DK162074B - Fluidumbehandlingsapparat - Google Patents

Description

i

DK 162074 B

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til ændring af koncentrationen af en forudvalgt komponent i et fødemateriale. Opfindelsen er anvendelig til fjernelse af mikron- og submikronstoffer fra en fluidumfase.

5 Opfindelsen vil blive beskrevet i forbindelse med krydsstrømstilba geholdelse eller filtrering, hvori den forudvalgte komponent eller stof bliver fjernet fra fødematerial et ved overførsel gennem en barriere, som er indrettet til at lade komponenten eller stoffet passere og til at tilbageholde den resterende del af fødematerial et.

10 Det skal imidlertid forstås, at opfindelsen ligeså vel kan anvendes til den omvendte situation, hvori det forudvalgte stof bliver indført i fødematerial et igennem barrieren.

Mikron- og submikronstoffer (eksempelvis molekyler, kolloider, partikler og små dråber) i en fluidumfase (eksempelvis en vandig fase) kan 15 fjernes på flere forskellige måder i afhængighed af den tilstedeværende mængde af stoffer.

Til lave koncentrationer er dybdefiltrering sandsynligvis den mest almindeligt anvendte metode. En alternativ fremgangsmåde er at anvende et overfladefilter, eksempelvis den såkaldte Nucleorporemenbran, hvor 20 denne membran fremkalder fjernelse af partikler ved en overfladesigte-funktion. Andre typer af overflademembraner er til rådighed og er baseret på en aktiv overfladehud, som er afstøttet af et porøst bære- eller støttelag. Under partikelfiltreringsoperationer optræder sådanne membraner på lignende måde som Nucleorpore-membraner.

25 Et apparat til at ændre koncentrationen af en forud valgt komponent i et strømmende fødemateriale er kendt fra US patentskrift 3 907 687.

Det derfra kendte apparat er et dialyseapparat omfattende et indløbsorgan til indføring af fødemateriale under tryk i apparatet, et udløbsorgan til at fjerne behandlet fødemateriale fra apparatet, en fødemateria-30 lestrømvej mellem indløbs- og udløbsorganet afgrænset af et par af barrierer på linie over for hinanden af plademateriale, hvorigennem den eller de forud valgte komponenter kan passere, samt midler for tilførsel eller fjernelse af de forud valgte komponenter med forbindelse til de modsatte overflader af barriererne, hvor hver af barriererne har en før-35 ste overflade i kontakt med den første overflade af den anden barriere, når der ikke er strøm af fødemateriale, hvor strømvejen udvides ved, at de første overflader adskilles og bevæges bort fra hinanden, når tryksat fødemateriale tilført gennem indløbsorganet passerer gennem strømvejen, 2

DK 162 O 74 B

og faste begrænsm'ngsorganer til understøtning af barriererne og til at begrænse graden af udvidelse af strømvejen, så der opretholdes laminar strømning af fødematerial et deri, når fødematerialet strømmer igennem strømvejen med et forud fastlagt arbejdstryk.

5 Når koncentrationen af tilbageholdte stoffer er høj, bliver dybde barrierer og posefladebarrierer langt mindre attraktive, idet det trykfald, som er nødvendigt for at fremkalde filtrering, stiger hurtigt med ansamlingen af faste stoffer.

Det er for at overvinde dette problem, at et nyt område for tilba-10 geholdelse af mi kron- og submikronstoffer er ved at blive udviklet. Den anvendte teknik er krydsstrømstilbageholdelse. I krydsstrømstilbageholdelse anvendes en overflademembran, og opbygningen af et lag af tilbageholdte stoffer bliver gjort mindst muligt ved at pålægge et fluidumforskydningsfelt på opstrømsfluidet i nærheden af barriereoverfladen. Dette 15 kan udføres enten ved oprøring eller ved at pumpe fluidet hen over barri ereoverf laden.

Ifølge denne teknik er det muligt at arbejde i en stabil tilstand, hvori en opløsning effektivt opdeles i en gennemtrængende og en tilbageholdt del, og i stabil tilstand opsamles der ikke længere stoffer på 20 barriereoverfladen, som kunne føre til tab af ydeevne. Alternativt kan systemet arbejde portionsvis, og i dette tilfælde tiltager fødeopløsnin-gen gradvis i koncentration, og selv om dette fører til et fald i gennemstrømningen, er dette fald langt mindre, end det ville være i forbindelse med posemetoden, hvor alle stofferne bliver samlet på eller i bar-25 rieren.

I forbindelse med enhver membrananvendelse inden for ultrafiltrering, dialyse og elektrodialyse er membransystemets permeabilitet generelt begrænset af laget af tilbageholdte stoffer (dvs.koncentrati onslaget eller til siutgellaget), som er til stede. Ifølge den foreliggende 30 opfindelse foretrækkes det at anvende laminar strømning til at fjerne gelen eller kagen fra membranens overflade.

Ved laminar strømning er der en relation mellem en given koncentration af et fluidum, som skal behandles, og en given membran. Denne relation sammenkæder fluksen, forskydningsgraden og længden af filterstrøm-35 vejen.

Som angivet af Blatt m.fl. i 1970 i Membrane Science and Technology, gælder relationen for laminare strømningstilstande og for den gel polariserede tilstand, dvs. når forøget tryk ikke forøger fluksen). Rela-

DK 162074 B

3 tionen er givet som: ΉΤΑ)0,33 ~(UB)°’33(hc)"0’33(L)”0,33 5 hvor J er fluksen for et givet membranareal,

Ug er fluidets hastighed, hc er højden eller tykkelsen af filterstrømvejen, L er længden af filterstrømvejen, γ er forskydningsgraden.

10

Forskydningsgraden er et udtryk for forholdet mellem tangenti al hastigheden v for fluidum imellem nabomembraner og højden af filterstrømvejen eller kanalen, dvs.: 15 γ * v/hc.

Når gel laget (i stedet for membranens porøsitet) er den begrænsende faktor for membranydelsen, er fluksen forbundet med forskydningsgraden igennem dette forhold. Dette betyder, at virkningen af at formindske ka-20 nal højden eller tykkelsen er en betydelig forøgelse af både forskydningsgraden og fluksen.

I forbindelse med krydsstrømstilbageholdelse er den energi, som medgår til recirkulation af fødestrømmen, generelt den højeste direkte omkostningsfaktor i operationen. I klassiske systemer med h. af større!- c 2 25 sensordenen 1 mm er energiforbruget af størrelsesordenen 1 kW pr. m af installeret membran. I tilfælde af rørsystemer med rør af en diameter af størrelsesordenen 1 cm, er den fornødne energiomkostning endnu større.

Følgelig er der en interesse for at udvikle kapillærkrydstrøms-til- bageholdelse eller filtrering og ultrafiltreringsapparater, hvori højden 30 af strømvejen er betydeligt formindsket, eksemeplvis til ca. 50-100 mi- kron. Ved kun at anvende en strømvejhøjde af denne størrelse, bliver den 2 pumpekapacitet, som kræves pr. m membran, formindsket proportionalt, i-det en fordobling af kanalhøjden bevirker, at den nødvendige pumpekapacitet bliver mere end fordoblet.

35 Ifølge opfindelsen tilvejebringes et apparat som angivet i krav 1.

Fortrinsvis er strømvejens tykkelse således, at apparatet arbejder under præ-gel pol ari serede tilstande, således at en forøgelse af trykket ikke forøger fluksen.

DK 162074 B

4

Selv om det er muligt for apparatet ifølge opfindelsen at udnytte visse komponenter, som er udnyttet til kendt dialyseteknologi, hvortil der henvises, skal det bemærkes, at den heri beskrevne krydsstrømsfiltrering og ultrafiltrering afviger ganske meget fra den kendte dialyse- 5 teknologi, og at det kendte dialyseapparatur ikke er egnet som sådant til den her beskrevne anvendelse til krydsstrømsfiltering/ultrafil trering ved højt tryk. Eksempelvis kan følgende forskelle noteres: i) dialyse er et fire-vektorsystem for to fluider med apparatur inde- 10 holdende to indløb og to udløb - et indløb og et udløb for materialet, som skal dialyseres samt et separat indløb og udløb for den dialyserende væske, som strømmer i modstrøm til materialet, der skal dialyseres. Krydsstrømsfiltrering er på den anden side et tre-vektorsystem for et enkelt fluidum - med kun ét indløb for fødema- 15 terialet, som skal behandles, samt to separate udløb, nemlig et for koncentratet eller det tilbageholdte materiale, og et for filtratet eller det gennemtrængende materiale.

ii) Dialyse resulterer i en fortynding af materialet, som dialyseres, hvorimod krydsstrømsfiltrering resulterer i koncentration af de 20 tilbageholdte stoffer i materiale, som behandles.

i i i) Dialyse arbejder ved tryk på mindre end 10 KPa, hvorimod krydsstrømsfiltrering udføres ved tryk af størrelsesordenen 100 KPa.

iv) Dialyse anvender membraner med lav vandfluks ved lave gennemstrømninger (fx to liter pr. dag) og med en mindst mulig transmembran- 25 trykgradient. Krydsstrømsfiltrering anvender stærkt permeable membraner med høj vandfluks (gennemstrømninger på fx 50 1 pr. time) og med en stor transmembran-trykgradient.

v) Dialyse anvender to mebraner, hver med en tykkelse på ca. 40 /zm og med en kanal højde eller tykkelse på ca. 150 /im ved normalt atmosfæ- 30 retryk. Hermed sammenligneligt kryds-strømsfiltreringsapparatur anvender to membraner, hver med en tykkelse på ca. 120-200 /zm med en kanal højde på 0 (dvs. membranerne er i kontakt) ved normalt atmosfæretryk og med en kanal højde eller tykkelse på ca. 50 /zm ved en transmembran-trykgradient på 100 KPa under drift.

35 I den foreliggende beskrivelse omfatter udtrykket "barriere" høj-flukssemi permeable membraner, biofiltre og filtre.

For at gøre opfindelsen lettere at forstå og at udøve i praksis vil

DK 162074 B

5 der nu blive henvist til tegningen, hvor figur 1 er et perspektivisk billede (med visse dele udeladt) af et fluidumbehandlingsapparat eller filter ifølge en første udførelsesform 5 for opfindelsen, figur 2 viser et sidebillede af filteret i figur 1, figur 3 viser et planbillede af en bagplade i filteret i figur 1, figur 4 viser et sprængt billede af en filterenhed i filteret i figur 1, 10 figur 5 viser et skematisk billede af et krydsstrømsfilterapparat indrettet i overensstemmelse med principperne i den foreliggende opfindelse og med filteret i en tilstand før brug, figur 6 viser et skematisk billede i lighed med figur 5, men med filteret i en stabil fødematerialestrømningstiIstand, 15 figur 7 viser et forstørret fragmentarisk snitbillede af to afstands- og støtteplader med to kompressible membraner anbragt herimellem, figur 8 viser et partielt skematisk snitbillede af en filterenhed visende en pakningsforsegling ved kanten af de to membraner med filteret 20 i en førbrugstiIstand, figur 9 viser et billede i lighed med figur 8, men med filteret i den stabile fødematerialestrømtiIstand, figur 10 viser et skematisk billede visende en blokering under dannelse i strømvejen, 25 figur 11 viser et skematisk billede i lighed med figur 10 og visende blokeringens bevægelse, figur 12 viser et sidebillede i snit af et krydsstrømsfilter ifølge en anden udførelsesform for opfindelsen, figur 13 viser et partielt perspektivisk billede af filteret i fi-30 gur 12, figur 14 viser et snitbillede af et membranhylster i filteret i figur 12 og 13, og figur 15 viser et skematisk snitbillede af en yderligere udførelsesform for opfindelsen.

35

Som vist i figurerne 1 og 2 indeholder det foretrukne apparat 10 til ændring af koncentrationen af en eller flere forudvalgte komponenter 11 i et fødemateriale 12 flere barrierer 13, som er indrettet til at la-

DK 162074 B

6 de komponenten eller komponenterne 11 passere.

En indløbs- og manifold eller fordel erindretning 17 på den højre side i figur 1 (se figur 2) er indrettet til at dirigere fødematerialet til kontakt med en første overflade på hver barriere 13. Overførsel sind-5 retninger 14 er indrettet til at kommunikere med den modsatte overflade på hver filtermembran 13 for at modtage den eller de passerede komponenter 11 med henblik på fjernelse af disse passerede komponenter 11 fra apparatet 10. En udløbs- og manifold- eller samleindretning 15 er indrettet til at fjerne det behandlede fødemateriale 12 fra apparatet 10.

10 Begrænsningerne for strømvejene for fødematerialet 12, som i det aktuelle tilfælde er dannet af barrierne 13, er indrettet til at blive i det mindste elastisk udvidet under passagen af fødemateriale igennem strømvejene.

Begrænsningsmidler i form af plader 16 er indrettet til at begrænse 15 omfanget af elastisk udvidelse af strømvejene, således at der opretholdes en laminar strømning af fødematerialet, når fødematerialet 12 strømmer igennem strømvejen ved et forud bestemt arbejdstryk.

Som vist i figur 4 består hver filterenhed af en første bagplade 16, en første barriere eller membran 13, en pakning 18, en anden barri-20 ere eller membran 13a samt en anden bagplade 16a. Bagpladerne 16 og 16a har en tætningsansats 19 ved periferien, som er indrettet til, når filteret er samlet, at forsegle periferien for filterposen dannet af membranerne 13 og 13a. Alternativt kunne kun den ene plade 16 være forsynet med en ansats 19, som er gjort større for at gå i indgreb med den anden 25 plade 16a på forsegl ende måde.

Der henvises nu til figurerne 5 og 6, som viser, at afstands- eller støtteplader eller bagplader 16, 16a, 16b og 16c er arrangeret i en stabel og adskilt fra hinanden med par af kompressible barrierer eller membraner 13, 13a; 13b, 13c og 13d, 13e anbragt mellem naboplader. Hver 30 barriere er støttet af og adskilt fra hver plade af flere koniske tappe 29 udformet på hver overflade af hver plade og med åbne volumener 20 udformet imellem tappene. En opløsning af fødemateriale 12 pumpes imellem hvert barrierepar, som bliver komprimeret under virkningerne fra det høje transbarriere- eller transmembrantryk, som er frembragt af fødemate-35 ri al et, for at danne tynde kanaler 22, 23 og 24, der opdeler fødemateri-aleopløsningen 12 i et koncentrat eller en tilbageholdt materialedel 25, samt et filtrat eller en gennemtrængende materialedel 11.

Der henvises nu til figur 7, som viser, at hvert par af modstående

DK 162074 B

7 afstands- eller støtteplader 27 og 28 er forsynet med flere koniske tappe 29 på den overflade, som tjener til at støtte et membranpar 30 og 31 anbragt imellem støttepladerne. De i denne udførelsesform anvendte barrierer er kompressi ble og elastiske og er i det pågældende tilfælde 5 flerlagede anisotropiske ultrafiltreringsmembraner. Biofiltre, filtre eller membraner forsynet med en kompressibel og elastisk bagklædning kan også anvendes. De åbne volumener 32 udformet imellem tappene 29, når disse er forbundet, danner en filtratvej 33 med lavt tryk. I tilstande uden tilført tryk vil barriererne 30 og 31 normalt være i kontakt flade 10 mod flade med en strømvejtykkelse på 0, jfr. figur 5. Det høje transmembran-tryk, som dannes af strømmen af fødemateriale under tryk, bevirker imidlertid, at hver af membranerne 30 og 31 bliver komprimeret elastisk på de koniske tappe 29, hvilket danner en tynd kanal eller strømvej 34 med variabel kanal højde "h" imellem de modstående overflader af de kom-15 pressible membraner eller barrierer 30 og 31. Ved krydsstrømsfiltrering eller ultrafiltrering bliver fødematerialeopløsningen opdelt i et filtrat 33, som passerer igennem membranen, og et koncentrat 36.

Da der vil være et trykfald langs hver strømvej eller kanal 34 fra indløbssiden med det højeste tryk (venstre side i figur 7) og til ud-20 løbssiden med lavere tryk (højre side i figur 7), vil strømvejenes tykkelse ikke være konstant langs længden fra indløb til udløb. En svag tilspidsning vil indtræde, idet det højere indløbstryk vil komprimere membranernes indløbszone mere end det lavere udløbstryk vil komprimere membranernes udløbszone.

25 Afstanden mellem over for hinanden liggende afstandsplader (typisk ca. 250 /xm) er givet ved "H", og tykkelsen af membranerne eller filtrene er givet ved "e" (se figur 5). I et dialysesystem, hvor membranerne typisk har en tykkelse på ca 40 /xm, forbliver kanal højden mellem membranerne i det væsentlige konstant, og kanal højden er bestemt på forhånd 30 som følge af membranernes tykkelse. I et konventionelt dialysesystem er H>2e, hvori H<2e for krydsstrømsultrafiltrering.

Den foretrukne tykkelse af strømvejene under stabil strømningstilstand er den tykkelse, som sikrer, at den elastiske udvidelse opretholder laminar strømning under ikke-gelpol ari serede tilstande gennem lange 35 tidsperioder med fluks. Som det fremgår af ovenstående beskrivelse, er det kanal højden eller strømvejtykkelsen, som ændrer forskydningsgraden for en given fluidumhastighed. Da forskydningsgraden er omvendt proportional med strømvejtykkelsen, vil en formindskelse af strømvejtykkelsen

DK 162074 B

8 således forøge forskydningsgraden, som på sin side vil forøge fluksen.

Selv om variationer i fødematerialet kan eller vil bevirke, at strømvejtykkelsen ikke er en universalt valgt parameter, foretrækkes det, at tykkelsen ikke overstiger 80 pm eller i visse tilfælde 100 jon. I 5 visse tilfælde forløber tykkel sesinterval!et fortrinsvis fra 50 til 100 /tm, fra 40 til 60 øm og fra 10 til 25 /im. De foretrukne kompressible højfluksmembraner, som anvendes ifølge opfindelsen, er de membraner, som er beskrevet i australsk patentskrift nr. 505.494. Dette patentskrift viser høj-permeable anisotrope membraner med gradueret porøsitet og in-10 deholdende en blanding af depolymeriseret og polymert materiale, samt flere ved hinanden liggende lag, hvor hvert lag er aktivt som en molekyleskærm og har en nøjagtig molekylevægtafskæring, hvor variationen i molekyl evægtaf skæringen for de ved hinanden liggende lag fra top til bund i membranen er en kontinuert funktion.

15 I en anden udformning af opfindelsen kunne barriererne være udgjort af en sammensætning af en første del, som er kompressibel i delens tværdimension, samt en anden del, som er væsentligt mindre kompressibel i denne dels tværdimension, og hvor de tidligere omtalte begrænsningsmidler er indrettet til at gå i kontakt med den første del af denne barrie-20 re, når disse midler begrænser omfanget af strømvejens udvidelse.

Pakningen 18 er fortrinsvis et kompressi belt skummateriale med celler eller lukkede celler, såsom polyethylen eller propyl en, som under tryk bliver komprimeret fra ca. 1 mm til ca. 15 /im. Under komprimeringen sker der brud i cellerne i skummaterialet, hvorved der dannes 25 flere åbne cellerum i kontakt med den flade, som skal forsegles. Hver å-ben cellestruktur virker i realiteten som et lille dekompressionskammer, idet der findes et stort antal af sådanne kamre inden for et forholdsvis lille rum, hvilket virker som en effektiv forsegling imod tab af tryk i et filtrerings- eller ultrafiltreringssystem, som arbejder ved tryk 30 (dvs. transmembran-trykforskelle) på ca. 100 KPa (eller ca. 15 psi) - i modsætning til trykforskelle på mindre end 10 KPa (eller mindre end 1 psi), der eksisterer i dialyseapparater.

Et middel til at sørge for, at forsyningen af fluidum, som skal behandles under tryk, danner en kanal imellem to filtrerings- eller ultra-35 filtreringsmedier 13, hvor sidstnævnte er indrettet til at frembringe en fluidumtæt forsegling med den tilstødende plade 16 i området, som omgiver indløbs- og udløbsåbningerne som beskrevet ovenfor, er at anvende radiale fluidumfordelerskiver eller knapper 40 (se figur 1) af den type,

DK 162074 B

9 som er beskrevet i USA patentskrifterne nr. 3.837.496 og 3.841.491, i-mellem parret af filtrerings- eller ultrafiltreringsmedier og sammenfaldende med indløbs- og udløbsåbningerne. Nødvendigheden af, at have flere sådanne fordelerknapper 40 er imidlertid skadelig for systemets kompakt-5 hed og giver unødvendig strømningsmodstand for fødematerialet, og - under de høje arbejdstryk, som eksisterer i apparatet ifølge opfindelsen -er det nødvendigt at tilvejebringe en ringformet kompressibel pakning (fx af polypropylenskummateriale) på hver side af og koncentrisk med knappen for at danne en tætning under kompression imellem afstands- og 10 støttepladen 16 og filtrerings- eller ultrafiltreringsmediet 13.

Den aktive flade 42 på afstands- og støttepladerne 16, dvs. den flade, hvori der er indrettet passager til fordeling og opsamling af filtratet 11, kan være udformet på mange forskellige måder i overensstemmelse med kendt teknik, som er anvendelig i dialyseapparatteknologi-15 en, eksempelvis anvendelse af præge- og stanseteknik. I denne forbindelse kan der henvises til overfladestrukturen 42 på støttepladen 16, som er vist i USA patentskrift nr. 4.154.792, hvor membranstøttefladen indeholder et stort antal tæt modstillede koniske tappe eller fremspring 29.

I visse udførelsesformer for apparatet ifølge opfindelsen kan der 20 anvendes den med spor eller kanaler forsynede manifoldstruktur på støttepladen, som er beskrevet i USA patentskrift nr. 4.051,041, især til opsamling af filtrat fra den aktive flade på afstandsstøttepladen 16 og ind i apparatets filtratudløbsdel 11.

Der kan også henvises til USA patentskrift nr. 3.411.630, der angår 25 overfladekonfigurationen for afstandslegemer indrettet til at tilvejebringe en støtte for den tilstødende membran og til at frembringe en passage for den dialyserende eller rensende væske.

I en foretrukket udformning giver den foreliggende opfindelse basis for et filtreringsapparat med et energibehov så lille som ca. 50 og ikke 2 30 mere end 150 watt/m installeret membran (jævnført med et energibehov pa 2 ca. 1 kW/m installeret membran i klassiske kendte systemer), hvilket betyder, at den foreliggende opfindelse giver basis for en betydelig e-nergibesparelse i sammenligning med kendte systemer.

En anden anvendelsesmæssig konsekvens ved en foretrukket udformning 35 af behandlingssystemet ifølge opfindelsen består i, at forskydningsgraden har tendens til at blive særdeles høj. Som resultat heraf sker der en forøgelse af den specifikke fluks for et givet afløb, og det er således muligt at lade fil treringsapparatet arbejde under ikke-gelpolarise-

DK 162074 B

10 rede tilstande ved høj fluks. Dette er vigtigt, når det ønskes at gøre den molekylåre selektivitet størst mulig, og det fører til en let rensning af barriererne eller membranerne.

En fordel ved behandlingssystemet ifølge en foretrukket udføre!ses-5 form for opfindelsen (ud over energibesparelsen) består i, at der kan indeholdes et meget stort membran- eller filteroverfladeareal i et forholdsvis lille volumen. Generelt kan der indeholdes ca. 10 gange mere membran eller filter pr. volumenenhed inden for et givet område, end det er muligt med klassisk kendte ultrafiltrerings- eller krydsstrømsfiltre- .

10 ringsudstyr.

Anvendelsen af deformation af selve membranen for at danne kanalen resulterer også i en meget høj stabilitet for filtreringsudstyret ifølge en foretrukket udførelsesform for opfindelsen.

Hvis kanal højden eller strømvejtykkelsen h eksempelvis har tendens 15 til at aftage, sker der en formindskelse af overfladearealet for kanalens tværsnit. Dette betyder, at trykfaldet igennem den pågældende filtreringsenhed stiger, og dette betyder, at indløbstrykket stiger, hvilket resulterer i, at kanal højden eller strømvejtykkelsen hc har tendens til at stige. Der er således en autostabilisering eller auto-gennemskyl-20 ningseffekt, der letter rensning af enheden.

Hvis en kanal 34 med andre ord bliver tilstoppet af en kage 50, som vist i figur 10, vil overfladearealet for kanalen aftage, og trykket i kanalen vil stige. Dette forårsager, at kanalen 34 ekspanderer og åbner sig (som vist i figur II) for at bortskylle kagen 50, der har tilstoppet 25 filtreringsenheden. Denne egenskab, der er kendt som autostabiliseringseffekten, er meget vigtig med hensyn til evnen til selvrensning i filtreringssystemet i en foretrukket udførelsesform for opfindelsen.

Med membraner inkorporereret i apparatet er apparatet indrettet til krydsstrømsultrafiltrering. Når membranen er erstattet af et biofilter 30 eller et filter, er udstyret egnet til krydsstrømsfiltrering med to separative virkninger: 1) at fjerne filtreringskagen konstant ved hjælp af høj forskydningsgrad, og 2) rørsammenklemningseffekten.

35 I enhver given opløsning, hvori væskemediet og det deri indeholdte partikelstof er af forskellig massefylde, er det muligt at opnå en separation på to måder. Hvis parti kel stoffet er tungere end væsken, og hvis fødematerialeopløsningen (koncentrat) bringes til at strømme opad, dvs.

DK 162074 B

π i en i det væsentlige lodret retning i kanalen, har parti kel stoffet tendens til at koncentrere sig i kanalens centrum med det resultat, at det er muligt at udtage permeatet uden tilstopning af filteret forårsaget af parti kel stoffet.

5 Når derimod parti kel stoffet er lettere end væsken, bringes fødema- terialekoncentratet til at strømme i en nedadrettet retning, og igen har parti kel stoffet tendens til at agglomerere i kanalens centrum, og igen er det muligt at udtage permeatet uden tilstopning af filteret forårsaget af parti kel stoffet.

10 Under brug af det i figur 1-7 viste patron- eller filterapparat samt en anisotrop nylonultrafiltreringsmembran af den type, hvis egenskaber og fremstilling er beskrevet i australsk patentskrift nr.

505.494, blev der foretaget rensning ved ultrafiltrering af ledningsvand fra Sydney, Australien.

15 Ledningsvandet blev som fødemateriale recirkuleret igennem patronen over en 12-timers periode, mens fluksfaldet blev iagttaget. I begyndelsen var modtrykket indstillet på 88 KPa. Efter fire timers forløb blev trykket forøget til 100 KPa, der er det anbefalede minimumtryk til denne anvendelse. Krydsstrømmen var 186 liter pr. time, og temperaturen var 20 ca. 30°C. Ved et indløbstryk på 88 KPa var den stabiliserede fluks 64 o liter/m time. Trykfaldet over patronen var 20 KPa. Den stabiliserede o fluks ved 100 KPa var 74,3 liter/m time og viste intet fald i løbet af de sidste 8 timer af eksperimentet. Relationen mellem fluks og tryk for patronen antydede, at eksperimentet blev udført i en præ-gel pol ari seret 25 tilstand. Totalindholdet på 0,19 g/liter af tørt fast stof i fødemateri-alet og 0,08 g/liter i permeatet gav en total fjernelse på 60% i dette eksperiment.

Kemisk analyse af permeatet antydede, at det indeholder et gennemsnit på 2,5 PPM silicium, 12,9 PPM calcium, 5,0 PPm magnesium samt intet 30 måleligt indhold af jern, magnesium eller kobber. Hårdheden for dette permeat blev også bestemt til 5,3 mg/liter bestemt som calciumkarbonat-ækvivalent, og den samlede mængde af opløst fast stof var 15,2 mg/liter.

Nedenstående tabel viser effekt- og energibehovene for ultrafiltreringseksperimentet baseret på membranareal og permeatvolumen: 35

DK 162074 B

12

Pumpetype: tandhjul

Effektforsyning: 1-fase

Membranareal (m ): 0,418

Effektforbrug (kW): 0,098 2 5 Effekt pr. areal enhedmembran (kW/m ): 0,21

Tværstrøm(l/time): 186 2

Membranfluks (liter/m time): 74,3 3

Energi pr. enhed permeat volumen (MJ/m ): 10,4 10 Ovenstående data viser det lave energiforbrug pr. enhed af renset vand såvel som det lave effektforbrug pr. membran areal enhed.

Et yderligere aspekt ved opfindelsen angår tilpasning af apparatet til elektrodialyse.

Den specielle konfiguration af filtreringsmodulerne i en foretruk-15 ket udførelsesform for den foreliggende opfindelse tillader inkorporering i de to endepiademanifolder af en pladestabel af to metalplader som elektroder for at etablere et elektrisk felt. I dette tilfælde ville filtreringsmodulet - hvis der eksempelvis skulle anbringes separate a-nion- og kationmembraner imellem de to metalplader - være indrettet til 20 at fungere som en elektrodialyseenhed.

Hvis der mellem de to plader blev anbragt en opladet membran og en neutral membran, ville enheden være indrettet til at fungere som en omvendt elektrodialyseenhed eller transportudtyndingsenhed.

En anden udførelsesform for opfindelsen er vist i figurerne 12-14.

25 I denne udføre!sesform indeholder apparatet en hovedhusdel 60 med et indløb 61 og et udløb 62. I hovedhusdelen 60 findes flere membranhylstre 63. Hvert hylster 63 indeholder en første membran eller barriere 64 samt en overliggende anden membran eller barriere 65, som er holdt adskilt af et gitter 66. Periferien af de over hinanden liggende barrierer 64, 65 30 er forseglet til hinanden som vist i figur 14 med undtagelse af den ene side, som rager ind i manifolden 67 som vist i figur 13. Manifolden 67 udgør et overførselsmiddel for apparatet, og rummet mellem hvert af hylstrene 63 er lukket af et forseglingsmateriale, såsom araldit, som det er antydet ved henvisningstallet 68 i figur 13.

35 Når fluidum indgives i husdelen 60 under tryk, bliver de i kontakt værende flader på over for hinanden liggende barrierer 64 og 65 adskilt på den ovenfor i forbindelse med den første udførelsesform for opfindelsen beskrevne måde. Den valgte materialekomponent passerer igennem bar

DK 162074 B

13 riererne 64, 65 og ind i strømningskanalen, som er afgrænset mellem de to barrierer 64, 65 af gitteret 66, og derefter til manifolden 67 igennem de åbne ender af membranhylstrene 63 (se figur 13).

En yderligere udførelsesform for opfindelsen er vist i figur 15, 5 hvor hylstrene 80 og 81 er viklet i spiral inden i hinanden. Hvert hylster 80 og 81 svarer i det væsentlige til hylsteret 63 vist i figurerne 12-14. Hvert hylster 80, 81 har udløbsmidler 82, og hylstrene er indrettet til at blive indsat i et hus med et indløb og et udløb.

Som antydet ovenfor er opfindelsen ikke begrænset til krydsstrøms-10 filtrering eller -tilbageholdelse. Eksempelvis kan den foretrukne udførelsesform for opfindelsen, der er beskrevet i forbindelse med figurerne 1-7, anvendes til at indføre et foretrukket stof i fødematerialet ved tilsætning igennem overførselsporten og barrieren eller barriererne i modsat retning af den ovenfor beskrevne.

15 En sådan anvendelse angår indførsel af oxygen (det foretrukne stof) i blod (fødematerialet). I dette tilfælde er barriererne valgt således, at oxygen let kan strømme tværs igennem barriererne, mens alle komponenterne i blodet bliver tilbageholdt i strømvejene.

Claims (14)

1. Apparat til ændring af koncentrationen af en eller flere forud valgte komponenter i et strømmende fødemateriale omfattende et indløbs- 5 organ (17, 61) til at indføre tryksat fødemateriale i apparatet, et udløbsorgan (15, 62) til at fjerne behandlet fødemateriale fra apparatet, en fødematerialestrømvej (22, 23, 24, 34) mellem indløbs- og udløbsorganet og afgrænset af et par af barrierer på linie over for hinanden af plademateriale (13, 30, 31, 64, 65, 80, 81), hvorigennem den eller de 10 forudvalgte komponenter kan passere, samt midler (14, 67) for tilføring eller fjernelse af de forud valgte komponenter med forbindelse til de modsatte overflader af barriererne, hvor hver barriere har en første o-verflade i kontakt med den første overflade af den modsatte barriere, når der ikke er strøm af fødemateriale, hvor strømvejen udvides ved, at 15 de første overflader adskilles og bevæger sig bort fra hinanden, når tryksat fødemateriale tilført fra indløbsorganet passerer igennem strømvejen, samt faste begrænsningsorganer (16, 29) til at støtte barriererne og begrænse graden af udvidelse af strømvejen, så der opretholdes laminar strømning af fødematerialet deri, når fødematerialet strømmer gennem 20 strømvejen ved et forud fastlagt arbéjdstryk, KENDETEGNET ved, AT barriererne (13, 30, 31, 64, 65, 80, 81) er sammentrykkel ige, og AT strømvejen (22, 23, 24, 34) udvides elastisk, når tryksat fødemateriale passerer derigennem, idet barriererne sammentrykkes imod de faste begrænsningsorganer (16, 29). 25

2. Apparat ifølge krav 1, KENDETEGNET ved midler (18, 19), som forsegler periferierne af de to barrierer for at gøre strømvejen eller strømvejene lækagetæt.

3. Apparat ifølge krav 2, KENDETEGNET ved, AT midlerne til forseg ling af de to barrierers periferier indeholder komprimeret pakningsmateriale (18) indsat imellem periferien af de to barrierer.

4. Apparat ifølge krav 3, KENDETEGNET ved, AT pakningsmaterialet er 35 tilvejebragt af et kompressi belt celle- eller lukket celleskumstof, som komprimeres under tryk, således at der sker brud i cellerne i skummaterialet til dannelse af flere åbne cellerum i kontakt med den overflade, som skal forsegles. DK 162074 B

5. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-3, KENDETEGNET ved, AT der findes et stablet arrangement af barrierer, og AT begrænsningsmidlerne omfatter den ene overflade af et net, som er indrettet til kontakt med 5 nævnte modsatte overflader på to ;mod hinanden vendende barrierer, hvorved nævnte netoverflade begrænser adskillelse af de første overflader på de mod hinanden vendende barrierer, som danner strømvejen, til en forud bestemt afstand, når fødemateriale strømmer igennem strømvejen ved et forud bestemt arbejdstryk. 10

6. Apparat ifølge ethvert af de foranstående krav, KENDETEGNET ved, AT begrænsningsmidlerne indeholder et fladt pladelegeme (16, 27, 28) indsat ved nævnte modsatte overflade af hver barriere, og hvor hvert af disse pladelegemer har flere fremspring (29) ved nævnte modsatte over- 15 flade på den respektive barriere.

7. Apparat ifølge krav 6, KENDETEGNET ved et stablet arrangement af barrierer og pladelegemer, hvor fremspringene er udformet på hver side af hvert pladelegeme. 20

8. Apparat ifølge ethvert af de foranstående krav, KENDETEGNET ved, AT barrieren eller hver barriere er kompressi bel i hele sin tværdimension.

9. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-7, KENDETEGNET ved, AT bar rieren eller hver barriere indeholder en komposition af en første del, som er kompressibel i sin tværdimension, samt en anden del, som er væsentligt mindre kompressibel i sin tværdimension, og AT nævnte begrænsningsmidler er indrettet til kontakt med den første del af barrieren, 30 når begrænsningsmidlerne begrænser omfanget af strømvejens udvidelse.

10. Apparat ifølge krav 9, KENDETEGNET ved, AT i det mindste en del af nævnte strømvej er omfattet af den anden del af hver barriere.

11. Apparat ifølge ethvert af de foranstående krav, KENDETEGNET ved, AT nævnte begrænsningsmidler er indrettet til at frembringe en største strømvejtykkelse på mindre end 100 μια. DK 162074B

12. Apparat ifølge ethvert af de foranstående krav, KENDETEGNET ved, AT nævnte begrænsningsmidler er indrettet til og barrierernes sam-mentrykkelighed afpasset således, at strømvejen, når fødematerialet i strømvejen eller hver strømvej overstiger dets foreskrevne arbejdstryk 5 på grund af en blokering i strømvejen eller strømvejene, .midlertidigt, men gentagne gange ekspanderer yderligere omkring blokeringens lokalisering for at muliggøre, at blokeringen bevæger sig frem gennem strømvejen, indtil den bliver fjernet herfra, hvorefter strømvejen vender tilbage til strømvejtykkel sen med laminar strøm. 10

13. Apparat ifølge ethvert af de foranstående krav, KENDETEGNET ved, AT nævnte begrænsningsmidler indeholder spidserne af fremspring (29), som rager ud fra et pladelegeme, der er anbragt på den modsatte side af hvert af de mod hinanden liggende barriereark, og hvor disse 15 fremspring er indrettet til - ved udvidelse af nævnte strømvej - at bringe spidserne i kontakt med barrierernes nævnte modsatte overflader for at begrænse adskillelsen af nævnte to første overflader på barriererne til en forudbestemt afstand med laminar strømning, når fødemateri-ale strømmer igennem strømvejen. 20

14. Apparat ifølge krav 13, KENDETEGNET ved, AT nævnte spidser trænger ind i det mindste en del af barrierernes modsatte overflader u-den at gennembryde barrierernes nævnte første overflader. 25 30 35