und wirtschaftlich realisierbar, Membranfilter mit kleinen definierten Poren herzustellen (z. B. mit einem Durchmesser von 0,1 µm, 0,2 µm, 0,45 µm oder 0,65 µm), dagegen ist es schwierig, grobe, definierte Porenstrukturen zu erzeugen (z. B. mit Poren des Durchmessers von 0,8 bis 3 µm). Während bei der Her stellung von Membranfiltern, beispielsweise aus aromatischem Polyamid, die Membranfilterelemente mit definierten gröberen Porenstrukturen einfach herstellbar sind, bereitet hier die Herstellung kleiner definierter Porenstrukturen Schwierigkeit.

Durch die erfindungsgemäße Kombination unterschiedlicher Filtermaterialien und unterschiedlicher Porengröße mit unterschiedlicher Porengeometrie werden gegenüber den bekannten Filtermembranen sehr hohe Standzeiten bei gleicher Filtrationssicherheit, z. B. bei der Sterilfiltration von pharmazeutischen Produkten und Lebensmitteln, erreicht.

Vorzugsweise ist der kleinste Durchmesser x 2 der Poren des Vorfilters größer als die Durchmesser y der Poren des Endfilters. Gemäß einer besonderen Ausführungsform liegt der kleinste Durchmesser x 2 der Poren des Vorfilters im Bereich von 0,8 µm bis 3 µm. Die Poren des Vorfilters sind so ausgebildet, daß sich deren Durchmesser ausgehend von dem Durchmesser x 2 entgegen der Strömungsrichtung um einen Faktor 2 bis 4 vergrößern. Dies bedeutet, daß die größten Durchmesser dieser kegelstumpfförmigen Poren im Bereich von 1,6 bis 12 µm liegen.

Die Poren des Endfilters weisen vorzugsweise Durchmesser y von 0,1 bis 0,65 µm auf.

Als Material für die Vorfilter kommen aromatische Polyamide, Polysulfon oder Zellulosederivate zum Einsatz. Das Endfilter kann aus aliphatischen Polyamiden, Polysulfon, Polytetra fluorethylen oder Polypropylen bestehen. Gemäß einer bevor zugten Ausführungsform wird als aliphatisches Polyamid Nylon66 verwendet. Als aromatische Polyamide kommen bevor zugt Copolymere aus m-Phenylendiamin und Isophthalsäure zum Einsatz. Die Filtermembrane werden auf herkömmliche Weise entweder nach dem Verdunstungsverfahren als Flachbahn oder nach dem Fällbadverfahren hergestellt.

Das Vor- und Endfilter werden nicht miteinander ver klebt oder verschweißt, sondern liegen lediglich aufeinander und bilden auf diese Weise die erfindungsgemäße Filter kombination.

Die Oberfläche des Vorfilters und des Endfilters können modifiziert sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Filtermembran des Vorfilters auf einer Tiefenfilterschicht angeordnet, die beispielsweise aus Glasfasern besteht. Ein derartiges Glasfaser verstärktes Vorfilter steigert die Standzeit gegenüber einem Vorfilter ohne zusätzlichen Tiefenfilter um mindestens den Faktor 2.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Membran des Vorfilters in einer Tiefenfilterschicht, die vorzugsweise aus Glasfasern besteht, eingebettet. Dies bedeutet, daß das Material der Membranschicht zumindest teilweise in die Tiefenfilterschicht eingedrungen ist. Wichtig hierbei ist, daß die Tiefenschicht der zu filtrierenden Flüssigkeit zugewandt ist, so daß keine Faser- bzw. Partikelabgabe von Glasfasern auf der Filterseite während der Filtration auftritt.

Eine Erhöhung der Sicherheit bei der Sterilfiltration wird dadurch erreicht, daß das Endfilter aus mindestens zwei Lagen von Filtermembranen besteht, die gemäß einer besonderen Ausführungsform fest miteinander verbunden sind. Die einzelnen Lagen können gleiche chemische Zusammen setzung und gleiche Porengröße aufweisen oder aber auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Vor zugsweise sind diese Lagen durch ein Vlies oder ein Gewebe, das aus Polyester oder Polypropylen bestehen kann, verstärkt. Dieses Gewebe ist zwischen den beiden Lagen angeordnet. Die Herstellung eines derartigen Endfilters erfolgt dadurch, daß auf das Gewebe oder das Vlies zunächst die eine Membran aufgebracht wird und anschließend auf der Rückseite des Gewebes oder des Vlieses die zweite Membranlage aufgezogen wird. Gemäß einer besonderen Ausführungsform besteht die erste Lage aus Polysulfon und die zweite Lage aus einem aliphatischen Polyamid, wobei die Poren in beiden Lagen gleiche Durchmesser aufweisen.

Durch die unterschiedlichen Materialien von Vorfilter und Endfilter besitzen diese unterschiedliche Oberflächen eigenschaften, z. B. unterschiedliche Adsorptionskapazitäten oder unterschiedliche Affinitäten zu bestimmten Stoffgruppen.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, diese Oberflächen eigenschaften durch eine zusätzliche Veränderung der ver wendeten Materialien noch gezielter für den beabsichtigten Verwendungszweck zu modifizieren. Dies kann beispielsweise durch die Veränderung von Seiten- oder Endgruppen der Poly meren geschehen, indem gezielt beispielsweise Carboxyl oder Aminogruppen eingebaut werden. Hier ist es insbesondere von Vorteil, daß das Vorfilter und das Endfilter aus unter schiedlichen Materialien aufgebaut ist, denn dadurch lassen sich unterschiedliche Oberflächeneigenschaften beim Vorfilter und beim Endfilter einstellen. Die Kombination zweier Membrane mit unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften erhöht zusätzlich zu den oben genannten Merkmalen die Standzeit und Leistung des Filters infolge zusätzlicher Adsorption. Hinsichtlich dieser Punkte ist die Hybrid technik den herkömmlichen Membranen ebenfalls überlegen.

Nachfolgend werden anhand der Zeichnung beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Ansicht eines Filterelementes, in dem die erfindungsgemäße Filterkerze eingebaut ist;

Fig. 2 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Filterelement;

Fig. 3 bis 5 Schnitte durch weitere Ausführungsformen des Filterelements;

Fig. 6 und 7 zwei Diagramme, in denen die Filtrations leistung jeweils dreier Filtermembranen dargestellt ist.

Die Fig. 1 zeigt einen Filter 10, zwischen dessen Stütz mantel 11 und Innenrohr 12 das erfindungsgemäße Membranfilter element 1 angeordnet ist, das aus Vorfilter 2 und Endfilter 3 besteht. Der Pfeil in der Fig. 1 gibt die Strömungsrichtung der zu filtrierenden Flüssigkeit an.

In der Fig. 2 ist schematisch ein Schnitt durch das Filter element 1 dargestellt. Im Vorfilter 2 befinden sich kegel stumpfförmige Poren 4, deren kleinster Durchmesser mit x 2 und der größere Durchmesser mit x 1 bezeichnet ist. Dieser Vorfilter 2 liegt auf einem Endfilter 3, in dem zylinderförmige Poren 5 mit dem Durchmesser y angeordnet sind. Der Durchmesser y ist kleiner als der kleinste Durch messer x 2 der kegelstumpfförmigen Poren 4. Im linken Teil der Fig. 2 ist die Ablagerung von größeren Teilchen 6 in einer kegelstumpfförmigen Pore 4 dargestellt. Die kleineren Teilchen 7 werden durch die zylinderförmigen Poren 5 des Endfilters zurückgehalten. Für diese Darstellung war es erforderlich, einen Zwischenraum zwischen Vor- und Endfilter einzuzeichnen. Der Pfeil rechts oben in der Fig. 2 gibt ebenfalls die Strömungsrichtung der zu filtrierenden Flüssigkeit an.

In der Fig. 3 ist ein Vorfilter dargestellt, das dem Vorfilter 2 der Fig. 1 entspricht. Das Endfilter besteht in diesem Fall aus zwei Lagen 8 und 9, die fest miteinander verbunden sind.

In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des End filters 3 dargestellt. In diesem Fall sind die beiden Lagen 8 und 9 auf einem Gewebe 13 aufgetragen. In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Vorfilter 2 aus einer Membran 15 besteht, die auf einer Tiefenfilterschicht 14 angeordnet ist, so daß die Membran teilweise in die Tiefenfilterschicht eingedrun gen ist und somit eingebettet ist. Der Vorteil dieser Aus führungsform gegenüber den bekannten Membranfiltern wird insbesondere aus der Gegenüberstellung in den nachfolgen den Diagrammen deutlich, die in den Fig. 6 und 7 zu sehen sind.

In der Fig. 6 ist das Filtrationsvolumen für drei ver schiedene Membranfilterkombinationen dargestellt. Mit dem Buchstaben A ist ein herkömmliches Filterelement ge kennzeichnet, bei dem das Vor- und das Nachfilter aus dem gleichen Material, nämlich Nylon66 bestehen. Die Poren dieser Membrane sind zylinderförmig und besitzen eine Porengröße von 0,2 µm.

Mit B ist ein erfindungsgemäßes Filterelement gekennzeichnet, bei dem das Endfilter ebenfalls aus Nylon66 mit Poren der Porengröße 0,2 µm besteht. Das Vorfilter besteht aus Polysulfon mit kegelstumpfförmigen Poren, deren kleinster Porendurchmesser x 2 0,8 µm beträgt. Der größte Durchmesser der kegelstumpfförmigen Poren beträgt in diesem Beispiel ca. 2 µm.

C kennzeichnet ein erfindungsgemäßes Filterelement, dessen Endfilter ebenfalls aus Nylon66 mit Poren der Porengröße 0,2 µm besteht. Das Vorfilter besteht aus einer aromatischen Polyamidmembran, die auf einer Glasfasertiefenschicht aufgebracht ist. Fig. 6 zeigt die Ergebnisse der Filtration einer 1%igen Rohrzuckerlösung. Es hat sich gezeigt, daß sich die Standzeit des erfindungsgemäßen Filterelementes B auf ca. 225% und die des glasfaserverstärkten aromatischen Polyamidfilterelementes C auf ca. 550% erhöht. Hieraus wird deutlich, daß die Standzeit gegenüber einem herkömm lichen Membranfilterelement um das Zwei- bis Fünffache bei gleicher Sicherheit, die auch das Filterelement A bietet, die Standzeit erhöht werden kann.

In der Fig. 7 ist mit D ein herkömmliches Filterelement gekennzeichnet, dessen Vor- und Endfilter jeweils aus Nylon66 mit Poren der Porengröße 0,45 µm besteht. E und F bezeichnen erfindungsgemäße Filterelemente, die den Filterelementen B und C der Fig. 6 entsprechen, jedoch mit dem Unterschied, daß das Endfilter, das aus Nylon66 besteht, eine Porengröße von 0,45 µm aufweist und daß der kleinste Durchmesser der kegelstumpfförmigen Poren des Vorfilters 1,2 µm beträgt. Der größte Durchmesser beträgt ca. 3 bis 4 µm.

Die Kombination der Nylon66-Membran mit Polysulfon mit kegelstumpfförmigen Poren steigert die Standzeit auf 270% (E) und die Kombination der glasfaserverstärkten Polyamidmembran (F) erhöht die Filtrationsleistung auf sogar 970%.

Das in den Fig. 6 und 7 zum Einsatz gekommene Vorfilter 2 bestand aus der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform. In diesem Fall sind die Glasfasern in das aromatische Polyamid eingebettet. Diese Einbettung hat zusätzlich den Vorteil, daß die Faser- bzw. Partikelabgabe von Glas fasern auf der Filtratseite während der Filtration verhindert wird. Dieser zusätzliche Vorteil erlaubt den Einsatz von solchen Filterelementen bei kritischen Filtrationen, z. B. in der pharmazeutischen und chemischen Industrie (Partikelfreiheit).

Bezugszeichenliste

1 Membranfilterelement
2 Vorfilter
3 Endfilter
4 kegelstumpfförmige Pore
5 zylindrische Pore
6 große Teilchen
7 kleine Teilchen
8 1. Lage
9 2. Lage
10 Filterelement
11 Stützmantel
12 Innenrohr
13 Vlies
14 Tiefenfilter
15 Filtermembran (Membran-Vorfilter)

Claims

1. Filterelement, insbesondere Filterkerze, aus mindestens einer Filtermembran als Vorfilter und mindestens einer Filtermembran als Endfilter, dadurch gekennzeichnet, daß
das Vorfilter (2) eine asymmetrische Porenstruktur mit Poren (4) aufweist, deren Durchmesser in Strömungsrichtung abnimmt,
daß das Endfilter (3) eine symmetrische Porenstruktur mit Poren (5) aufweist, und daß das Vorfilter (2) eine andere chemische Zusammensetzung aufweist als das Endfilter (3).

2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Durchmesser x 2 der Poren (4) des Vor filters (2) größer ist als der Durchmesser y der Poren (5) des Endfilters (3).

3. Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Durchmesser x2 der Poren (4) des Vorfilters (2) im Bereich von 0,8 µm bis 3 µm liegt und daß die asymmetrische Porenstruktur derart ausgebildet ist, daß sich die Durchmesser der Poren (4) entgegen der Strömungsrichtung um einen Faktor 2 bis 4 vergrößern.

4. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren (5) des Endfilters (3) Durchmesser y von 0,1 µm bis 0,65 µm aufweisen.

5. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorfilter (2) aus einem aroma tischen Polyamid oder Polysulfon oder Zellulose-Derivat und das Endfilter (3) aus einem aliphatischen Polyamid oder Polysulfon oder Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluor ethylen oder Polypropylen besteht.

6. Filterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aliphatische Polyamid Nylon66 ist.

7. Filterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aromatische Polyamid ein Copolymer aus Isophthalsäure und m-Phenylendiamin ist.

8. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran (15) des Vorfilters (2) auf einer Tiefenfilterschicht (14) angeordnet ist.

9. Filterelement nach Anspurch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Tiefenfilterschicht (14) aus Glasfasern besteht.

10. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefenfilterschicht in Polyamid oder Polysulfon oder Zellulosederivat eingebettet ist.

11. Filterelement nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß das Endfilter (3) aus mindestens zwei Lagen (8, 9) Filtermembranen besteht.

12. Filterelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese Lagen (8, 9) fest miteinander verbunden sind.

13. Filterelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, daß diese Lagen (8, 9) unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen.

14. Filterelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese Lagen (8, 9) durch ein Vlies oder ein Gewebe (13) verstärkt sind, welches zwischen den Lagen (8, 9) angeordnet ist.

15. Filterelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Vlies oder Gewebe (13) aus Polypropylen oder Polyester besteht.

16. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Vorfilters (2) und des Endfilters (3) derart gewählt ist, daß diese Filter unterschiedliche Oberflächeneigen schaften aufweisen.