EP1289631A1 - Crossflow-filterkassetten in form von verbesserten weitspaltmodulen - Google Patents

Crossflow-filterkassetten in form von verbesserten weitspaltmodulen

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Publication number
EP1289631A1
EP1289631A1 EP01931623A EP01931623A EP1289631A1 EP 1289631 A1 EP1289631 A1 EP 1289631A1 EP 01931623 A EP01931623 A EP 01931623A EP 01931623 A EP01931623 A EP 01931623A EP 1289631 A1 EP1289631 A1 EP 1289631A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
retentate
filter cassettes
filtrate
longitudinal
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01931623A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Weddo Schmidt
Ulrich Grummert
Ina Pahl
Claudia Hartmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sartorius AG
Original Assignee
Sartorius AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sartorius AG filed Critical Sartorius AG
Publication of EP1289631A1 publication Critical patent/EP1289631A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B01D63/081—Manufacturing thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
    • B01D63/084—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes at least one flow duct intersecting the membranes

Definitions

  • Crossflow filter cartridges in the form of improved wide-gap modules are provided.
  • the invention relates to crossflow filter cassettes in the form of improved wide-gap modules which are arranged between clamping plates and operated in crossflow filtration systems.
  • fluids such as particle-laden liquids, in particular protein-containing, fat-containing and cell-containing media, such as those which occur above all in pharmaceutical and biotechnological processes, can be used on a laboratory, semi-technical and industrial scale according to the crossflow principle for the recovery of valuable substances, concentration of substances , Removal of unwanted components and sterilization are filtered.
  • the crossflow filtration is carried out with filter cassettes in appropriate crossflow filtration systems in which at least one filter cassette, but usually several filter cassettes, are arranged in a row as a stack.
  • Such crossflow filter cartridges are described for example in the patents DE-PS 34 41 249 and US-PS 47 15 955.
  • the filter cassettes are constructed from a Niekahl of adjacent filter cells, which consist of stacked, flat blanks of at least one retentate spacer element as a component for forming an overflow gap for fluid to be filtered, a first membrane, a filtrate spacer for forming a filtrate collecting gap and a second membrane. In the peripheral edge area, the blanks are connected from a sealing compound to the filter cassette.
  • the blanks have aligned openings in their edge regions for the formation of channels, which preferably run perpendicular to the surface of the blanks Fluid feed, retentate drain and filtrate drain.
  • Those openings of the spacers, which are to be kept closed towards the channels, are enclosed in their peripheral edge regions in a fluid-tight manner by a sealing compound which projects slightly beyond the level of the spacers.
  • the remaining openings in the spacers, which communicate with the channels, are not enclosed by any sealing compound, but are open.
  • crossflow filtration the fluid to be filtered is pressed through an inflow plate and corresponding channels into overflow gaps of the filter cassettes for the fluid to be filtered. It flows over the membrane surface and is discharged as retentate. Part of the fluid permeates through the membrane and is collected in the filtrate collecting gap and discharged from the system as filtrate via corresponding channels and an outflow plate.
  • DE-PS 3441 249 suggests installing protective frames between the blanks.
  • the height of the overflow gaps for the fluid to be filtered is increased within certain limits. It is also known to use thicker fabrics to increase the height of the overflow gaps. With these so-called wide-gap modules, premature blocking of the filter cassettes is to be avoided in crossflow filtration.
  • the invention is therefore based on the object of providing crossflow filter cassettes which are suitable for crossflow filtration of particle-laden protein-containing, fat-containing and cell-containing media, such as occur in particular in pharmaceutical and biotechnological processes, and which are characterized by a long service life and high retentate and filtrate flows.
  • the crossflow filter cassettes according to the invention constructed from microporous membranes have an overflow gap which is formed from a retentate spacer element and from two retentate spacer frames which cover the retentate spacer element on both sides in its flat edge regions.
  • the retentate spacer frames have a thickness that is in the range from greater than 50 to 200 ⁇ m, preferably 80 ⁇ m.
  • the retentate spacer frames are preferably made of plastic, for example PVDF, and they preferably have contours that are congruent with the edge region of the retentate spacer element, that is to say that corresponding openings for the formation of the channels for the fluid supply, for the retentate drain and for the filtrate drain are aligned are pronounced.
  • the thickness of the retentate spacer frame on the one hand, means that a gap remains between the retentate spacer element and the adjacent membrane over the entire membrane surface, through which relatively coarse particles can be rinsed out for their regeneration both during overflow and during backwashing of the filter cartridges.
  • the membrane is obviously caused to vibrate by this gap and by the turbulence of the fluid to be filtered caused by the flow through the retentate spacer element according to the invention, which makes it more difficult for substances to deposit on the surface of the membrane and blocks the membrane less (membrane fouling).
  • the whole Membrane surface is effective because the retentate spacer element does not rest on the membrane surface.
  • the means mentioned obviously lead to an increase in service life and filtration performance.
  • the membrane has no possibility of oscillation in the case of an overflow gap which is only formed by a retentate spacer element, for example a woven or non-woven fabric.
  • the retentate spacer element used according to the invention consists of an open-mesh matrix of intersecting longitudinal and transverse threads.
  • the adjacent longitudinal and transverse threads each have a distance of 5 to 15 times their thickness.
  • the thread thickness should be in the range of 150 to 600 ⁇ m.
  • the retentive spacer element obviously achieves an optimal turbulent overflow of the fluid to be filtered in the overflow gap.
  • the fabrics commonly used in cross-flow filter cartridges of the wide-gap module type as retentate spacers for example with a thread thickness of approximately 300 ⁇ m and a thread spacing that corresponds approximately to their thread thickness, already block the filter cartridge after a short filtration time.
  • the longitudinal and transverse threads consist of organic polymer fibers, which were produced by an extrusion process and where the threads are still fused in the form of an extruded lattice work at their crossing points. It has proven particularly advantageous for the blocking of the overflow gap to be suppressed if the threads of the matrix are stretched during the extrusion.
  • the diameter should decrease by at least 5%.
  • a such a matrix also has a reduced flow resistance to the medium to be filtered. If a matrix is used, for example in the form of a fabric, in which the threads are not connected at their crossing points, deposits form in the area of these crossing points, such as proteinaceous coagulates, which block the overflow gap.
  • the open-mesh matrix should preferably be constructed symmetrically, the threads being at an angle of 90 ° to one another.
  • An optimal filtration performance of the crossflow filter cassettes is achieved if the longitudinal and transverse threads of the matrix are at an angle of preferably 45 ° to the flow direction of the fluid to be filtered.
  • the longitudinal threads of the matrix lie in a first plane and the transverse threads of the matrix lie in a second plane, which is parallel to the first plane.
  • the possibility of membrane vibration is further supported by the fact that a filtrate spacer frame is also introduced on the filtrate side of the membrane.
  • the filtrate spacer consists of a filtrate spacer element with the filtrate spacer frame covering it on both sides in its flat edge regions.
  • the filtrate spacer frames have a smaller thickness than the retentate spacer frames. It is up to 50 ⁇ m, with 50 ⁇ m being preferred.
  • Fig. 1 schematically shows an exploded section through a section of a crossflow filter cartridge according to the invention
  • FIG. 2 shows a plan view of a retentate spacer along the line AA 'of FIG. 1.
  • the crossflow filter cassettes 1 consist of a large number of adjacent filter cells 2, which are constructed from flat blanks arranged in a stack.
  • the flat blanks are a retentate spacer element 3, which is covered on both sides in its flat edge region with retentate spacer frames 3 'and 3 "and which together form an overflow gap 4 for fluid to be filtered, a first membrane 5, a filtrate spacer 6 for forming a filtrate collecting gap 7 and one second membrane 8.
  • the flat blanks 3, 5, 6 and 8 have, according to FIGS.
  • the retentate spacer element 3 consists of an open-mesh matrix 16, which consists of crossing longitudinal 17 and transverse threads 18th The threads 17, 18 are connected to one another at their crossing points 19. The adjacent longitudinal and transverse threads each have a distance 20, 21 from one another which corresponds to 5 to 15 times their thickness.
  • the retentate spacer frames have a thickness 22 in the range from 75 to 200 ⁇ m (FIG. 1).
  • EXAMPLE 1 The filtration was carried out with a cross-flow filter cassette as wide-gap module of the prior art Sartocon Slice ® (Sartorius AG). It had: 16 overflow gaps for filtrate, 17 overflow gaps for fluid to be filtered, retentate spacer frame with a thickness of 50 ⁇ m and a fabric with a thickness of 610 ⁇ m as a retentate spacer element with threads with a thickness of approximately 300 ⁇ m, the distance between the threads being approximately 300 ⁇ m. The longitudinal and transverse threads of the matrix were at an angle of 60 ° and 30 ° to the flow direction of the fluid to be filtered.
  • the crossflow filter cassette had:
  • overflow gaps for filtrate 14 overflow gaps for fluid to be filtered, retentate spacer frame with a thickness of 125 ⁇ m and an open-mesh matrix in the form of a woven fabric with a thickness of 450 ⁇ m as a retentate spacer element with threads with a thickness of approximately 210 ⁇ m, the distance between the threads being approximately 250 ⁇ m was.
  • the longitudinal and transverse threads of the matrix were at an angle of 60 ° and 30 ° to the flow direction of the fluid to be filtered.
  • the crossflow filtration showed a sudden decrease in the retentate flow during the second filtration cycle, the filtrate flow decreased to about 70% of the initial value, while after 8 filtration cycles the overflow gaps did not become blocked.
  • the crossflow filter cassette had: 10 overflow gaps for filtrate, 11 overflow gaps for fluid to be filtered, retentate spacer frame with a thickness of 80 ⁇ m and an open-mesh matrix in the form of a lattice work with a thickness of 1030 ⁇ m as retentate spacer element with threads with a thickness of approximately 500 and 650 ⁇ m, the distance between the threads was about 1500 microns.
  • the threads were connected at the crossing points.
  • the longitudinal and transverse threads of the matrix were at an angle of 45 ° to the direction of flow of the fluid to be filtered.
  • Example 4 The crossflow filter cassette had:
  • a crossflow filter cassette was used, which had the same structure as the crossflow filter cassette described in Example 4, with the difference that the effective membrane area was not 0.1 m 2 , but 6 times (0.6 m 2 ).

Abstract

Die Erfindung betrifft Crossflow-Filterkassetten (1), welche zwischen Einspannplatten angeordnet in Crossflow-Filtrationsanlagen betrieben werden und sich für die Filtration partikelbelasteter proteinhaltiger, fetthaltiger und zellhaltiger Medien eignen. Sie haben hohe Standzeiten, Retentat- und Filtratflüsse. Erfindungsgemäss sind dazu die Überströmspalte (4) aus einem Retentatabstandshalterelement (3) und aus zwei Retentatabstandshalterrahmen (3', 3'') gebildet, die das Retentatabstandshalterelement (3) beidseitig im Randbereich abdecken. Das Retentatabstandshalterelement (3) besteht aus einer offenenmaschigen Matrix (16), die aus sich kreuzenden Längs- (17) und Querfäden (18) aufgebaut ist. Benachbarte Längs- (17) und Querfäden (18) nehmen jeweils zu einander einen 5- bis 15-fachen Abstand (20, 21) ihrer Dicke ein. Sie reicht von 150 bis 600 νm. Die Retentatabstandshalterrahmen (3', 3'') haben eine Dicke (22) grösser 50 bis 200 νm. Mit den erfindungsgemässen Crossflow-Filterkassetten können vor allem Fluide im Pharma- und Biotechnologiebereich zur Wertstoffgewinnung, Aufkonzentrierung von Stoffen, Abtrennung unerwünschter Bestandteile und Sterilisierung filtriert werden.

Description

Crossflow-Filterkassetten in Form von verbesserten Weitspaltmodulen.
Die Erfindung betrifft Crossflow-Filterkassetten in Form von verbesserten Weitspaltmodulen, welche zwischen Einspannplatten angeordnet in Crossflow- Filtrationsanlagen betrieben werden.
Mit den erfindungsgemäßen Crossflow-Filterkassetten können Fluide, wie partikelbelastete Flüssigkeiten, insbesondere proteinhaltige, fetthaltige und zellhaltige Medien, wie sie vor allem in pharmazeutischen und biotechnologischen Prozessen anfallen, im Labor- halbtechnischen und industriellen Maßstab nach dem Crossflow- Prinzip zur Wertstoffgewinnung, Aufkonzentrierung von Stoffen, Abtrennung unerwünschter Bestandteile und Sterilisierung filtriert werden.
Die Crossflow-Filtration wird mit Filterkassetten in entsprechenden Crossflow- Filtrationsanlagen durchgeführt, in denen mindestens eine Filterkassette, in der Regel aber mehrere Filterkassetten hintereinander als Stapel angeordnet sind. Derartige Crossflow-Filterkassetten werden beispielsweise in den Patentschriften DE-PS 34 41 249 und US-PS 47 15 955 beschrieben. Die Filterkassetten sind aus einer Niekahl benachbarter Filterzellen aufgebaut, die aus stapeiförmig angeordneten, flächigen Zuschnitten von mindestens einem Retentatabstandshalterelement als Bestandteil zur Ausbildung eines Überströmspalts für zu filtrierendes Fluid, einer ersten Membran, einem Filtratabstandshalter zur Ausbildung eines Filtratsammelspaits und einer zweiten Membran bestehen. Im peripheren Randbereich sind die Zuschnitte von einer Dichtungsmasse zur Filterkassette verbunden. Die Zuschnitte verfügen darüber hinaus in ihren Randbereichen über fluchtende Durchbrechungen zur Ausbildung von vorzugsweise senkrecht zur Fläche der Zuschnitte verlaufenden Kanälen für Fluidzulauf, Retentatablauf und Filtratablauf. Dabei sind jene Durchbrechungen der Abstandshalter, die zu den Kanälen hin geschlossen zu halten sind, in ihren peripheren Randbereichen von einer über die Ebene der Abstandshalter geringfügig überstehenden Dichtungsmasse fluiddicht eingefaßt. Die übrigen Durchbrechungen der Abstandshalter, die mit den Kanälen in kommunizierender Verbindung stehen, sind von keiner Dichtungsmasse eingefaßt, sondern offen. Bei der Crossflow-Filtration wird das zu filtrierende Fluid über eine Anströmplatte und entsprechende Kanäle in Überströmspalte der Filterkassetten für zu filtrierendes Fluid gedrückt. Es überströmt die Membranfläche und wird als Retentat abgeführt. Ein Teil des Fluids permeiert durch die Membran hindurch und wird im Filtratsammelspalt gesammelt und über entsprechende Kanäle und eine Abströmplatte als Filtrat aus der Anlage abgeführt.
Zum Schutz der Membranen vor mechanischen Beschädigungen, die insbesondere im Übergangsbereich der Dichtungsmassen eintreten und durch zu starkes An- oder Eindrücken der Membranen an oder in die Abstandshalterelemente verursacht werden, schlägt die DE-PS 3441 249 einen Einbau von Schutzrahmen zwischen den Zuschnitten vor. Neben dem dadurch erreichten Schutz der Membranen vor mechanischer Beschädigung werden gleichzeitig die Überströmspalte für zu filtrierendes Fluid in gewissen Grenzen in ihrer Höhe vergrößert. Darüber hinaus ist bekannt, stärkere Gewebe zur Vergrößerung der Höhe der Überströmspalte zu verwenden. Mit diesen sogenannten Weitspaltmodulen soll bei der Crossflow-Filtration ein vorzeitiges Verblocken der Filterkassetten vermieden werden. Nachteilig ist, daß sich bei der Crossflow-Filtration partikelbelasteter proteinhaltiger, fetthaltiger und zellhaltiger Medien, wie sie insbesondere in pharmazeutischen und biotechnologischen Prozessen anfallen, Partikel und Proteine in den Maschen des Gewebes im Überströmspalt verfangen und ansammeln. Diese Ansammlungen stellen ein Strömungshindernis für das zu filtrierende Fluid dar und befördern die weitere Ablagerung von Stoffen. Die bekannten Crosflow-Filterkassetten in Form von Weitspaltmodulen sind deshalb für die Crossflow-Filtration derartiger Medien ungeeignet, weil bei ihrer Verwendung eine massive Abnahme des Retentatflusses auftritt und bereits nach kurzer Filtrationsdauer die Filtration zum Erliegen kommt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Crossflow-Filterkassetten bereit zu stellen, die für eine Crossflow-Filtration partikelbelasteter proteinhaltiger, fetthaltiger und zellhaltiger Medien, wie sie insbesondere in pharmazeutischen und biotechnologischen Prozessen anfallen, geeignet sind und die sich durch eine große Standzeit und hohe Retentat- und Filtratflüsse auszeichnen.
Die Aufgabe wird durch Kombination der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.
Die erfindungsgemäßen aus mikroporösen Membranen aufgebauten Crossflow- Filterkassetten besitzen einen Überströmspalt, der aus einem Retentatabstandshalterelement und aus zwei Retentatabstandshalterrahmen, die das Retentatabstandshalterelement beidseitig in seinen flächigen Randbereichen abdecken, gebildet ist.
Die Retentatabstandshalterrahmen weisen eine Dicke auf, die im Bereich von größer 50 bis 200 μm liegt, vorzugsweise bei 80 μm. Die Retentatabstandshalterrahmen werden bevorzugt aus Kunststoff, zum Beispiel aus PVDF, gefertigt, und sie weisen vorzugsweise zu dem Randbereich des Retentatabstandshalterelements kongruente Konturen auf, das heißt, daß entsprechende Durchbrechungen für die Ausbildung der Kanäle für die Fluidzufuhr, für den Retentatablauf und für den Filratablauf fluchtend ausgeprägt sind. Die Dicke der Retentatabstandshalterrahmen bewirkt zum Einen, daß zwischen dem Retentatabstandshalterelement und der benachbarten Membran über die gesamte Membranfläche hinweg ein Spalt offen bleibt, über den relativ grobe Partikel sowohl bei der Überströmung als auch bei der Rückspülung der Filterkassetten zu ihrer Regenerierung ausgespült werden können. Zum Anderen wird die Membran offensichtlich durch diesen Spalt und durch die bei der Durchströmung des erfindungsgemäß verwendeten Retentatabstandshalterelements hervorgerufenen Turbulenzen des zu filtrierenden Fluids in Schwingungen versetzt, wodurch eine Ablagerung von Stoffen an der Oberfläche der Membran erschwert wird und die Membran weniger verblockt (Membranfouling). Außerdem wird , die gesamte Membranoberfläche fϊltrationswirksam, weil das Retentatabstandshalterelement nicht auf der Membranoberfläche aufliegt. Die genannten Mittel führen offensichtlich zu einer Erhöhung der Standzeit und Filtrationsleistung. Im Unterschied dazu hat die Membran bei einem Überströmspalt, der lediglich durch ein Retentatabstandshalterelement, beispielsweise einem Gewebe oder Vlies, gebildet wird, keine Schwingungsmöglichkeiten.
Das erfindungsgemäß verwendete Retentatabstandshalterelement besteht aus einer offenenmaschigen Matrix aus sich kreuzenden Längs- und Querfäden. Die benachbarten Längs- und Querfaden nehmen jeweils zu einander einen 5- bis 15fachen Abstand ihrer Dicke ein. Die Fadendicke soll im Bereich von 150 bis 600 μm liegen. Offensichtlich wird bei dieser Konfiguration durch das Retentabstandshalterelement eine optimale turbulente Überströmung des zu filtrierenden Fluids im Überströmspalt erreicht. Die in Crossflow-Filterkassetten vom Weitspaltmodultyp üblicherweise verwendeten Gewebe als Retentatabstandshalter beispielsweise mit einer Fadendicke von etwa 300 μm und einem Fadenabstand, der etwa ihrer Fadendicke entspricht, führen dagegen bereits nach kurzer Filtrationszeit zu einer Verblockung der Filterkassette. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Fäden an ihren Kreuzungspunkten miteinander verbunden sind. Damit wird zum einen die Konfiguration der offenmaschigen Matrix stabil gehalten und zum anderen werden im Bereich der Kreuzungspunkte Toträume zwischen den Fäden weitgehend vermieden, wodurch die Ansa mlung von Ablagerungen in diesem Bereich zurück gedrängt wird. In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung bestehen die Längs- und Querfäden aus organischen Polymerfasern, die durch einen Extrusionsprozeß erzeugt wurden und wo die Fäden noch im erweichten Zustand an ihren Kreuzungspunkten in Form eines extrudierten Gitterwerkes verschmolzen sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich für eine Zurückdrängung der Verblockung des Überströmspalts erwiesen, wenn die Fäden der Matrix während der Extrusion verstreckt werden. Dadurch entsteht eine Matrix, deren Fäden im Bereich der Kreuzungspunkte in ihrem Durchmesser größer sind als im Bereich zwischen den Kreuzungspunkten, wobei es besonders erwünscht ist, wenn der Durchmesser der Fäden im mittleren Bereich zwischen den Kreuzungspunkten am geringsten ist. Der Durchmesser sollte sich um mindestens 5 % verringern. Eine derartige Matrix weist darüberhinaus einen verminderten Strömungswiderstand gegenüber dem zu filtrierenden Medium auf. Wird eine Matrix, beispielsweise in Form eines Gewebes verwendet, bei der die Fäden an ihren Kreuzungspunkten nicht verbunden sind, bilden sich im Bereich dieser Kreuzungspunkte Ablagerungen, wie zum Beispiel proteinartige Koagulate, die zu einer Verblockung des Überströmspalts führen. Vorzugsweise sollte die offenmaschige Matrix symmetrisch aufgebaut sein, wobei die Fäden zueinander einen Winkel von 90 ° einschließen sollten. Eine optimale Filtrationsleistung der Crossflow-Filterkassetten wird erreicht, wenn die Längs- und Querfaden der Matrix zur Strömungsrichtung des zu filtrierenden Fluids einen Winkel von vorzugsweise 45 ° einnehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen die Längsfäden der Matrix in einer ersten Ebene und die Querfäden der Matrix in einer zweiten Ebene, die zur ersten Ebene parallel ist. Dadurch wird eine turbulente Überströmung begünstigt und eine Verblockung des Überströmspalts vermieden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Möglichkeit der Membranschwingung noch dadurch unterstützt, daß auf der Filtratseite der Membran ebenfalls ein Filtratabstandshalterrahmen eingebracht wird. In diesem Fall besteht der Filtratabstandshalter aus einem Filtratabstandshalterelement mit dieses beidseitig in seinen flächigen Randbereichen abdeckenden Filtratabstandshalterrahmen. Die Filtratabstandshalterrahmen besitzen eine geringere Dicke als die Retentatabstandshalterrahmen. Sie beträgt bis zu 50 μm, wobei 50 μm bevorzugt sind.
Die Erfindung soll anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigen
Fig. 1 schematisch einen explosionsartigen Schnitt durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Crossflow-Filterkassette und
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Retentatabstandshalter entlang der Linie A-A' der Fig. 1. Die erfindungsgemäßen Crossflow-Filterkassetten 1 bestehen gemäß der Figur 1 aus einer Vielzahl benachbarter Filterzellen 2, die aus stapeiförmig angeordneten flächigen Zuschnitten aufgebaut sind. Die flächigen Zuschnitte sind ein Retentatabstandshalterelement 3, das beidseitig in seinem flächigen Randbereich mit Retentatabstandshalterrahmen 3' und 3" abgedeckt ist und welche zusammen einen Überströmspalts 4 für zu filtrierendes Fluid ausbilden, eine erste Membran 5, ein Filtratabstandshalter 6 zur Ausbildung eines Filtratsammelspaits 7 und eine zweite Membran 8. Die flächigen Zuschnitte 3, 5, 6 und 8 verfugen gemäß der Figuren 1 und 2 über fluchtende Durchbrechungen 9, 10 und 11 zur Ausbildung von senkrecht zur Fläche der Zuschnitte 3, 5, 6 und 8 verlaufenden Kanälen für Fluidzulauf 12, Retentatablauf 13 und Filtratablauf 14. Dabei sind jene Durchbrechungen der Abstandshalter 3, 6 , die zu den Kanälen hin geschlossen sind, von einer über die Ebene der Abstandshalter geringfügig überstehenden Dichtungsmasse 15 fluiddicht eingefaßt. Das Retentatabstandshalterelement 3 besteht aus einer offenmaschigen Matrix 16, die aus sich kreuzenden Längs- 17 und Querfäden 18 aufgebaut ist. Die Fäden 17, 18 sind an ihren Kreuzungspunkten 19 untereinander verbunden. Die benachbarten Längs- und Querfaden nehmen jeweils zueinander einen Abstand 20, 21 ein, der dem 5- bis 15fachen ihrer Dicke entspricht. Die Retentatabstandshalterrahmen haben eine Dicke 22 im Bereich von 75 bis 200 μm (Fig. 1).
In den nun folgenden Beispielen wurde eine aufgeschlossene Fermentationslösung mit einer vorgegebenen Biomassebelastung von zum Beispiel 3 kg CWW/m 2 (CWW steht für „cell wet weight" d.h. für Zellfeuchtgewichtsäquivalent) über Crossflow- Filterkassetten filtriert, wobei ein Fermentationsprodukt über das Filtrat gewonnen werden soll.
Bei der Biomassebelastung muß unterschieden werden zwischen der Biomassekonzentration im Retentat (g/1) und der flächenspezifischen Biomassebelastung (kg/m2). Eine zu hohe Biomassekonzentration im Retentat kann zu Verstopfungen der Überströmspalte für zu filtrierendes Fluid führen, wogegen eine zu große flächenspezifische Biomassebelastung zu einer Deckschichtbildung auf der Membran führt. Sämtliche Filterkassetten waren mit einer hydrophilen, mikroporösen Membranen aus vernetzten! Cellulosehydrat mit einer Porengröße von 0,45 μm (Hydrosart® , Sartorius AG), einem Filtratabstandshalterelement aus einem Gewebe mit einer Dicke von 450 μm (Fadendicke etwa 210 μm, Fadenabstand 210 μm), der auf beiden Seiten mit Filtratabstandshalterrahmen einer Dicke von je 50 μm belegt war, ausgerüstet. Die in den Beispielen 1 bis 5 verwendeten Crossflow-Filterkassetten unterschieden sich hinsichtlich ihres Retentatabstandshalterelements, der Dicke der Retentatabstandshalterrahmen, der Anzahl der Überströmspalte für Filtrat und für zu filtrierendes Fluid (Retentat) und der Ausrichtung der Längs- und Querfäden der Matrix zur Strömungsrichtung des zu filtrierenden Fluids.
Beispiel 1 Die Filtration wurde durchgeführt mit einer Crossflow-Filterkassette als Weitspaltmodul des Standes der Technik Sartocon® Slice (Sartorius AG). Sie besaß: 16 Überströmspalte für Filtrat, 17 Überströmspalte für zu filtrierendes Fluid, Retentatabstandshalterrahmen der Dicke 50 μm und ein Gewebe der Dicke von 610 μm als Retentatabstandshalterelement mit Fäden einer Dicke von etwa 300 μm, wobei der Abstand zwischen den Fäden etwa 300 μm betrug. Die Längs- und Querfäden der Matrix nahmen zur Strömungsrichtung des zu filtrierenden Fluids einen Winkel von 60 ° beziehungsweise 30 ° ein.
Die Crossflow-Filtration zeigte bereits im 2. Filtrationszyklus eine deutliche Abnahme des Retentatflusses, während sie im 3. Filtrationszyklus auf Grund der Verblockung der Überströmspalte vollständig zum Erliegen kam.
Beispiel 2
Die Crossflow-Filterkassette besaß:
13 Überströmspalte für Filtrat, 14 Überströmspalte für zu filtrierendes Fluid, Retentatabstandshalterrahmen der Dicke 125 μm und eine offenmaschige Matrix in Form eines Gewebes der Dicke von 450 μm als Retentatabstandshalterelement mit Fäden einer Dicke von etwa 210 μm, wobei der Abstand zwischen den Fäden etwa 250 μm betrug. Die Längs- und Querfäden der Matrix nahmen zur Strömungsrichtung des zu filtrierenden Fluids einen Winkel von 60 ° beziehungsweise 30 ° ein. Die Crossflow-Filtration zeigte eine sprunghafte Abnahme des Retentatflusses während des 2. Filtrationszyklus, der Filtratfluß ging auf etwa 70 % des Ausgangswertes zurück, während nach 8 Filtrationszyklen keine Verblockung der Überströmspalte auftrat.
Beispiel 3 Die Crossflow-Filterkassette besaß: 10 Überströmspalte für Filtrat, 11 Überströmspalte für zu filtrierendes Fluid, Retentatabstandshalterrahmen der Dicke 80 μm und eine offenmaschige Matrix in Form eines Gitterwerks der Dicke von 1030 μm als Retentatabstandshalterelement mit Fäden einer Dicke von etwa 500 und 650μm, wobei der Abstand zwischen den Fäden etwa 1500 μm betrug. Die Fäden waren an den Kreuzungspunkten verbunden. Die Längsund Querfäden der Matrix nahmen zur Strömungsrichtung des zu filtrierenden Fluids einen Winkel von 45 ° ein.
Unabhängig von der Biomassebelastung bis zu 3 kg CWW/m2 blieben die Retentat- und Filtratflüsse auch nach 7 Zyklen konstant. Eine Verblockung trat nicht auf.
Beispiel 4 Die Crossflow-Filterkassette besaß:
12 Überströmspalte für Filtrat, 13 Überströmspalte für zu filtrierendes Fluid, Retentatabstandshalterrahmen der Dicke 80 μm und eine offenmaschige Matrix in Form eines Gitterwerks der Dicke von 760 μm als Retentatabstandshalterelement mit Fäden einer Dicke von etwa 450 und 350 μm, wobei der Abstand zwischen den Fäden etwa 2400 μm betrug. Die Fäden waren an den Kreuzungspunkten verbunden. Die Längsund Querfäden der Matrix nahmen zur Strömungsrichtung des zu filtrierenden Fluids einen Winkel von 45 ° ein. Die Crossflow-Filterkassette besaß eine effektive Membranfläche von 0,1 m2. Selbst bei einer Biomassebelastung von bis zu 15 kg CWW/m2 blieben die Retentat- und Filtratflüsse auch nach 5 Zyklen konstant. Eine Verblockung trat nicht auf. Beispiel 5
Es wurde eine Crossflow-Filterkassette benutzt, die den gleichen Aufbau besaß, wie die in Beispiel 4 beschriebene Crossflow-Filterkassette mit dem Unterschied, daß die effektive Membranfläche nicht 0,1 m2 betrug, sondern das 6-Fache (0,6 m2).
Mit einer Biomassebelastung von 3 kg CWW/m2 konnte in drei unabhängigen
Filtrationsuntersuchungen gezeigt werden, daß die Skalierung linear verläuft und der
Skalierungsfaktor 6 betrug. Der Retentatwasserwert ist 6-fach höher. Alle anderen Leistungsdaten (Filtratfluß bei Produktfiltration, Filtratwasserwert, Trennleistung) blieben unverändert im Vergleich zu den Daten, die mit einer Kassette nach Beispiel 4 erhalten wurden..
Liste der Bezugszeichen :
1 Crossflow-Filterkassetten
2 Filterzellen
3 Retentatabstandshalterelement
3', 3" Retentatabstandshalterrahmen
4 Überströmspalts für zu filtrierendes Fluid
5 erste Membran
6 Filtratabstandshalter
7 Filtratsammelspalt
8 zweite Membran
9, 10, 11 fluchtende Durchbrechungen
12 Kanal für Fluidzulauf
13 Kanal für Retentatablauf
14 Kanal für Filtratablauf
15 Dichtungsmasse
16 offenmaschige Matrix
17 Längsfäden
18 Querfäden
19 Kreuzungspunkte
20, 21 Abstand der Längs- und Querfäden
22 Dicke der Retentatabstandshalterrahmen 3', 3"

Claims

Patentansprüche
1. Crossflow-Filterkassetten (1) in Form von verbesserten Weitspaltmodulen, die aus einer Vielzahl benachbarter Filterzellen (2) aufgebaut sind, welche aus stapeiförmig angeordneten, flächigen Zuschnitten von mindestens einem
Retentatabstandshalterelement (3) als ein Bestandteil zur Ausbildung eines Überströmspalts (4) für zu filtrierendes Fluid, einer mikroporösen, ersten Membran (5), einem Filtratabstandshalter (6) zur Ausbildung eines Filtratsammelspaits (7) und einer mikroporösen, zweiten Membran (8) bestehen, die über fluchtende Durchbrechungen (9, 10, 11) zur Ausbildung von senkrecht zur Fläche der Zuschnitte (3, 5, 6, 8) verlaufenden Kanälen für Fluidzulauf (12), Retentatablauf (13) und Filtratablauf (14) verfügen und wobei jene Durchbrechungen der Abstandshalter (3, 6) von einer über die Ebene der Abstandshalter (3, 6) geringfügig überstehenden Dichtungsmasse (15) fluiddicht eingefaßt sind, die zu den Kanälen hin geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmspalt (4) gebildet ist aus dem Retentatabstandshalterelement (3) und aus zwei Retentatabstandshalterrahmen (3', 3"), die das Retentatabstandshalterelement (3) beidseitig in seinen flächigen Randbereichen abdecken, wobei das Retentatabstandshalterelement (3) aus einer offenenmaschigen Matrix (16) besteht, die aus sich kreuzenden Längs- (17) und Querfäden (18) aufgebaut ist derart, daß die benachbarten Längs- (17) und Querfäden (18) jeweils zu einander einen 5- bis 15fachen Abstand (20, 21) ihrer Dicke einnehmen, welche im Bereich von 150 bis 600 μm liegt und wobei die Retentatabstandshalterrahmen (3', 3") eine Dicke (22) im Bereich von größer 50 bis 200 μm aufweisen.
2. Crossflow-Filterkassetten (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs- ( 17) und Querfäden ( 18) an ihren Kreuzungspunkten ( 19) verbunden sind.
3. Crossflow-Filterkassetten ( 12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs- und Querfäden aus organischen Polymerfasern bestehen, die an den Kreuzungspunkten durch Extrusion verschmolzen sind.
4. Crossflow-Filterkassetten (12) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs- und Querfäden der Matrix im Bereich zwischen den Kreuzungspunkten einen um mindestens 5 % verminderten Durchmesser haben im Bergleich zum Durchmesser im Bereich der Kreuzungspunkte.
5. Crossflow-Filterkassetten (12) nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs- und Querfaden der Matrix zur Strömungsrichtung des zu filtrierenden Fluids einen Winkel von vorzugsweise 45 ° einnehmen.
6. Crossflow-Filterkassetten (12) nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs- und Querfäden der Matrix je in einer Ebene liegen.
7. Crossflow-Filterkassetten (12) nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtratabstandshalter (6) aus einem Filtratabstandshalterelement und dieses beidseitig in seinen flächigen Randbereichen abdeckenden Filtratabstandshalterrahmen besteht.
8. Crossflow-Filterkassetten (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtratabstandshalterrahmen eine Dicke von bis zu 50 μm aufweisen.
9. Crossflow-Filterkassetten (12) nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporösen Membranen hydrophile Mikrofiltrationsmembranen aus vernetztem
Cellulosehydrat sind.
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