EP1414553A2 - Membrane body and method for the production thereof - Google Patents

Membrane body and method for the production thereof

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EP1414553A2
EP1414553A2 EP02762232A EP02762232A EP1414553A2 EP 1414553 A2 EP1414553 A2 EP 1414553A2 EP 02762232 A EP02762232 A EP 02762232A EP 02762232 A EP02762232 A EP 02762232A EP 1414553 A2 EP1414553 A2 EP 1414553A2
Authority
EP
European Patent Office
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membrane
hollow
flat
membrane body
membranes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02762232A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Roland Hilke
Wolfgang Albrecht
Thomas Weigel
Thomas Groth
Dieter Paul
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.)
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Original Assignee
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH filed Critical GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
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Definitions

  • the invention relates to a membrane body and a method for producing a membrane body.
  • micro, ultra and nanofiltration membranes are generally produced from solutions of polymers.
  • this polymer solution is applied as a film to a solid base with the aid of a casting box, a doctor blade or a slot nozzle and is then exposed to a liquid coagulation medium by solvent evaporation or after passing through an evaporation section , The previously liquid film solidifies in the coagulation medium and forms a membrane.
  • Manufacturing processes of this type are described, for example, in the book “Membrane and Membrane Separation Processes, Fundamentals and Applications” (VCH Publishing Deutschen mbH, Weinheim 1992).
  • hollow fiber membrane modules are known in the prior art, for example for drying gases (compressed air).
  • DE 197 16 752 AI describes such a module consisting of a membrane body and a housing, which has connections for feeding and discharging a (moist) air stream, the dried air stream and the permeate stream, which contains the discharged water vapor.
  • the membrane body itself consists of a bundle of hollow thread membranes, the individual hollow threads of which are open at the end faces.
  • the feed stream is passed through the lumen of the hollow fibers, the water vapor permeates through the membrane and the dried compressed air emerges on the opposite end.
  • membrane modules are known in which a small hollow fiber membrane is arranged in a larger 'hollow fiber membrane.
  • the construction of such a module is very complicated.
  • the manufacturing process cannot be operated continuously.
  • the membrane body should be able to separate three or more components from one medium.
  • a flat membrane and a hollow membrane are combined with one another by the specified membrane body, wherein the hollow membrane and the flat membrane are always connected to one another via a contact surface. Due to the simultaneous arrangement of hollow and flat membranes, it can be achieved that the membrane body simultaneously achieves a separation of at least three components. With a larger number or further combinations of hollow and flat membranes, even more separations can be achieved.
  • the membranes can consist of different materials.
  • the hollow membrane can be completely surrounded by only one flat membrane.
  • the hollow membrane is surrounded by at least two flat membranes, which partially or in sections surround the membrane body from different materials in accordance with the requirements.
  • the hollow membrane and the flat membrane are interconnected.
  • a good connection between the two membranes is achieved in particular by crosslinking, for example by means of a chemical or radiation-chemical reaction.
  • the hollow membrane and / or the flat membrane is formed from at least one polymer and / or copolymer.
  • Polymers or copolymers have proven themselves as suitable substances in membrane technology.
  • the membrane or membrane materials can be modified.
  • a chemical modification is achieved by copolymerization or graft / copolymerization.
  • the radiation chemical modification includes photo, plasma, electron beam processes, so that a modification is achieved with regard to hydrophilicity, hydrophobicity, polar groups or polar reactive groups.
  • the hollow membrane has at least one second hollow membrane and / or is designed as a hollow membrane mat or bundle, preferably made of polypropylene.
  • a hollow fiber-in-hollow fiber membrane By using a hollow fiber-in-hollow fiber membrane, the possible uses of a membrane body according to the invention are further increased, since a further separation stage is possible through the second hollow fiber.
  • the hollow membrane By arranging the hollow membrane as a mat or bundle, the hollow membrane can easily be arranged on a flat membrane. Above all, it has been shown that polypropylene is a suitable substance for such a hollow membrane.
  • the flat membrane is produced from a polymer solution, particularly preferably 10% strength, polyacrylonitrile / diethyl formamide polymer solution, since polymer solutions have proven themselves in the production of flat membranes.
  • polymer solutions have proven themselves in the production of flat membranes.
  • An increase in the mechanical stability of the membrane body can be achieved in that at least one support device is formed in the membrane body, in particular by means of particles, fleece or fabric. With larger mechanical loads, the support device ensures that the membrane body is not destroyed.
  • the support means can be achieved by the support means that the membrane body for various applications is malleable or conformable 'or can be designed.
  • the object of the invention is further achieved by means of a method for producing a membrane body, at least one hollow membrane being provided with a flat membrane in such a way that the flat membrane at least partially surrounds the hollow membrane.
  • the aim of the process is to combine the hollow and flat membranes in such a way that a membrane body is formed which can ensure the simultaneous separation of at least three substances. It also achieves an inexpensive manufacturing process.
  • the hollow membrane is completely covered by only one flat membrane.
  • the hollow membrane is enclosed by several, in particular two, flat membranes.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a membrane body
  • a membrane body 10 is shown in cross section.
  • the membrane body 10 has a flat membrane 12, in which round hollow membranes 11 are embedded in cross section.
  • the hollow membranes 11 are completely surrounded by the flat membrane 12.
  • the hollow membrane is produced separately before being embedded in the flat membrane 12.
  • the hollow membrane 11 can be available individually or as a bundle or as a mat before embedding.
  • the hollow membranes 11 can be produced both in the wet spinning process (with or without an evaporation section) or in an extruder.
  • Hollow membranes 11 can be embedded in the flat membrane 12 by pulling a polymer solution with a doctor blade over the hollow membranes 11 or by means of a double slot nozzle.
  • the double slot nozzle can be or apply several polymers to both sides of a hollow membrane or hollow membrane mat or bundle.
  • Both the flat membrane 12 and the hollow membrane 11 can consist of one or more polymers or copoly eren.
  • the flat membrane 12 can also consist of one or more layers made of one or more polymers or copolymers.
  • Both membranes 11, 12 can contain particles, nonwovens, fabrics or other membrane support materials to form a mechanically stable membrane body.
  • An ordinary hollow membrane also called a hollow fiber membrane
  • a further hollow fiber can be arranged in the hollow fiber membrane.
  • membrane bodies 10 are likewise shown in cross-section, in which the hollow membranes 11 are only partially or partially surrounded by the flat membrane 12. While the hollow membrane 11 and the flat membrane 12 are arranged alternately in the exemplary embodiment in FIG. 2a, the hollow membrane is only partially embedded in the flat membrane 12 in the exemplary embodiment in FIG. 2b. Here, a part of the hollow membrane 11 protrudes from the flat membrane 12.
  • the hollow membrane 11 is arranged between two flat membranes 12.
  • the two flat membranes 12 on the top and bottom of the Hollow membrane 11 do not touch and each form an intermediate space 13 in combination with two adjacent hollow membranes 11.
  • This space 13 can also be used in applications as a feed or discharge line.
  • the manufacture of the membrane body 10 can be achieved with little effort in all three exemplary embodiments.
  • the membrane body 10 can be produced both continuously and discontinuously.
  • the invention provided to use several flat membrane layers with different properties in terms of permeability, selectivity, etc.
  • the membrane body according to the invention can be used in numerous areas due to its multiple separation of substances.
  • Bioreactors with membranes are used, for example, in biotechnological and biomedical areas in which adhesion-dependent and adhesion-independent cells are kept in culture.
  • the membranes act as a diffusion barrier around which To regulate the entry or exit of certain substances in the desired manner.
  • the hollow fiber in a membrane body according to the invention can preferably be used for the oxygenation of media and thus of cells.
  • the membranes are intended to serve as support for adhesion-dependent cells, the cells being cultivated directly on one side of a flat membrane or in the hollow fiber membrane or in formed spaces (see FIG. 3) of the membrane body.
  • a membrane body as shown in FIG. 3, can be used, for example, as a bioreactor for an artificial liver.
  • a further application of the membrane body is possible in the technical field, whereby the hollow membrane of the membrane body can act as an additional material or heat barrier.
  • the hollow membrane of the membrane body has the function of a fabric or thermal bridge. A flow through the hollow membrane with a medium depends on the particular application and is therefore not always necessary, depending on the application.
  • One or both membrane types can act selectively in processes such as gas separation, pervaporation, vapor permeation or when one or more gases are introduced several gases in fluid media.
  • the selectivities and / or permeabilities of the hollow and flat membrane can be larger or smaller than that of the resulting hollow, flat membrane construction, depending on the application goal.
  • the media can flow in the hollow membrane and / or on the flat membrane.
  • this allows two components to be separated from a multicomponent mixture with subsequent directional selection.
  • Half of the hollow membrane is embedded in a different polymer, for example, and is permeable to, for example, two components of a fluid. Both components would permeate through the hollow membrane depending on the applied driving force (e.g. pressure, concentration) and would be separated depending on the properties of the two flat membrane layers depending on the driving force (e.g. charge, concentration) on each side of the membrane.
  • the applied driving force e.g. pressure, concentration
  • the driving force e.g. charge, concentration
  • a first process step with the hollow flat membrane construction the separation of two components of a fluid is first achieved. These two components are then separated from each other.

Abstract

The invention relates to a membrane body (10) comprising at least one flat membrane (12) which surrounds at least partially at least one hollow membrane (11). The invention also relates to a method for producing a membrane body (10).

Description

Membrankörper sowie Verfahren zur Herstellung desselbenMembrane body and method for producing the same
Beschrei bunqDescribe bunq
Die Erfindung betrifft einen Membrankörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Membrankörpers.The invention relates to a membrane body and a method for producing a membrane body.
Es ist bekannt, daß Mikro-, Ultra- und Nanofil trations- membranen in der Regel aus Lösungen von Polymeren hergestellt werden. Bei der im Stand der Technik bekannten Methode zur Herstellung von Flachmembranen wird diese Polymerlösung mit Hilfe eines Gießkastens, eines Rakels oder einer Schlitzdüse als Film auf eine feste Unterlage aufgebracht und anschließend durch Lösungsmittel ausdun- stung oder ggf. nach Durchlaufen einer Abdunststrecke einem flüssigen Koagulationsmedium ausgesetzt. Im Koagulationsmedium verfestigt sich der zuvor flüssige Film und bildet eine Membran. Herstellungsverfahren dieser Art werden z.B. im Buch "Membran und Membrantrennprozesse, Grundlagen und Anwendungen" (VCH Verlags- gesellschaft mbH, Weinheim 1992) beschrieben.It is known that micro, ultra and nanofiltration membranes are generally produced from solutions of polymers. In the method known from the prior art for the production of flat membranes, this polymer solution is applied as a film to a solid base with the aid of a casting box, a doctor blade or a slot nozzle and is then exposed to a liquid coagulation medium by solvent evaporation or after passing through an evaporation section , The previously liquid film solidifies in the coagulation medium and forms a membrane. Manufacturing processes of this type are described, for example, in the book "Membrane and Membrane Separation Processes, Fundamentals and Applications" (VCH Publishing Gesellschaft mbH, Weinheim 1992).
Des weiteren sind im Stand der Technik Hohl fadenmem- branmodule bspw. zur Trocknung von Gasen (Druckluft) bekannt. DE 197 16 752 AI beschreibt ein derartiges Modul aus einem Membrankörper und einem Gehäuse, welches Anschlüsse für die Einspeisung und Ableitungen eines (feuchten) Luftstroms, des getrockneten Luftstroms und des Permeatstroms, der den ausgetragenen Wasserdampf enthält, aufweist. Der Membrankörper selbst besteht aus einem Bündel von Hohl fadenmembranen, deren einzelnen Hohlfäden an den Stirnseiten offen sind. Der Feedstrom wird durch das Lumen der Hohlfäden geführt, der Wasserdampf permeiert durch die Membran und die getrocknete Druckluft tritt an der gegenüberliegenden Stirnseite aus .Furthermore, hollow fiber membrane modules are known in the prior art, for example for drying gases (compressed air). DE 197 16 752 AI describes such a module consisting of a membrane body and a housing, which has connections for feeding and discharging a (moist) air stream, the dried air stream and the permeate stream, which contains the discharged water vapor. The membrane body itself consists of a bundle of hollow thread membranes, the individual hollow threads of which are open at the end faces. The feed stream is passed through the lumen of the hollow fibers, the water vapor permeates through the membrane and the dried compressed air emerges on the opposite end.
Des weiteren sind Membranmodule bekannt, bei denen eine kleine Hohl fasermembran in einer größeren 'Hohlfasermembran angeordnet ist. Allerdings ist die Konstruktion eines derartigen Moduls sehr kompliziert. Außerdem kann das Herstellungsverfahren nicht kontinuierlich betrieben werden.Furthermore, membrane modules are known in which a small hollow fiber membrane is arranged in a larger 'hollow fiber membrane. However, the construction of such a module is very complicated. In addition, the manufacturing process cannot be operated continuously.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Membrankörper anzugeben und zu schaffen, der einfach im Aufbau und in der Herstellung ist. Darüber hinaus soll der Membrankörper drei und mehr Bestandteile aus einem Medium trennen können .Starting from this prior art, it is an object of the present invention to provide and create a membrane body that is simple in construction and manufacture. In addition, the membrane body should be able to separate three or more components from one medium.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Membrankörper mit wenigstens einer Flachmembran, die wenigstens eine Hohlmembran wenigstens teilweise umgibt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by a membrane body with at least one flat membrane which at least partially surrounds at least one hollow membrane. Advantageous embodiments of the invention are described in the subclaims.
Durch den angegebenen Membrankörper werden eine Flachmembran und eine Hohlmembran miteinander kombiniert, wobei Hohlmembran und Flachmembran stets über eine Kontaktfläche miteinander verbunden sind. Aufgrund der gleichzeitigen Anordnung von Hohl- und Flachmembranen läßt sich erreichen, daß der Membrankörper gleichzeitig eine Trennung von mindestens drei Bestandteilen erreicht wird. Durch eine größere Zahl bzw. weiteren Kombinationen von Hohl- und Flachmembranen lassen sich noch mehr Trennungen erreichen. Hierbei können die Membranen aus unterschiedlichen Materialien bestehen.A flat membrane and a hollow membrane are combined with one another by the specified membrane body, wherein the hollow membrane and the flat membrane are always connected to one another via a contact surface. Due to the simultaneous arrangement of hollow and flat membranes, it can be achieved that the membrane body simultaneously achieves a separation of at least three components. With a larger number or further combinations of hollow and flat membranes, even more separations can be achieved. The membranes can consist of different materials.
Durch die Anordnung und Verbindung von Hohl membranen und Flachmembranen kann ein einfacher Aufbau des Membrankörpers erreicht werden, der außerdem gut kontrollierbar und günstig in der Produktion ist.By arranging and connecting hollow membranes and flat membranes, a simple structure of the membrane body can be achieved, which is also easy to control and inexpensive to produce.
In vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Hohlmembran von nur einer Flachmembran vollständig umgeben sein. In einer weiteren Ausführungsform ist die Hohlmembran von wenigstens zwei Flachmembranen, die entsprechend den Anforderungen an den Membrankörper aus unterschiedlichem Material teil- oder abschnittsweise umgeben.In advantageous configurations, the hollow membrane can be completely surrounded by only one flat membrane. In a further embodiment, the hollow membrane is surrounded by at least two flat membranes, which partially or in sections surround the membrane body from different materials in accordance with the requirements.
Um eine gute Trennung der Medien zu erreichen, und um für eine gute Stabilität des Membrankörpers zu sorgen, sind Hohlmembran und Flachmembran miteinander verbunden. Eine gute Verbindung beider Membranen wird insbesondere durch eine Vernetzung z.B. mittels einer chemischen oder strahlenchemischen Reaktion hergestellt. Es ist ferner von Vorteil, wenn die Hohlmembran und/oder die Flachmembran aus wenigstens einem Polymer und/oder Copolymer ausgebildet ist. Polymere bzw. Copolymere haben sich als geeignete Stoffe in der Membrantechnik bewährt. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, daß die Membran bzw. die Membranstoffe modifiziert sein können. Eine chemische Modifikation wird durch Copolymerisation oder Pfropf-/ Copolymerisation erreicht. Die strahlenchemische Modifikation umfaßt Photo-, Plasma-, Elektronenstrahl-Verfahren, so daß eine Modifikation erreicht wird bezüglich Hydrophilie, Hydrophobie, polaren Gruppen oder polaren reaktiven Gruppen.In order to achieve a good separation of the media and to ensure good stability of the membrane body, the hollow membrane and the flat membrane are interconnected. A good connection between the two membranes is achieved in particular by crosslinking, for example by means of a chemical or radiation-chemical reaction. It is also advantageous if the hollow membrane and / or the flat membrane is formed from at least one polymer and / or copolymer. Polymers or copolymers have proven themselves as suitable substances in membrane technology. In the context of the invention it is possible that the membrane or membrane materials can be modified. A chemical modification is achieved by copolymerization or graft / copolymerization. The radiation chemical modification includes photo, plasma, electron beam processes, so that a modification is achieved with regard to hydrophilicity, hydrophobicity, polar groups or polar reactive groups.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Hohlmembran wenigstens eine zweite Hohlmembran aufweist und/oder als Hohlmembranmatte bzw. -bündel , vorzugsweise aus Polypropylen, ausgebildet ist. Durch die Verwendung einer Hohl faser-in-Hohl fasermembran werden die Anwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Membrankörpers noch weiter gesteigert, da eine weitere Trennstufe durch die zweite Hohlfaser möglich ist. Durch die Anordnung der Hohlmembran als Matte oder Bündel kann die Hohlmembran auf einer Flachmembran leicht angeordnet werden. Es hat sich vor allem gezeigt, daß Polypropylen ein geeigneter Stoff für eine derartige Hohlmembran ist.It is particularly advantageous if the hollow membrane has at least one second hollow membrane and / or is designed as a hollow membrane mat or bundle, preferably made of polypropylene. By using a hollow fiber-in-hollow fiber membrane, the possible uses of a membrane body according to the invention are further increased, since a further separation stage is possible through the second hollow fiber. By arranging the hollow membrane as a mat or bundle, the hollow membrane can easily be arranged on a flat membrane. Above all, it has been shown that polypropylene is a suitable substance for such a hollow membrane.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Flachmembran aus einer Polymerlösung, insbesondere vorzugsweise 10-%igen, Polyacrylnitril/Di ethyl formamid-Polymerlösung, herge- stellt ist, da Polymerlösungen sich bei der Herstellung von Flachmembranen bewährt haben. Dies gilt' insbesondere für Polyacrylnitril/Dimethyl formamid. Eine Steigerung in der mechanischen Stabilität des Membrankörpers läßt sich dadurch erreichen, daß im Membrankörper wenigstens eine Stützeinrichtung, insbesondere mittels Partikel, Vlies oder Gewebe, ausgebildet ist. Bei größeren mechanischen Beanspruchungen sorgt die Stützeinrichtung dafür, daß der Membrankörper nicht zerstört wird. Außerdem kann durch die Stützeinrichtung erreicht werden, daß der Membrankörper für verschiedene Anwendungen formbar bzw. anpaßbar ist' oder gestaltet werden kann.Further advantages result if the flat membrane is produced from a polymer solution, particularly preferably 10% strength, polyacrylonitrile / diethyl formamide polymer solution, since polymer solutions have proven themselves in the production of flat membranes. This applies in particular to polyacrylonitrile / dimethyl formamide. An increase in the mechanical stability of the membrane body can be achieved in that at least one support device is formed in the membrane body, in particular by means of particles, fleece or fabric. With larger mechanical loads, the support device ensures that the membrane body is not destroyed. Furthermore, can be achieved by the support means that the membrane body for various applications is malleable or conformable 'or can be designed.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst mittels eines Verfahrens zur Herstellung eines Membrankörpers, wobei wenigstens eine Hohlmembran mit einer Flachmembran versehen wird, derart, daß die Flachmembran die Hohlmembran wenigstens teilweise umgibt.The object of the invention is further achieved by means of a method for producing a membrane body, at least one hollow membrane being provided with a flat membrane in such a way that the flat membrane at least partially surrounds the hollow membrane.
Ziel des Verfahrens ist es, Hohl- und Flachmembran so zu kombinieren, daß ein Membrankörper entsteht, der für eine gleichzeitige Trennung von mindestens drei Stoffen sorgen kann. Außerdem wird dadurch ein kostengünstiges Herstellungsverfahren erreicht.The aim of the process is to combine the hollow and flat membranes in such a way that a membrane body is formed which can ensure the simultaneous separation of at least three substances. It also achieves an inexpensive manufacturing process.
In vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens wird die Hohlmembran vollständig von nur einer Flachmembran umhüllt. In einer Alternative wird die Hohlmembran von mehreren, insbesondere zwei, Flachmembranen eingeschlossen.In advantageous embodiments of the method, the hollow membrane is completely covered by only one flat membrane. In an alternative, the hollow membrane is enclosed by several, in particular two, flat membranes.
Bevorzugte Weiterbildungen des Herstellungsverfahrens ergeben sich aus der Beschreibung des voranstehend, oben beschriebenen erfindungsgemäßen Membrankörpers. Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens exemplarisch beschrieben.Preferred further developments of the manufacturing method result from the description of the membrane body according to the invention described above and described above. The subject matter of the invention is described below using exemplary embodiments without restricting the general concept of the invention.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Membrankörpers ,1 shows a first embodiment of a membrane body,
Fig. 2a und 2b modifizierte Ausführungsformen eines Membrankörpers, und2a and 2b modified embodiments of a membrane body, and
Fig einen weiteren erfindungsgemäßen Membrankörper.Fig another membrane body according to the invention.
In Fig. 1 ist ein Membrankörper 10 im Querschnitt dargestellt. Der Membrankörper 10 weist eine Flachmembran 12 auf, in die im Querschnitt runde Hohlmembranen 11 eingebettet sind. Die Hohlmembranen 11 sind vollständig von der Flachmembran 12 umgeben. Bei der Herstellung des Membrankörpers 10 wird vor der Einbettung in die Flachmembran 12 die Hohlmembran separat hergestellt. Die Hohlmembran 11 kann vor der Einbettung einzeln oder als Bündel oder als Matte zur Verfügung stehen.In Fig. 1, a membrane body 10 is shown in cross section. The membrane body 10 has a flat membrane 12, in which round hollow membranes 11 are embedded in cross section. The hollow membranes 11 are completely surrounded by the flat membrane 12. In the manufacture of the membrane body 10, the hollow membrane is produced separately before being embedded in the flat membrane 12. The hollow membrane 11 can be available individually or as a bundle or as a mat before embedding.
Die Hohlmembranen 11 können sowohl im Naßspinnprozeß (mit oder ohne Andunststrecke) oder in einem Extruder hergestellt werden.The hollow membranes 11 can be produced both in the wet spinning process (with or without an evaporation section) or in an extruder.
Die Einbettung von Hohlmembranen 11 in die Flachmembran 12 kann durch Ziehen einer Polymerlösung mit einem Rakel über die Hohlmembranen 11 oder mittels einer Doppelschlitzdüse erfolgen. Die Doppel schl i tzdüse kann ein oder mehrere Polymere auf beide Seiten einer Hohlmembran oder Hohlmembranmatte oder -bündel aufbringen.Hollow membranes 11 can be embedded in the flat membrane 12 by pulling a polymer solution with a doctor blade over the hollow membranes 11 or by means of a double slot nozzle. The double slot nozzle can be or apply several polymers to both sides of a hollow membrane or hollow membrane mat or bundle.
Sowohl die Flachmembran 12 als auch die Hohlmembran 11 kann aus einem oder mehreren Polymeren bzw. Copoly eren bestehen. Die Flachmembran 12 kann außerdem aus einer oder mehreren Schichten, hergestellt aus einem oder mehreren Polymeren bzw. Copolymeren, bestehen.Both the flat membrane 12 and the hollow membrane 11 can consist of one or more polymers or copoly eren. The flat membrane 12 can also consist of one or more layers made of one or more polymers or copolymers.
In beiden Membranen 11, 12 können Partikel, Vliese, Gewebe oder andere Membranstützstoffe zur Ausbildung eines mechanisch stabilen Membrankörpers enthalten sein.Both membranes 11, 12 can contain particles, nonwovens, fabrics or other membrane support materials to form a mechanically stable membrane body.
Als Hohlmembran 11 kann eine gewöhnliche Hohlmembran (genannt auch Hohl fasermembran) verwendet werden. Selbstverständlich ist es möglich, daß in der Hohlfasermembran eine weitere Hohlfaser angeordnet ist.An ordinary hollow membrane (also called a hollow fiber membrane) can be used as the hollow membrane 11. Of course, it is possible for a further hollow fiber to be arranged in the hollow fiber membrane.
Darüber hinaus läßt sich durch eine chemische oder strahlenchemische Reaktion eine bessere Verbindung bzw. Vernetzung beider Membranen 11, 12 erreichen.In addition, a better connection or crosslinking of the two membranes 11, 12 can be achieved by a chemical or radiation chemical reaction.
In den Figuren 2a und 2b sind Membrankörper 10 ebenfalls im Querschnitt dargestellt, bei denen die Hohlmembranen 11 nur teilweise bzw. abschnittsweise von der Flachmembran 12 umgeben wird. Während sich in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2a Hohlmembran 11 und Flachmembran 12 im Wechsel angeordnet sind, ist im Ausführungsbeispiel in Fig. 2b die Hohlmembran nur teilweise eingebettet in die Flachmembran 12. Hier ragt ein Teil der Hohlmembran 11 aus der flächigen Membran 12 heraus.In FIGS. 2a and 2b, membrane bodies 10 are likewise shown in cross-section, in which the hollow membranes 11 are only partially or partially surrounded by the flat membrane 12. While the hollow membrane 11 and the flat membrane 12 are arranged alternately in the exemplary embodiment in FIG. 2a, the hollow membrane is only partially embedded in the flat membrane 12 in the exemplary embodiment in FIG. 2b. Here, a part of the hollow membrane 11 protrudes from the flat membrane 12.
Bei dem Membrankörper 10 in Fig. 3 ist die Hohlmembran 11 zwischen zwei Flachmembranen 12 angeordnet. Die beiden Flachmembranen 12 an der Ober- und Unterseite der Hohlmembran 11 berühren sich nicht und bilden in Kombination mit zwei benachbarten Hohlmembranen 11 jeweils einen Zwischenraum 13 aus. Dieser Zwischenraum 13 kann in Anwendungen auch als Zuführ- oder Abführleitung verwendet werden.In the membrane body 10 in FIG. 3, the hollow membrane 11 is arranged between two flat membranes 12. The two flat membranes 12 on the top and bottom of the Hollow membrane 11 do not touch and each form an intermediate space 13 in combination with two adjacent hollow membranes 11. This space 13 can also be used in applications as a feed or discharge line.
Die Herstellung des Membrankörpers 10 ist in allen drei Ausführungsbeispielen mit wenig Aufwand zu erreichen. Die Herstellung des Membrankörpers 10 kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich betrieben werden .The manufacture of the membrane body 10 can be achieved with little effort in all three exemplary embodiments. The membrane body 10 can be produced both continuously and discontinuously.
Darüber hinaus ist es gem. der Erfindung vorgesehen, mehrere Flachmembranschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich Permeabilität, Selektivität etc. zu verwenden.In addition, it is gem. the invention provided to use several flat membrane layers with different properties in terms of permeability, selectivity, etc.
Des weiteren ist eine nacheinander oder gleichzeitige Einbettung von (mehreren) Hohlmembranen in mehrere Flachmembranschichten gleichen oder unterschiedlichen Materials möglich, um eventuell und je nach Anforderung anschließend eine oder mehrere Schichten wieder herauszulösen. Durch das Herauslösen von mindestens einer Schicht kann bspw. ein Zwischenraum 13, wie im Ausführungsbeispiel in Fig. 3 gezeigt, erreicht werden.Furthermore, one after the other or simultaneous embedding of (several) hollow membranes in several flat membrane layers of the same or different material is possible, in order to eventually remove one or more layers depending on the requirements. By removing at least one layer, for example, an intermediate space 13, as shown in the exemplary embodiment in FIG. 3, can be achieved.
Der erfindungsgemäße Membrankörper kann aufgrund seiner mehrfachen Trennung von Stoffen in zahlreichen Gebieten eingesetzt werden.The membrane body according to the invention can be used in numerous areas due to its multiple separation of substances.
Bioreaktoren mit Membranen finden beispielsweise Anwendung in biotechnologischen und biomedizinischen Bereichen, in denen adhäsionsabhängige und adhäsionsunabhängige Zellen in Kultur gehalten werden. Die Membranen wirken einerseits als Di ffussionsbarriere, um den Eintritt oder Austritt bestimmter Stoffe in gewünschter Weise zu regulieren. Die Hohlfaser in einem erfindungsgemäßen Membrankörper kann vorzugsweise für die Oxyge- nierung von Medien und damit von Zellen verwendet werden. Darüber hinaus sollen die Membranen als Support für adhäsionsabhängige Zellen dienen, wobei die Zellen direkt auf einer Seite einer Flachmembran oder in der Hohl fasermembran bzw. in ausgebildeten Zwischenräumen (siehe Fig. 3) des Membrankörpers kultiviert werden.Bioreactors with membranes are used, for example, in biotechnological and biomedical areas in which adhesion-dependent and adhesion-independent cells are kept in culture. On the one hand, the membranes act as a diffusion barrier around which To regulate the entry or exit of certain substances in the desired manner. The hollow fiber in a membrane body according to the invention can preferably be used for the oxygenation of media and thus of cells. In addition, the membranes are intended to serve as support for adhesion-dependent cells, the cells being cultivated directly on one side of a flat membrane or in the hollow fiber membrane or in formed spaces (see FIG. 3) of the membrane body.
Darüber hinaus können bei einer partiellen Einbettung der Hohl fasermembran in die Flachmembran Zellen auf der Außenseite der Hohlfasern zum Teil kultiviert werden und zum anderen Teil auf der Seite der Flachmembran. Eine derartige Hohl- und Flachmembrankonstruktion erlaubt somit eine Zufuhr von zwei oder drei Versorgungsmedien über eine Hohl- oder Flachmembran, wie zum Beispiel eine verbesserte Sauerstoffversorgung für Zellen. Ein Membrankörper, wie in Fig. 3 dargestellt, kann beispielsweise als Bioreaktor für eine künstliche Leber verwendet werden.In addition, with a partial embedding of the hollow fiber membrane in the flat membrane, cells on the outside of the hollow fibers can be cultivated in part and in part on the side of the flat membrane. Such a hollow and flat membrane construction thus allows a supply of two or three supply media via a hollow or flat membrane, such as an improved oxygen supply for cells. A membrane body, as shown in FIG. 3, can be used, for example, as a bioreactor for an artificial liver.
Eine weitere Anwendung des Membrankörpers ist im technischen Bereich möglich, wobei die Hohlmembran des Membrankörpers als zusätzliche Stoff- oder Wärmebarriere fungieren kann. Alternativ besitzt die Hohlmembran des Membrankörpers die Funktion einer Stoff- oder Wärmebrücke. Ein Durchströmen der Hohlmembran mit einem Medium ist von der jeweiligen Anwendung abhängig und ist folglich anwendungsspezifisch nicht immer notwendigerweise erforderlich.A further application of the membrane body is possible in the technical field, whereby the hollow membrane of the membrane body can act as an additional material or heat barrier. Alternatively, the hollow membrane of the membrane body has the function of a fabric or thermal bridge. A flow through the hollow membrane with a medium depends on the particular application and is therefore not always necessary, depending on the application.
Eine oder beide Membranentypen können selektiv wirken bei Prozessen wie bspw. der Gasseparation, Pervapora- tion, Dämpfepermeation oder beim Gaseintrag einer oder mehrerer Gase in fluide Medien. Die Selektivitäten und/oder Permeabili äten der Hohl- und Flachmembran können entsprechend dem Anwendungsziel größer oder kleiner sein als die der entstandenen Hohl-, Flachmembrankonstruktion. Eine Strömungsführung der Medien kann in der Hohlmembran und/oder an der Flachmembran erfolgen .One or both membrane types can act selectively in processes such as gas separation, pervaporation, vapor permeation or when one or more gases are introduced several gases in fluid media. The selectivities and / or permeabilities of the hollow and flat membrane can be larger or smaller than that of the resulting hollow, flat membrane construction, depending on the application goal. The media can flow in the hollow membrane and / or on the flat membrane.
Beispielsweise kann dadurch die Abtrennung zweier Komponenten aus einem Mehrstoffgemisch mit anschließender gerichteter Selektion erfolgen.For example, this allows two components to be separated from a multicomponent mixture with subsequent directional selection.
Hierbei ist die Hohlmembran je zu einer Hälfte in bspw. je ein unterschiedliches Polymer eingebettet und ist permeabel für bspw. zwei Komponenten eines Fluids. Beide Komponenten würden in Abhängigkeit von der angelegten Triebkraft (bspw. Druck, Konzentration) durch die Hohlmembran permeieren und entsprechend den Eigenschaften der beiden Fl ach embranschichten i n Abhängigkeit von der Triebkraft (bspw. Ladung, Konzentration) je zu einer Seite der Membran abgetrennt werden.Half of the hollow membrane is embedded in a different polymer, for example, and is permeable to, for example, two components of a fluid. Both components would permeate through the hollow membrane depending on the applied driving force (e.g. pressure, concentration) and would be separated depending on the properties of the two flat membrane layers depending on the driving force (e.g. charge, concentration) on each side of the membrane.
In einem ersten Verfahrensschritt mit der Hohl-Flach- membran-Konstruktion wird zunächst die Abtrennung von zwei Komponenten eines Fluids erreicht. Diese beiden Komponenten werden anschließend dann selbst voneinander getrennt.In a first process step with the hollow flat membrane construction, the separation of two components of a fluid is first achieved. These two components are then separated from each other.
In Analogie dazu würde man das gleiche Trennergebnis bei einer Abtrennung zweier Komponenten aus einem Fluid mit anschließender Selektion der zwei Komponenten erhalten, wenn das Fluid eine Seite der Flachmembran kontaktiert, zwei Komponenten triebkraft- und/oder material abhängig abgetrennt werden. Die eine triebkraft- und/oder materialabhängige Komponente permeiert in die Hohlmembran, während die Antriebkomponente durch die Flachmembran permeiert, ohne in die Hohlmembran zu permeieren. In analogy to this, the same separation result would be obtained if two components were separated from a fluid with subsequent selection of the two components, if the fluid contacted one side of the flat membrane and two components were separated depending on the driving force and / or material. The one component that depends on the driving force and / or material permeates into the hollow membrane, while the drive component permeates through the flat membrane without permeating into the hollow membrane.
Bezuqszeichenl isteReference sign list
10 Membrankörper10 membrane bodies
11 Hohlmembran11 hollow membrane
12 Flachmembran12 flat membrane
13 Zwischenraum 13 space

Claims

Membrankörper sowie Verfahren zur Herstellung desselbenPatentansprüche Membrane body and method for producing the same patent claims
1. Membrankörper (10) mit wenigstens einer Flachmembran (12), die wenigstens eine Hohlmembran (11) wenigstens teilweise umgibt.1. membrane body (10) with at least one flat membrane (12) which at least partially surrounds at least one hollow membrane (11).
2. Membrankörper (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) von einer Flachmembran (12) vollständig umgeben ist.2. Membrane body (10) according to claim 1, characterized in that the hollow membrane (11) is completely surrounded by a flat membrane (12).
3. Membrankörper (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) von wenigstens zwei Flachmembranen (12) umgeben ist.3. Membrane body (10) according to claim 1, characterized in that the hollow membrane (11) is surrounded by at least two flat membranes (12).
4. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) und Flachmembran (12) miteinander verbunden, insbesondere vernetzt, sind. 4. Membrane body (10) according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the hollow membrane (11) and flat membrane (12) are interconnected, in particular cross-linked.
5. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) und/oder die Flachmembran (12) aus wenigstens einem Polymer und/oder Copolymer hergestellt i st.5. Membrane body (10) according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the hollow membrane (11) and / or the flat membrane (12) made from at least one polymer and / or copolymer i st.
6. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) wenigstens eine zweite Hohlmembran aufweist und/oder als Hohlmembranmatte bzw. Strichbündel, vorzugsweise aus Polypropylen, ausgebildet ist.6. Membrane body (10) according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the hollow membrane (11) has at least one second hollow membrane and / or is formed as a hollow membrane mat or line bundle, preferably made of polypropylene.
7. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren ■ der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachmembran (12) aus einer Polymerlösung, insbesondere, vorzugsweise 10 %igen, Polyacrylnitril/Dimethyl for amid-Pol mer! ösung, herge- stel 1 t ist.7. membrane body (10) according to one or more ■ of claims 1 to 5, characterized in that the flat membrane (12) from a polymer solution, in particular, preferably 10%, polyacrylonitrile / dimethyl for amide Pol mer! solution, manufactured 1 t.
8. Membrankörper (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stützeinrichtung, insbesondere mittels Partikel, Vlies- oder Gewebe, ausgebildet ist.8. membrane body (10) according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that at least one support device, in particular by means of particles, fleece or fabric, is formed.
9. Verfahren zur Herstellung eines Membrankörpers (10), dadurch gekennzeichnet, daß zunächst wenigstens eine Hohlmembran (11) hergestellt wird und nachfolgend wenigstens mit einer Flachmembran (12) versehen wird, derart, daß die Flachmembran (12) die Hohlmembran (11) wenigstens teilweise umgibt.9. A method for producing a membrane body (10), characterized in that at least one hollow membrane (11) is first produced and subsequently at least one flat membrane (12) is provided, such that the flat membrane (12), the hollow membrane (11) at least partially surrounds.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) und die Flachmembran (12) miteinander verbunden, insbesondere vernetzt, werden. 10. The method according to claim 9, characterized in that the hollow membrane (11) and the flat membrane (12) are connected to one another, in particular cross-linked.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) und/oder die Flachmembran (12) aus wenigstens einem Polymer und/oder Copolymer hergestellt wird.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the hollow membrane (11) and / or the flat membrane (12) is made of at least one polymer and / or copolymer.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlmembran (11) mit einer zweiten Hohlmembran und/oder als Hohlmembranmatte bzw. -bündel , vorzugsweise aus Polypropylen, hergestellt wird.12. The method according to one or more of claims 9 to 11, characterized in that the hollow membrane (11) with a second hollow membrane and / or as a hollow membrane mat or bundle, preferably made of polypropylene.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11,- dadurch gekennzeichnet, daß die Fl ach embran- (12) aus einer Polymerlösung, insbesondere, vorzugsweise 10-%igen, Polyacrylnitril/Dimethyl formamid-Polymer! ö- sung, hergestellt wird.13. The method according to one or more of claims 9 to 11, - characterized in that the flat membrane (12) from a polymer solution, in particular, preferably 10%, polyacrylonitrile / dimethyl formamide polymer! solution is produced.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stützeinrichtung, insbesondere mittels Partikel, Vlies oder Gewebe, ausgebildet wird.14. The method according to one or more of claims 9 to 13, characterized in that at least one support device, in particular by means of particles, fleece or fabric, is formed.
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