DE69919682T2 - Rotierende scheibenfiltervorrichtung mit mitteln zur reduzierung der axialkräfte - Google Patents

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Description

  • Technischer Bereich
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Filtration und etwas genauer rotierende Scheibenvorrichtungen.
  • Technischer Hintergrund
  • Filtrationsvorrichtungen werden verwendet, um eine oder mehrere Komponenten eines Fluids von anderen Komponenten zu trennen. Übliche Verfahren, die in derartigen Vorrichtungen durchgeführt werden, weisen auf: Klassische Filtration, Mikrofiltration, Ultrafiltration, Umkehrosmose, Dialyse, Elektro-Dialyse, Verdunstung durch eine Membran, Wasserabspaltung, Siebung, Affinitätstrennung, Affinitätsreinigung, Affinitätssorption, Chromatographie, Gelfiltration und bakteriologische Filtration. Der hier verwendete Ausdruck „Filtration" umfasst alle derartigen Trennverfahren genauso wie irgendwelche andere Verfahren, die einen Filter verwenden, der ein oder mehrere Komponenten eines Fluids von den anderen Komponenten des Fluids trennt.
  • Filtrationsverfahren machen Gebrauch von der grösseren Filterdurchlässigkeit einiger Fluidkomponenten im Vergleich zu anderen. Der hier verwendete Ausdruck „Filter" umfasst jeden beliebigen Artikel, der aus jedem beliebigen Material hergestellt ist, das ein oder mehrere Komponenten eines Fluids durch diesen Filter hindurch passieren lässt, um diese Komponenten von anderen Komponenten des Fluids zu trennen. Somit umfasst der Ausdruck „Filter" metallische und polymerische Stofffilter, semipermeable Membranen und anorganischen Siebmaterialien (d.h. Ceolithe, Keramik). Ein Filter kann jede Gestalt oder Form, z.B. gewebte oder nicht gewebte Strukturen, Fasern, Membrane, Siebe, Folien, Filme und deren Kombinationen haben.
  • Die Komponenten des Fluids, das durch den Filter hindurchgeht, enthält das „Permeat" und die Komponenten, die nicht hindurchgehen (z.B. die durch den Filter zurückgewiesen werden oder durch den Filter gehalten werden) enthalten das „Retentat". Die wertvolle Fraktion eines Filtrationsprozesses kann das Retentat oder das Permeat sein; in einigen Fällen können auch beide nützlich sein.
  • Ein gewöhnliches technisches Problem in allen Filtrationsvorrichtungen ist das Zusetzen und Verstopfen des Filters. Ein Permeat, das von der an der Zufuhrseite des Filters angrenzenden Fluidschicht durch den Filter hindurchgeht, hinterlässt eine an oder auf der Seite des Filters angrenzende Retentatschicht mit einer anderen Zusammensetzung als die des zugeführten Ausgangsfluids. Dieses Material kann den Filter zusetzen und seine Poren verstopfen, (d.h. den Filter verunreinigen), oder als eine stagnierende Grenzschicht verbleiben, die entweder den Transport der Komponenten behindert, die versuchen, durch den Filter zu der Seite des Permeatproduktes des Filters hindurch zukommen. Mit anderen Worten, der Massentransport pro Flächeneinheit durch den Filter pro Zeiteinheit (d.h. Strömung) wird reduziert und das inhärente Siebvermögen des Filters wird nachteilig beeinflusst.
  • Generell ist ein Verunreinigen des Filters naturgemäß chemisch, was eine aktivierte Adsorption von Substanzen in dem Zufuhrfluid zu dem inneren (Pore) und äusseren Oberflächenbereich des Filters einschließt. Wenn nicht die chemischen Eigenschaften der Filteroberfläche verändert werden, um Adsorption zu verhindern oder zu reduzieren, sind ein häufiger und teurer Filteraustausch oder Reinigungsoperationen erforderlich.
  • Eine der üblicherweise am meisten auftretenden Gründe für Verschmutzen entsteht durch die niedrige Oberflächenenergie (z.B. eine wasserabweisende Eigenschaft) vieler Filter. U.S. 4,906,379 und 5,000,848, die der Membrex, Inc., dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung, übertragen worden ist, offenbart eine chemische Abänderung, um die freie Oberflächenenergie (wasseranziehende Eigenschaft) von Filteroberflächen zu erhöhen. (Alle Dokumente, die aufgeführt, diskutiert oder auf die in dieser Anmeldung auf andere Art und Weise Bezug genommen werden, sind hierin in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke eingeschlossen.) Im allgemeinen wurde jedoch einer oberflächenverändernden Chemie relativ wenig Aufmerksamkeit gewidmet, um ein Filterverunreinigen zu reduzieren.
  • Im Gegensatz zu der chemischen Natur der meisten Verunreinigungsprobleme ist die Bildung einer Grenzschicht in der Nähe der Oberfläche des Filters physikalischer Natur, was sich aus der Unausgeglichenheit in dem Stoffaustausch von Komponenten des Zufuhrfluids in Richtung auf die Filteroberfläche im Vergleich zur Rückführung von der Grenzschicht zu dem zugeführten Ausgangsfluid ergibt. Eine gewisse Kraft (z.B. mechanisch, elektrokinetisch) muß verwendet werden, um den gewünschten Stoffaustausch von der Filteroberfläche weg zu fördern. Ungünstigerweise sind wenige Strategien entwickelt worden, die ein adäquates Rückmischen fördern, um die Grenzschicht zu reduzieren oder ihre Bildung zu vermeiden.
  • Die üblichste Strategie ist die sogenannte „Kreuzstrom-Filtration" („CFF") oder „Tangentialstrom-Filtration" („TFF"). Im Prinzip wird das Zufuhrfluid über (d.h. parallel zu) die äussere Fläche des Filters mit einer Geschwindigkeit verpumpt, die hoch genug ist, um die Grenzschicht zu zerstören und eine Rückvermischung in Gang zu bringen. In der Praxis jedoch hat der Kreuzstrom mehrere Nachteile. Zum Beispiel muss die Apparatur so ausgelegt sein, dass höhere Fließraten, die erforderlich sind, zu handhaben sind, wobei derartig höhere Fließraten allgemein ein zirkulierendes Retentat erfordern. Jedoch kann eine Rückführung gewissen Stoffen Schaden zufügen, die in dem Fluid vorhanden sind (z.B. Zellen, Proteine) und diese für eine weitere Verwendung (z.B. Testen) unbrauchbar machen.
  • Ein anderer Lösungsweg, die stillstehende Grenzschicht zu eliminieren, hat eine Entkopplung der Zufuhrstrommenge von dem angewandten Druck zur Folge. Mit diesem Lösungsweg wird ein strukturelles Bauteil der Filtrationsvorrichtung, besser als das Zufuhrfluid, verstellt, um eine Rückvermischung und Verringerung der Grenzschicht herbeizuführen. Der bewegliche Körper kann der Filter selbst oder ein Körper sein, der sich in der Nähe des Filterelementes befindet. Einige von den wenigen Vorrichtungen mit beweglichem Körper, die die Filtration ohne energieineffiziente Turbulenz verbessert haben, sind in U.S. 4,790,942 , U.S. 4,876,013 und U.S. 4,911,847 (übertragen an Membrex, Inc.) erläutert. Diese drei Patente offenbaren jedes die Verwendung einer Filtervorrichtung, die äussere und innere zylindrische Körper aufweisen, die einen ringförmigen Spalt zur Aufnahme von Zufuhrfluid bilden. Die Oberfläche von wenigstens einem dieser Körper, die den Spalt bilden, ist die Oberfläche eines Filters, wobei ein oder beide der Körper rotiert werden können. Eine induzierte rotierende Strömung zwischen diesen Zylindern ist ein Beispiel für eine nichtstabile Schichtenbildung des Fluids, die durch Zentrifugalkräfte verursacht werden. Der Beginn dieser Instabilität kann mit Hilfe einer kennzeichnenden Zahl, bekannt als die Taylor-Zahl, beschrieben werden. Über einem gewissen Wert der Taylor-Zahl erscheint ein wirbliges Strömungsprofil, das sogenannte Taylor-Wirbel aufweist. Dieser Typ einer zweiten Strömung verursacht einen hocheffizienten nicht-turbulenten Schub an der Filteroberfläche bzw. den Filteroberflächen, der die unbewegliche Grenzschichtdicke verringert und somit den Permeatfluss erhöht.
  • Im Gegensatz zu einer klassischen Kreuzstromfiltration erlauben die Vorrichtungen nach U.S. 4,790,942 , U.S. 4,876,013 und U.S. 4,911,847 eine Schubrate nahe der Filtrationsfläche zu und ermöglichen, dass der transmembrane Druck unabhängig geregelt werden kann. Weil diese zwei Betriebsparameter unabhängig sind und hohe Zufuhrraten nicht verlangt sind, um den Permeatfluss zu verbessern, kann des weiteren die Zufuhrrate eingestellt werden, um nichtgleichmäßige Verteilungen des transmembranen Drucks zu vermeiden. Entsprechend ermöglichen mechanisch betriebene Systeme dieses Typs eine genaue Regelung hinsichtlich der Trennung.
  • Rotierende Scheibenfiltervorrichtungen lassen auch eine Scherkraft nahe der Filtrationsfläche und einen transmembranen Druck zu, der unabhängig geregelt werden muß. In solchen Vorrichtungen ist das Zufuhrfluid zwischen der Scheibe und der gegenüberliegenden Filterfläche angeordnet, die den Fluidfilterspalt bildet, wobei ein oder beide Scheiben und eine Filterfläche rotiert werden. Siehe z.B. U.S. 5,143,630 und 5,254,250 (beide an Membrex, Inc. übertragen). Zusätzliche Dokumente, die rotierende Laufräder, rotierende Scheiben, Filter, rotierende Scheibenfiltervorrichtungen sowie anderen Filtervorrichtungen, die mechanische Agitation verwenden, und Dichtungen umfassen folgende Dokumente: U.S. 1,762,560 ; U.S. 3,445,821 ; U.S. 3,477,575 ; U.S. 3,884,813 ; U.S. 4,025,425 ; U.S. 4,066,546 ; U.S. 4,132,649 ; U.S. 4,216,094 ; U.S. 4,311,589 ; U.S. 4,330,405 ; U.S. 4,376,049 ; U.S. 4,592,848 ; U.S. 4,708,797 ; U.S. 4,717,485 ; U.S. 4,781,835 ; U.S. 4,867,878 ; U.S. 4,872,806 ; U.S. 4,906,379 ; U.S. 4,950,403 ; U.S. 5,000,848 ; U.S. 5,599,164 ; österreichische Patentschrift 258313; veröffentlichte europäische Anmeldung Nr. 0 226 659, 0 227 084, 0 304 833, 0 324 865, 0 338 433, 0 443 469 und 0 532 237; deutsche Patentschrift 343 144; veröffentlichte PCT Anmeldung WO 93/12859; veröffentlichte PCT Anmeldung WO 97/19745 (entsprechend der U.S. 5,707,517 , im Besitz von Membrex, Inc.); U.K. 1,057,015 ; Aqua Technology Ressource Management, Inc., „Wie Ihr Fluid-Prozess-Budget davon abgehalten werden kann, verschwendet zu werden", eine 3-Seiten-Broschüre; Aqua Technology Ressource Management, Inc., eine 4-Seiten-Broschüre (ohne Titel), die „den technologischen Hintergrund", „Überwindung einer Konzentrationspolarisierung", etc.; Fodor, „mechanische Dichtungen: Konstruktionslösungen für störungsfreie sterile Anwendungen", Bioprozesstechnik-Symposium, die amerikanische Gesellschaft des Maschinenbauwesens [The American Society of Mechanical Engineers] (1990), Seite 89–98; Ingersoll-Rand, „Aufwertung ihres gesamten Filter- und/oder Waschbetriebs mit der neuen nach herkömmlichem Handwerk hergestellten dynamischen Eindick-/Wascheinrichtung", Bulletin Nr. 4081, 4 Seiten (2/86); Ingersoll-Rand, „patentiertes Filter-/Waschvermögen lässt gleichzeitiges Waschen und Filtern zu", Bulletin Nr. 4060, 4 Seiten (8/83); Lebeck, Grundsätze und Auslegungen von mechanischen Flächenfiltern, Seiten 17–20, 107, 146 (John Wiley & Sons, Inc. 1991); Molga und Wronski, „dynamische Filtration bei der Gewinnung hochreinen Materials – Modellierung des Waschprozesses", Verfahren von der königlichflämischen Gesellschaft der Ingenieure, Antwerpen, Belgien, Oktober 1988, Band 4, Seiten 69–77; Murkes und Carlsson, Kreuzstromfiltration – Theorie und Praxis, Seiten 69–99, John Wiley & Sons, New York (1988); Parkinson, „ein neuer Separator macht sein Debut"; Chemieingenieurwesen (Januar 1989), eine Seite Nachdruck durch Aqua Technology Ressource Management, Inc.; Rudniak und Wronsky, „Dynamische Mikrofiltration in der Biotechnologie", erster Tätigkeitsbericht:: Ingenieurwesen für Bioverfahren, Institut für Chemotechnik und Verfahrenstechnik, Technische Universität Warschau, Warschau, Polen, Juni 26–30, 1989; Schweigler und Stahl, „Scheibenfilter zur Entwässerung mineralischer Schlämme mit hoher Leistung", Filtration und Separation, Januar/Februar, Seiten 38–49 (1990); Shirato, Murase, Yamazaki, Iwata und Inayoshi, „Strömungsbild in einer Filterkammer während einer dynamischen Filtration mit einer mit Nuten versehenen Scheibe", Internationale chemische Verfahrenstechnik, Band 27, Seiten 304–310 (1987); Snowman, „Dichtungstechnologie in Gefriertrocknern", in Symposion der Bioverfahrenstechnik, die amerikanische Gesellschaft der Maschinenbauingenieure [The American Society of Mechanical Engineers] (1989), Seiten 81–86; Todhunter, „Erhöhung der Lebensdauererwartung mechanischer Dichtungen im aseptischen Einsatz", Symposium der Bioverfahrenstechnik, die amerikanische Gesellschaft der Maschinenbauingenieure [The American Society of Mechanical Engineers] (1989), Seiten 97–103; Watabe, „Experimente zur Fluidreibung einer rotierenden Scheibe mit Lamellen", Bulletin der „JSME", Band 5, Nr. 17, Seiten 49–57 (1962); Wisniewski, „Zu erwartende Wirkungen von Betriebsbedingungen an der Dichtungsgrenzfläche auf biologischen Materialien", Symposium biologischer Verfahrenstechnik, die amerikanische Gesellschaft von Maschinenbauingenieuren [The American Society of Mechanical Engineers] (1989), Seiten 87–96; Wronski, „Filtracja dynamiczna roztworow polimerow", Inz. i Ap.Chem., Nr. 1, Seiten 7–10 (1983); Wronski, Molga und Rudniak, „Dynamische Filtration in der Biotechnologie", Biologische Verfahrenstechnik, Band 4, Seiten 99–104 (1989); Wronski und Mroz, „Energieverbrauch in dynamischen Scheibenfiltern", Filtration und Trennung, November/Dezember, Seiten 397–399 (1984); Wronski und Mroz, „Probleme der dynamischen Filtration", Berichte des Instituts für chemische Verfahrenstechnik, Technische Universität Warschau T.XI, z. 3–4, Seiten 71–91 (1982); und Wronski, Rudniak und Molga, „Resistenzmodell für dynamische Mikrofiltration bei hoher Scherung", Filtration und Separation, November/Dezember, Seiten 418–420 (1989).
  • Herkömmliche rotierende Scheibenfiltervorrichtungen verwenden gestapelte Filterscheibenanordnungen. Die meisten dieser Vorrichtungen weisen traditionell Scheibenfilter auf, die durch eine mittig angeordnete Welle in Drehung versetzt werden, wobei die Filterelemente an der Welle befestigt sind. Einige rotierende Scheibenvorrichtungen benutzen feststehende Filterscheiben, die voneinander durch drehende Elemente, die an der Welle befestigt sind, getrennt sind. Murkes und Carlsson, Kreuzstromfiltration – Theorie und Praxis, John Wiley & Sons, New York (1988) 3.15 auf Seite 91. Bei diesem Vorrichtungstyp umgibt ein einziges stationäres Filterelement die mittig angeordnete drehende Antriebswelle.
  • Die Wirksamkeit der drehenden Scheibenfiltervorrichtungen hängt zu einem großen Teil an den Strömungswegen des Zufuhrfluids und des Fluids von Retentat und Permeat. Einrichtungen, die mögliche Anreicherung von zurückgehaltenen Arten, verursacht durch Begrenzungen beim Durchflußweg, können entweder eine Veränderung des Aufbaus einer sich drehenden Scheibe (z.B. Hinzufügen von Lamellen oder Nuten) oder eine Veränderung der Zufuhrkanäle oder beides aufweisen. In einigen Konstruktionen wird das Zufuhrfluid in der Nähe des Umfangs des Filters und der Scheibe bzw. der Filter und der Scheiben zugeleitet. In anderen Konstruktionen wird das Zufuhrfluid in der Nähe der Drehachse (Längsachse des/der Filter und Scheibe/Scheiben) zugeleitet und das Zufuhrfluid kann dem/den Fluidfilterspalt(en) über drehende Hohlwellen zugeleitet werden, die Öffnungen (oder Düsen) aufweisen, um das zugeführte Produkt an eine oder beide Seiten des Filterträgerelements zu leiten.
  • Man hat herausgefunden, dass in einigen Fällen während der Nutzung einer drehenden Scheibenfiltervorrichtung die Scheiben und der angrenzende Filter, die den Fluidfilterspalt bilden, miteinander in Berührung stehen können, was im höchsten Maße unerwünscht ist (z.B, das Verbinden oder Reiben einer Scheibe mit einem Filter kann die Leistungsanforderungen signifikant anwachsen lassen, der Filter kann beschädigt werden und die Drehlager können einen vorzeitigen Verschleiß oder Ausfall erfahren). Entgegen der gesamten Entwicklungsarbeit, die die rotierende Scheibenfiltervorrichtungen betrifft, besteht immer noch ein Bedarf an drehenden Scheibenfiltervorrichtungen, die eine derartige Berührung und die daraus folgenden Probleme vermeiden können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Derartige Vorrichtungen sind nun entwickelt worden. Gemäß dieser Erfindung wurde überraschenderweise herausgefunden, dass in Kombination mit den anderen Elementen der Erfindung ein Vorsehen einer zweiten Zufuhreinrichtung in dem aktiven Bereich einer Scheibe, die einen Fluidfilterspalt bildet, diese Probleme signifikant mildert und andere Vorteile schafft. Dies war insbesondere überraschend, weil ein Einbringen der zweiten Zufuhreinrichtung in dem inaktiven (nichtaktiven) Bereich der Scheibe diese Probleme nicht zu mildern oder die Vorteile dieser Erfindung zu liefern schien. Der aktive Bereich der Scheibe ist der Abschnitt der Scheibe, der sich gegenüber dem aktiven Bereich des Filters befindet (welcher der „aktive Filterbereich" ist). Somit sind der aktive Filterbereich des Filters und der aktive Bereich der Scheibe die Bereiche, die sich an dem Filterspalt einander gegenüberliegen, der diese zwei aktiven Bereiche bestimmt. Werden die bevorzugten spiralförmigen Nuten auf der Scheibe verwendet, korrespondiert der aktive Bereich der Scheibe typischerweise mit dem mit Nuten versehenen Bereich, weil Nuten typischerweise nicht auf der Scheibe plaziert sind, ausgenommen dort, wo sie direkt dem Filter gegenüber liegen, um den Fluidfilterspalt zu bilden.
  • Die zweiten Zufuhreinrichtungen sind wünschenswerterweise Durchgangslöcher (Löcher in der Scheibe). Bei einer Verwendung der zweiten Zufuhreinrichtung in Kombination mit den anderen Elementen der Vorrichtung wird angenommen, dass die Nettokräfte (Drücke), die auf die zwei einen Spalt bildenden Flächen wirken und die dazu tendieren, diese zwei Flächen aneinander zu bewegen, verringert werden. Andere angenommene unerwartete Vorteile der Erfindung liegen darin, dass jedes Schwächen des Filterverfahrens, das in dem Spalt durchgeführt wird, vermieden wird, und die Tendenz zum Verschmutzen des Filters, der diesen Spalt bildet, vermindert oder eliminiert wird. Diese Vorteile, genauso wie auch andere, werden durch diese Offenbarung dem Fachmann klar.
  • Diese Erfindung betrifft eine rotierende Scheibenfiltervorrichtung zur Filterung von Zufuhrfluid in einem Fluidfilterspalt in Permeat und Retentat, wobei die Vorrichtung einen Filter und eine Scheibe aufweist, welche dazwischen den Fluidfilterspalt bilden, wobei mindestens einer von diesen beiden, der Filter und die Scheibe, drehbar ausgebildet ist, und wobei die Vorrichtung Einrichtungen entweder zum Drehen des Filters oder der Scheibe oder von beiden aufweist, wobei das Fluid aus dem Fluidfilterspalt, welches durch den Filter hindurchgeht, das Permeat ist, und das Fluid, welches nicht durch den Filter hindurchgeht, das Retentat ist; wobei die Vorrichtung ebenfalls folgendes aufweist:
    • a) ein Filterträgerelement mit einer Hauptfläche, wobei die Hauptfläche einen Filter mit (i) einem aktiven Bereich, (ii) einem Umfangsbereich und (iii) einer im wesentlichen senkrecht zu dem aktiven Filterbereich stehenden Längsachse aufweist;
    • b) eine Scheibe mit ersten und zweiten gegenüberliegend angeordneten Hauptflächen, wobei die zweite Hauptfläche (i) einen aktiven Bereich, (ii) einen Umfangsbereich und (iii) eine im wesentlichen senkrecht zum aktiven Bereich stehende Längsachse aufweist; wobei der aktive Bereich der Scheibe und der aktive Filterbereich des Filters zwischen sich den Fluidfilterspalt bilden, wobei der aktive Bereich der zweiten Hauptfläche der Scheibe ein Teil der zweiten Hauptfläche der Scheibe ist, welcher gegenüberliegend zu dem aktiven Filterbereich des Filters angeordnet ist, wobei der aktive Bereich der zweiten Hauptfläche der Scheibe mindestens eine Spiralnut aufweist, die mit dem Fluid in Fluidverbindung steht, wenn sich das Fluid in dem Fluidfilterspalt befindet, wobei die Spiralnut einen Öffnungswinkel Y in Polarkoordinaten von mindestens zehn Grad auf der zweiten Hauptfläche der Scheibe aufweist;
    • c) eine Drehrichtung zum Drehen entweder der Scheibe oder des Filters um die jeweilige Längsachse oder zum Drehen von beiden, so dass sich die Scheibe und der Filter in Bezug zueinander drehen und ein Pumpvorgang erzeugt wird, der darauf gerichtet ist, das Fluid in dem Fluidfilterspalt bei der Längsachse des Filters auf dessen Umfangsbereich hin zu bewegen; und
    • d) eine erste Zuführeinrichtung zur Zuführung von Zufuhrfluid zu dem Fluidfilterspalt bei der Längsachse des Filters und bei der ersten Hauptfläche der Scheibe, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:
    • e) eine zweite Zuführeinrichtung in der Scheibe zur Zuführung von Fluid bei der ersten Hauptfläche der Scheibe durch den aktiven Bereich der zweiten Hauptfläche der Scheibe zu dem Fluidfilterspalt, wobei die zweite Zuführeinrichtung ein oder mehrere Löcher durch die Scheibe hindurch aufweist, wobei ein jedes solches Loch mindestens ungefähr 0,1 R von der Längsachse der Scheibe entfernt angeordnet ist, wobei R der gleichwertige Kreisradius dieser Scheibe ist.
  • Die spezielle Konstruktion der rotierenden Scheibenfiltervorrichtung ist nicht kritisch. Jede Konstruktion kann verwendet werden, solange wie die Vorteile gemäß dieser Erfindung erreicht werden können. Diese Erfindung kann somit mit jeder rotierenden Scheibenfiltervorrichtung, die offenbart, beschrieben oder auf die in den hier Bezug genommenen Dokumenten ansonsten verwiesen wird, einschließlich der Patente und Anmeldungen, die Membrex, Inc. innehat, verwendet werden.
  • In bevorzugten Ausführungen ist jede Scheibe generell eben und hat zwei Flächen, wobei ein Filter jeder Hauptfläche der Scheibe gegenüber angeordnet ist, und wodurch zwei Fluidfilterspalte mit jeder Scheibe gebildet werden. In anderen bevorzugten Ausführungen sind drei oder mehr Fluidfilterspalten durch mehrere Scheiben und Filterträgerelemente bestimmt. In noch anderen bevorzugten Ausführungen sind die Scheiben an eine vertikale Drehwelle montiert, die Fluidfilterspalten innerhalb des zu filternden Fluidstoffes enthalten (wobei das Fluid innerhalb eines Gehäuses enthalten sein kann), trägt der Umfang der Filterträgerelemente Retentat-Begrenzungsmittel, um den Retentatstrom aus den Fluidfilterspalten in die Fluidsubstanz zu begrenzen, und weist das untere Filterträgerelement eine Öffnung auf, durch die Fluid, das gefiltert werden soll, aufwärts hindurch und in die Fluidfilterspalten strömt. In noch anderen bevorzugten Ausführungen hat jede von einer oder mehreren drehenden Scheiben eine oder mehrere spiralförmige Nuten, die in Fluidverbindung mit dem Fluid in dem Fluidfilterspalt stehen.
  • Der Begriff „spiral" kann in vielfacher Art und Weise definiert sein, aber eine einfache Definition ist darin zu sehen, dass eine Spirale der Weg eines Punkts in einer Ebene darstellt, der sich um einen Mittelpunkt in der Ebene bewegt, während er kontinuierlich sich von dem Mittelpunkt entfernt oder sich auf den Mittelpunkt zu bewegt. Eine „Nut" ist eine allgemein längliche Vertiefung, hohl oder eine Höhlung, die sich von der Oberfläche der Scheibe oder Filter zu der darunterliegenden Fläche der Scheibe oder des Filters erstreckt, wo die Länge der Nut generell parallel zu der Oberfläche ist. Die „spiralförmige Nut" muss nicht eine wirkliche Spirale entlang der gesamten Länge der Nut sein.
  • Der hierin benutzte Begriff „gegenüber angeordnet" bedeutet, dass sich zum Beispiel zwei Flächen auf gegenüberliegenden Seiten desselben Elementes befinden, wie zum Beispiel die zwei Hauptflächen eines Stück Papiers sich gegenüberliegend angeordnet sind, oder dass zwei Elemente sich über einen gewissen Spalt oder Grenze gegenüberliegen, wie zum Beispiel die Fläche einer Scheibe und die Fläche eines Filters auf gegenüberliegenden Seiten eines Fluidfilterspaltes (d.h. einen Fluidfilterspalt bildend) gegenüber angeordnet sind.
  • Der Begriff „im wesentlichen parallel" bedeutet, dass die zwei Linien oder Ebenen oder Elemente, die im wesentlichen „parallel" sind, nicht einen Winkel miteinander bilden, der größer als etwa 30 Grad ist („im wesentlichen parallel" wird des weiteren im folgenden definiert).
  • „Nahe beabstandet" bedeutet, dass zwei Linien oder Ebenen oder Elemente gerade so weit auseinander liegen, dass sie in Wechselwirkung stehen oder zusammen arbeiten können, um eine gewünschte Funktion durchzuführen. In dem Fall der gegenüberliegenden Flächen der Scheibe oder des Filters bedeutet „nahe beabstandet" üblicherweise, dass solche Flächen nicht mehr als 100 mm auseinander liegen, in diesem Zusammenhang wird „nahe beabstandet" im folgenden weiter definiert.
  • Eine oder mehrere Scheiben und ebenso vorzugsweise ein oder mehrere Filterträgerelemente sind in einigen Ausführungen an ein oder mehrere Teile der Vorrichtung „angehängt", wobei die letztere zusammen betrachtet als „das erste Element" anzusehen ist. Ein oder mehrere drehende Elemente (ein oder mehrere der Scheibe(n) und/oder des/der Filters) drehen sich während der Filtration. Somit muss eine „drehbare Aufhängung" Verwendung finden, um an dem ersten Element drehbar angehängt zu sein, wobei die drehbare Welle jene ein oder mehrere drehende Elemente trägt. Die drehbare Aufhängung kann jede passende Einrichtung sein, z.B. Lager, Lippendichtungen, dynamische Dichtungen, Laufbuchsen, Dichtung oder Stopfbuchsenpackungen. Die drehbare Aufhängung wird vorzugsweise über dem normalen Niveau des zu filternden Fluids liegen, wodurch die Notwendigkeit für Dichtungen an drehenden Teilen entfällt und wodurch eine allgemein einfachere, weniger kostenaufwendige und weniger kritische Art einer drehbaren Aufhängung im Einsatz ermöglicht wird (z.B. ein einfaches Drehlager).
  • Der Begriff „hängen an" sollte so verstanden werden, dass er einschließt: angebracht sein an, befestigt sein an, gebunden an und/oder aufgehängt an; es sollte jedoch auch darunter verstanden werden, dass eine freitragende Aufhängung eingeschlossen ist; und es sollte auch darunter verstanden werden, dass eine Aufhängung eingeschlossen ist, die zu jeder beliebigen räumlichen Orientierung (ob vertikal, horizontal oder diagonal) der Scheiben und Filter führt; und es sollte auch darunter verstanden werden, dass sowohl eine direkte als auch indirekte Aufhängung gemeint ist (z.B. wo ein erstes Filterträgerelement direkt an dem ersten Element angehängt ist und das zweite Filterträgerelement lediglich direkt an dem ersten Filterträgerelement und nicht an dem ersten Element befestigt ist, wobei in diesem Fall das zweite Filterträgerelement sozusagen indirekt an dem ersten Element aufgehängt ist).
  • Für eine Vorrichtung, in der die Scheiben und Filterträgerelemente an demselben unitären Element aufgehängt sind, ist es klar, dass sie an dem „ersten Element" aufgehängt sind. Bei einigen Vorrichtungen können jedoch zwei oder mehrere Teile (z.B. Bleche, Strukturträger, Getriebegehäuse, Motor) der Vorrichtung (einige oder alle, die zusammen befestigt oder nicht befestigt werden können) „das erste Element" darstellen.
  • Ein Hinweis darauf, ob zwei oder mehr Teile der Vorrichtung gemeinsam „das erste Element" bilden, ist daraus zu erfahren, ob sie (was jedoch nicht notwendigerweise sein muss) zusammen von einem oder mehr oder wichtigen Teilen der Vorrichtung entfernt werden können (z.B. der Rest der Vorrichtung oder der Rest des Gehäuses oder der Behälterteil der Vorrichtung, der das zu filternde Fluid aufnimmt), um die Scheibe und die Filterträgerelemente zusammen von den anderen Teilen der Vorrichtung zu entfernen. Wenn die Scheiben und Filterträgerelemente zusammen von der Vorrichtung entfernt werden können, indem der eine oder mehrere Vorrichtungsteile entfernt werden können, an die die Scheiben und Filterträgerelemente aufgehängt sind, können dieses eine oder mehrere Vorrichtungsteile, an denen die Scheiben und Filterträgerelemente aufgehängt sind, entsprechend gemeinsam als „das erste Element" betrachtet werden, wobei die Scheiben und Filterträgerelemente in dieser Vorrichtung „an dem ersten Element aufgehängt" sind. Des weiteren wird in dieser Vorrichtung „das erste Element" als „entfernbar" betrachtet. Eine „Entfernbarkeit des ersten Elementes" ermöglicht es den Filterträgerelementen und Scheiben, als eine Einheit entfernt zu werden, zum Beispiel für Wartung und ohne den Rest der Vorrichtung auseinanderbauen zu müssen.
  • Es gibt einen anderen Weg, in Erwägung zu ziehen, ob die Scheiben und/oder Filterträgerelemente „an dem ersten Element aufgehängt" sind, die zum Beispiel für eine Vorrichtung verwendet werden können, in der die Scheiben und Filterträgerelemente an ein oder mehrere Teil (e) der Vorrichtung aufgehängt ist/sind und in der dieses eine oder mehrere Teil e) der Vorrichtung generell nicht von anderen wichtigen Teilen der Vorrichtung entfernbar ist/sind. Eine solche Vorrichtung kann zum Beispiel eine sein, bei der Scheiben und Filterträgerelemente an dem oberen Teil einer Vorrichtung hängen und wo der obere Teil (der ein oder mehrere Teil e) aufweisen kann) nicht von dem Rest der Vorrichtung entfernbar ist, einschließlich mehrerer Füße, auf denen sie steht (zum Beispiel sie steht in einem See oder einer anderen Fluidmasse). In dieser Vorrichtung ist auch in Erwägung gezogen, dass die Scheiben und Filterträgerelemente „an dem ersten Element aufgehängt „ sind, weil die Scheiben und Filter alle in einer freitragenden Art in „generell derselben Richtung" aufgehängt sind (weil sie alle von dem oberen Teil nach unten hängen).
  • Die Richtung einer Aufhängung ist die Gesamtrichtung einer Aufhängung von dem Trägerelement zu dem aufgehängten Element, wobei eine Richtung irgendwelche Krümmungen oder Biegungen ignoriert. Unter „generell dieselbe Richtung" ist gemeint, dass die Richtung einer Aufhängung der Scheiben und die Richtung einer Aufhängung der Filterträgerelemente mit maximal einem spitzen Winkel zueinander liegen, d.h. ein Winkel weniger als 90 Grad, wünschenswerterweise weniger als 45 Grad, am wünschenswertesten weniger als 30 Grad, vorzugsweise weniger als 15 Grad und am bevorzugtesten liegen sie nicht bei einem Winkel zueinander, der 5 Grad überschreitet.
  • Eine Aufhängung von Scheiben und Filterträgerelementen an das erste Element ist nicht unvereinbar mit den Scheiben, den Filterträgerelementen, dem Aufbau von Scheiben und Filterträgerelementen und/oder der Welle, die die Scheiben trägt im Hinblick auf in Kontaktkommen oder Stabilisiertwerden oder Befestigtwerden auf gewisse Weise direkt oder indirekt durch/an einen anderen Teil der Vorrichtung oder durch/an einem Teil des „natürlichen Behälters" (z.B. der Boden eines Sees), der das zu filternde Fluid enthält.
  • Ein oder mehrere der Filter/Filterträgerelemente, die einen Fluidfilterspalt bilden, können (aber nicht notwendigerweise) Begrenzungseinrichtungen aufweisen, um den Retentatfluß aus dem Fluidfilterspalt in die Fluidmasse zu begrenzen (und auch zu leiten). Ohne jegliche Begrenzungseinrichtung fließt das Retentat, das die einen oder mehrere Fluidfilterspalt(en) verlässt, in einem weiteren radialen Abstand von der Rotationsachse (Längsachse) als von der äusseren Peripherie der Scheiben und der Filterträgerelemente. Die Komponente der Drehgeschwindigkeit des Retentats, das radial ausserhalb des/der Fluidfilterspalt(en) strömt, wobei die Rotationskomponente durch die Rotation der einen oder mehrerer Scheibe(n) oder Filter mitgeteilt wird, bringt das Fluid in der Fluidmasse radial ausserhalb des/der Fluidfilterspalt(en) dazu, in dieselbe Richtung zu drehen, wie sich die Scheiben und Filter drehen. Eine Rotation dieses radial beabstandeten Fluids, die sehr kräftig sein kann, tendiert wiederum dazu, es noch schwieriger zu machen, eine Flotation von weniger dichten Materialien oder ein Absetzen von dichten Materialien in demselben Behälter zu erreichen, wenn eine solche Flotation gewünscht ist. Die Rotation dieses radial beabstandeten Fluids ist tendenziell die Ursache dafür, dass Gas (Luft) in das zu filternde Fluid eingesaugt wird.
  • Folglich ist es wünschenswert, das ausfließende Retentat von den Peripherien des Fluidfilterspaltes bzw. der Fluidfilterspalten zu regeln. Eine derartige Regelung kann dadurch erreicht werden, indem man eine Barriere oder einen Damm in der Nähe der äusseren Peripherie des Filterträgerelementes bzw. der Filterträgerelemente schafft, um den Ausgang des Retentats aus dem/den Fluidfilterspalt(en) in die radial beabstandete Flüssigkeit wirkungsvoll zu begrenzen. Eine vollständige Barriere würde jedes Retentat daran hindern, die Spalten zu verlassen, und würde im wesentlichen jede Rotation der radial beabstandeten Flüssigkeit verhindern. Weil es üblicherweise wünschenswert ist, etwas Retentat den/die Spalt(en) entweichen zu lassen, können Öffnungen in der Barriere oder dem Damm plaziert werden. Ein Ausrichten des Stroms des ausströmenden Retentats gegen die Drehrichtung tendiert dazu, gegen die Komponente der Drehgeschwindigkeit zu agieren und die Tendenz des radial beabstandeten Fluids, sich zu vermischen oder zu rotieren, herabzusetzen. Einrichtungen zum Leiten des ausströmenden Retentatflusses können Öffnungen oder Düsen in oder auf der Barriere sein, die gegen die Drehrichtung zeigt. Die Öffnungen oder Düsen oder anderen Einrichtungen können den ausströmenden Retentatfluss in irgendeine andere geeignete Richtung lenken. Eine Verwendung der Barriere oder des Damms verhindert tendenziell ein übermäßiges Aufrühren (z.B. Verwirbeln) der Fluidmasse und läßt zu, dass sich ruhige Zonen in dem Behälter bilden, z.B. um eine Flotation des weniger dichten Materials und ein Absetzen dichteren Materials zuzulassen. Die Begrenzungseinrichtungen können dazu gedacht sein, nicht nur das Strömungsbild in dem Fluidfilterspalt von dem Strömungsbild in der zugeführten Fluidmasse wesentlich zu entkoppeln, sondern auch den Druck in dem Fluidfilterspalt von dem Druck in der zugeführten Fluidmasse zu entkoppeln. Somit kann durch die Begrenzungseinrichtung der Druck in dem/den Fluidfilterspalt(en) beträchtlich höher liegen als der Druck in der zugeführten Fluidmasse.
  • Filterträgerelemente werden wünschenswerterweise verwendet, die ohne Schwierigkeiten in ihre Position gesetzt oder aus ihrer Position herausgenommen werden können im Hinblick auf die drehbaren Scheiben, um zu vermeiden, dass die Scheiben von der Welle entfernt werden müssen, um ein Entfernen der Filterträgerelemente zu ermöglichen. Derartig leicht entfernbare Filterträgerelemente können jede beliebige Form haben, jedoch sollten sie generell D-förmig oder kreisförmig in der Draufsicht sein. In jedem Fall kann ein Ausschnitt eine Aussparung schaffen, z.B. für die Drehwelle, an welcher die eine oder mehrere Scheibe(n) befestigt sind. Zwei generell D-förmige Filterträgerelemente können in ihre Stellung gebracht werden (nahe einer Scheibe), so dass ihre geraden Seiten sich einander gegenüber liegen und dadurch zusammen einen generell kreisförmigen Aufbau bilden. In diesem Fall wird jedes Filterträgerelement in der Mitte seiner geraden Seite einen allgemein halbkreisförmigen Ausschnitt für die Welle oder Aufhänghülse haben. Ein allgemein kreisförmiges, leicht zu entfernendes Filterträgerelement wird üblicherweise einen radialen Ausschnitt haben, der sich von der Peripherie zur Mitte des Filterträgerelementes erstreckt, um die notwendige Aussparung für die Welle oder Hülse zu schaffen. Egal welche Form das Filterträgerelement aufweist, zwei oder mehrere Filterträgerelemente können mechanisch miteinander verbunden sein, um zu ermöglichen, dass sie als eine Einheit (eine Filterträgerelement-Kartusche) in und aus der Position im Hinblick auf die Scheiben bewegt werden können.
  • Andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden für einen Fachmann offensichtlich sein.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Zur Erleichterung des Verständnisses der folgenden Beschreibung der Erfindung sind die nachfolgenden Zeichnungen vorgesehen. Es zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht eines Teils einer Vorrichtung dieser Erfindung, die zwei Fluidfilterspalten hat, jedoch ohne den Tank, in dem die Substanz des zu filternden Zufuhrfluids enthalten ist;
  • 2 eine vergrößerte Teilansicht, die ein Teilstück der Drosseleinrichtung zur Drosselung des Flusses von Retentat aus den Fluidfilterspalten zeigt;
  • 3 eine Unteransicht einer bevorzugten rotierenden Scheibe, die in der Vorrichtung nach 1 Verwendung findet, die Spiralnuten zeigt;
  • 4 eine Querschnittsansicht der Scheibe nach 3 entlang der Linie 4 – 4 der 3;
  • 5 eine schematische Draufsicht eines bevorzugten Filterträgerelements, mit einem allgemeinen kreisförmigen Umfang und einen länglichen Ausschnitt, um eine Aussparung für die Welle vorzusehen;
  • 6 eine schematische Draufsicht eines bevorzugten Trägerelements des Filters, das eine D-förmige Gestalt und eine zentrale, halbkreisförmige Aussparung aufweist, um Raum für die Welle vorzusehen.
  • 7 zwei der Filterträgerbauteile nach 6, die zusammengesetzt sind;
  • 8 eine drehbare Welle, die 5 Scheiben trägt, wobei jede Scheibe zwei gegenüberliegende Hauptflächen aufweist und wobei jede Fläche Spiralnuten aufweist, deren Aufbau in einer Vorrichtung verwendet werden kann, die eine Multiplizität von alternierenden Scheiben und Filtern in überlappender Anordnung aufweist; und
  • 9 eine Kartusche, die fünf D-förmige Filterträgerbauteile aufweist, wobei diese Bauteile strukturell so miteinander verbunden sind, dass sie in und aus einer rotierenden Scheibenfiltervorrichtung als Einheit bewegt werden können und die auch fluidmäßig so miteinander verbunden sind, dass ein Permeat von allen fünf der Filterträgerbauteile zu zwei Sammelvorrichtungen fliessen und durch gemeinsame Düsen abgeleitet werden können.
  • Beste Art und Weise zur Durchführung der Erfindung
  • Der Aufbau der rotierenden Filtervorrichtung dieser Erfindung ist nicht kritisch und es kann irgendeine Konstruktion Verwendung finden, so lange die Vorrichtung die Anforderungen der Ansprüche erfüllt und die Vorteile dieser Erfindung bietet. Somit liegt es innerhalb des Rahmens dieser Erfindung, eine rotierende Scheibenoberfläche aufzuweisen, die selbst auch wenigstens zum Teil eine Filteroberfläche darstellt, obwohl dies nicht bevorzugt wird. Es liegt also innerhalb des Rahmens der Erfindung, zwei gegenüberliegende, mit geringem Zwischenraum angeordnete Oberflächen zu haben, die den Fluidfilterspalt bilden, und eine oder die andere oder beide der Oberflächen rotieren zu lassen, wobei in diesem Fall eine der Filterflächen als die Scheibe angesehen wird. Entsprechend schließt die Verwendung der Bezeichnung „Scheibe" deren Oberfläche nicht aus, die gegenüberliegt und hilft, den Filterspalt auch als Filteroberfläche zu bilden. Ähnlich schließt die Verwendung der Bezeichnung „Filter", bezogen auf ein Bauelement, durch das Permeat hindurchgeht und dessen Oberfläche eine zweite Oberfläche darstellt, die gegenüberliegt und hilft, den Fluidfilterspalt zu formen, eine Drehung der Filteroberfläche nicht aus. Vorzugsweise drehen sich jedoch lediglich die Scheiben, wobei die Scheiben keine Filtrationsfähigkeit besitzen, wobei die Filter (und Filterträgerelemente, die die Filter tragen) nicht drehbar aufgehängt sind und deshalb nicht rotieren und wobei die gesamte Filtrationsfähigkeit in den Filtern liegt.
  • Wenn. der Filter, der gegenüberliegt und die Bildung eines Fluidfilterspaltes ermöglicht, irgendwelche Nuten, Lamellen oder andere Vorsprünge aufweisen soll, sollte der Filter steif genug sein, die erforderliche Form beizubehalten. In dem Fall können feste Filtermaterialien, wie Metall (z.B. Sintermetall, Keramiken oder Glas) geeignet sein. Jedoch wird bevorzugt, dass der Filter selbst nicht irgendwelche Nuten oder Lamellen aufweist und dass die Scheibenoberfläche, die die Bildung eines Fluidfilterspaltes ermöglicht, irgendwelche Nuten oder Lamellen aufweist, die verwendet werden.
  • Der Filter kann aus irgendeinem Material hergestellt sein, solange wie der Filter die geforderten Funktionen in Übereinstimmung mit der Erfindung durchführen kann und andererseits chemisch und physisch unter seinen jeweiligen Arbeitsbedingungen geeignet ist. Entsprechend kann der Filter aus Polymer, Metall, Keramik oder Glas bestehen und kann irgendeine Form oder Gestalt haben. Somit kann der Filter aus Partikeln, einem Film oder aus Fasern bzw. aus einer Kombination aller drei vorhergenannten Stoffe gebildet sein. Der Filter kann gewebt oder nicht gewebt sein. Allgemein haben nicht gewebte Metallfilter gewisse vorteilhafte Eigenschaften im Vergleich mit polymeren Filtern: sie sind leichter zu sterilisieren, haben allgemein eine höhere chemische Beständigkeit und Wärmebeständigkeit, können leichter gereinigt werden und besitzen eine signifikant bessere strukturelle Unversehrtheit und Steifigkeit. Wenn zwei oder mehr Filter in einer Vorrichtung verwendet werden, können sie dasselbe oder unterschiedliches Material sowie dieselben oder unterschiedliche Filtrations- oder Siebcharakteristiken aufweisen.
  • Der verwendete Filter kann ein Filter mit asymmetrischer Oberfläche sein. Eine asymmetrische Filterfläche ist ein Filter, dessen zwei Hauptflächen unterschiedliche Verteilung von Porengrößen aufweisen, derart, dass die durchschnittliche oder mittlere Porengröße auf einer Fläche signifikant kleiner ist als die durchschnittliche oder mittlere Porengröße auf der anderen Fläche. Die asymmetrische Filterfläche ist wünschenswerterweise in einer Vorrichtung nach dieser Erfindung mit der Fläche, die eine kleinere durchschnittliche oder mittlere Porengröße aufweist, so orientiert, dass sie dem Fluidfilterspalt gegenüberliegt und mit der Fläche, die die größere durchschnittliche oder mittlere Porengröße hat, so orientiert ist, dass diese von dem Spalt weg weist. Ein bevorzugter Metallfilter dieses Typs ist der DYNALLOY-Fasermetallfilter, der durch „Fluid Dynamics of DeLand, Florida", auf den Markt gebracht worden ist. Die Verwendung eines Metallfilters kann dann vorteilhaft sein, wenn ein oder mehrere elektrische Felder auch in der Vorrichtung zur Anwendung kommen oder wenn der Filter eine Ladung zu tragen hat.
  • Ein oder mehrere elektrische Felder können in axial, radial oder nicht radial oder nicht axialen Richtungen angewandt werden. Die Felder können nützlich sein, indem sie bei der Trennung helfen und können unter Verwendung einer bekannten Technologie angewandt werden. Folgende Begriffe werden hier verwendet: „axial" bedeutet längs oder parallel zu der Drehachse des einen oder mehrerer rotierender Bauteile und „radial" bedeutet längs oder parallel zu einem Radius der Ebene einer Scheibe oder eines Filters (d.h. senkrecht zu der Drehachse des einen oder mehrerer Bauteile). Das Feld kann das Ergebnis von direkter oder alternierender Spannung sein, z.B. eines hochfrequenten alternierenden Potentials. Ein oder mehrere Felder in verschiedenen Richtungen können angewandt werden, die zusammen zu einem einzelnen eingeprägten Feld führen werden. Ein oder mehrere Felder können variiert werden als eine Funktion der Zeit, d.h. ein radiales Feld und ein axiales Feld in überlappender Ein-/Aus-Synchronisation. Somit sollte der Begriff „ein elektrisches Feld" wie es hierin Verwendung findet, so verstanden werden, dass alles voraus angeführte angeschlossen ist.
  • Die Schlüsselfunktion eines Filters liegt darin, das Permeat frei durchzulassen und das Retentat nicht durchzulassen. Um dieses effizient durchzuführen, sollte das Permeat den Filter adäquat anfeuchten. Ein Indikator für die Anfeuchtung ist der Berührungswinkel, den ein Tropfen des Permeats bildet, wenn dieser sich auf der Filterfläche befindet (siehe U.S. 4,906,379 und 5,000,848). Allgemein gesprochen gilt folgendes: Je kleiner der Berührungswinkel, desto größer die Anfeuchtung und umgekehrt, je größer der Berührungswinkel, um so geringer die Anfeuchtung.
  • Ein Tropfen eines gewonnenen Permeats, das in einer Vorrichtung nach dieser Erfindung eingesetzt wird, hat normalerweise einen Berührungswinkel auf dem Filter, der in dieser Vorrichtung Verwendung findet, von weniger als 45 Grad, wünschenswert weniger als 40 Grad, wünschenswerter weniger als 35 Grad, am wünschenswertesten weniger als 30 Grad, vorzugsweise weniger als 25 Grad, noch bevorzugter weniger als 20 Grad und am bevorzugtesten weniger als 15 Grad. Der Kontaktwinkel wird gemessen, indem das Verfahren verwendet wird, dass in U.S. 4,906,379 (siehe z.B. Spalte 10, Zeile 42 und folgende) und U.S. 5,000,848 (siehe z.B. Spalte 12, Zeile 46 und folgende).
  • Weil Wasser eine hochenergetische Flüssigkeit ist, hauptsächlich wegen der Wasserstoffbindung, und weil Wasser oft in den Filtrationsvorgängen ein Permeat ist, werden für die Verwendung in der Vorrichtung dieser Erfindung hydrophile Filter bevorzugt. Filter, deren Oberflächenenergie erhöht worden ist, um ihre hydrophile Eigenschaft anzuheben, können verwendet werden. Somit sind Filter mit einer hohen Oberflächenenergie (z.B. solche von regenerierter Zellulose und solche in Übereinstimmung mit U.S. 4,906,379 ) eine bevorzugte Sorte von Filtern. Solche Filter sind durch polare Substanzen, wie z.B. Wasser, leichter angefeuchtet, aber widersetzen sich einem Anfeuchten durch nicht polare Substanzen, wie z.B. organische Verbindungen. Derartige Oberflächen von Filtern mit hoher Energie haben auch eine verringerte Tendenz, durch Materialien mit geringen Energieeigenschaften, wie z.B. Proteine oder andere organische Substanzen, verunreinigt zu werden. Bevorzugte Filter, die in dieser Erfindung mit einer rotierenden Scheibe Verwendung finden, sind in Übereinstimmung mit der U.S. 4,906,379 hergestellt und werden von der Firma Membrex, Inc., unter der Handelsmarke „UltraFilic" (registriert) auf den Markt gebracht. Die UltraFilic Membran ist aus einem modifizierten Polyacrylnitril (PAN) und seine Oberfläche ist chemisch verändert, um extrem hydrophil zu sein („hyperhydrophil").
  • Eine Vorrichtung dieser Erfindung, die einen Filter verwendet, der Wasser durchlaufen läßt (Permeat), aber Öl nicht durchlässt, wird eine besondere Verwendung beim Trennen von Wasser und Öl, z.B. beim Reinigen von Ölverschmutzungen oder beim Recycling einer wässrigen Lösung zur Reinigung in einem System zum Waschen von Teilen. Alternativ kann ein Filter verwendet werden, der relativ hydrophob (niedrige Oberflächenenergie) ist und das Öl passieren läßt und das Wasser zurückhält. Andere speziell vorteilhafte Kombinationen der Vorrichtung dieser Erfindung und Filter mit gewissen inhärenten Eigenschaften (z.B. hohe Rückhalterate von gewissen Materialien, aber schneller und leichter Permeation von ihren begleitenden Komponenten in dem Zufuhrfluid) werden den Fachleuten offensichtlich sein. Eine Verwendung derartiger Filter in Kombination mit der Vorrichtung der Erfindung wird Vorteile schaffen, die ohne die Kombination nicht erzielbar sind.
  • Der Filter kann Poren irgendeiner Größe oder einer vorgesehenen Form haben, wenn dieser für das Zufuhrfluid und das Permeat geeignet ist, und kann eine gewünschte Trennung schaffen. Der Filter mag eine enge oder weite oder andere Verteilung der Porengrößen und -form aufweisen und kann asymmetrisch sein und wie ein Filter mit asymmetrischer Oberfläche verwendet werden. Der Filter kann einen relativ scharfen Grenzpunkt bezüglich des Molekulargewichtes aufweisen.
  • Die Filtermatrix und insbesondere eine polymerische Filtermatrix kann auch Liganden haben, die für Anwendungen einer selektiven Sorption daran angehängt sind (d.h. Innenaustausch-Sorption und Gelatbildung). Passende Liganden umfassen irgendeinen Liganden, der in der Lage ist, sich an die Matrix, einem Zwischenstoff oder einem Derivat der Matrix anzuhängen.
  • Bevorzugte Liganden weisen auf: (a) Gruppen mit einer innenselektiven Affinität (solche wie Gelator- und Käfigtypen), die selektiv anorganische Ionen binden, und (b) Gruppen bioselektiver Affinität, die selektiv biologisch aktive Substanzen binden. Der Bestand an Liganden mit Affinität ist groß und schnell anwachsend. Meistens sind derartige Liganden von der Natur abgeleitet (d.h. Substanzen von biologischem Ursprung), während andere vollständig oder teilweise synthetisch sind (d.h. biologisch nachgebildete Substanzen). Bevorzugte Liganden, bevorzugte Verfahren zum Anhängen von Liganden an Membranfilter und bevorzugte Membranfilter sind in U.S. 4,906,379 offenbart. Andere brauchbare Liganden und Verfahren zum Anhängen der Liganden an die Filter werden Fachleuten im Gebiet der Affinitätssorption, der Gelatbildung im Zusammenhang mit der Immobilisierung von Enzymen. Der hierin verwendete Begriff „Liganden einer selektiven Sorption" umfasst alle Liganden, die zuvor aufgeführt wurden.
  • Meistens kann jedes beliebige Fluid, das gefiltert werden soll, gefiltert werden, indem eine Vorrichtung nach dieser Erfindung zum Einsatz kommt, aber sie findet eine spezielle Anwendung bei der Filterung von Einsatzgut, das einen hohen Gehalt an Feststoffen, Fluids aus gemischten Phasen und biologischem Fluids aufweisen.
  • Fluids mit hohem Anteil an Feststoffen können z.B. sein: biologische Fluids, Fluids, die Partikel mit Affinität enthalten (z.B. Partikel mit einer Affinität bei selektiver Sorption), Partikel eines Innenaustausch-Harzes, katalytische Partikel, adsorptive Partikel, absorptive Partikel und Partikel eines inerten Trägers. Die Partikel eines inerten Trägers können selbst einen Katalysator, Harz, Reaktanten sowie ein Mittel zur chemischen Reaktion (z.B. Aktivkohle etc.). Fluid mit gemischten Phasen enthalten Systeme, die flüssig/fest, flüssig/flüssig und flüssig/gasförmig sein können. Das Fluid kann mehr als zwei Phasen enthalten. Die Flüssigphasen können alle wässrig oder nicht wässrig sein oder können eine oder mehrere wässrige Phase(n) und eine oder mehrere nicht wässrige Phase(n) miteinander bilden. Die Phasen können nicht mischbar sein, z.B. zwei wässrige Phasen, die nicht mischbar sind, weil jede Phase einen unterschiedlichen gelösten Stoff hat. Das Fluid kann gasförmige, flüssige und feste Phasen aufweisen. Reaktion und/oder Wärmetransport können den Filtrationsvorgang dieser Erfindung begleiten und finden innerhalb oder ausserhalb einer Vorrichtung dieser Erfindung statt.
  • Biologische Fluids sind Fluids, die von Materialien abstammen oder Materialien enthalten, die von biologischen Organismen stammen (z.B. aus dem Tierreich oder Pflanzenreich) oder deren Bestandteile, die lebende und nichtlebende Dinge (z.B. Viren) umfassen. Somit umfasst der Begriff, „biologische Fluids": Blut; Blutserum; Plasma; spinale Fluids; Molkereifluids (z.B. Milch und Milchprodukte); des weiteren Fluids, die Hormone, Blutzellen oder genetisch konstruierte Materialien enthalten; des weitren Fluids, die aus Verfahren aus der Fermentierung stammen (einschließlich der Brühen aus der Fermantation und Reaktionsmittel, ein Zwischenprodukt und Produktströme aus der Bier- und Weinherstellung sowie Ströme aus der Behandlung von Abwasser); des weiteren Fluids, die aus Mikrobenmaterial bestehen oder diese enthalten, Impfmaterialien, Pflanzenextrakte oder Pflanzen- oder Fruchtsäfte (z.B. Apfelsaft oder Orangensaft); sowie Fluids, die Mikroorganismen enthalten (z.B. Bakterien, Fungizide und Viren), und so weiter. Die Vorrichtung ist besonders im Zusammenhang mit Fluids nützlich, die druckempfindliche oder scherempfindliche Bestandteile, z.B. Zellen (Blutzellen, Hybridome der Mammalia, pathogene Materialien, d.h. Bakterien in einer Fluidprobe, die konzentriert worden sind, um einen Nachweis zu ermöglichen; etc.) enthalten. Die Vorrichtung ist nützlich für zu filternde Fluids, die Arzneimittel, Vorläufer oder Derivate davon enthalten. Die Vorrichtung ist auch im allgemeinen zum Filtern von organischen Bestandteilen nützlich (einschließlich Ölen aller Typen, d.h. Petroleumöl und Speiseöl) als einzelne oder gemischte Phasen (Öl/Wasser). Die Vorrichtung ist auch zum Filtern von Fluids nützlich, die grenzaktive Stoffe, Emulsionen, Liposome, natürliche oder synthetische Polymere, Abwässer von Arbeitsgängen des Abgradens und Polierens (z.B. Fluids von Trommelputz- und Schleifvorgängen), industrielle und städtische Abwässer und wässrige, halbwässrige und auf Lösungsmittel basierende Reiniger enthalten.
  • Mehrere Scheiben und/oder mehrere Bauelemente zum Halten des Filters, die die Filter tragen, können in einer Vorrichtung entsprechend dieser Erfindung verwendet werden. Somit liegt es innerhalb des Bereichs der Erfindung, einzelne Scheiben zu haben, die zwischen zwei Filtern positioniert sind, und dadurch zwei Filterspalten zu bilden. In einer derartigen Vorrichtung sollten eine oder beide der Hauptflächen der Scheiben wünschenswerterweise jeweils wenigstens eine Spiralnut aufweisen. Es liegt also innerhalb des Rahmens dieser Erfindung, dass eine derartige Vorrichtung mehrere alternierende Scheiben und Filterträgerelemente in überlappender Anordnung aufweist, d.h. Scheiben und Filterträgerelemente in alternierender Anordnung, sodass mehrere Filterspalten gebildet werden. In diesem Fall könnten die Scheiben auf einer gemeinsamen Welle befestigt werden, um sich gemeinsam zu drehen, und das Permeat könnte von den Filtern zu einem gemeinsamen Verteiler zur Sammlung fliessen. In einer Vorrichtung, die in überlappender Anordnung mehrere Scheiben und Filterträgerelemente aufweist, kann jede Fläche, die einen Fluidfilterspalt bildet, ein oder mehrere Spiralnuten haben.
  • Unabhängig davon welche von den Elementen (d.h. der Filter oder die Filter, die Scheibe oder die Scheiben oder Kombinationen davon) sich drehen, kann die Drehung bei einer konstanten Geschwindigkeit oder bei sich verändernden Geschwindigkeiten und in einer einzigen Richtung oder in alternierenden Richtungen erfolgen. Wenn zwei oder mehrere Elemente rotieren, können sie in dieselbe oder in unterschiedliche Richtungen und bei derselben oder unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren. Das rotierende Element bzw. die rotierenden Elemente mögen periodisch seine bzw. ihre Richtung bzw. Richtungen der Drehung umdrehen (d.h. oszillieren). Wenigstens eine dieser Scheiben und Filterpaar, das jeden Fluidfilterspalt bildet, sollte im Hinblick auf das andere drehen. Somit sollten der Filter und die Scheiben, die einen Fluidfilterspalt bilden, nicht in dieselbe Richtung und mit derselben Geschwindigkeit rotieren. Vorzugsweise sind der Filter oder die Filter (und deshalb das Filterträgerelement oder die Filterträgerelemente) unbeweglich und die Scheibe oder die Scheiben rotieren lediglich in eine Drehrichtung. Ein Abziehen des Permeats, das durch die Filter passiert, wird vereinfacht, wenn die Filterträgerelemente während der Filtration stationär bleiben.
  • Die Scheibe oder Scheiben und/oder der bzw. die Filter können sich axial (sich annähernd rechtwinklig zu der Rotationsebene hin und her bewegend) verschieben, ob oder ob nicht es oder sie die das Rotationselement bzw. die Rotationselemente sind. Die Scheibe bzw. die Scheiben und/oder der bzw. die Filter können auch in Vibration oder Oszillation versetzt werden, um die Filtration zu unterstützen.
  • Jeder Filter ist wünschenswerterweise an einem Filterträgerelement befestigt, das die Funktion hat, den Filter zu stützen und/oder ein Sammelnetz für das Permeat zu schaffen. Eine derartige Trägervorrichtung ist wünschenswert, insbesondere wenn der Filter selbst keine wesentliche strukturelle Festigkeit hat. Vorzugsweise ist ein Netzwerk von Durchgängen zur Sammlung des Permeats in dem Filterträgerbauteil in Fluidverbindung mit der Abstromseite des Filters (von dem Fluidfilterspalt wegweisend) vorgesehen, sodass das Permeat, das den Filter passiert, in die Durchgänge zur Sammlung des Permeats fließt. Es kann irgendein Verfahren zur Befestigung der Filter an den Filterträgerelementen verwendet werden, vorausgesetzt, es behindert nicht in unzulässiger Weise einen Betrieb der Vorrichtung. Das Verfahren zur Montage des Filters verringert vorzugsweise nicht in signifikanter Weise den Bereich der aktiven Filtration des Filters, jedoch kann eine derartige Reduktion in manchen Fällen erforderlich sein.
  • Das Filterträgerelement kann jede beliebige Größe oder Form haben vorausgesetzt es können die Vorteile gemäß der Erfindung erreicht werden. Es können zwei oder mehr Filterträgerelemente in einer Ebene angeordnet werden, um eine aus Filterträgerelementen bestehende Gruppe zu bilden, die dazu beiträgt einen Spalt für die Filtration von Fluid zu definieren. So können zum Beispiel zwei D-förmige Bauteile angeordnet werden (mit halbkreisförmigen Ausschnitten für die Achse usw.), die mit ihren geraden Seiten nahe beieinander liegen, um eine Gruppe von Filterträgerelementen zu bilden, die einen kreisförmigen Aussenumfang aufweisen.
  • Es ist wünschenswert, dass jedes der einen oder mehreren der einen Fluidfilterspalt bildenden Filterträgerelemente nahe ihrem Umfang Drosseleinrichtungen aufweisen, die die Strömung des Retentats aus dem Fluidfilterspalt in den Flüssigkeitskörper begrenzen (und ebenso ausrichten). Wenn die Drosseleinrichtungen hoch genug sind (d.h. sie erstrecken sich ausreichend weit weg von der Ebene des Filterträgerbauteils, zum Beispiel rechtwinklig oder diagonal weg von der Ebene des Filterträgerelements), dann können sie nahe den benachbarten Filterträgerelementen liegen oder diese berühren. In diesema& Fall kann die Drosseleinrichtung aus einer Wand bestehen, die den Bereich höheren Druckes und höherer Fluidbewegung (die Flüssigkeit zwischen den Scheiben und den Filterträgerelementen und die Flüssigkeit zwischen dem Umfang der Scheiben und den Filterträgerelementen und der Innenfläche der Drosseleinrichtung) von dem Bereich geringeren Druckes und geringerer Fluidbewegung trennen (den übrigen Teil der Fluidsubstanz einschließlich des Volumens, das radial von der Außenoberfläche der Drosseleinrichtung entfernt ist und des Volumens, das axial entfernt, d.h. axial außerhalb oder jenseits der zwei äußeren Filterträgerelemente liegt).
  • Die Drosseleinrichtung kann auch dazu verwendet werden, einen Bereich höheren Druckes (einen inneren Bereich, dessen äußere Grenze die Drosseleinrichtung bildet und zum Beispiel die zwei äußeren Filterträgerelemente) von einem Bereich geringeren Druckes zu trennen (den Bereich außerhalb des inneren Bereichs, d.h. die zu filternde Fluidsubstanz). Ein höherer Druck kann in dem Fluidfilterspalt für ein vorgegebenes Fluid dadurch erreicht werden, dass man die Geometrie und die Drehzahl der Vorrichtung anpasst. Die Geometrie der Vorrichtung umfasst die Größe und die Form der zwei Oberflächen, die den Spalt definieren, die Glätte dieser Oberflächen, die Breite des Spaltes, ob dort auf einer der beiden Oberflächen irgendwelche Vertiefungen oder Lamellen oder andere konkav oder konvex ausgebildete Teile vorhanden sind und wenn diese der Fall ist ihre Anzahl, Größe Form und relative Lage.
  • Wenn sich das Fluid in den entsprechenden Teilbereichen geringeren Druckes und geringerer Fluidbewegung ausreichend langsam bewegt und wenn die Fluideigenschaften (zum Beispiel die Oberflächenspannung, die Viskosität und die Dichte) zufriedenstellend sind, dann kann in diesem Bereich die Flotation und das Absetzen durchgeführt werden. Dies ist nützlich, z.B. bei Teilsystemen zur Separation in einem Waschsystem für wässrige Teile, bei denen von den Teilen entferntes Öl durch eine Reinigungslösung und Partikel (z.B. Metallstaub), die von der Reinigungslösung in das Teilsystem zur Separation mitgeführt werden, durch Flotation (des Öls) und durch Absetzen (des Metallstaubes) von der wässrigen Reinigungslösung abgetrennt werden können.
  • Die Ausführung der Drosseleinrichtung (wenn sie eingesetzt wird) ist nicht kritisch und es kann jede Ausbildung, Form, Anordnung oder Größe eingesetzt werden so lange, wie die Drosseleinrichtung die beabsichtigte Funktion ausüben kann. Obwohl Drosseleinrichtung, die an keinem Filterträgerelement befestigt ist, in der Vorrichtung vorgesehen sein kann (zum Beispiel ein hohles zylindrisches Bauteil, das zwischen dem Umfang der Filterträgerelemente und der verbleibenden zu filternden Fluidsubstanz angeordnet ist, d.h. zwischen dem Umfang der Filterträgerelemente und der zylindrischen Wand des Gehäuses), ist es für die Drosseleinrichtung vorzuziehen, dass sie von den Filterträgerelementen gehalten wird (d.h. für die Filterträgerelemente, dass sie die Drosseleinrichtung aufweisen), zum Beispiel so, dass die Drosseleinrichtung als Einheit mit den Filterträgerelementen entfernt werden kann. Eine Drosseleinrichtung, die nicht von den Filterträgerelementen gehalten wird (zum Beispiel eine zylindrische Wand) kann an dem ersten Bauteil hängen oder kann an einer anderen Gefäßwand befestigt sein (zum Beispiel an der Seitenwand oder dem Boden des Gefäßes).
  • Die Drosseleinrichtung kann eine kreisförmige Staueinrichtung oder einen Rand aufweisen, der nahe am Außenumfang angeordnet ist und der um ein ausreichendes Maß aus der Ebene des Filterträgerelements vorsteht. Somit kann der Rand in nur einer Richtung aus der Ebene des Filterträgerelements vorstehen (zum Beispiel nach oben) oder er kann in beiden Richtungen und weg von der Ebene des Filterträgerelement vorstehen (d.h. sowohl nach oben wie nach unten). Es ist wünschenswert, dass die Filterträgerelemente Drosseleinrichtungen tragen und diese Einrichtungen im wesentlichen das Fluid in dem Bereich hohen Druckes von dem Fluid in dem ruhigen Bereich isolieren. Zwischen der Drosseleinrichtung eines Filterträgerelements und dem geeigneten Teil des benachbarten Filterträgerelementes kann wahlweise eine kompressible Einrichtung eingesetzt werden, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu erreichen. Wenn die Drosseleinrichtung von dem (den)die Filterträgerelement(en) gehalten wird, dann kann die Drosseleinrichtung an dem Umfang des (der) Filterträgerelements (Filterträgerelemente) angeordnet werden; die Drosseleinrichtung sollte indessen einen so großen radialen Abstand aufweisen, dass sie die erwünschte Funktion erfüllen kann. Wenn zum Beispiel der Fluidfilterspalt 100 mm breit ist, kann jedes Filterträgerelement eine Drosseleinrichtung halten und diese Einrichtungen können oberhalb und unterhalb der Ebene des Filterträgerelements ungefähr 50 mm vorstehen. Alternativ kann die Drosseleinrichtung 100 mm oberhalb der Ebene des Filterträgerelements vorstehen und unterhalb der Ebene des Filterträgerelements überhaupt nicht. In den meisten Fällen ist es wünschenswert, dass das Retentat mit dem Rest der zu filternden Fluidsubstanz wieder gemischt wird. Dieses Wiedermischen kann zum Beispiel in der zu filternden Fluidsubstanz außerhalb der Drosseleinrichtung für die Retentatströmung geschehen, oder gerade bevor es zu dem Fluidfilterspalt geführt wird (zum Beispiel in dem ringförmigen Bereich zwischen der die Scheibe drehenden Welle und der die Filterträgerelemente tragenden Buchse), oder in dem das Fluid filtrierenden Spalt selbst. Ein solches Wiedervermischen ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, was die Vermeidung extremer Konzentrationsgradienten einschließt, die durch das Auftreten und „Auswaschen" von Feststoffen oder anderen Stoffen aus dem Fluidfilterspalt entstehen und die sonst dazu neigen sich anzusammeln und den Filter schneller vollzusetzen oder zu verstopfen.
  • Wenn die Drosseleinrichtung eine beträchtliche Wiedervermischung verhindert, dann kann es notwendig sein, an der „Innenwand" die Strömung des Retentats ableitende Mittel vorzusehen (zum Beispiel Öffnungen), die von der Drosseleinrichtung gebildet werden, um zu erreichen, dass das Retentat den Bereich hohen Druckes verläßt. Es kann ebenso wünschenswert sein, Mittel zur Lenkung der Strömung des Retentats vorzusehen, um die Strömung des Retentats, die den Bereich hoher Strömung verläßt, so zu lenken, dass jeder störenden Einwirkung ( zum Beispiel Verwirbelung) auf die Flüssigkeit in dem Volumen mit radialem Abstand entgegengewirkt wird, die sonst durch die Rotation der sich drehenden Bauteile (üblicherweise die Scheiben) entstehen würde. Dementsprechend können Öffnungen in der Innenwand vorgesehen sein, die durch die Drosseleinrichtung gebildet werden, wobei die Öffnungen gegenüber der Rotationsrichtung der rotierenden Bauteile einen Winkel bilden; es können auch Düsen sein, die entgegen der Rotationsrichtung ausgerichtet sind. Diese Öffnungen und/oder Düsen können auch so ausgerichtet sein, dass die Strömung des Retentats aus diesen unter einem Winkel zu der Rotationsebene (zum Beispiel senkrecht) ausströmt, um innerhalb des Fluidbereichs andere Strömungsmuster von geringerem Druck zu erhalten.
  • Die Drosseleinrichtung für den Fluidfilterspalt wird oft einen wesentlichen Teil des von der Drosseleinrichtung eingenommenen Nennbereichs ausfüllen. Somit wird der Prozentsatz des Nennbereichs, der von der Drosseleinrichtung eingenommen wird oft bei wenigstens 85% liegen, üblicherweise bei wenigstens 90%, erstrebenswert sind wenigstens 92%, erstrebenswerter sind wenigstens 94%, am erstrebenswertesten wenigstens 95%, bevorzugt wenigstens 96%, bevorzugter wenigstens 97% und am bevorzugtesten wenigstens 98%, und manchmal soviel wie 99% des Nominalbereichs, der von der Drosseleinrichtung eingenommen wird. Mit anderen Worten wird der offene Bereich, der durch die Öffnungen der Drosseleinrichtung definiert ist oft bei weniger als 15% liegen, üblicherweise bei weniger als 10%; erstrebenswert sind weniger als 8%, erstrebenswerter sind weniger als 6%, am erstrebenswertesten sind 5%, bevorzugt weniger als 4%, bevorzugter weniger als 3%, am bevorzugtesten 2% und manchmal weniger als 1% des Nennbereichs, der von der Drosseleinrichtung eingenommen wird. Zu diesem Zweck wird als von der Drosseleinrichtung eingenommener Nominalbereich für den Fluidfilterspalt der Innenumfang der Drosseleinrichtung (der bei einer zylindrischen Drosseleinrichtung der Innendurchmesser ist) multipliziert mit der Höhe des Fluidfilterspaltes genommen. Als Höhe des Fluidfilterspaltes wird der Abstand von der Mittelebene der Scheibe bis zu der Mittelebene des gegenüber liegenden Filterträgerelements genommen, das diesen Spalt definiert.
  • Das zuzuführende Fluid kann in den Filterspalt kontinuierlich oder chargenweise zugeleitet werden. Das Permeat kann kontinuierlich oder chargenweise abgeführt werden. Das Retentat kann kontinuierlich oder chargenweise abgeführt werden. Das Retentat, das ein oder mehrere Stoffe enthalten kann, die aus dem zugeführten Fluid konzentriert wurden, kann das erwünschte Produkt sein, zum Beispiel für Untersuchungen. Das Permeat kann aus dem zugeführten Fluid bestehen, aus dem Partikel oder andere Stoffe, die bei folgenden Untersuchungen stören würden, durch die Filtervorrichtung entfernt wurden. Eine Untersuchung des Retentats und/oder Permeats kann auf das Vorhandensein oder die Konzentration von irgendwelchen chemischen oder biologischen Stoffen gerichtet sein, oder auf eine oder mehrere physikalische oder chemische Eingenschaften (zum Beispiel den PH-Wert, die Temperatur, die Viskosität, das Ausmaß einer Reaktion, das spezifische Gewicht, auf Chloridionen, Antikörper, Bakterien, Viren und andere Mikroorganismen, wie zum Beispiel Cryptosporidium Oozysten und Giardia Zysten, DNA Fragmente, Zucker, Äthanol und toxische Metalle, toxische Stoffe und ähnlichem). Somit kann die Vorrichtung dieser Erfindung außerdem Einrichtungen für eine physikalische und/oder chemische Untersuchung des Retentats und/oder Permeats enthalten, zum Beispiel für eine oder mehrere der oben genanten Arten und/oder Eingenschaften (Merkmale).
  • Jede beliebige Methode kann eingesetzt werden, um zu filtrierendes Fluid in einem oder in mehreren Filterspalten einzubringen; es ist aber erstrebenswert das Fluid nahe der Längsachse in den Spalt einzubringen, d.h. nahe der Rotationsachse. Somit kann zum Beispiel zugeführtes Fluid durch die rotierende Welle fließen oder durch eine um die Welle angeordnete Buchse (die einen ringförmigen Bereich zwischen der Welle und der Buchse bildet) und in den Fluidfilterspalt durch Öffnungen in der Welle oder der Buchse fließen; es können auch ein oder mehrere Spalte in einem natürlichen Fluidkörper eingetaucht sein ( zum Beispiel in einen Teich oder See) oder in einen Fluidkörper, der in einem Gefäß (oder Gehäuse) enthalten ist; es können auch ein oder mehrere dieser und anderer Strömungsmethoden eingesetzt werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausbildung, wird das die Fluidfilterspalten verlassende Retentat zu den Fluidfilterspalten zurückgeführt. Zum Beispiel kann das die Fluid-Filterspalten verlassende Retentat in Rohren zu dem ringförmigen Bereich zwischen (i) der rotierenden Welle geführt werden, durch die die Scheiben rotiert werden und (ii) zu der um die Welle angeordneten Buchse, die die Filterträgerelemente trägt, wobei dieser ringförmige Bereich mit einem oder mehreren der Fluidfilterspalten in Verbindung stehen kann. Die Drosseleinrichtung und geeignete Rohre können so angeordnet sein, dass das Zurückführen des Retentats zu den Fluidfilterspalten erreicht wird, wobei ein Teil oder die Gesamtmenge des Retentats, das die Fluidfilterspalte verlässt zurückgeführt werden kann. Frisches (nicht zurückgeführtes) Fluid (aus dem zu filternden Flüssigkeitskörper) kann mittels beliebiger Einrichtungen in den Fluidfilterspalt eingebracht werden, einschließlich dadurch, dass das Fluid durch Eingangsöffnungen in der Buchse strömt (wenn eine Buchse verwendet wird, die mit den Fluidfilterspalten in einer fluiden Verbindung steht), oder dadurch, dass es durch eine Öffnung in einem oder in mehreren der Filterträgerelemente einströmt (zum Beispiel durch das Filterträgerelement, das am weitesten von dem ersten Element entfernt ist) oder durch eine beliebige Kombination dieser und anderer Mittel. Frisches zuzuführendes Fluid und jedes zurückgeführte Retentat kann oder kann auch nicht gemischt sein, bevor es in die Fluidfilterspalten einströmt. Zum Beispiel kann eine solches Mischen in dem ringförmigen Bereich zwischen der Buchse und der Welle vorgenommen werden, oder gerade vor dem Eintritt in einen der Fluidfilterspalten.
  • Das Gefäß oder das Gehäuse, in dem das Fluid enthalten ist, kann ein Teil der Vorrichtung sein. Das Gehäuse (einschließlich dem Boden, der Abdeckung, und/oder den Seiten) kann von jeder Größe oder Form sein, und aus jedem Material bestehen, so lange als das Gehäuse die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht negativ beeinflußt. Im allgemeinen wird das Gehäuse nicht größer sein, als es vernünftigerweise erforderlich ist, (1) um die Scheibe(n) und den (die) Filter unterzubringen und/oder aufzuhängen, und (2) um eine ausreichend große zu filternde Fluidmasse vorzusehen (wenn das Gehäuse dazu benutzt wird, das Fluid zu halten), und (3) um eine ausreichende Menge für eine Flotation und/oder ein Absetzen vorzusehen (wenn eine Flotation und/oder ein Absetzen in dem gleichen Gefäß durchgeführt werden sollen). Es ist keineswegs notwendig, ein Gehäuse zu verwenden, oder das Gehäuse oder ein Teil seines Bodens, seiner Abdeckung und/oder seiner Seiten kann offen sein und die Vorrichtung mit dem Gehäuse kann in einem Fluidkörper eingebracht werden (zum Beispiel in einen See, oder einen Fermentationstank), um Permeat und/oder Retentat herzustellen, zum Beispiel für Untersuchungen. Ein teilweises oder vollständiges Untertauchen der Vorrichtung kann es dem Fluid ermöglichen in den Fluidfilterspalt zu strömen. Der Pumpvorgang der Vorrichtung (zum Beispiel erzeugt durch die Rotation der Scheibe(n)) kann auch dazu eingesetzt werden, das zuzuführende Fluid aus der aus Fluid bestehenden Flüssigkeitsmasse in den Filterspalt zu leiten.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf viele verschiedene Arten eingesetzt werden, zum Beispiel zur Überwachung einer Reaktion (zum Beispiel durch Untersuchung oder zur Herstellung eines untersuchungsfähigen Fluids aus dem Reaktionsmedium in einem Reaktor oder aus einem aus einem Reaktor ausströmenden Medium), oder als integraler Bestandteil einer Reaktoreinrichtung (zum Beispiel zur Abtrennung von Katalysatoren aus einem aus dem Reaktor fließenden Strom zur Zurückführung zu dem Reaktor, oder für eine Regeneration, oder zur kontinuierlichen Entfernung eines Stoffes und/oder von Nebenprodukten und/oder zum kontinuierlichen Wiederauffrischen von Nährstoffen in einem Reaktor für Zellkulturen, oder bei der Behandlung von biologischem Abwasser (zum Beispiel um den aktivierten Schlamm zurückzuhalten, der zur Ernährung des organischen Stoffes verwendet wurde), oder als Teil einer Wiederaufbereitungsanlage (zum Beispiel für die Trennung von Stoffen oder Nebenprodukten, Verunreinigungen usw., die aus einer Reaktion oder aus einem Verfahrensablauf stammen). Die Vorrichtung kann an Ort und Stelle in jeder Art von Reaktionsgefäß untergebracht werden (zum Beispiel in einem Reaktor), in einer Rohrleitung (zum Beispiel in Rohren, aus denen das Fluid aus dem Reaktor strömt, oder in Rohren mit Schraubenstrahl) und für jeden Zweck (zum Beispiel zur Herstellung eines untersuchungsfähigen Fluids), wo eine Filtration kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden muß.
  • Obwohl es keine theoretischen oberen oder unteren Grenzen für den Durchmesser der Scheiben und der Filter gibt, werden, mit Rücksicht auf die Rotationsgeschwindigkeit, die irgendwo von unter 100 U/min bis zu 1000 U/min oder höher variieren kann, und mit Rücksicht auf die Technik, die Fabrikation und Kosteneinschränkungen, weist (weisen) das (die) rotierende(n) Teil (e) der Filtriervorrichtung selten mehr als ein oder zwei Meter im Durchmesser auf. Um somit die Kapazität der erfindungsgemäßen Vorrichtung über die Kapazität hinaus zu erhöhen, die durch die Scheiben und Filter von annähernd einem oder zwei Metern vorgegeben sind, wird die Filterkapazität je nach Bedarf vorzugsweise durch das Hinzufügen von zusätzlichen Scheiben und/oder Filtern erhöht. Ohne Rücksicht auf die Durchmesser von Scheiben und Filtern, kann die Kapazität immer durch das Hinzufügen von mehr Scheiben oder Filtern zu einer einzigen Vorrichtung erhöht werden; dies kann auch dadurch geschehen, dass man zwei oder mehr Vorrichtungen in Serie oder parallel miteinander verbindet.
  • Trägerbauteile für die Scheiben und/oder den Filter können an einer Vielzahl von unterschiedlichen Aufhängemitteln in einem gemeinsamen Gehäuse montiert werden, die von einem gemeinsamen Bauteil (zum Beispiel einem Oberteil) usw. hängen. So können zum Beispiel in einem Gehäuse zur Aufnahme des zu filternden Flüssigkeitskörpers zwei oder mehr rotierende Wellen untergebracht sein, wo eine oder beide Wellen an der Oberseite oder der Seite der Vorrichtung aufgehängt sind und jede Welle eine oder mehrere Scheiben und/oder einen oder mehrere Sätze von Filterträgerelementen aufweist, die an der Oberseite oder der Seite der Vorrichtung aufgehängt sein können. Ein Gestell (zum Beispiel ein Aufsatz, der auf mehreren Beinen montiert ist, so dass er in einem Reaktionsgefäß oder in einem See stehen kann) könnte zwei oder mehrere rotierende Wellen tragen, auf denen zwei unterschiedliche Sätze von Scheiben montiert sind.
  • Die Scheibe kann aus beliebigem Material hergestellt sein und jede Konstruktion oder Form aufweisen, vorausgesetzt sie hat die erforderlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, so dass sie ihre Funktion entsprechend der vorliegenden Erfindung ausüben kann. Da die Scheibe entsprechend der vorliegenden Erfindung rotieren kann und da es wünschenswert ist, dass die Scheibe sich während des Filtervorgangs nicht deformiert, ist es notwendig, dass die Scheibe ein gewisses Minimum an struktureller Steifigkeit aufweist. Die Scheibe sollte auch vorzugsweise chemisch relativ inert gegenüber der zuzuführenden Flüssigkeit sein. Im allgemeinen wird die Scheibe aus Metall hergestellt, obwohl auch andere Materialien, wie zum Beispiel Keramik, Glas und Polymere eingesetzt werden können.
  • Die Oberfläche der Scheibe, die den Filterspalt zugewandt ist, einschließlich der Innenfläche(n) von irgendwelchen Vertiefungen, ist vorzugsweise relativ glatt (außer für das Vorhandensein der zweiten Zuführeinrichtung). Vorzugsweise ist die Oberfläche des Filters einschließlich irgendwelcher in dem Filter eingesetzter Vertiefungen relativ glatt. Eine rauhe Oberfläche begünstigt bei geringen Umdrehungszahlen das Entstehen turbulenter Strömung in dem Fluid innerhalb des Filterspaltes, wobei sich diese Strömung negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt und einen oder mehrere Bestandteile der zu filternden Flüssigkeit negativ beeinflussen kann. Somit ist es erwünscht, dass die Strömung des Fluids in den Filterspalten für das Fluid im Grunde genommen nicht turbulent, im wesentlichen nicht turbulent, vorzugsweise im wesentlichen nicht turbulent und am bevorzugtesten vollständig nicht turbulent ist. Es ist erstaunlich, dass obwohl das Vorhandensein von zweiten Zuführmitteln, zum Beispiel von Bohrungen, die von einer Hauptfläche der Scheibe durch die Scheibe zu dem aktiven Bereich der anderen Hauptfläche der Scheibe führen, die den Filterspalt für das Fluid definiert, die Bildung von Turbulenzen in dem Filterspalt des Fluids zu fördern scheint, solche zweite Zuführmittel ein integraler Bestandteil dieser Erfindung sind im wesentlichen nicht turbulente Strömung in dem Fluidfilterspalt nicht zerstören und dazu beitragen, die Vorteile dieser Erfindung zu erreichen.
  • Im allgemeinen sind der Umfang der Scheibe und des Filters und ebenso der Filterträgerelemente kreisförmig ausgebildet, obwohl andere Formen eingesetzt werden können. Es ist wünschenswert, dass das Zentrum des Filters mit dem Zentrum des Filterträgerelements übereinstimmt und dass diese Zentren auf der Rotationsachse des (der) rotierenden Bauteils/Bauteile liegen und ebenso auf der Längsachse der Scheibe(n) und des (der) Filterträgerelements/Filterträgerelemente. Der Umfang der Scheibe und des Filterträgerelements hat normalerweise annähernd die gleiche radiale Entfernung von der Rotationsachse. Normalerweise wird eine Scheibenoberfläche einem einzigen Filterträgerelement zugewandt sein und deren Umfang wird annähernd den gleichen Abstand von der Rotationsachse aufweisen. Die Oberfläche des Filters ist vorzugsweise eben. In Abhängigkeit vom Typ des Filters und seiner Oberfläche kann die Oberfläche mikrokonkave und mikrokonvexe Teile aufweisen; ihre Anwesenheit ist jedoch kein Widerspruch zu einer Filteroberfläche, die im wesentlichen als eben betrachtet wird. Wenn außerdem die Filteroberfläche eine oder mehrere Vertiefungen aufweist, und selbst dann, wenn diese Vertiefungen fast die gesamte Filteroberfläche einnehmen und eine Tiefe von 5 mm oder mehr haben, so hindert das nicht, die Filteroberfläche als im wesentlichen eben zu betrachten. In ähnlicher Weise ist auch die Scheibenoberfläche, die dazu beiträgt den Fluidfilterspalt zu definieren, ebenfalls vorzugsweise im wesentlichen eben, wobei das Vorhandensein von mikrokonkaven und mikrokonvexen Teilen und Vertiefungen mit einer Tiefe von 5 bis 10 mm oder mehr nicht davon abhalten, die Filteroberfläche als im wesentlichen eben zu betrachten.
  • Obwohl die Scheibe und die Filteroberfläche vorzugsweise eben sind (zum Beispiel zur Erleichterung der Herstellung), müssen sie nicht notwendigerweise eben sein. Zum Beispiel kann eine von ihnen oder können beide axiale Querschnitte aufweisen, die konisch, trapezoidförmig oder gekrümmt sind. In der Tat kann jede Form eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass die Vorteile der Erfindung noch erzielt werden können. Da die Breite des Fluidfilterspaltes radial verschieden sein kann (d.h. wenn der Abstand von der Rotationsachse, die die Längsachse der rotierenden Welle ist, variiert), können die zwei Oberflächen, die den Spalt definieren, in ihren Zentren oder an ihrem Umfang einen geringeren Abstand voneinander aufweisen. Wenn beide Flächen die gleiche Querschnittsgröße und Form haben, dann können sie so orientiert sein, das die Spaltbreite konstant ist, zum Beispiel dort, wo sowohl die Scheibe als auch der Filter konisch und ineinander verschachtelt sind.
  • Vorzugsweise weisen weder die Scheibe noch der Filter irgendwelche nicht spiralig vorstehende Teile auf (zum Beispiel nicht spiralig verlaufende Lamellen oder Flügel), die sich in den Fluidfilterspalt erstrecken, da ihre Gegenwart dazu beiträgt, zum Beispiel den Wirkungsgrad negativ zu beeinflussen, denn sie begünstigen bei geringeren Drehzahlen das Entstehen von Turbulenzen.
  • Vorzugsweise sind die Scheibenoberfläche und die Filteroberfläche, die den Filterspalt definieren, „im wesentlichen parallel „ ausgerichtet, d.h. die Ebenen der zwei Oberflächen weisen keinen Winkel zueinander auf, der größer als 30 Grad ist; wünschenswert sind 20 Grad, wünschenswerter 15 Grad vorzugsweise 10 Grad und am meisten wird ein Winkel bevorzugt, der 5 Grad nicht überschreitet. Auch dann, wenn ein Bauteil (die Scheibe oder der Filter) genau gesagt, nicht eben ist (zum Beispiel konische Scheiben und Filter), werden diese Bauteile so betrachtet, als hätten sie in ihrer allgemeinen Orientierung eine Hauptfläche, und diese Fläche sollte auch dazu benutzt werden, zu bestimmen, ob die Flächen im wesentlichen parallel sind.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann horizontal, vertikal oder diagonal angeordnet sein, d.h. die Rotationsachse der Scheibe und/oder des sich drehenden Filterträgerelements (wenn vorhanden) kann horizontal, vertikal oder diagonal angeordnet sein. In einer vertikal ausgerichteten Vorrichtung mit einer Scheibe und einem Filter kann die Scheibe oberhalb des Filters oder der Filter oberhalb der Scheibe angeordnet sein. Ohne Rücksicht auf die Anzahl der Scheiben und Filter und die Orientierung der Vorrichtung ist es wünschenswert, dass der Fluidfilterspalt während der Filtration mit Fluid gefüllt ist.
  • Die Rotation der Scheibe(n) und/oder des (der) Filterträgerelements (-elemente) kann durch beliebige direkte oder indirekte Mittel erreicht werden, zum Beispiel durch einen elektrischen Motor, einen Motor, der über Riemenscheiben und Antriebsriemen oder ein Getriebe gekuppelt ist, oder durch einen magnetischen Antrieb. Somit brauchen die rotierenden Bauteile (zum Beispiel die Scheiben ) nicht auf einer Welle montiert sein, die sie antreibt. Eine axiale Translationsbewegung der Scheibe(n) oder des (der) Filterträgerelemente(s) und eine Vibrationsbewegung kann durch Verwendung bekannter technischer Einrichtungen erreicht werden.
  • Im Gegensatz zu den klassischen Filtervorrichtungen mit Querströmung kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden, dass die Druckhöhe nahe der Filteroberfläche und der durch die Membran gerichtete Druck oder das durch die Membran gerichtete Druckdifferential („TMP") im wesentlichen voneinander unabhängig sind. (Trotz der Tatsache, das der hier benutzte Filter keine Membran zu sein braucht, wurde der Begriff „durch die Membran gerichteter Druck „ beibehalten, da dies ein allgemein verwendeter Begriff ist). Das erfindungsgemäße Filtersystem ermöglicht eine genaue Steuerung der Trennung und kann auf verschiedene Weise betrieben und gesteuert werden. Zum Beispiel kann für eine gegebenen Menge Fluidzufuhr, die Geometrie der Vorrichtung, den Filter und die Umdrehungsgeschwindigkeit der rotierenden Bauteile, die Strömung des Permeats durch eine das Permeat abziehende Pumpe (Dosierpumpe, zum Beispiel eine peristaltische Pumpe) und die Konzentration des Retentats (Volumenkonzentration) gesteuert werden, die ihrerseits durch Einstellung der Zufuhrmenge zur Strömungsmenge des Permeats überwacht werden kann. Eine Steuerung des Systems kann auch durch Strömungssteuerventile und Drucksteuerventile erreicht werden. Einige Vorteile der vorliegenden Erfindung sind durch die Tatsache verwirklicht worden, das wesentliche Betriebsparameter (Druckhöhe, durch die Membran gerichteter Druck, Zufuhrmenge, Menge des Retentats und Permeats) zu einem wesentlichen Teil unabhängig voneinander gesteuert und gehandhabt werden können.
  • Das Steuerungssystem für die Filtriervorrichtung kann für eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Zuführung oder Abführung von Zufuhrfluid und/oder Permeat und/oder Retentat ausgelegt sein. Die Ausführungsart der peripheren Einrichtungen, die in Verbindung mit der Filtriervorrichtung eingesetzt werden, ist nicht kritisch. Es kann eine ab Lager lieferbare Technologie für die Zugabe, das Sammeln und das Abziehen von Fluid, für die Steuerungseinrichtung und die Rotationseinrichtung usw. verwendet werden. Die Ausführungsart und die Auswahl dieser ganzen peripheren Einrichtung liegt im Können des durchschnittlichen Fachmanns.
  • Im allgemeinen kann der Betriebsdruck und der durch die Membran gerichtete Druck in der Vorrichtung jeden beliebigen Wert annehmen, soweit er nicht den Filtervorgang stört oder die zu- und abgeführten Fluide nicht negativ beeinflußt. Somit kann ein durch die Membran gerichteter Druck eingesetzt werden, der nur wenig über dem atmosphärischen Druck liegt, oder es kann ein solcher durch die Membran gerichteter Druck eingesetzt werden, der wesentlich höher liegt. Im allgemeinen werden niedrigere durch die Membran gerichtete Drucke bevorzugt, weil sie dazu beitragen sich auf der Oberfläche oder innerhalb des Filters aufbauende Feststoffe zu minimieren. Im allgemeinen werden niedrigere durch die Membran gerichtete Drücke auch deshalb vorgezogen, weil sie dazu beitragen, die Vorrichtung billiger zu machen. Es kann jedoch in einigen Fällen wünschenswert sein, zur Unterstützung der Filtration höhere Betriebsdrücke einzusetzen. Wenn zum Beispiel mit Kohlensäure versetzte Getränke behandelt werden, dann muss der Betriebsdruck ausreichend hoch gehalten werden, um eine Entgasung zu verhindern. Ein höherer Druck in dem Fluidfilterspalt kann auch wünschenswert sein, um die Filtration zu beschleunigen. Ein höherer Druck in dem Fluidfilterspalt kann auch den Einsatz einer Vakuumpumpe für das Abführen von Permeat ermöglichen. Es kann auch wünschenswert sein andere Kräfte einzusetzen, zum Beispiel elektromotorische Kräfte, um die Filtration in bestimmten Fällen zu unterstützen. Es werden vorzugsweise eine oder mehrere Spiralnuten auf einer oder mehreren der jeden Filterspalt definierenden Oberflächen eingesetzt und vorzugsweise rotiert die jeden Spalt definierende Scheibe und weist eine oder mehrere Spiralnuten auf, wobei der Filter, der jeden Fluidfilterspalt definiert, nicht rotiert und auch keine Spiralnuten aufweist.
  • Eine Nut besteht aus einer langen, schmalen Rinne oder Vertiefung. Sie kann auch als eine längliche konkave Rille oder Vertiefung angesehen werden, deren Länge in einer zu der Oberfläche parallelen Ebene liegt, in der die Nut vorgesehen ist. Der Begriff „spiralförmig" kann auf vielerlei Weise definiert werden; aber eine einfache Definition besteht darin, dass eine Spirale der Weg eines Punktes in einer Ebene ist, der sich um einen zentralen Punkt in der Ebene bewegt, während er sich kontinuierlich von dem den zentralen Punkt weg oder auf diesen zu bewegt.
  • Die hier vorzugsweise eingesetzten Spiralnuten sind, aber müssen nicht, durchlaufend sein. Eine Oberfläche kann mehr als eine Spiralnut aufweisen, wobei die Spiralen in unterschiedlichen Abständen von dem Zentrum der Oberfläche anfangen und/oder enden können. Wenn mehr als eine Spiralnut auf der Oberfläche vorhanden ist, dann können sich die Nuten überkreuzen und brauchen nicht die gleiche Form oder den gleichen Kurvenverlauf oder den gleichen zentralen Punkt oder den gleichen Querschnitt oder die gleiche Weite haben. Die Spiralen müssen nicht am Umfang der Oberfläche enden. Die Spiralen brauchen nicht auf dem (den) rotierenden Bauteil(en) angebracht zu sein. Wenn jedoch vorzugsweise eine oder mehrere Spiralnut(en) auf der Oberfläche der Scheibe vorgesehen ist/sind und die Scheibe rotiert, dann wird das Fluid nahe der Rotationsachse in den Fluidfilterspalt eingeleitet, wobei die Nuten wahre Spiralen sind, die nahe der Rotationsachse beginnen und sich bis zum Umfang der Scheibe erstrecken, wobei sie sich nicht miteinander kreuzen.
  • Die Nuten sind vorzugsweise auf der Oberfläche ausgerichtet und die Oberfläche wird in einer solchen Richtung gedreht, dass die am Außenumfang endende Nut von der Richtung der Rotation weg zeigt. Das trägt dazu bei, die Aufprallkräfte des die Nuten verlassenden Fluids zu verringern.
  • Die hier vorzugsweise eingesetzten Nuten haben einen konkaven Querschnitt und weisen gewöhnlich keine konvexen Stellen auf.
  • Die Innenfläche des Querschnitts der Nuten ist als glatte kontinuierliche Kurve ausgebildet, zum Beispiel als Abschnitt einer Ellipse oder eines Kreises oder Kombinationen daraus. Die Nut kann auch gerade verlaufende Wände aufweisen und kann zum Beispiel im Querschnitt rechteckig, rechtwinklig oder quadratisch sein. Der Querschnitt kann auch gerade und gekrümmte Bereiche aufweisen. Eine hier eingesetzte Nut hat vorzugsweise eine konstante Breite und Tiefe; diese Dimensionen können entlang der Länge der Nut auch variieren.
  • Der Quotient aus Nutbreite zum Radius der Scheibe (oder des Filters) beträgt gewöhnlich 0,001 bis 0,6, vorzugsweise 0,01 bis 0,5 und am bevorzugtesten 0,01 bis 0,4. Die Breite kann entlang der Nut derart variieren, dass sich der Quotient aus Nutbreite und der radialen Lage verändert. Es können auch Quotienten aus Nutbreite zu Scheibenradius (oder Filterradius) außerhalb des Bereichs von 0,001 bis 0,6 eingesetzt werden, wenn die anderen Parameter (zum Beispiel Umdrehungsgeschwindigkeit) so angepasst werden können, dass die Vorteile der Erfindung erhalten bleiben.
  • Die Trennung zwischen den beiden den Filterspalt definierenden Oberflächen und die Rotationsgeschwindigkeit beeinflussen die Reinigungswirkung oder den Druck und somit die Strömung. Die Reinigungswirkung ist, allgemein gesprochen, umgekehrt proportional zur Breite des Spaltes. Die Wirkung einer Spaltveränderung hat wenigstens innerhalb eines bestimmten Bereichs eine meßbare, aber relativ kleine Wirkung auf die Strömung, d.h. die Beziehung zwischen der Spaltbreite und dem Wanddruck (d.h. der Größe des Druckes auf die Membranoberfläche) ist nicht ausgeprägt. Auf jeden Fall wird an irgendeinem Punkt die Filteroberfläche und die ihr gegenüberliegende Scheibe für die Rotation wenigstens eines der Bauteile zu weit entfernt sein, um noch eine günstige Wirkung auf die Strömung auszuüben. Andererseits werden unter anderem mit Rücksicht auf konstruktive Toleranzen an irgendeinem Punkt die beiden Oberflächen, die den Filterspalt definieren, zu nahe beisammen sein, um noch eine Rotation des einen oder anderen oder der beiden Bauteile zu ermöglichen. Dementsprechend gibt es einen nützlichen Arbeitsbereich für die Spaltbreite für jede besondere Filtriervorrichtung für ein gegebenes einzuspeisendes Fluid. Die zwei einander gegenüber liegenden Oberflächen, die den Fluidfilterspalt definieren, sollten „dicht beieinander liegen" und somit wird die Spaltbreite gewöhnlich innerhalb eines Bereiches von 1 bis 100 mm liegen, oft bei 1 bis 50 mm, erwünscht sind 1 bis 25 mm, bevorzugt 1 – 15 mm und am bevorzugtesten 1 bis 10 mm. Abstände außerhalb des Bereichs von 1 bis 100 mm können vorgesehen werden, wenn die anderen Parameter so angepasst werden, dass die Vorteile der Erfindung erhalten bleiben. Die Spaltweite kann für eine gegebene Vorrichtung zum Beispiel in einem Fall, wo die Scheibe(n) oder der (die) Filter nicht eben sind (zum Beispiel zwei konische Oberflächen, die aufeinander zu oder voneinander weg laufen), variieren. Mit anderen Worten kann der Fluidfilterspalt in radialer Richtung variieren. Eine solche Variation kann vorteilhaft sein, um einen konstanten durchschnittlichen Druck aufrecht zu erhalten, wenn die Viskosität des zugeführten Fluids als Ergebnis einer Konzentration von einem oder mehreren Stoffen (wie zum Beispiel bei einer Entwässerung) ansteigt.
  • Die Rotationsgeschwindigkeit beeinflusst die Strömung: höhere Rotationsgeschwindigkeit erhöht die Reinigungswirkung und niedrigere Rotationsgeschwindigkeit verringert die Reinigungswirkung. Es kann jede beliebige Rotationsgeschwindigkeit eingesetzt werden, die mit der Konstruktion der Vorrichtung und mit der Druckempfindlichkeit des zu behandelnden Fluids übereinstimmt. Die Geschwindigkeit beträgt üblicherweise 50 bis 2000 U/min; wünschenswert sind 100 bis 1500 U/min, bevorzugt werden 100 bis 1200 U/min und am bevorzugtesten sind 100 bis 1100 U/min. Werte außerhalb dieses Bereichs von 50 bis 2000 U/min können angewandt werden unter der Voraussetzung, das die Vorteile der Erfindung noch erzielt werden können.
  • Andere Variablen, die die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beeinflussen, umfassen: zum Beispiel die Anzahl der spiralförmigen Nuten auf der Oberfläche, die Länge, Breite und Tiefe der Nuten, ihre Querschnittsform, die Glätte der den Filterspalt definierenden Oberflächen und die Parameter, die die Rheologie des Fluids, einschließlich der Viskosität, die Dichte definieren, ob sie Partikel enthält (zum Beispiel Zellen) und die Größe, Form und Konzentration dieser Partikel. Wie in der U.S. 5,143,630 herausgestellt wird, beeinflusst auch der Öffnungswinkel, unter dem sich eine Spiralnut erstreckt (Winkel Y in 1 des Patents) und der Kurvenverlauf der Nut (bezogen auf Winkel T in 2 des Patents) die Leistungsfähigkeit.
  • Noch andere Variable, die die Leistungsfähigkeit beeinflussen, sind die Größe, Form und der Ort von die Strömung des Retentats drosselnden Einrichtungen, die Anzahl, Größe, Form und die Anordnung von irgendwelchen die Strömung des Retentats ausrichtenden Mitteln und ob einiges oder alles des ausströmenden Retentats, das durch die Drosseleinrichtung fließt zu dem(n) Fluidfilterspalt(en) zurückgeführt wird und wenn dies geschieht, wie dies durchgeführt wird.
  • Vor diesem Hintergrund wenden wir uns nun den beigefügten Zeichnungen zu, in denen verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
  • Mit Bezug auf die 1 – 4 weist die rotierende Scheibenfiltervorrichtung 20 auf: eine erste Platte 22, eine zweite Platte 24, einen Motor 26, eine Welle 28, die eine Längsachse 30 hat, eine Hülse 32, zwei Filterträgerelemente 34 und eine rotierende Scheibe 36, die eine erste (obere) Hauptfläche 94 und eine gegenüberliegende zweite (untere) Hauptfläche 96. Die Nut 38 am unteren Ende der Welle 38 verbindet kraftschlüssig die Scheibe 36 mit der Welle 28. Es gibt zwei Fluidfilterspalten 40, die parallel zueinander liegen. Jeder Spalt wird durch einen Filter 42, der auf einer kreisförmigen Platte 44 (die den Hauptteil des Filterträgerbauteils 34 bildet), und durch die entsprechende, gegenüber angeordnete Hauptfläche der Scheibe 36 gebildet. Die Vorrichtung 20 kann oben auf einem Behälter (nicht dargestellt) plaziert sein, der das zu filternde Fluid enthält, so dass die zweite Platte 24 auf Stützen über dem oberen Teil des Behälters aufliegt. Das obere Niveau der Fluidsubstanz, die gefiltert werden soll, würde unterhalb der Bodenfläche der zweiten Platte 24 sein. Somit muß die drehbare Aufhängung 56, in der die Welle sich dreht, nicht auch noch gegen ein Fluid abgedichtet werden.
  • Jedes Filterträgerelement 34 hat eine kreisförmige, sich am Umfang befindende Lippe 46, die über und unter die Platte 44 eines Filterträgerelementes 34 vorragt. Die zwei Lippen 46 an den angrenzenden Filterträgerelementen treffen sich längs einer kreisförmigen Bahn, die in radialer Richtung einen Abstand von der Längsachse 30 aufweist. Ein kompressibles Bauteil (z.B. ein O-Ring) 48 liegt entlang der kreisförmigen Bahn und schafft eine im wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen den zwei Lippen 46. Alternativ kann eine Lippe 46 an einem Filterträgerbauelement so ausgelegt sein, dass sie von den angrenzenden Filterträgerelementen so aufgenommen wird, dass eine Barriere oder fluiddichte Abdichtung geschaffen wird, um den Fluss des Retentats zu begrenzen. Die Aufnahmeanordnung kann auch verwendet werden, um bei der Ausrichtung der Filterträgerelemente während des Zusammenbaus eines Filterträgerelementes/einer Scheibe oder während des Zusammenbaus einer Kartusche von Filterträgerelementen (wie unten beschrieben) in richtiger Konfiguration zu helfen. Ein kompressibles Bauteil (z.B. der O-Ring) muß nicht verwendet werden.
  • Während eines normalen Betriebs verursacht die Drehung der Scheibe 36 eine Zirkulation des Fluids innerhalb jedes Fluidfilterspaltes 40 und einen nach aussen gerichteten Pumpvorgang (d.h. eine Bewegung des Fluids in dem Spalt von der Längsachse 30 in Richtung auf die umlaufenden, am Umfang befindlichen Lippen 46). Sich verändernde Druckunterschiede über (rechtwinklig zu) den Platten 44 als eine Funktion des radialen Abstandes von der Längsachse 30 tendiert dazu, eine Deformation der Platten 44 zu verursachen, was wiederum zu einer radialen Veränderung der Seite der Fluidfilterspalten führt. Rippen 50 haben die Tendenz, dieses Verbiegen (Deformation) von Platten 44 zu verhindern und dadurch relativ konstante Weiten von Fluidfilterspalten aufrecht zu erhalten. Alternativ können die Rippen radial von der Hülse 32 vorragen, um dadurch eine Deformation (Verbiegen) der Filterträgerelemente zu begrenzen.
  • Eine Antriebssäule 52, die ein Teil einer Welle 28 ist, ist mit ihrem oberen Ende mit dem Rotor eines Motors 26 verbunden und ist fest an ihrem unteren Ende mit dem Ende der Welle 28 verbunden. Ein ringförmiger Spalt 54 befindet sich zwischen der Welle 28 und der Hülse 32. Weil die Hülse 32 im Hinblick auf die Längsachse der Drehung einer Welle 28 (d.h. einer Achse 30) zentriert ist und weil das obere Filterträgerelement 34 mit der Hülse verbunden ist und mit Hinblick auf diese Hülse zentriert ist, ist das oberste Filterträgerelement im Hinblick auf die Drehachse der Welle und der Scheibe zentriert. Das untere Filterträgerelement ist im Hinblick auf das obere Filterträgerelement ausgerichtet und mit diesem Element verbunden, und durch seine Verbindung mit dem oberen Filterträgerelement (indirekt) mit der Hülse 32 verbunden. Deshalb sind beide Filterträgerelemente mit dem „ersten Element" verbunden, das aus den Platten 22 und 24 besteht. Die Büchse 32 dreht sich nicht. Somit verbleiben die Filterträgerelemente stationär und die Scheibe dreht sich im Hinblick auf diese Trägerelemente, wenn der Motor 26 die Welle 28 dreht, an der die Scheibe fest montiert ist. Die drehbare Aufhängung des rotierenden Elementes (die Scheibe) an dem „ersten Element" ist durch das Bezugszeichen 56 angezeigt und befindet sich über dem normalen Niveau des Fluids, das zu filtern ist, wenn eine Vorrichtung 20 in der Substanz des zu filternden Fluids plaziert wird.
  • Eine rotierende Aufhängung 56 ist zweckdienlicherweise in 1 als ein Drehlager dargestellt, das in einer Platte montiert ist (hier, die zweite Platte 24); jedoch wird die drehbare Aufhängung oft (und manchmal vorzugsweise) das Drehlager oder die Drehlager in dem Getriebegehäuse, Motor oder anderen beweglichen Einrichtungen sein, die die Antriebssäule 52, die einen Teil der Welle 28 darstellt, drehen. Es gibt in diesem Zusammenhang keine rotierende Aufhängung in irgendeiner der Platten (d.h. die Antriebssäule oder Welle wird durch ein Loch in den Platten ohne irgendeine Lagerung hindurch laufen, die sich an diesem Punkt befindet).
  • Löcher 58 in der Seitenwand der Hülse 32 (typischerweise 4 Löcher, nur zwei von diesen sind gezeigt, aber mehr oder weniger können Verwendung finden) sorgen dafür, dass das Fluid im und/oder aus dem Spalt oder aus dem ringförmigen Bereich 54 zwischen Hülse 32 und Welle 28 von und/oder zu der Fluidsubstanz strömen kann, in welchem die Vorrichtung eingetaucht ist. Der ringförmige Bereich 54 steht in Fließverbindung mit dem oberen Fluidfilterspalt 40 und über Einrichtungen, die im folgenden diskutiert werden, besteht auch eine Fließverbindung zu dem unteren Fluidfilterspalt 40.
  • Eine zentral sich befindende, kreisförmige Öffnung 60 in jedem der Filterträgerelemente 34 wird durch seinen inneren Rand 62 gebildet. Die Welle 28 erstreckt sich durch die zentrale Öffnung in dem oberen Filterträgerelement 34 und eine zentrale Öffnung 60 in dem unteren Filterträgerelement 34 sorgt dafür, dass das zu filternde Fluid zu den oberen und unteren Fluidfilterspalten 40 fließen kann (während des Filtervorgangs ist die Vorrichtung 20 in dem zu filternden Fluid eingetaucht, um bis zu einem Niveau unter der zweiten Platte 24 gefiltert zu werden). Das Fluid, das durch die Öffnung 60 in das am Boden befindliche Filterträgerelement eintritt, fließt sogleich in den unteren Fluidfilterspalt 40. Die Löcher 64 befinden sich in dem inaktiven Bereich der Scheibe 36 und die Löcher 66 (zweite Zufuhreinrichtung) sind in dem aktiven Bereich der Scheibe vorhanden. Ein gestrichelter Kreis 68 in 3 verdeutlicht die innere Peripherie des aktiven Bereichs der Scheibe 36. In dieser Ausführung ist der aktive Bereich der Scheibe derselbe wie der mit Nuten versehene Bereich der Scheibe, da der mit Nuten versehene Bereich an jeder Scheibenfläche direkt gegenüber dem aktiven Filterbereich des jeweiligen Filters vorhanden ist.
  • Halbkreisförmige Öffnungen in der Umfangslippe 46 eines oberen Filterträgerelementes 34 liegen mit identischen Öffnungen in der Umfangslippe 46 des unteren Filterträgerelementes 34 in einer Linie, um kreisförmige Öffnungen 70 in der „inneren Wand" zu bilden, die gebildet wird, wenn zwei Filterträgerelemente mit einem kompressiven Element 48 dazwischen (wie in 2 gezeigt) aneinander liegen. Diese Öffnungen 70 gestatten es einem Retentat, Fluidfilterspalten 40 zu verlassen. In einem kompressiblen Element 48 kann es einen Spalt geben, in dem jede der kreisförmigen Öffnungen 70 durch die halbkreisförmigen Öffnungen in den Umfangslippen 46 derart gebildet sind, dass die kreisförmigen Öffnungen durch ein kompressibles Element 48 (das sonst diese horizontal halbieren würde) nicht partiell blockiert sind.
  • Mit Bezug auf 1 wird der innere Rand 62 des oberen Filterträgerelements 34 an der Büchse 32 befestigt. Diese Befestigung kann unter Verwendung irgendeiner passenden teilpermanenten Befestigungseinrichtung (z.B. Stiften, Bolzen oder Schraubengewinde) oder, falls gewünscht, irgendeiner permanenten Befestigungseinrichtung hergestellt sein (z.B. mit Kleber versehen), obwohl teilpermanente Befestigungseinrichtungen bevorzugt sind, so dass das obere Filterträgerelement von der Hülse abgebaut werden kann. Das untere Filterträgerelement 34 wird an das obere Filterträgerelement 34 angrenzend mit den halbkreisförmigen Öffnungen in den zwei Filterträgerelementen gehalten, die genau mittels Bolzen ausgerichtet sind, die durch die jeweiligen Bolzenlöcher (nicht gezeigt) hindurchgehen, die sich in einer Lippe 46 jedes der zwei Filterträgerelemente befinden. Die Öffnungen in jedem der zwei Filterelemente, die die kreisförmigen Öffnungen 70 (s. 2) bilden, sind gleichmäßig um die Umfangslippen 46 beabstandet abgeordnet. Rippen 50 sind ebenfalls gleichmäßig beabstandet um jedes Filterträgerelement 34 angeordnet.
  • 3 zeigt die Bodenfläche der Scheibe 36 nach 1, und 4 stellt eine Querschnittsansicht der Scheibe entlang der Linie 4 – 4 nach 3 dar. Eine Scheibe 36 mit einem Rand 72 ist an dem unteren Teil der Welle 28 (siehe 1) mittels einer Nut 38 befestigt. Die Mitte der Scheibe 36 fällt mit der Mitte jeder der zwei Filterträgerelemente 44 und der Längsachse 30 der Welle 28 (siehe 1) zusammen. Die Bodenfläche der Scheibe (3 und die rechte Seite der 4) und die obere Fläche der Scheibe (siehe die linke Seite der 4) haben jeweils 15 mit gleichem Abstand gebildete Spiralnuten 74, die mit 24 Grad einzeln beabstandet sind. Eine gestrichelte Linie 76 bezeichnet den Boden eines der Spiralnuten, die durch Spiralstege 78 voneinander getrennt werden. Spiralnuten 74 begrenzen an ihren äusseren Enden an einem Rand (Peripherie) 72 und an ihren inneren Enden an einem ohne Nuten versehenen mittleren Abschnitt. Die Scheibe 36 ist generell symmetrisch um die Mittelebene 80, mit der folgenden bedeutenden Ausnahme: Bevor sie die Oberfläche der Scheibe 36 erreicht (siehe linke Seite in 4) endet eine Vertiefung 82, sonst könnte eine Mutter 38 die Scheibe 36 nicht an dem Ende der Welle 28 festhalten.
  • Auf der unteren Hauptfläche der Scheibe (siehe 3) separiert ein gestrichelter Kreis 68 den zentralen Bereich, der den inaktiven oder nichtaktiven Bereich der Scheibe darstellt, von dem aktiven Bereich der Scheibe, der die Spiralnuten aufweist. Mit Bezug auch auf 1 liegt der obere aktive Bereich der Scheibe (der aktive Bereich auf der oberen Hauptfläche) gegenüber dem Filter 42 auf dem oberen Filterträgerelement 44 und der untere aktive Bereich der Scheibe (der aktive Bereich auf der unteren Hauptfläche) liegt dem Filter 42 an dem unteren Filterträgerelement 44 gegenüber. Auf jedem der zwei Hauptflächen ist der aktive Bereich durch einen imaginären Kreis 68 und durch eine äussere Umfangsregion (Rand) 72 nahe der Längsachse 30 der Scheibe größenbeschränkt. Löcher 64, die innerhalb des inaktiven Bereichs der Scheibe vorhanden sind, befinden sich nicht einem jeweiligen oberen oder unteren Filter 52 gegenüber. Löcher 66, die innerhalb des aktiven Bereichs der Scheibe sind, sind sowohl oberen und unteren Filtern 42 gegenüber angeordnet. (Um bezüglich 4 keine Verwirrung aufkommen zu lassen, Löcher 66, die in 1 und 3 gezeigt werden, sind nicht in 4 dargestellt).
  • 5 zeigt eine schematische Draufsicht eines möglichen Filterträgerelementes, das eine allgemein kreisförmige Peripherie 84 und einen radialen Ausschnitt 86 aufweist, der an seinem inneren Ende in einer Öffnung 88 endet. Die radiale Aussparung gestattet, dass das Filterträgerelement in eine Richtung allgemein rechtwinklig zu der Hülse und der Welle bewegt werden kann, an der die Scheiben befestigt sind, wie dies in dem U.S. Patent Nr. 5,254,250 beschrieben ist. Somit kann jedes Filterträgerelement von dem Aufbau von überlappenden, alternierenden Scheiben und Filterträgerelementen abgebaut und entfernt werden, ohne dass die Scheiben und Filterträgerelemente in alternierender Folge entfernt werden müssen.
  • 6 stellt eine schematische Draufsicht eines anderen möglichen Filterträgerelements, das in der vorliegenden Verwendung findet, dar. Dieses D-förmige Filterträgerelement besitzt eine halbkreisförmige äussere Peripherie 88, einen sich in der Mitte befindenden, halbkreisförmigen Ausschnitt 90 und einen geraden Abschnitt 92. Es können, wie in 7 dargestellt, zwei derartige D-förmige Filterträgerelemente mit ihren geraden Seiten nahe an oder einander berührend (ein Spalt zwischen zwei geraden Seiten würde es dem Retentat gestatten, von Stufe zu Stufe zu fliessen) angeordnet zu werden. Diese D-förmige Konfiguration gestattet auch jedem der Filterträgerelemente der Anordnung hinzugefügt oder von der Anordnung der Scheiben und Filterträgerelemente entfernt zu werden, ohne dass irgendeine der Scheiben von der Welle entfernt werden muß. Somit müssen die Filterträgerelemente keine unitären Elemente sein und es kann jegliche Größe und Form verwendet werden, um die Fläche der Filterträgerelemente zu bilden, die einen Filter trägt, der einen Fluidfilterspalt bildet (mit seiner gegenüberliegenden Scheibe).
  • 8 zeigt eine vielfache Anordnung von Scheiben 36, die auf eine Welle 28 montiert sind. Jede Scheibe hat mehrere Spiralnuten 74 auf jeder seiner ersten Hauptfläche 94 und zweiten Hauptfläche 96.
  • 9 zeigt eine Anordnung (Kartusche) 98 von fünf D-förmigen Filterträgerelementen nach 6. Jedes D-förmige Element hat eine gerade Seite 92, eine halbkreisförmige Peripherie 88, einen in der Mitte angeordneten halbkreisförmigen Ausschnitt 90, eine erste (obere) Hauptfläche 100 und eine zweite untere Hauptfläche. Die drehbare Welle 28 wird in dem verlängerten, in der Mitte befindlichen Durchgang eingesetzt, der durch die halbkreisförmigen Löcher gebildet wird, die wiederum durch halbkreisförmige Ausschnitte 90 gebildet werden, wenn eine ähnliche spiegelbildliche Kartusche in der zusammengesetzten rotierenden Scheibenfiltervorrichtung an die Kartusche 98 herangebracht wird (gerade Seiten 92 unmittelbar anschließend an die geraden Seiten der spiegelbildlichen Kartusche). Die fünf D-förmigen Filterträgerelemente der Kartusche 98 sind durch die Elemente 104 mechanisch miteinander verbunden. Zwei Elemente 104 verbinden auch die Filterträgerelemente fluidströmungsmäßig miteinander, um gemeinsames Permeat durch Stutzen 106 zu entfernen. Die Kartusche 98 kann in der rotierenden Scheibenfiltervorrichtung unter Verwendung von Bolzen (nicht dargestellt) montiert werden, die durch die Bolzenlöcher 108 jeweils zwei in den Elementen 104 hindurchgehen. Jede Kartusche der Filterträgerelemente kann hinsichtlich der Scheiben als Einheit in Position gebracht werden, was dabei behilflich ist, die Fluidfilterspalten zu bilden.
  • In diesen Zeichnungen sind die dargestellten Vorrichtungen sämtlich vertikal ausgerichtet (Welle 28 ist vertikal ausgerichtet), wobei das oberste Filterträgerelement an das „erste Element" (das eine ersten Platte 22 und eine zweite Platte 24 aufweist) direkt befestigt ist und das unterste und oberste Element an eine Hülse um die Welle, die die Scheibe dreht, befestigt ist. Wie zuvor bemerkt, muß die Vorrichtung nicht vertikal ausgerichtet sein. Des weiteren muß es nicht das erste Filterträgerelement in der Anordnung der Filterträgerelemente und Scheiben sein, welches an dem ersten Element befestigt ist, und es müssen weder das eine oder die mehreren Filterträgerelemente nicht an eine derartige Hülse befestigt werden.
  • Beispiel
  • Operationsläufe werden unter Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt, die einer in 1 gezeigten ähnelt, wobei ein Hauptunterschied darin liegt, dass die experimentelle Vorrichtung zwei D-förmige Filterelemente hat, die eine vollständige essentielle kreisförmige Fläche eines Filterelements über der drehenden Scheibe bildet und wobei zwei D-förmige Filterelemente eine vollständige essentielle Oberfläche eines Filterelementes unter der drehenden Scheibe (siehe 7) bildet. Der äussere Durchmesser eines jeden „kreisförmigen" Filters, der durch die zwei D-förmigen Filter gebildet wird, war 14,625 Inch (37,15 cm) und die in der Mitte gelegene, kreisförmige Aussparung (die Öffnung in 7 wird durch die zwei halbkreisförmigen Ausschnitte 90 gebildet) war etwa 2,687 Inch (6,82 cm) im Durchmesser. Die Filter, die in jedem der vier Filterträgerelemente verwendet wurden, waren UltraFilic (registriert) Filter von Membrex.
  • Die Drucksensoren wurden oberhalb und unterhalb der rotierenden Scheibe unterhalb der jeweiligen Filter an vier unterschiedlichen radialen Abständen von der Längsachse (Drehpol oder Drehachse) der Welle, auf der die Scheibe montiert war, plaziert. Diese vier radialen Abstände waren annähernd 2,5 Inch [6,35 cm] (ein imaginärer Kreis von 5 Inch [812,7 cm] Durchmesser, dessen Mittelpunkt die Längsachse der Welle ist), 3,75 Inch [9,52 cm] (ein imaginärer Kreis von 7,5 Inch [19,5 cm Durchmesser]), 4,75 Inch [12,06 cm] (ein imaginärer Kreis von 9,5 Inch [24,13 cm Durchmesser], und 6 Inch [15,24 cm] von der Längsachse (ein imaginärer Kreis von 12 Inch) [30,48 cm Durchmesser]. Somit war das innerste Paar der Sensoren (einer unter dem Filter über dem oberen Fluidfilterspalt und einer unter dem Filter unterhalb des unteren Fluidfilterspaltes) 2,5 Inch [6,35 cm] von der Drehachse (oder auf einem imaginären Kreis von 5 Inch [12,7 cm] Durchmesser).
  • Jede Scheibe hat Spiralnuten auf jeder seiner zwei Hauptflächen, wie dies in 3 gezeigt ist und wurde mit 600 U/min mit Wasser als Prozessfluid gedreht. Der Druck in den Spalten bringt das Wasser dazu, durch den Filter (Permeat) hindurchzugehen, und sowohl Permeat als auch Retentat zu versuchen, das System zu verlassen. Die obere Spaltweite (zwischen dem oberen Teil der Scheibe und der gegenüberliegend angeordneten Filteroberfläche) wurde auf 0,36 Inch [0,91 cm] und die untere Spaltweite (zwischen dem oberen Teil der Scheibe und der gegenüberliegend angeordneten Filterfläche) wurde auf 0.08 Inch [0,20 cm] festgelegt.
  • Jede Scheibe war annähernd 13,75 Inch [3,93 cm] im Durchmesser. Der mittlere, nicht mit Nuten versehene Abschnitt der Scheibe betrug etwa 2,75 Inch [6.99 cm im Durchmesser]. Mit anderen Worten begannen die Spiralnuten bei etwa 2,75 Inch [6.99 cm] im Durchmesser (wo der ohne Nuten versehene mittlere Abschnitt endete) und die Nuten endeten an dem Umfang der Scheibe (13,75 Inch [34.93 cm] im Durchmesser).
  • Vier Löcher (0,3 Inch [0.76 cm] im Durchmesser) ragen symmetrisch in den mittleren, ohne Nuten ausgestatteten Abschnitt jeder Scheibe bei 90 Grad Winkeln zueinander angeordnet, wobei die Nord-Süd-Löcher etwa 2 Inch [5,08 cm] für sich und die Ost-West-Löcher etwa 2 Inch [5,08 cm] für sich betrugen. In einigen Durchläufen wurden die in der Mitte befindlichen Löcher verstopft. Verschiedene Scheiben hatten unterschiedliche Zahlen und Positionen von Löchern mit 0,3 Inch [0,76 cm] im Durchmesser, die von dem aktiven (mit spiralförmigen Nuten versehenen) Bereich einer Hauptfläche der Scheibe bis zu dem aktiven (mit Spiralnuten versehenen) Bereich der anderen Hauptfläche der Scheibe verliefen. Der innerste Satz von Löchern (wenn sie verwendet wurden) in dem aktiven Bereich befand sich längs eines imaginären Kreises, der die Scheibe überlagert und einen Durchmesser von 3,21 Inch [8,15 cm] hat. Mit anderen Worten, die am innen liegendsten Löcher waren bei einem radialen Abstand von der Mitte der Scheibe (der Drehachse) von 1,6 Inch [4,06 cm] zu finden. Die anderen drei Sätze von Löchern (wenn sie verwendet wurden) lagen entlang imaginärer Kreise, die einen Durchmesser von 4,97 Inch [12,62 cm], 7,91 Inch [20,09 cm] und 10,75 Inch [27,31 cm]. Die Löcher längs eines imaginären Kreises waren gleichmäßig beabstandet. Mit anderen Worten, wenn fünf Löcher für einen der imaginären vier Kreise verwendet wurden, lagen die Löcher bei etwa 72 Grad (360 : 5) einzeln beabstandet.
  • Indem die Differenz zwischen den oberen und unteren Drücken an jedem der vier radialen Positionen verwendet wurde und indem verschiedener Annahmen getroffen wurden, wurde die Netzkraft auf jede Scheibe berechnet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt.
  • Figure 00620001
  • Im Lauf 1 liegt die Kraft, die auf die Scheibe in Richtung auf den kleineren Spalt drückt, über 200 Pfund [über 8,9 × 107 dyn]. Ein fortlaufender Betrieb würde eine übermäßige Belastung auf die Lager bringen, in denen die Welle rotiert. Des weiteren würde das Schleifen der Scheibe gegen die unteren Filter einen vorzeitigen Verschleiß und möglichen Ausfall verursachen und den Wirkungsgrad der Filtration, die in dem unteren Fluidfilterspalt abläuft, signifikant reduzieren. Man beachte, daß der abwärts gerichtete Druck trotz des Vorhandenseins der vier Löcher in dem mittleren (nicht aktiven) Bereich der Scheibe sehr hoch ist.
  • In Lauf 2 reduzierte noch ein Hinzufügen von gerade 5 kleinen Löchern in dem aktiven Bereich der Scheibe, aber mit der verschlossenen Retentatleitung, um ein Entfernen von Retentat zu verhindern, was im wesentlichen den Staudruck auf das System erhöht, den abwärts gerichteten Druck auf die Scheibe um ungefähr 40%.
  • Im Lauf 3, der derselbe ist wie Lauf 2, mit der Ausnahme, dass die Retentatleitung nicht länger verschlossen ist, ist der abwärts gerichtete Druck auf die Scheibe auf gerade 5,4 Pfund [2,4 × 106 dyn] reduziert worden, mit anderen Worten, ein Hinzufügen von gerade fünf kleinen Löchern mit einem Durchmesser von 3,21 Inch [8,15 cm] (etwa 0,23 R, wobei R den Radius den Scheibe darstellt), verringert den abwärts gerichteten Druck von 209,1 Pfund [9,3 × 107 dyn] auf 5,4 Pfund [2,4 × 106 dyn], was eine Reduktion um etwa 98 bedeutet.
  • Im Lauf 4 werden die fünf Löcher in dem aktiven Bereich der Scheibe wieder verwendet, wobei sie jedoch längs eines imaginären Kreises mit 7,1 Inch [20,09 cm] im Durchmesser (ein Kreis von 0,56 R, worin R den Radius der Scheibe darstellt) liegen. Der Druck auf die Scheibe ist jetzt anstatt ein abwärts gerichteter Druck ein aufwärts gerichteter Druck von etwa 3,7 Pfund [1,7 × 106 dyn].
  • Im Lauf 5 werden zwei Sätze von jeweils fünf Löchern verwendet, wobei ein Set bei 3,21 Inch [8,15 cm] (Durchmesser) und das zweite Set bei 7,91 Inch [20,09 cm] (Durchmesser) liegen. Die in der Mitte angeordneten Löcher in dem inaktiven Bereich sind verschlossen. Der nach oben gerichtete Druck auf die Scheibe beträgt etwa 3 Pfund [1,3 × 106 dyn].
  • Im Lauf 6 wurde ein drittes Set von Löchern in dem aktiven Bereich mit 4,97 Inch [12,62 cm] (Durchmesser) hinzugefügt. Die Löcher in dem in der Mitte gelegenen, inaktiven Bereich werden wieder verstopft. Der aufwärts gerichtete Druck auf die Scheibe liegt bei etwa 4,5 Pfund [2,0 × 106 dyn].
  • Lauf 7 ist identisch mit dem Lauf 6 mit der Ausnahme, dass die in der Mitte liegenden Löcher nicht verschlossen sind. Der aufwärts gerichtete Druck auf die Scheibe liegt bei 4,8 Pfund [2,1 × 106 dyn], der essentiell derselbe ist wie der aufwärts gerichtete Druck auf die Scheibe im Lauf 6. Das zeigt, dass die Löcher in dem mittigen, nichtaktiven Bereich der Scheibe keinen Unterschied machen. Mit anderen Worten, das Problem von ungleichmäßigen axialen Kräften wird überhaupt nicht durch die Verwendung von Löchern in dem in der Mitte befindlichen, nichtaktiven Bereich der Scheibe gemildert.
  • Lauf 8 hat zwei Sätze von Löchern in dem aktiven Bereich der Scheibe: ein Satz bei 3.21 Inch [8,15 cm] und der zweite Satz bei 10.75 Inch [2,31 cm]. Der Druck auf die Scheibe ist leicht abwärts gerichtet, nämlich 7,8 Pfund [3,5 × 106 dyn). Ein Vergleich dieses Laufs mit Lauf 3 (ein abwärts gerichteter Druck von 5,4 Pfund [2,4 × 106 dyn]) kommt zu dem Vorschlag, dass der Zusatz eines zweiten Satzes von Löchern bei dem größeren Durchmesser einen geringen Unterschied macht.
  • Allgemein gesagt, wird die zweite Zufuhreinrichtung (Löcher) in dem aktiven Bereich der Scheibe generell längs eines imaginären Kreises von wenigstens etwa 0,1 R liegen, wobei R der Radius ist (oder ein gleichwertiger Kreisradius, wenn die Scheibe nicht kreisförmig ist), wünschenswerterweise längs eines imaginären Kreises von wenigstens etwa 0,25 R, und manchmal entlang eines imaginären Kreises von wenigstens 0,5 R oder manchmal selbst 0,75 R. Die Anzahl von Löchern längs jedes Kreises wird wünschenswerterweise wenigstens 2, vorzugsweise 3, am meisten bevorzugt 5, betragen. Die Löcher sind wünschenswerterweise gleichmäßig entlang des imaginären Kreises beabstandet. Löcher entlang von mehr als einem imaginären Kreis können verwendet werden (z.B. bei etwa 0,25 R und bei etwa 0,5 R). Es ist überraschend, dass Löcher in dem aktiven Bereich in Übereinstimmung mit dieser Erfindung Vorteile dieser Erfindung schaffen können, im Hinblick auf die Lehren des Stands der Technik, dass der aktive Bereich der Scheibe (d.h. der mit Nuten versehene Bereich) keine Austiefungen oder Rauhheiten aufweisen sollte, um so zu versuchen, Turbulenz zu vermeiden.

Claims (14)

  1. Rotierende Scheibenfiltervorrichtung (20) zur Filterung von Zufuhrfluid in einem Fluidfilterspalt (40) in Permeat und Retentat, wobei die Vorrichtung einen Filter (42) und eine Scheibe (36) aufweist, welche dazwischen den Fluidfilterspalt (40) bilden, wobei mindestens einer von diesen beiden, der Filter (42) und die Scheibe (36) drehbar ausgebildet ist, und wobei die Vorrichtung Einrichtungen entweder zum Drehen des Filters (42) oder der Scheibe (36) oder von beiden aufweist, wobei das Fluid aus dem Fluidfilterspalt (40), welches durch den Filter (42) hindurch geht, das Permeat ist, und das Fluid, welches nicht durch den Filter (42) hindurch geht, das Retentat ist; wobei die Vorrichtung ebenfalls Folgendes aufweist: (a) ein Filterträgerelement (34) mit einer Hauptfläche (100), wobei die Hauptfläche einen Filter (42) mit (i) einem aktiven Filterbereich, (ii) einem Umfangsbereich (84, 88), und (iii) einer im Wesentlichen senkrecht zum dem aktiven Filterbereich stehende Längsachse (30) aufweist; (b) eine Scheibe (36) mit ersten und zweiten gegenüberliegend angeordneten Hauptflächen (94, 96), wobei die zweite Hauptfläche (96) (i) einen aktiven Bereich, (ii) einen Umfangsbereich (72), und (iii) eine im Wesentlichen senkrecht zum dem aktiven Bereich stehende Längsachse (30) aufweist; wobei der aktive Bereich der Scheibe (36) und der aktive Filterbereich des Filters (42) zwischen sich den Fluidfilterspalt (40) bilden, wobei der aktive Bereich der zweiten Hauptfläche (96) der Scheibe der Teil der zweiten Hauptfläche (96) der Scheibe (36) ist, welcher gegenüberliegend zu dem aktiven Filterbereich des Filters (42) angeordnet ist, wobei der aktive Bereich der zweiten Hauptfläche (96) der Scheibe (36) mindestens eine Spiralnut (74) aufweist, die mit dem Fluid in Fluidverbindung steht, wenn sich das Fluid in dem Fluidfilterspalt (40) befindet, wobei die Spiralnut (74) einen Öffnungswinkel Y in Polarkoordinaten von mindestens zehn Grad auf der zweiten Hauptfläche der Scheibe aufweist; (c) eine Dreheinrichtung (26, 52, 28) zum Drehen entweder der Scheibe (36) oder des Filters (42) um die jeweilige Längsachse (30) oder zum Drehen von beiden, so dass sich die Scheibe (36) und der Filter (42) mit Bezug zueinander drehen und ein Pumpvorgang erzeugt wird, der darauf gerichtet ist, das Fluid in dem Fluidfilterspalt (40) bei der Längsachse (30) des Filters auf dessen Umfangsbereich hin zu bewegen; und (d) eine erste Zuführeinrichtung (60, 64) zur Zuführung von Zufuhrfluid zu dem Fluidfilterspalt (40) bei der Längsachse (30) des Filters (42) und bei der ersten Hauptfläche (94) der Scheibe (36); wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: (e) eine zweite Zuführeinrichtung in der Scheibe (36) zur Zuführung von Fluid bei der ersten Hauptfläche (94) der Scheibe durch den aktiven Bereich der zweiten Hauptfläche (96) der Scheibe zu dem Fluidfilterspalt (40), wobei die zweite Zuführeinrichtung ein oder mehrere Löcher (66) durch die Scheibe (36) hindurch aufweist, wobei ein jedes solches Loch (66) mindestens ungefähr 0,1 R von der Längsachse (30) der Scheibe entfernt angeordnet ist, wobei R der gleichwertige Kreisradius dieser Scheibe ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dreheinrichtung (26, 52, 28) eine Welle (28) aufweist, auf welcher die Scheibe (36) angebracht ist, und wobei durch Drehen der Welle (28) die Scheibe (36) rotiert, wobei die Welle (28) von einer Hülse (32) bzw. Buchse umgeben ist, wodurch ein ringförmiger Bereich (54) zwischen der Welle (28) und der Hülse (32) gebildet wird, und wobei die erste Zuführeinrichtung (60, 64) eine Einrichtung zur Einleitung von Zufuhrfluid in den ringförmigen Bereich (54) zu dem Fluidfilterspalt (40) aufweisen.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der aktive Bereich der Scheibe (36) mit einem inneren Rand (68) nahe der Längsachse (30) der Scheibe (36) begrenzt ist, wobei der Teil der zweiten Hauptfläche (96) der Scheibe (36) zwischen der Längsachse (30) und dem inneren Rand (68) ein inaktiver Bereich ist, und wobei die erste Zuführeinrichtung (60, 64) mindestens einen Durchgang (64) durch die Scheibe (36) hindurch aufweisen, welcher von einer Öffnung in dem inaktiven Bereich der ersten Hauptfläche (94) zu einer Öffnung in dem inaktiven Bereich der zweiten Hauptfläche (96) führt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche weiterhin eine Vielzahl von Filterträgerbauteilen (34) und/oder eine Vielzahl von Scheiben (36) in einer überlappten Anordnung aufweist, wodurch eine Vielzahl der Fluidfilterspalte (40) gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Zuführeinrichtung ein oder mehrere Löcher (66) durch mindestens eine Scheibe (36) hindurch aufweisen, wobei ein jedes solches Loch (66) mindestens ungefähr 0,25 R von der Längsachse (30) der Scheibe (36) entfernt angeordnet ist, wobei R der gleichwertige Kreisradius dieser Scheibe (36) ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Zuführeinrichtung ein oder mehrere Löcher (66) durch mindestens eine Scheibe (36) hindurch aufweisen, wobei ein jedes solches Loch (66) mindestens ungefähr 0,50 R von der Längsachse (30) der Scheibe (36) entfernt angeordnet ist, wobei R der gleichwertige Kreisradius dieser Scheibe (36) ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine Spiralnut (74) einen Öffnungswinkel Y in Polarkoordinaten von mindestens fünfundvierzig Grad auf der zweiten Hauptfläche (96) der Scheibe (36) aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine Spiralnut (74) einen Öffnungswinkel Y in Polarkoordinaten von mindestens neunzig Grad auf der zweiten Hauptfläche (96) der Scheibe (36) aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine Spiralnut (74) einen Öffnungswinkel Y in Polarkoordinaten von mindestens einhundertundachtzig Grad auf der zweiten Hauptfläche (96) der Scheibe (36) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche weiterhin eine Begrenzungseinrichtung (46) zur Begrenzung des Flusses von Retentat aus einem oder mehreren Fluidfilterspalten (40) aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Vielzahl von Filterträgerbauteilen (34) aufweist, die so mechanisch verbunden sind, dass sie als eine Einheit (98) in ihre normale Betriebslage in der Vorrichtung hinein- und aus dieser herausbewegbar sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jeder von dem einen oder von den mehreren Filterträgerbauteilen (34) im Allgemeinen D-förmig (88, 92) ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jeder von dem einen oder von den mehreren Filterträgerbauteilen (34) im Allgemeinen kreisförmig (84) ausgebildet ist und eine radiale Aussparung (86) aufweist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welche weiterhin ein erstes Bauteil (24) aufweist, wobei nur eins von dem einen oder von den mehreren Filterträgerbauteilen (34) direkt an dem ersten Bauteil (24) aufgehängt ist.
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