-
Die
gegenwärtige
Erfindung betrifft eine Filteranordnung zum Entfernen von Hefezellen
durch Filtern von Bier umfassend wenigstens eine Filtrationskammer,
die ein erstes Teil aufweist, das mit einem Zufluss in Verbindung
steht, und mit einem Ausgang für
einen Hauptfluss, und mit einem zweiten Teil, das mit einem Ausgang
für ein
Permeat in Verbindung steht, das von dem Bier gewonnen wird, wobei
die beiden genannten Teile der Filtrationskammer voneinander durch
einen Filter beabstandet sind. Die Erfindung betrifft insbesondere
eine Vorrichtung zum Filtern von Bier, das durch Fermentierung erhalten wird,
das normalerweise in großen
Mengen vor dem Abfüllen
in Flaschen gefiltert werden muss.
-
Eine
Anzahl von Verfahren zum Filtern von Flüssigkeiten kann in Abhängigkeit
von der Art der Einwirkung zwischen der Flüssigkeit zum Filtern und dem
Filter unterschieden werden. Eine einfache Art der Filtration ist
die Sackgassenfiltration. Die Flüssigkeit
zum Filtern wird hierbei vollständig
durch das Filter geleitet, wobei die Partikel, die zu groß sind,
an dem Filter oder auf dem Filter zurückbleiben. Eine zunehmende
Anzahl von Poren in dem Filter wird deshalb allmählich verstopft werden und,
falls das Filter nicht regelmäßig gereinigt
wird, wird die Partikelschicht letztendlich das Filter zusetzen,
während
sie zunehmend dicker wird. Ein solches Filtrationsverfahren ist
deshalb nur für
die Filtration von Flüssigkeiten
geeignet, die wesentlich weniger Partikel zum Filtern als die Anzahl
der Poren im Filter aufweisen. Die Sackgassenfiltration ist somit
nicht, mit Sicherheit nicht im großen Maßstab, zum Filtern von Fermentierungsprodukten
geeignet, die normalerweise mit großen Mengen von Hefezellen versetzt
sind.
-
Ein
herkömmliches
Verfahren zum Filtern von Bierhefezellen bei Lagerbier weist ein
Kieselgur-Bett auf, über
das die Flüssigkeit
zum Filtern geleitet wird. Die Hefezellen in der Flüssigkeit
haften an dem Kieselgur an, wodurch die Flüssigkeit zunehmend klarer wird.
Allmählich
wird das Kieselgur jedoch gesättigt,
so dass die Filterwirkung nachlässt. Nach
einer gewissen Zeit wird deshalb eine frische Schicht von Kieselgur
auf die Oberseite des bestehenden Bettes aufgebracht. Wenn die Schicht
von Kieselgur allmählich
zu dick wird, wird sie abtransportiert und kann wieder verwendet
werden oder nicht. Diese Aspekte machen die Filtration auf der Basis von
Kieselgur sehr arbeitsintensiv und teuer.
-
Ein
drittes Filtrationsverfahren ist die sogenannte Querflussfiltration,
die auf der Vorrichtung gemäß der eingangs
genannten Art beruht. Bei der Querflussfiltration wird ein Hauptfluss
der zu filternden Flüssigkeit
entlang des Filters geleitet, anstatt hindurchgeleitet zu werden.
Infolge einer Druckdifferenz, die auf beiden Seiten des Filters
angelegt wird, fließt
ein Teil der Flüssigkeit
dennoch durch das Filter und kann als sauberes Permeat abgeführt werden. Der
verbleibende Teil der zu filternden Flüssigkeit wird wieder mit der
noch zu filternden Flüssigkeit
gemischt und wird wiederholt über
das Filter geleitet. Ein kleiner Teil der ursprünglichen zu filternden Flüssigkeitsmenge
wird deshalb zurückbleiben,
und hat deshalb eine hohe Konzentration an Verunreinigungen. Ein
Vorteil eines solchen Filterverfahrens besteht darin, dass das Filter
nicht so schnell wie bei der Sackgassenfiltration zugesetzt wird,
da die entlangfließende
Flüssigkeit
kontinuierlich eine Reinigungswirkung auf der Filteroberfläche ausübt. Sollte das
Filter jedoch nach einer gewissen Zeit auch zugesetzt werden, so
ist häufig
ein kurzer Rückfluss-Impuls
durch das Filter ausreichend, um das Filter freizumachen. Es wird
hier ein kurzer Flüssigkeitsimpuls in
der gegenüberliegenden
Richtung durch das Filter auf der Permeatseite des Filters gegeben,
so dass die das Filter blockierenden Partikel abgelöst und dann
entlang des Hauptflusses weggetragen werden. Da reines Permeat für den Flüssigkeitsimpuls verwendet
wird, dass deshalb noch einmal gewonnen werden muss, muss die Verwendung
dieser sogenannten Rückspülung auf
ein Minimum begrenzt werden.
-
Ein
Beispiel der Querfluss-Bierfiltration ist auf den Seiten 388 bis
389 des deutschsprachigen Handbuches „Technologie, Brauer & Mältzer" von Kunze als auch
durch das deutsche Gebrauchsmuster
DE
9 010 071 beschrieben. Gemäß dieser bekannten Filteranordnungen
wird eine frei aufgehängte
Membran aus einem geeigneten Polymer als Filterschicht verwendet.
Ein Nachteil einer solchen Filterschicht ist jedoch die relativ
große
Oberflächenrauhigkeit
sowohl auf der Filteroberfläche
als auch in den Poren. Hefezellen setzen sich deshalb relativ leicht
in dem Filter ab, und eine Rückspülung muss unvermeidlich
mit einiger Regelmäßigkeit
ausgeführt werden.
Um dies zu vermeiden wird eine Filtration in zwei Schritten bei
der bekannten Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die letzten Hefezellen
nach einer ersten groben Vorfiltration mit Hilfe einer Querfluss-Membranfiltration
von der Flüssigkeit
entfernt werden. Es ist jedoch offensichtlich, dass dies zusätzlichen
Aufwand bedeutet und häufig
auch zusätzlichen
Platz. Ein weiterer Nachteil von Polymermembranen zur Bierfiltration
besteht darin, dass die für
solche Membranen geeigneten Polymere häufig nicht den allgemein in
einer Brauerei verwendeten Reinigungsmitteln für eine saubere Reinigung der Anlagen
nach jedem Filtrationszyklus widerstehen.
-
Die
gegenwärtige
Erfindung hat u.a. die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art anzugeben, mit der fermentierte Flüssigkeiten mit einem großen Durchfluss
filtriert werden können,
und bei der die oben erwähnten
Nachteile vermieden werden.
-
Um
die genannte Aufgabe zu erfüllen,
ist eine Filteranordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass das Filter eine Filterschicht mit Poren
einer präzise vorbestimmten
Größe aufweist,
die mit Hilfe von photo-lithographischen Verfahren gebildet sind,
dass das Filter, nachdem die Poren darin gebildet sind, auf einem
flachen Träger
aufgeklebt oder in anderer Weise mit einer Dicke angeordnet ist,
die deutlich größer als die
Dicke des Filters ist, dass wenigstens eine Öffnung an dem Träger an der
Position des Filters angeordnet ist, um die Filterschicht freizulegen,
und dass der Träger
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im Wesentlichen
gleich demjenigen des Filters ist. Die Erfindung beruht hierbei
auf der Erkenntnis, dass flüssige
Fermentierungsprodukte, insbesondere Biere und Weine dadurch gekennzeichnet
sind, dass die enthaltenen Hefezellen im Wesentlichen die gleiche
Größe haben.
-
Eine
Querflussanordnung der Art mit einer Platte und einem Rahmen zur
Bierfiltration, z.B. unter Verwendung von Keramikmembranen, ist
aus der DE-901 0071-U1 bekannt. Ein Filter der in der Filteranordnung
gemäß der Erfindung
verwendeten Art ist grundsätzlich
aus der internationalen Patentanmeldung WO 95/13860 bekannt. Dieses
bekannte Filter weist ein Substrat aus Halbleitermaterial, insbesondere
Silizium auf, auf dem eine mit einem Muster versehene Siliziumnitridschicht
mit Unterstützung
eines sehr präzisen
photo-lithographischen Halbleiterverfahrens gebildet wurde. Die
genannte Siliziumnitridschicht bildet eine Filterschicht mit sehr
präzise
bestimmten Poren.
-
Eine
Filteranordnung gemäß der Erfindung hat
eine sehr enge Porengrößenverteilung
und kann somit optimal an die Hefezellengröße angepasst werden, um so
zu verhindern, dass die Hefezellen überhaupt oder kaum die Möglichkeit
haben, in die Poren des Filters einzudringen und diese zu blockieren.
Ein Rückspülen des
Filters kann dadurch auf ein Minimum begrenzt werden, umso mehr
deshalb, weil die mit großer
Präzision
in der Filterschicht angeordneten Poren eine äußerst geringe Oberflächenrauhigkeit
haben, was eine Adhäsion
von Hefezellen schwierig macht. Viele Materialien können für die Filterschicht
gemäß der Erfindung
verwendet werden, und insbesondere anorganische Materialien, wie etwa
Metalle, Silizium und Siliziumnitrid, die hoch resistent gegenüber üblicherweise
in Brauereien verwendete Reinigungsmittel sind. Schließlich wurde unter
Verwendung einer Filterschicht gemäß der Erfindung festgestellt,
dass ein außerordentlich
großer Fluss
erhalten werden kann, der im Falle der Bierfiltration ungefähr vierzig
Mal größer als
bei dem herkömmlichen
Filterverfahren auf der Basis von Kieselgur ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
kann hier mit einer äußerst kompakten
Konstruktion angegeben werden und erfordert nur einen sehr geringen Raum.
-
Eine
besondere Ausführung
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist insbesondere auf die Filtration von Lagerbieren gerichtet, und
hat für
diesen Zweck das Merkmal, dass die Poren in der Filterschicht zumindest
praktisch die gleiche Größe mit einem
Maximum von ungefähr
2 Mikrometer haben. Die Hefezellen in Lagerbieren haben eine relativ gleichförmige Größe von ungefähr 3 Mikrometer,
so dass die oben erwähnte
Porengröße dagegen
eine adäquate
Barriere bietet.
-
Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist grundsätzlich
für Flüssigkeiten
geeignet, die nach einem Fermentierungsverfahren für Bier oder
Wein erhalten werden. Das Permeat muss nicht nur frei von Hefezellen
sondern auch frei von Bakterien sein. Für diesen Zweck wird normalerweise
nach der Filtration ein Sterilisierungsschritt ausgeführt. Um
einen solchen Sterilisierungsschritt zu vermeiden, hat eine bestimmte
Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
das Merkmal, dass die Poren in der Filterschicht eine Größe von weniger
als 0,5 Mikrometer haben, insbesondere zwischen 0,25 und 0,5 Mikrometer.
Infolge der äußerst engen
Porengrößenverteilung
ist es möglich,
mit einem solchen Filter in einem Schritt von der Ausgangsflüssigkeit
sowohl die darin verbleibenden Hefezellen als auch Bakterien zu
entfernen, die normalerweise größer als
0,5 Mikrometer sind.
-
Eine
weitere Ausführung
der Vorrichtung hat gemäß der Erfindung
das Merkmal, dass der erste Teil der Filterkammer eine quer zu der
Filterfläche
gerichtete Höhe
zwischen 200 Mikrometer und 2000 Mikrometer hat. Der Druck über der
Filterschicht ist vorzugsweise geringer oder gleich ungefähr 5000
Pa. Indem die Höhe
des ersten Teils der Filterkammer innerhalb des genannten Bereiches
gewählt
wird, ist es möglich,
wenn eine Hauptflussgeschwindigkeit ausreichend groß ist, eine
adäquate
Selbstreinigung des Filters zu erreichen, da solch ein optimaler
Druck ohne die Gefahr eines unerwünschten Rückflusses von Permeat erreicht
werden kann. Eine kleinere Höhe
führt zu
einem großen
Druckabfall, so dass die große
Gefahr besteht, dass der Druck des Hauptflusses auf der stromabwärtigen Seite
geringer als auf der Permeatseite ist, so dass die Gefahr des Rückflusses
von Permeat besteht, was die Effizienz reduziert. Eine größere Höhe führt zu einem
geringeren als dem optimalen Fluss der Flüssigkeit über der Filteroberfläche, wodurch
kaum oder wenig Permeat erhalten wird und der Wirkungsgrad des Filters
deshalb abnimmt.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführung
hat die erfindungsgemäße Vorrichtung
das Merkmal, dass die Filterschicht eine Dicke hat, die geringer
als der durchschnittliche Porendurchmesser ist. In diesem Fall sind
die Poren tatsächlich Öffnungen
anstatt von kleinen Kanälen,
was die Gefahr der irreversiblen Blockade mit einer Hefezelle begrenzt.
Ferner kann der Querwiderstand des Filters so außerordentlich niedrig bleiben,
was zu einem außerordentlich
hohen Fluss führt,
der mit einem Filter gemäß der Erfindung erhalten
werden kann.
-
Eine
weitere Ausführung
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
hat die Eigenschaft, dass die Filterschicht wenigstens auf einer
Seite, die dem ersten Teil der Filterkammer zugewandt ist, eine
wenigstens in der Praxis ebene Oberfläche mit Höhenvariationen hat, die kleiner
als ungefähr
100 Nanometer sind. Solch eine geringe Oberflächenrauhigkeit ist bei der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
möglich,
da der Ausgangspunkt für
die Herstellung des Filters wenigstens in der Praxis eine vollständig ebene
Filterschicht sein kann, die, falls gewünscht vorher geglättet werden
kann, bevor die Poren darin angeordnet werden. Die Adhäsionen von
festen Bestandteilen der zu filternden Flüssigkeit kann somit auf ein
absolutes Minimum begrenzt werden, wodurch das Filter nicht nur
ohne Zwischenreinigung lange benutzt werden kann, sondern auch ein
idealer Fluss entlang der Filteroberfläche erzeugt wird, von dem ein
reines Permeat bei einem relativ großen Durchfluss extrahiert werden
kann.
-
Um
eine zwischenzeitliche Entfernung von Hefezellen, die dennoch daran
gefangen wurden, zu ermöglichen,
hat eine weitere Ausführung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
das Merkmal, dass der zweite Teil der Filterkammer einen Einlass
zur Zuführung
einer sauberen Flüssigkeit
hat, der von dem Permeatauslass getrennt sein kann oder nicht. Für ein vollständig kontinuierliches
Arbeiten hat diese Ausführung
gemäß der Erfindung
vorzugsweise das zusätzliche
Merkmal, dass der Einlass separat von dem Permeatauslass angeordnet
ist. Der genannte Einlass erlaubt die Option der Durchführung einer Rückspülung, wie
oben beschrieben. Obwohl es innerhalb des Rahmens der Erfindung
liegt, dass der Permeatauslass in dem zweiten Teil der Filtrationskammer
für einen
Rückflussimpuls
verwendet werden kann, liefert diese bevorzugte Ausführung die Option
der Durchführung
eines Rückflusses
zu jedem gewünschten
Moment praktisch ohne Unterbrechung des Filtrationsprozesses. Für das Rückspülen kann
Permeat verwendet werden, das bereits gesammelt wurde, als auch eine
andere geeignete reine, d.h. hefefreie Flüssigkeit, wie z.B. reines Wasser, oder
bereits erhaltenes Permeat.
-
Besonders
vorteilhafte Ergebnisse werden in der Praxis mit einer bestimmten
Ausführung
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
erreicht, die das Merkmal aufweist, dass die Filterschicht eine
Siliziumnitridschicht besitzt, in der die Poren angeordnet sind, und
die auf einem Substrat aus Silizium angeordnet ist, in dem Öffnungen
lokal auf einer von der Siliziumnitridschicht entfernten Seite angeordnet
sind, um die Siliziumnitridschicht von dieser Seite freizulegen.
Es hat sich nicht nur gezeigt, dass Silizium und Siliziumnitrid
besonders für
das Filter bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Hinblick auf die Filtereigenschaften geeignet sind, sondern dass
die genannten Materialien auch die besonderen Vorteile von dem Standpunkt
der chemischen Beständigkeit
und der photo-lithographischen Verarbeitung bieten. Zum Zwecke einer
verbesserten mechanischen Festigkeit hat eine weitere besondere
Ausführung
der Erfindung hier das Merkmal, dass die in der Filterschicht angeordneten
Poren über
eine Anzahl von separaten Segmenten verteilt sind, wobei benachbarte
Segmente voneinander durch geschlossene Zonen getrennt sind, und
wobei insbesondere das Filter auf einem ebenen Träger mit
einer Dicke angeordnet ist, die deutlich größer als die Dicke des Filters
ist und wobei wenigstens eine Öffnung
in dem Träger
an der Position des Filters angeordnet ist, um eine Unterseite des
Filters freizulegen.
-
Für eine ausreichend
große
Kapazität,
insbesondere bei Großserienanwendungen,
wie etwa bei der Herstellung von Bier oder Wein ist eine besondere
Ausführung
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Anordnung einen Stapel
von wenigstens zwei Filtern aufweist, die voneinander durch Dichtungen
getrennt sind, wobei die Filter paarweise mit ihren Filterschichten
einander zugewandt angeordnet sind, und wobei die Dichtungen Öffnungen
aufweisen, die mit dem genannten Zufluss und dem Ausgang für den Hauptfluss
von fermentierter Flüssigkeit
oder für
die Ausgabe des genannten Permeates verbunden sind. Bei dieser Vorrichtung
ist eine optional große
Anzahl von Filtrationskammern parallel in einer außergewöhnlich kompakten
Weise in dem Hauptfluss der zu filternden Flüssigkeit verbunden, wodurch
die Filterkapazität proportional
zunimmt.
-
Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf eine Ausführung und
eine Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1A–1D einen
Querschnitt einer Ausführung
eines Filters für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in aufeinanderfolgenden Schritten der Herstellung;
-
2A–2C Aufsichten
des Filters gemäß 1 in einer alternativen Ausführung;
-
3 eine
Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bierfiltration;
-
4 einen
Längsschnitt
der Vorrichtung gemäß 3 entlang
der Linie X-X und
-
5 einen
Längsschnitt
der Vorrichtung gemäß 3 entlang
der Linie Y-Y.
-
Die
Zeichnungen sind im Übrigen
rein schematisch und nicht maßstabsgetreu.
Insbesondere sind einige Abmessungen besonders zum Zwecke der Klarheit übertrieben.
Entsprechende Teile sind soweit möglich in den Figuren mit den
gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
-
Eine
Ausführung
eines Mikrofilters zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in den 1A–1D in
aufeinanderfolgenden Schritten der Herstellung gezeigt. In diesem
Fall ist der Ausgangspunkt für
die Herstellung gemäß 1A ein
Substrat 1 aus Silizium mit einer Dicke von mehreren 100
Mikrometern, in diesem Fall ungefähr von 400 Mikrometer, das
auf beiden Seiten mit einer Siliziumnitridschicht 2, 3 mit
einer Dicke von ungefähr
1 Mikrometer beschichtet wird. Die Schichten 2, 3 aus
Siliziumnitrid können
mit einer äußerst hohen
Ebenheit unter Verwendung von bekannten Abscheideverfahren, wie
etwa CVD erzeugt werden. Die Oberflächenrauhigkeit der Schicht 2,
die als Ausgangspunkt für
die Bildung der Filterschicht dient, kann somit mit einer äußerst geringen
Oberflächenrauhigkeit
mit Höhenvariationen
realisiert werden, die leicht geringer als 100 Nanometer sein können. Dies ist
von besonderem Vorteil in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die auf der
Basis der Querflussfiltration betrieben wird.
-
Das
Ganze wird mit eine Photolack 4 beschichtet, der mit Licht
oder einer anderen Strahlung einer geeigneten Wellenlänge belichtet
wird, während
er von einer photolithographischen Maske abgedeckt wird. Die Belichtung
erfolgt in diesem Fall mit UV-Licht. Durch nachfolgendes Abspülen des
Ganzen mit einem geeigneten Entwickler werden die solchermaßen belichteten
Teile des Photolackes 4 aufgelöst, während die maskierten Teile
zurückbleiben, was
zu der in 1B gezeigten Struktur führt.
-
Das
Ganze wird dann einem geeigneten Ätzmittel für Siliziumnitrid ausgesetzt,
wodurch an der Position der nicht beschichteten Teile der Siliziumnitridschicht 2 Poren 7 mit
einem Durchmesser von ungefähr
2 Mikrometer geätzt
werden. Auf der Unterseite des Substrates der Siliziumnitridschicht
ist hier auch gemeinsam damit ein großer Teil seiner Oberfläche geätzt. Es
wird somit die Struktur gemäß 1C erhalten.
Schließlich
wird unter Verwendung der Siliziumnitridschichten 2, 3 als Ätzmaske
das Substrat 1 vollständig über seine
gesamte Dicke hauptsächlich
von der Unterseite her weggeätzt,
um die Filterschicht 2 freizulegen, die mittlerweile auf
seiner Oberfläche
gebildet ist, vergleiche 1D.
-
Die
so erhaltene Struktur ist durch eine große Anzahl von Poren 7 von
im Wesentlichen identischer Dimension und Form gekennzeichnet, infolge der
großen
und ständig
zunehmenden Präzision
von bekannten lithographischen Verfahren. Auf die oben beschriebene
Weise kann ein Filter mit einer extrem schmalen Porengrößenverteilung
hergestellt werden, die im Wesentlichen auf eine Verteilung mit
einer Abweichung von wenigen Prozent reduziert werden kann.
-
1D zeigt
im Übrigen
nur eine einzige Insel, obwohl in der Realität eine große Anzahl von solchen Inseln
auf einem Siliziumwafer angeordnet sind, wie in der Aufsicht gemäß 2A gezeigt.
Die dort gezeigte Einheit bildet das Filter, das in dem folgenden
Beispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
verwendet wird, mit der Biere, Weine und andere Fermentierungsprodukte
wirksam mit einem äußerst hohen
Durchfluss und einer hohen Betriebsdauer zur Entfernung von Heferückständen und
anderen möglichen
festen Kontaminationen gefiltert werden können. Die 2B und 2C zeigen
hier zwei alternative Ausführungen
von Inseln in dem Filter, wobei in dem letzteren Fall die Poren
in der Siliziumschicht über
eine Anzahl von einzelnen Segmenten 81–84, in diesem Fall
rechteckförmig,
verteilt sein können,
die voneinander durch geschlossene Zonen 9 in der Siliziumnitridschicht 2 beabstandet
sind. Solche eine Unterteilung von Inseln 8 führt in der
Praxis zu einer vergrößerten mechanischen
Festigkeit, wodurch eine längere
Lebensdauer des Filters und auch größere Flüssigkeitsdrücke erreicht werden.
-
Eine
Ausführung
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
bei der das oben beschriebene Filter verwendet wird, ist in 3 in
einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die Vorrichtung weist in diesem
Fall einen Stapel einer Anzahl von Filter auf, um die Filterkapazität zu vergrößern, und
ist für
die Filtration von Lagerbier oder Wein im großen Stil geeignet. Hier sind
Filter 10 klebemäßig oder
in anderer Weise auf einem Träger
mit einer Dicke von mehreren Zentimetern zum Zweck der Vergrößerung der
mechanischen Stabilität
befestigt, was deutlicher in den Querschnitten gemäß 4 und 5 gezeigt
ist. Der Träger
hat vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der
im Wesentlichen gleich demjenigen des verwendeten Filters ist, was
in diesem Fall ein Keramikmaterial empfiehlt. Edelstahl ist jedoch
auch vom Standpunkt des Herstellungsverfahrens ein geeignetes Material.
-
Die
einzelnen Filter sind durch flüssigkeitsdichte
Dichtungen voneinander getrennt, um bei jedem Filter die unreine
Flüssigkeitsseite
und die Permeatseite voneinander zu trennen. Zwei Arten von Dichtungen,
die hier mit 12 bzw. 13 bezeichnet sind, und die
sich in ihrer Form unterscheiden, werden hierbei verwendet. Infolge
dieser Dichtungen sind ein Zufluss 21 und ein Auslass 22 eines
Hauptflusses der zu filtern den Flüssigkeit in einer flüssigkeitsdichten Weise
von einem Auslass 23 für
ein von dem Hauptfluss erhaltenes Permeat getrennt. Obwohl bei dieser Vorrichtung
gemäß diesem
Beispiel nur drei gestapelte Filter 10 vorgesehen sind,
kann der Stapel ohne Problem auf eine größere Anzahl relativ ausgedehnt werden,
um eine größere Filterkapazität mit einer dennoch
kompakten Vorrichtung zu erreichen.
-
Der
Stapel aus Filtern und Dichtungen liegt zwischen zwei Endstücken 14 eingeklemmt,
auf denen Verbinder 30, 31, 32 für den Zufluss
und die Ausgabe des zu filternden Hauptflusses und für die Ausgabe
des davon gewonnenen Permeates vorgesehen sind. Die Endstücke sind
z.B. aus Stahl oder Plexiglas hergestellt und weisen Bohrungen zur
Aufnahme von Durchgangsbolzen 15 auf (vergleiche 4 und 5),
mit denen das Ganze fixiert wird.
-
Die
Verbinder sind schematisch in den 4 und 5 gezeigt
und weisen Fluid-Universalkupplungen
einer geeigneten Größe auf.
Zusätzlich
ist ein Verbinder 34 vorgesehen, mit Hilfe dessen ein sogenannter
Rückspülungsfluss
während
des Betriebes unabhängig
von dem Permeatauslass 23, 33 durchgeführt werden
kann, um ein unerwartet blockiertes Filter 10 mit gewonnenem
Permeat oder einer anderen reinen Flüssigkeit zu reinigen.
-
Die
Vorrichtung weist eine Anzahl von Filterkammern auf, die parallel
zueinander in dem Hauptfluss der zu filternden Flüssigkeit
angeordnet sind. Die Zufuhr und der Auslass 21, 22 für den Hauptfluss sind
hierbei mit einem ersten Teil 50 der Filterkammern verbunden,
die die Filterschichten 2 des Filter miteinander verbindet.
Auf der von der Filterschicht 2 entfernten Seite ist ein
zweites Teil 52 der Filterkammern vorgesehen, von dem aus
das gewonnene Permeat abgeführt
wird und von dem aus ein Rückspülungsimpuls
durch das Filter über
den Einlass 24, der für
diesen Zweck vorgesehen ist, gegeben werden kann. Im gegenwärtigen Fall
liegen die Filter in Paaren zusammen, wobei ihre Filterschicht einander
zugewandt sind, um so die anderen benachbarten Teile der Filterkammern
miteinander zu integrieren. Eine Höhe zwischen 200 Mikrometern
und 2000 Mikrometer in den ersten Teilen der Filterkammern hat sich
in der Praxis als eine ideale Kombination für einen modera ten Druck über dem
Filter und einen nicht zu großen
Druckabfall zwischen dem Zufluss und dem Ausgang bei einer Fließgeschwindigkeit
mit einer adäquaten
Reinigungswirkung auf der Filteroberfläche gezeigt. In diesem Fall
stellt dies den senkrechten Abstand zwischen den Filterschichten
dar, die in Paaren einander zugewandt sind, oder in dem Fall eines Endfilters
mit ungerader Anzahl, den senkrechten Abstand zwischen seiner Filterschicht
und dem benachbarten Endstück.
-
Da
hier photo-lithographisch hergestellte Filter verwendet werden,
die auch als Mikrosiebe bezeichnet werden, ist die hier gezeigte
Vorrichtung in der Lage, einen äußerst großen Filterfluss
von ungefähr
15.000 Liter pro Stunde pro Quadratmeter Filterfläche bei
einem Bar Druckdifferenz über
dem Filter zu liefern. Mit derselben Filterfläche kann dadurch eine 100 Mal
größere Filterkapazität als bei
herkömmlichen
Filterbetten auf der Basis von Kieselgur erreicht werden, wodurch
es selbst in einer industriellen Umgebung möglich ist, dass eine relativ
kompakte Installation ausreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
realisiert eine Hefezellenreduktion bei Lagerbier von 800.000 Zellen
pro Liter in dem ungefilterten Bier auf weniger als einen Durchschnitt
von ungefähr
5 Zellen pro Liter im Permeat.
-
Obwohl
die Erfindung oben unter Bezugnahme nur auf eine einzige Ausführung näher beschrieben
wurde, ist es offensichtlich, dass zahlreiche Veränderungen
und Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind.
Die genannten Materialien und Dimensionen können somit durch geeignete
alternative Materialien ersetzt werden. Insbesondere die Dimension
der Poren in dem Filter kann weiter im Hinblick auf besondere Anwendungsgebiete
modifiziert werden. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung infolge der
großen
Präzision,
mit der die Poren gebildet sind, und infolge der äußerst engen
Porengrößenverteilung,
die sich daraus ergibt, auch als Sterilisationsfilter bei der Bier-
oder Weinfiltration angewendet werden, wobei eine Porengröße mit einem
Maximum von 0,5 Mikrometer, insbesondere zwischen 0,25 Mikrometer
und 0,5 Mikrometer, verwendet wird. In diesem Fall können Hefezellen
als auch Bakterien und andere Pathogene aus einer Flüssigkeit
in einem Schritt entfernt werden, so dass ein separater Sterilisationsschritt überflüssig ist.
Dies ist vorteilhaft bei der oben erwähnten Anwendung auf dem Bereich
der Behandlung von Bieren, Weinen und anderen durch Fermentierung
erhaltenen Getränken,
bei denen Hefezellen vorhanden sind.
-
Ferner
kann das erfindungsgemäße Filter auch
auf andere Weise anstatt der Verwendung von Belichtung, Entwicklung
und Ätzen
einer definierten Porenverteilung unter Verwendung einer Maske erzeugt
werden. Es kann somit anstelle einer Maske bei der Entwicklung eines
Photolackes ein Interferenzmuster genutzt werden, um darin ultrafeine
Poren mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 Mikrometer zu erzeugen,
obwohl grundsätzlich
eine gröbere
Lithographie verwendet wird. Der Ausgangspunkt kann auch ein vollständig anderer
Prozess sein, bei dem eine galvanische Form auf photo-lithographische
Weise hergestellt wird, auf der eine Metallschicht mit den gewünschten
Poren durch Elektroabscheidung abgeschieden wird. Was wichtig bei dem
erfindungsgemäßen Filter
ist, ist die Tatsache, dass die Poren in der Filterschicht in einer
definierten und deshalb kontrollierten Weise gebildet sind, so dass
ein hoher Grad an Gleichförmigkeit
mit einer zugehörigen
engen Porengrößenverteilung
erhalten wird.