DE8611377U1 - Tension drive for a filter system for ultrafiltration and microfiltration with filter elements constructed and operated according to the cross-flow principle - Google Patents

Tension drive for a filter system for ultrafiltration and microfiltration with filter elements constructed and operated according to the cross-flow principle

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Description

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Beschreibung I Description I

Die Erfindung betrifft einen Spanntrieb für eine Filteranlage für die Ultrafiltration und Mikrofiltration mit nach i dem Cross-Flow-Prinzip aufgebauten und betriebenen Filterelementen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Filteranlagen sind bereits bekannt nach der DE-OS 31 27 548 ■" und DE-OS 33 41 262. Die Spanntriebe sind als unelastische f Versehraubungen ausgebildet.The invention relates to a tension drive for a filter system for ultrafiltration and microfiltration with filter elements constructed and operated according to the cross-flow principle according to the preamble of claim 1. Such filter systems are already known from DE-OS 31 27 548 ■" and DE-OS 33 41 262. The tension drives are designed as inelastic screw connections.

o 10 o10

^ Bei derartigen Filterelementen werden die flächigen Membranen in Form von Flachfilterzuschnitten durch Abstandshalter in Form von drainioirenden Platten aus Kunststoff oder Gewebezuschnitte in Verbindung mit dünnen § Kunststoffrahmen in Abstand gehalten und zumeist durch ein Dichtungsmittel zu einer Filterkassette vereinigt.^ In such filter elements, the flat membranes in the form of flat filter cuts are kept at a distance by spacers in the form of draining plates made of plastic or fabric cuts in conjunction with thin plastic frames and are usually combined to form a filter cassette by a sealant.

Für die Durchführung von Sterilfiltrationen ist es notwendig, daß vor Inbetriebnahme der Filteranlage diese einschließlich der Filterelemente sterilisiert wird. Dies kann bei derartigen Filterelementen nach dem Stand der Technik nur durch eine chemische Sterilisation In-Line oder aber durch eine Autoklavierung der Einzelelement© erfolgen. Für die Autoklavierung der Einzelteile in einem Autoklaven bei 120'C ist auch Voraussetzung, daß es sich bei den einzelnen Materialien um autoklavierbare Materialen handelt. Die In-Line-Sterilisation mit Hilfe chemischer Mittel ist nicht immer erwünscht, da nicht auszuschließen ist, daß Reste der chemischen Sterilisationsmittel im Filterelement verbleiben und das zu filtrierende Produkt kontaminieren. Die Sterilisation der Einzelteile im Autoklaven ist bei größeren Elementen, insbesondere der metallischen Gehäuseteile, nur bei sehr kleinen oder mittelgroßen Anlagen ohne Pumpe möglich aber arbeits-In order to carry out sterile filtration, it is necessary that the filter system, including the filter elements, is sterilized before it is put into operation. With such filter elements, this can only be done using state-of-the-art technology by chemical in-line sterilization or by autoclaving the individual elements. Autoclaving the individual parts in an autoclave at 120 °C also requires that the individual materials are autoclavable. In-line sterilization using chemical agents is not always desirable, as it cannot be ruled out that residues of the chemical sterilization agents remain in the filter element and contaminate the product to be filtered. Sterilizing the individual parts in an autoclave is only possible with larger elements, particularly the metal housing parts, in very small or medium-sized systems without a pump, but is labor-efficient.

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aufwendig und umständlich, da die schwere metallische Einspannvorrichtung demontiert in den Autoklaven eingebracht und nachher wieder in den betriebsfertigen Zustand montiert werden müssen. Auch hierbei besteht die Gefahr der Sekundärkontamination.complex and laborious, since the heavy metal clamping device has to be dismantled and placed in the autoclave and then reassembled in a ready-to-use state. Here too, there is a risk of secondary contamination.

Andererseits ist es nach dem Stand der Technik bei sogenannten Filterkerzen und Filterelementen mit Kapillarmembranen möglich und üblich, diese Filterelemente in den einzelnen Filtergeräten In-Line mit Heißdampf zu sterili-* eieren. Dies ist möglich.. weil bei beiden Filtertypen die Filterelemente keinem mechanischen Preßdruck ausgesetzt werden und eine mechanische Schädigung der einzelnen Materialien unter Temperatureinfluß ausgeschlossen ist.On the other hand, according to the state of the art, it is possible and usual for so-called filter candles and filter elements with capillary membranes to sterilize these filter elements in-line with hot steam in the individual filter devices. This is possible because with both filter types the filter elements are not exposed to any mechanical pressure and mechanical damage to the individual materials under the influence of temperature is excluded.

1515

Eine In-Line-Sterilisation mit Heißdampf bei den eingangs genannten Flachfilterelementen, die zwischen Endplatten bis zur Dichtlage einspannbar sind, konnte bisher nicht durchgeführt werden, weil sich unter dem Temperatureinfluß des Heißdampfes bei 120'C unter gleichzeitigem Druck die einzelnen Materialien dauerhaft verformen, so daß teilweise Strömungswege durch dauernd verformte Gewebeabschnitte oder Dichtungsmaterial blockiert werden.In-line sterilization with hot steam for the flat filter elements mentioned above, which can be clamped between end plates until they are sealed, has not yet been possible because the individual materials are permanently deformed under the influence of the hot steam at 120°C and simultaneous pressure, so that some flow paths are blocked by permanently deformed fabric sections or sealing material.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen Spanntrieb zu schaffen, der es ermöglicht, Filteranlagen des eingangs genannten Typs und Gattung auch In-Line mit Heißdampf zu sterilisieren.The invention is therefore based on the object of creating a clamping drive using simple means which enables filter systems of the type and type mentioned at the beginning to be sterilized in-line with hot steam.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous further developments are specified in the subclaims.

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Erfindungsgedanke ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert* Dabei zeigt:The inventive concept is explained in more detail in an embodiment using the attached drawing*. Shows:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Filteranlage mit Spanntrieb,Fig. 1 shows a schematic representation of the filter system with tension drive,

Fxy. 2 eiiieii Längsschnitt äüifüh nie Spännbüchse in derFxy. 2 eiiieii Longitudinal section äüifüh nie clamping bush in the

Stellung für den Filtrationsbetrieb, 10Position for filtration operation, 10

(. ) Fig. 3 ein entsprechender Schnitt in der Stellung für den(. ) Fig. 3 a corresponding section in the position for the

Bedampfungsbetrieb,Steaming operation,

Fig. eine Graphik über die Abhängigkeit der Anpreß-4a/b kräfte von der Betriebstemperatur beim Sterilisieren und Filtrieren.Fig. a graph showing the dependence of the contact pressure 4a/b on the operating temperature during sterilization and filtration.

Das kasöettenfönnige Filterelement 1 besteht in üblicher Ausbildung aus selektiv permeablen Flachfiltermembranen 2, Abstandshalter 3 in Form von drainierenden Platten oder Gewebeabschnitten aus Kunststoff und gegebenenfalls weiteren Dichtrahmen aus Kunststoff, die sämtlich aus Materialien gebildet sind, die mindestens bis zu 140'C /'') temperaturbeständig sind. Das Filterelement 1 in Form von mehreren Filterkassetten ist zwischen einer beweglichen Endplatte 4 und einer festen Endplatte 5 mit den Fluidanschlüssen 6,7,8 und 9 eingespannt. Die bewegliche Endplatte 4 ist axial auf einem beide Endplatten 4,5 verbindenden Gestell 11 verschieblich gelagert. Mehrere dem Filtergerät zugeordnete Druckmanometer 10 geben jeweils den im Filtersystem herrschenden aktuellen Fluiddruck an. Zur Abdichtung der verschiedenen Strömungswege innerhalb des Filterslementes untereinander und zur Abdichtung der Anschlüsse im Filterelement nach außen hin muß bis zur Erreichung der Dichtlage ein entsprechender Anpreßdruck durch den Spanntrieb und die Spannboli^an auf die bewegliche Endplatte 4 ausgeübt werden. Im vorliegenden Ausführungs-The cassette-shaped filter element 1 consists in the usual design of selectively permeable flat filter membranes 2, spacers 3 in the form of draining plates or fabric sections made of plastic and, if necessary, further sealing frames made of plastic, all of which are made of materials that are temperature-resistant up to at least 140'C /''). The filter element 1 in the form of several filter cassettes is clamped between a movable end plate 4 and a fixed end plate 5 with the fluid connections 6, 7, 8 and 9. The movable end plate 4 is axially displaceably mounted on a frame 11 connecting both end plates 4, 5. Several pressure gauges 10 assigned to the filter device each indicate the current fluid pressure prevailing in the filter system. In order to seal the various flow paths within the filter element from each other and to seal the connections in the filter element from the outside, a corresponding contact pressure must be exerted by the clamping drive and the clamping bolt on the movable end plate 4 until the sealing position is reached. In the present embodiment

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beispiei sind zwei Spannbolzen vorgesehen. Es ist auch üblich, mit einem zentralen Spindeltrieb oder mit mehr als zwei Spannbolzen zu arbeiten. Der für Laborgeräte nach dem Stand der Technik übliche unnachgiebige Spanntrieb ist hier durch eine Spannbüchse 13 realisiert, die aus zwei relativ gegeneinander beweglichen koaxialen Büchsenteilen 14,15 besteht, die unter der Spreizkraft einer Spannfeder 16 stehen, wobei sich das eine Buchsenteil IS mit seinem Innengewinde 17 auf dem Gewinde 17' des Spannbolzens 12 abstützt und das andere äußere Büchsenteil 14 sich auf deia inneren Büchsenteil 15 und der beweglichen Endplatte 4 unmittelbar oder aber mittelbar über Distanzhülsen abstützt. Die Spannfeder 16 in Form einer Schraubenfeder ist koaxial zwischen den beiden Büchsenteilen 14,15 eingeschlossen, die axiale Freigängigkeit der beiden Büchsenteile ist durch Endanschläge 19,20 begrenzt. Die Größe der Freigängigkeit ist dabei dem Ausdehnungsverhalten der Filterelemente 1 entsprechend angepaßt.For example, two clamping bolts are provided. It is also usual to work with a central spindle drive or with more than two clamping bolts. The rigid clamping drive that is usual for state-of-the-art laboratory equipment is here implemented by a clamping bush 13, which consists of two coaxial bush parts 14, 15 that are movable relative to one another and are subject to the spreading force of a tension spring 16, whereby one bush part IS is supported with its internal thread 17 on the thread 17' of the clamping bolt 12 and the other outer bush part 14 is supported on the inner bush part 15 and the movable end plate 4 directly or indirectly via spacer sleeves. The tension spring 16 in the form of a helical spring is enclosed coaxially between the two sleeve parts 14,15, the axial freedom of movement of the two sleeve parts is limited by end stops 19,20. The size of the freedom of movement is adapted to the expansion behavior of the filter elements 1.

Das äußere Ende des inneren Büchsenteiles ist als Schlüsselkopf 18 ausgebildet und dient gleichzeitig dazu, daß sich die beiden Büchsenteile 14,15 axial führen und dient als Verdrehsicherung.The outer end of the inner sleeve part is designed as a key head 18 and simultaneously serves to guide the two sleeve parts 14, 15 axially and serves as an anti-twist device.

Für den normalen Filtrationsbetrieb, bei dem im Filtersystem ein Fluiddruck von etwa 5 bar herrscht, wird das innere Büchsenteil 15 in die Position gemäß Fig. 2 verdreht, so daß die Federkraft der Spreizfeder 16 blockiert ist und beide Büchsenteile 14,15 wie ein starres Teil wirken und die bewegliche Endplatte 4 verschieben können, wobei eine Anpreßkraft von 3120 kp erzeugt wird.For normal filtration operation, in which a fluid pressure of about 5 bar prevails in the filter system, the inner sleeve part 15 is rotated into the position shown in Fig. 2, so that the spring force of the spreading spring 16 is blocked and both sleeve parts 14, 15 act like a rigid part and can move the movable end plate 4, whereby a contact pressure of 3120 kp is generated.

Für die In-Line-Bsdampfung wird das innere Buchsenteil in die in Fig. 3 gezeigte Position verdreht, so daß sich die Kraft der Spannfeder 16 entfalten kann und sich das äußere Büchsenteil 14 und damit auch die sich darauf abstützende bewegliche Endplatte 4 sich axial begrenztFor in-line damping, the inner bushing part is rotated into the position shown in Fig. 3 so that the force of the tension spring 16 can develop and the outer bushing part 14 and thus also the movable end plate 4 supported on it are axially limited.

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verschieben kann, wie durch die Endansschläge 19,20 festgelegt. Als Positionierungshilfe sind auf dem inneren Büchsenteil 15 Markierungen 21 vorgesehen.can be moved as determined by the end stops 19, 20. Markings 21 are provided on the inner bushing part 15 as a positioning aid.

Die Arbeitsweise der Anlage ist folgendermaßen. Die Anlage wird üblicherweise mit destilliertem Wasser im normalen Filtrationsbetrieb freigespült, wobei bei normaler Betriebstemperatur von etwa 20"C die Anpreßkraft etwa 3120 kp beträgt und die bewegliche Endplatte 4 etwa die in Fig. 1 und 2 dargestellte Position einnimmt. Im Anschluß s~ hieran erfolgt die Beschickung mit Heißdampf von 120*C durch den Einlaß 6, der das gesamte Filterelement 1 durchströmt und aus den Auslassen 7,8 und 9 austritt. Bei der Beschickung heizt sich das Filterelement 1 und die Endplatten 4,5 langsam auf. Ohne Regelung, d.h. feststehenden Endplatten würde die Druckerhöhung durch thermische Ausdehnung zu einer peripheren Vergrößerung des Filterelementes und zur inneren Zerstörung führen. Die Spannbüchse 13 wird daher in die Position gemäß Fig. 3 eingestellt.The system works as follows. The system is usually flushed with distilled water during normal filtration operation, whereby at a normal operating temperature of about 20°C the contact pressure is about 3120 kp and the movable end plate 4 assumes approximately the position shown in Fig. 1 and 2. This is followed by charging with hot steam at 120°C through the inlet 6, which flows through the entire filter element 1 and exits from the outlets 7, 8 and 9. During charging, the filter element 1 and the end plates 4, 5 heat up slowly. Without regulation, ie fixed end plates, the increase in pressure due to thermal expansion would lead to a peripheral enlargement of the filter element and internal destruction. The clamping sleeve 13 is therefore set to the position shown in Fig. 3.

Wie aus Fig. 4a ersichtlich ist, steigt die Temperatur im Filterelement und Gehäuse nach der Spülphase von 20*C schnell auf die Sterilisierungstemperatur von 120'C an und V 25 wird dort in der Sterilisierungsphase längere Zeit gehalten. Die Abkühlung erfolgt konstant bis zur Betriebstemperatur von ca. 20"C für die anschließende Filtration.As can be seen from Fig. 4a, the temperature in the filter element and housing rises rapidly from 20°C to the sterilization temperature of 120°C after the rinsing phase and V 25 is kept there for a longer period of time during the sterilization phase. Cooling is constant until the operating temperature of approx. 20°C is reached for the subsequent filtration.

Fig. 4b zeigt die gemäß Fig. 4a notwendige Korrektur der Anpreßkraft am Gerät. Die Einspannkraft während der Sterilisation wird durch die Spannbüchse 13 nach Fig. 3 konstant auf etwa 520 kp gehalten und später bis zur Dichtlage für den Filtrationsbetrieb auf ca. 3120 kp durch Einstellen der Spannbüchse &igr; * U Position nach Fig. 2 erhöht. Fig. 4b zeigt die temperaturabhängige Kraftänderung über die Zeit.Fig. 4b shows the correction of the contact pressure on the device required according to Fig. 4a. The clamping force during sterilization is kept constant at about 520 kp by the clamping sleeve 13 according to Fig. 3 and later increased to about 3120 kp by setting the clamping sleeve 13 to the sealing position for filtration operation according to Fig. 2. Fig. 4b shows the temperature-dependent change in force over time.

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1010

Die Dauer der Bedampfung beträgt z.B. 30 Minuten entsprechend üblicher Sterilisationsvorschriften. Die bei steigender Temperatur entstehenden Wärmeausdehnungen der Materialien und das sich ändernde Elastizitätsmodul der einzelnen Materialien wird durch selbsttätige Verstellung der beweglicher! Endplatte 4 über die Spannbüchse 13 kompensiert.The duration of the steaming is, for example, 30 minutes in accordance with standard sterilization regulations. The thermal expansion of the materials that occurs as the temperature rises and the changing elastic modulus of the individual materials is compensated for by automatic adjustment of the movable end plate 4 via the clamping sleeve 13.

Nach erfolgter Bedampfung ist wieder die für die eigentliche Filtration notwendige Schließkraft zu erreichen, indem nach der Phase der Abkühlung der Anlage die, Anpreßkraft durch Verstellen der Spannbüchse 13 wieder bis zur notwendigen Dichtlage erhöht wird.After steaming has taken place, the closing force required for the actual filtration can be achieved again by increasing the contact pressure by adjusting the clamping sleeve 13 until the required sealing position is reached after the system has cooled down.

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Claims (3)

Ansprüche:Expectations: 1. Spanntrieb für eine Filteranlage für die Ultrafiltration und Mikrofiltration mit nach dem Cross-Flow-Prinzip aufgebauten und betriebenen Filterelementen mit selektiv permeablen Flachfilterzuschnitten, die unter Verwendung von Abstandshaltern zu einem Filterstapel oder einer Filterkassette vereinigt und zwischen Endplatten mit Fluidanschlussen zur Versorgung und Entsorgung diese überströmenden Fluids dichtend einspannbar sind, wobei mindestens eine Endplatte mittels des Spanntriebes zur Erreichung der Dichtlage axial verschieblich an einem beide Endplatten verbindenden Rahmen geführt ist, dadurch gekennzeichnet f daß für die In-Line-Sterilisation mit Heißdampf von etwa 120*C der Spanntrieb durch mindestens eine sich am Gestell (5,11) bzw. an dessen1. Tension drive for a filter system for ultrafiltration and microfiltration with filter elements constructed and operated according to the cross-flow principle with selectively permeable flat filter blanks, which are combined to form a filter stack or a filter cassette using spacers and can be clamped in a sealing manner between end plates with fluid connections for supplying and disposing of the fluids flowing over them, wherein at least one end plate is guided axially displaceably on a frame connecting both end plates by means of the tension drive in order to achieve the sealing position, characterized in that for in-line sterilization with hot steam of about 120*C the tension drive is connected by at least one on the frame (5,11) or on its Spannbolzen (12) einerseits und an der beweglichen Endplatte (4) abstützenden Spannbüchse (13) aus zwei relativ gegeneinander beweglichen, koaxialen Büchsenteilen (14,15) besteht, die unter der Spreizkraft einer Spannfeder (16) stehen, wobei sich das eineclamping bolt (12) on the one hand and the clamping bush (13) supported on the movable end plate (4) on the other hand, consists of two relatively movable, coaxial bush parts (14,15) which are subject to the spreading force of a tension spring (16), whereby the one Büchsenteil (15) auf dem Spannbolzen (12) abstützt und das andere Büchsenteil (14) sich auf dem anderen Büchsenteil (15) und der beweglichen Endpia* &ldquor;e (4) abstützt und js nach Einstellung der beiden BüchsenteileBushing part (15) is supported on the clamping bolt (12) and the other bushing part (14) is supported on the other bushing part (15) and the movable end plate (4) and js after adjustment of the two bushing parts IQ &iacgr;&ogr; (14,15) zueinander die Spannfeder (16) in ihrerIQ &iacgr;&ogr; (14,15) to each other the tension spring (16) in its Ausdehnung blockiert oder zur Kompensation von Kraftänderungen im Filterelement begrenzt freigängig geführt ist.Expansion is blocked or is guided freely to a limited extent to compensate for force changes in the filter element. 2. Spanntrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannfeder (16) als Schraubenfeder ausgebildet ist,2. Tension drive according to claim 1, characterized in that the tension spring (16) is designed as a helical spring, die zwischen beiden Büchsenteilen (14,15) koaxial eingeschlossen ist.which is coaxially enclosed between both bushing parts (14,15). 3. Spanntrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet . daß das innere Büchsenteil (15) auf dem Gewinde <17·) des Spannbolzens (12) festgelegt und mit dem äußeren Büchsenteil (14) durch eine axiale Führung ^ und Verdiehsicherung (18) gekuppelt ist.3. Clamping drive according to claim 1 and 2, characterized in that the inner sleeve part (15) is fixed on the thread (17·) of the clamping bolt (12) and is coupled to the outer sleeve part (14) by an axial guide ^ and anti-twisting device (18). SM 8603 :"::'SM 8603 :"::'
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