EP1877166A2 - Crossflow-filtermembran, membranmodul, verbindungselement zum verbinden von modulkissen, verfahren zur herstellung eines modulelements, modul zur crossflow-filtration, verfahren zur crossflow-filtration und verwendung eines filters - Google Patents

Crossflow-filtermembran, membranmodul, verbindungselement zum verbinden von modulkissen, verfahren zur herstellung eines modulelements, modul zur crossflow-filtration, verfahren zur crossflow-filtration und verwendung eines filters

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Publication number
EP1877166A2
EP1877166A2 EP06763075A EP06763075A EP1877166A2 EP 1877166 A2 EP1877166 A2 EP 1877166A2 EP 06763075 A EP06763075 A EP 06763075A EP 06763075 A EP06763075 A EP 06763075A EP 1877166 A2 EP1877166 A2 EP 1877166A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
filtrate
module
module element
filter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06763075A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Gans
Jürgen Ebert
Werner Loser
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.)
Filtrox Werk AG
Original Assignee
Filtrox Werk 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 Filtrox Werk AG filed Critical Filtrox Werk AG
Priority to EP06763075A priority Critical patent/EP1877166A2/de
Publication of EP1877166A2 publication Critical patent/EP1877166A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/02—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor characterised by their properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
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    • B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
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    • B01D69/141—Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/20—By influencing the flow
    • B01D2321/2008—By influencing the flow statically
    • B01D2321/2025—Tangential inlet

Definitions

  • Crossflow filter membrane, membrane module, connector for connecting module cushions method for producing a module element, module for crossflow filtration, method for crossflow filtration and use of a filter
  • the invention relates to a crossflow filter membrane, a membrane module, a connection element for connecting module cushions, a method for producing a module element, a module for crossflow filtration, the use of a filter and a method for crossflow filtration according to the independent patent claims.
  • crossflow filters for the filtration of liquids is known in the art. Examples of crossflow filters can be found in EP 1 302 227 or EP 208 405.
  • membranes with a thin active area of less than 20 ⁇ m are used.
  • the active region is that region of the membrane in which the actual filtration takes place.
  • this is usually only a small proportion in the thickness of the membrane.
  • the remaining membrane serves as a supporting body and has no decisive influence on the filtration.
  • the membranes are made in particular of plastic or ceramic, or of glass or metal. An example of ceramic membranes can be found in DE 198 46 041.
  • EP 1475 142, SU 1352701 or SU 788480 disclose membrane modules comprising a filter pad of two filter membranes arranged parallel to one another, a filtrate drainage channel being formed on the filtrate side, and the at least one drainage zone for discharging into the filtrate drainage channel have collected permeate in a Filtratab- run.
  • connecting areas are formed on both non-filtrate-side surfaces of the filter pad. These connection areas can be welded together after stacking the membrane modules. This prevents unfiltered liquid from entering the filtrate outlet from the unfilled area between the membrane modules.
  • connection areas permit the outflow of the permeate from the filter cushions, on the other hand, they have to close off the spaces between the nonfiltrate-side surfaces of adjacent filter cushions in a liquid-tight manner to the filtrate outlet.
  • Object of the present invention is to overcome the disadvantages of the known and in particular to provide a membrane for the crossflow filtration, which is inexpensive to produce and can be used with high flow rates. It is another object of the invention to ensure easy handling of the filter.
  • modular elements are to be created that are inexpensive to manufacture, easy to assemble and can be combined into stacks and also achieve a good filtering effect.
  • the inventive crossflow filter membrane has an active area of at least 1 mm, preferably over 2 mm.
  • the active region extends over the entire membrane thickness, so that the membrane can be used over its entire thickness for filtration.
  • membranes with a relatively thick active area are particularly suitable for crossflow filtration.
  • the membrane is preferably constructed from a framework of fibers.
  • the fibers may be of organic or inorganic origin. Particularly suitable are cellulose fibers. Additives such as kieselguhr, perlite or other fillers can be incorporated in the three-dimensional fiber structure.
  • the basic structure of the membrane is based on a framework of cellulose fibers.
  • cellulose fibers of different origin can be used. Not only wood fibers but other fibers, eg hemp fibers can be used or mixed together. But there are also conceivable membranes based on other fibrous compounds, for example on plastic, metal or glass fibers.
  • the membrane may also be constructed asymmetrically, i. that the fiber density, the fiber sizes and / or and the additives are not distributed homogeneously over the entire membrane thickness.
  • the distribution of the fibers and the additives is preferably selected such that in the area adjacent to the unfiltrate-side surface of the membrane the membrane is designed to filter relatively coarse particles.
  • the structure of the membrane changes such that finer fractions are filtered out of the liquid, the closer a corresponding membrane region is to the filtrate-side surface. The finest particles are retained in an area adjacent to the filtrate side surface of the membrane.
  • An advantage with this arrangement is that the flow through the membrane is greater overall. Coarse particles are retained on the surface in the cross-flow principle.
  • Finer particles are retained in the interior of the membrane as the liquid passes through the membrane. Due to the filtration of fine particles in the depth of the membrane, the membrane at the unfiltrat Schemeen surface can be formed so that only the largest particles are retained. The flow rate is not affected too much. In particular, it is conceivable to provide additives, in particular kieselguhr, in a greater concentration in a region adjacent to the filtrate side of the membrane.
  • fibers with a length of 0.5mm to 10mm can be used.
  • Particularly advantageous additives are added to the basic structure of the membrane. These may be, for example, kieselguhrs or perlites. Other examples of additives are generally charged particles or polar compounds that attract electrically charged debris. These improve the filtration performance of the membrane through increased adsorption.
  • Further conceivable additives are resins, chitin or fibers with other properties, for example in length or tensile strength, as the main fibers of the basic structure.
  • it is conceivable to increase the tensile strength of the membrane in which hemp fibers are added to the membrane and / or in which a relatively high proportion of resin is used.
  • the tensile strength can be over 100N / 50mm, typically 400N / 50mm.
  • Crossflow filter membranes according to the present invention are inexpensive to produce. They have high flow rates over a long period of time. In addition, they are easy to clean during operation. Due to the low cost, they could also be used as disposable products. Advantageously, however, the membranes are regenerated several times.
  • a large cross-flow velocity is to be used to prevent deposits from forming on the surface of the membrane and blocking it.
  • a membrane according to the present invention it is possible in particular to take up fine particles and colloids in the three-dimensional structure of the membrane, that is to say in the depth of the membrane.
  • the pore size of the membrane can be chosen to be larger, especially in the unfiltrate side surface area than in conventional crossflow membranes. As a result, the flow through the membrane is greater, resulting in an improved Fii- service allowed.
  • Conventional membranes are driven at a relatively high cross-flow velocity to remove particles deposited on the surface. In particular, colloids tend to adhere strongly to the surface. Therefore, large cross-flow velocities are necessary.
  • colloidal substances are taken up in the depth of the membrane.
  • the pressure gradient across the membrane is correspondingly reduced.
  • the membrane has reversible compressible properties. This means that the membrane is compressed under pressure, but relaxes again when the pressure is released.
  • the membrane is compressed at a pressure drop of 1 bar by 50% of the thickness and recovered after canceling the pressure difference to at least 95% of the thickness. Particularly advantageous the membrane recovers completely after releasing the pressure.
  • a reversibly compressible membrane is particularly easy to clean directly in the filter system. Due to the transmembrane pressure, the membrane is compressed during operation. For cleaning, the transmembrane pressure is reduced in terms of process technology. As a result, the membrane expands again and the pores widen. Particles contained therein can be easily mixed with a liquid, e.g. with water, be flushed out.
  • a gentle cleaning by means of a weak liquor may be provided. be taken.
  • the filter performance of the regenerated membrane corresponds to the original filter performance.
  • the framework of the membrane is preferably constructed such that the retention rate of the membrane according to the invention corresponds to the retention rate of a conventional plastic or ceramic membrane having a pore size of 0.2 ⁇ m to 1.2 ⁇ m in beer filtration.
  • the membrane of the invention is preferably constructed so that a logarithmic reduction rate for yeast cells of the beverage industry of at least 10 10 is achieved.
  • Pore sizes of the membrane according to the invention can be determined, for example, using a "capillary flow analysis" measuring instrument from Porous Materials, Inc., Ithaca, NY, USA
  • the membrane framework is preferably constructed such that the smallest detected pore is in the range of about 0.5 1 ⁇ m, the largest detected pore is in the range between 10 ⁇ m and 20 ⁇ m and the average pore size ("mean flow pore diameter") is between 2 ⁇ m and 8 ⁇ m, preferably between approximately 2 ⁇ m and 4 ⁇ m. Due to the filtration effect in the depth of the membrane according to the invention, even with such relatively large pore sizes, the same retention rates can be achieved as with conventional membranes having smaller pore sizes.
  • a protective layer and / or a spacer In order to protect the surface of the membrane against damage and wear, it is advantageously provided with a protective layer and / or a spacer.
  • a spacer or such a protective layer can be provided both on the filtrate side as well as on the non-filtrate surface of the membrane.
  • the protective layer on the non-filtrate side surface is advantageous.
  • This protective layer or the spacer can for example consist of a fabric and / or provided with openings plastic. With such a spacer, the life of the membrane be extended further.
  • the spacer can be firmly connected to the membrane, but can also only be laid on or weakly fixed and pressed by the operating pressure.
  • a fabric nonwoven may be used in combination with a spacer plastic net to form fluid channels.
  • a spacer is suitable in which the grid size corresponds approximately to the fiber length of the underlying membrane. This results in a particularly good support of the underlying membrane. The impairment of the membrane by protruding into grid interstices or protruding fibers is thereby prevented.
  • the membrane of the invention is also substantially free of aluminum, iron or heavy metals.
  • the membrane is preferably low in pyrogen 0.12 EU / ml (endotoxin unit) and low in ions.
  • the module element for installation in a crossflow filter.
  • the module element according to the invention comprises at least one membrane with the properties described above.
  • the module element comprises inlet and / or outlet lines for the unfiltered or filtrate.
  • the module element comprises at least two membranes.
  • two membranes are particularly advantageously connected to one another in such a way that the filtrate outflow is arranged between the two membranes and insulated from the unfilted chamber.
  • Several module elements can be connected to form a stack. At least one module element or a stack of module elements is clamped in a housing. In this way, a filter module is formed.
  • the use of modular elements simplifies and accelerates the exchange of used membranes for new membranes. Thereby Time and cost can be saved when maintaining the filter.
  • a module element in particular having the properties described above, comprising a filter pad of two filter membranes arranged parallel to one another, wherein a filtrate drainage channel is formed on the filtrate side, and the at least one drainage region is for discharging collected in the filtrate drainage channel Permeate has in a filtrate.
  • the module element comprises at least one connecting element defining the filtrate outlet, which adjoins the at least one outflow region on an unfiltrate-side surface of the filter pad, through which a region in which non-filtrate is located can be sealed off against the filtrate outlet and the at least one closure element for a positive fit with at least one closure element has at least one further connecting element.
  • the filter module solves the problem underlying the invention independently, especially in connection with the previously described membranes.
  • the filter pad is constructed in particular of filter membrane plates whose edges are also arranged parallel to each other and form the edge of the filter pad.
  • the connecting element seals off the filtrate outlet from the filtrate, which is located on the side of the filter pad against which the connecting element rests.
  • the module element has, with the connecting element itself, an element via which it can be connected to other connecting elements. is bindable.
  • the attachment of the module element and the seal to the unfiltered area can therefore be carried out without further fastening or sealing means or a further manufacturing step, which facilitates the manufacture and assembly and reduces the associated costs.
  • the module element preferably has a connecting element which can be connected on both sides to at least one similar connecting element of at least one further module element.
  • the fasteners allow a bilateral connection, ie in both directions of the vertical surface of the filter pad.
  • the module elements are connectable to module stacks, wherein the filtrate is formed by the connecting elements and sealed against the unfiltered.
  • each connecting element can simultaneously be counterpart to a similar connecting element. Accordingly, each stackable module element including the connecting element may be of similar construction, wherein the shape of the connecting elements may be identical. This in turn simplifies the production, since only one type of fasteners must be made. In injection molding, only one mold is needed. The assembly is facilitated because no special arrangement or sequence of fasteners is to be considered.
  • closure elements are advantageously an integral part of the connecting elements.
  • the at least one closure element comprises pins and recesses, wherein the recesses for receiving pins of an adjacent connecting element and for forming the Serve snap closure.
  • the pins serve in an analogous manner for insertion into recesses of a further adjacent connecting element.
  • Module elements with such fasteners can be fastened together without tools or only with a simple pressing tool.
  • the fasteners abut an unfiltrate side surface of the membrane pad near the drainage area. They prevent unfiltrate from entering the filtrate outlet.
  • the connecting elements advantageously have a first contact surface, with which they rest adjacent to the outflow region on an unfiltrate side surface of the membrane cushion, and also a further contact surface for a membrane cushion of another module element.
  • the space between two adjacent filter pads is closed in the vicinity of the at least one drain region by the connecting element, so that no unfiltered from the Unfiltrat Scheme, which forms between the unfiltrat Clausen surfaces of two mutually parallel similar module elements, can get into the filtrate.
  • the closure elements of the connecting elements ensure a certain distance between two adjacent connecting elements. This distance facing contact surfaces of adjacent connecting elements is dimensioned so that is adapted to the thickness of a filter pad. The discharge region of a filter pad can be clamped between the contact surfaces of two adjacent connecting elements.
  • At least one connecting element preferably provided extensions which hook into the membrane.
  • the extensions are advantageously on the contact surface and press into the membrane.
  • the outflow region of a module element is preferably arranged in the middle of the surface of the filter pad, particularly preferably centrally.
  • the drainage area is in particular circular.
  • the connecting element may be formed as an annular flange which encloses the filtrate drain.
  • the module element has a filter pad whose edge region, which comprises the entire edge of the filter pad except the at least one drain region, is sealed liquid-tight.
  • the filter pad consists of at least two plate-shaped, mutually parallel membranes, between which the Filtratabhnekanal is formed.
  • a liquid transfer from the unfiltrate side to the filtrate side should be effected exclusively through the membrane.
  • the edge of the pillow must therefore be closed. Excluded is only the discharge area through which the permeate enters the filtrate. In the vicinity of the drainage area, the unfiltrate is prevented from the connecting elements from reaching the filtrate side.
  • the edge region may comprise the entire outer edge of the filter pad when the drainage region is arranged within the membrane surface, for example as a central opening.
  • the liquid-tight sealed edge region may be formed as a non-detachable frame made of plastic, which forms the Stability of the pillow increased.
  • the filter pad is then one-piece and can be easily mounted.
  • the conclusion is preferably made by encapsulation or welding, which are cost-effective and leak-tightness assurance methods.
  • the sealingly closed edge region is preferably designed such that adjoining edge regions of adjacent module elements, with the exception of regions in which unfiltrate can flow in and out, form a positive connection.
  • pins and recesses for a snap fit with an adjacent module element are arranged on the edge region.
  • an edge region can be connected on both sides to a similar edge region of at least one further module element. Similar module elements are aligned when stacked, which facilitates stacking.
  • a filtrate spacer forms a filtrate drainage channel, by means of which the filtrate is passed through a connection piece into a filtrate outlet.
  • This filtrate effluent is isolated from the feed and effluent for the unfiltrate.
  • the filtrate spacer at least in a part of its edge region on at least one stop on which abuts at least one membrane.
  • the stopper may be embodied as a surface that is perpendicular to the surface of the filtrate spacer.
  • the stop surface may be in the direction of both Extend membranes and thus form a stop for the two membranes.
  • the edge of the membranes is protected by the stop and the installation of the filter pad is made easier, since the outer contours of the membranes and the filtrate spacer can be aligned with one another by means of the stop.
  • the filtrate spacer closes off the edge region of the filter pad, which comprises the entire edge of the filter pad except for the at least one outflow region, in a liquid-tight manner.
  • the filtrate spacer may, for example, have a thickening in the edge region, so that the edge region of the two membranes is completely filled over the distance, except in the discharge region. If filtrate spacers and membranes at the edge region firmly connected to each other, for example by gluing, welding or by pressing together, the edge region is liquid-tight.
  • the module element are between the membranes and the filtrate spacer fleece deposits.
  • the fleece inserts prevent the filtrate spacer from pressing into the membrane, deforming or injuring it.
  • plastic membrane inserts preferably with a pore size between 0, l ⁇ m and 0.6 ⁇ m, be arranged between the membranes and the filtrate spacer plastic membrane inserts.
  • the membrane inserts can provide an additional filtering effect and retain particles from the filtrate drainage channel.
  • the plastic membrane inserts in particular form a safety barrier for particles that inadvertently penetrate the membrane. It is important above all that such particles do not get into the filtrate. It may therefore be sufficient if at least one plastic membrane insert, for example with a pore size between 0. 1 ⁇ m and 0.6 ⁇ m, is located in the cross-section of the filtrate drainage channel, in particular in the vicinity of the drainage zone.
  • the drainage area can be closed with a plastic membrane insert.
  • a channel for unfiltrate is formed between the unfiltrate side surfaces of adjacent membranes. This is particularly useful when a module element comprises two or more membranes.
  • the channel for the non-filtrate is formed by a non-filtrate spacer.
  • An unfiltrate space formed between the unfiltrate-side surfaces of adjacent membranes is preferably open at the side of the module.
  • the object underlying the invention is also achieved by a module element, in particular with the properties described above, with a non-filtrate spacer having a groove structure.
  • the unfiltrate can be conducted over the membrane surface and preferably past the outflow region.
  • the grooves have a shape through which the unfiltered material is guided from the inlet region to the outlet region, while the membrane is overflowed as uniformly as possible and past the discharge region.
  • the unfiltrate spacer may be designed so that the drainage area is liquid-tight with respect to unfiltered material.
  • the unfilled Rat spacer here the unfiltrate side space between two adjacent membranes.
  • the connecting element and the Unfiltratabstandshalter may be integrally formed.
  • the unfiltrate spacer has positioning tongues which engage in corresponding recesses in the edge region of the filter pad. Unfiltrate spacers can thus be easily aligned on filter pads, which simplifies the stacking of modular elements.
  • the unfiltrate spacer is therefore preferably an injection-molded part.
  • the connecting element serves to connect filter cushions arranged side by side from two filter membranes arranged parallel to one another, wherein a filtrate drainage channel is formed on the filtrate side between the membranes, comprising at least one drainage area for discharging permeate collected in the filtrate drainage channel which opens into a filtrate outlet.
  • the connecting element can be placed adjacent to the at least one outflow region on an unfiltrate-side surface of the filter pad.
  • the connecting element has at least one closure element for positive locking with at least one closure element of at least one further connecting element.
  • the connecting element is connectable on both sides with at least one similar connecting element of at least one further module element.
  • the connecting element can be put on or attached to a filter pad, so that it can be connected without further aids and / or tools or only with a simple pressing tool with further filter pads and located between the filter pads Unfiltrat Schemee be sealed for Filtratablauf.
  • a connecting element serves as another similar connecting elements as a counterpart. For stacking of modular elements, therefore, only one type of connecting elements is necessary.
  • the connecting element is an injection molded part, which can be produced inexpensively in large quantities.
  • the invention further comprises a method for producing a module element, in particular as described above, with the following method steps: (i) stacking up a first membrane, a filtrate spacer and a second membrane, (ii) coating the edge, except the at least one outflow region, and (iii) Create connection element.
  • At least one outflow region preferably in the middle of the membrane surfaces, can be formed by punching and / or cutting the stack.
  • the at least one outflow region can alternatively be formed during the production or when the membranes are cut.
  • a non-filtrate spacer can be placed.
  • the module elements produced in this way can be stacked without tools or with a simple pressing tool to form modules.
  • the invention also comprises a module for crossflow filtration, which consists of a stack of 2-100 modular elements, according to the above description.
  • the invention comprises a method for cross-flow filtration of a liquid, in which the liquid is passed along a membrane as described above.
  • the liquid is passed over the membrane at a flow rate of between 0.1 and 2 m / s, in particular 0.1 to 1 m / s.
  • a particularly efficient filter performance is possible.
  • the energy for circulating the liquid is reduced by the low speed compared to conventional methods.
  • the transmembrane pressure is typically between 0.1 and 2 bar.
  • the flow rate through the membrane can be controlled, for example by adjusting the transmembrane pressure across the membrane.
  • the flow rate could be regulated to a constant value, but a predetermined time course may also be advantageous.
  • the flow rate can be, for example, 100 to 2001 / m 2 h in the beverage filtration.
  • Another aspect of the invention relates to a method for purifying the previously described crossflow filter membrane.
  • the crossflow filter membrane reduces the transmembrane pressure compared to the pressure drop during filtration.
  • the reduction of Transmembranducks is at least 50%.
  • Another aspect of the invention relates to a process for the filtration of liquids.
  • the liquid is guided in cross-flow along a membrane, wherein relatively coarse particles are retained on the surface of the membrane.
  • the fluid freed from these coarse particles passes across the membrane.
  • finer particles are retained in the depth of the membrane and filtered out of the liquid.
  • This aspect of the invention therefore relates to a method of filtration, which combines known cross-flow filtration principles with per se known depth filtration principles in one and the same filter membrane.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a membrane according to the invention
  • 2 shows a schematic representation of the filter-active region of the membrane according to FIG. 1,
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a membrane according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a crossflow filter with the membrane from FIG. 1, FIG.
  • FIG. 6 a graphical representation of transmembrane pressure and flux of a membrane according to the invention over time
  • FIG. 7 shows a plan view of a module element according to the invention
  • FIG. 8 shows a sectional illustration of a plurality of stacked module elements along a sectional plane A-A in FIG. 7,
  • FIG. 9 shows an enlarged detail C of the illustration in FIG.
  • FIG. 8 with the connecting elements of modular elements
  • FIG. 10 shows an enlarged section D of the illustration in FIG. 8 with edge regions of filter pads
  • FIG. 11 alternatively executed edge regions of filter pads
  • FIG. 12 shows a sectional representation of a plurality of stacked module elements along a sectional plane B-B in FIG. 7,
  • FIG. 13 is a perspective view of a stack of modular elements with an unfiltrate spacer
  • Figure 14 a perspective view of a connecting element.
  • Fig. 1 and 2 an inventive membrane 1 is shown.
  • the membrane 1 consists primarily of a three-dimensional fiber structure 2 made of fibers 4. 55% of the dry weight of the membrane 1 are given by the fiber fabric 4 and resin. Of these, 15% of Weight chitin fibers, the rest are cellulose fibers. A proportion of 7% of the cellulose fibers are hemp fibers, the remaining fibers are conventional wood cellulose fibers. The mean fiber length of the wood cellulose fibers 4 is about 1.5 mm. The hemp fibers with a length of up to 6 mm are significantly longer and have a stabilizing effect. Depending on the desired flow rate, the fibers have a freeness of, for example, 30-60SR. As the wet strength agent, polyamidoamine resin is used in a weight ratio of 6%.
  • Diatomaceous earth and perlite are incorporated as additives 5 between the fibers 4.
  • the proportion by weight of the additives 5 is 45% of the dry weight of the membrane.
  • the thickness of the filter-active fiber skeleton 2 in the relaxed state is 3.7 to 3.9 mm.
  • the membrane 1 is compressed to between 1.85 and 1.95 mm by the pressure drop ⁇ p (FIG. 3).
  • the basis weight of the membrane is 1300 g / m 2 .
  • the tensile strength is 130NM / 50mm.
  • the optional spacer 3 which is loosely placed on the filter-active fiber skeleton, consists of polypropylene (PP) and has a thickness of 1 to 2 mm.
  • the spacer 3 is a network with openings of about 2x2 mm and has no filtering effect. On the one hand, it protects the underlying fiber skeleton 2 from being damaged by the unfiltered material U and forms channels for the non-filtrate-side transverse overflow.
  • Suitable spacers are, for example, the product of number 5.307 from Intermas or the product of number XN 4510 from InterNet. These products are preferred because of the triplanar structure because the unfiltrate is conveniently channeled.
  • the fiber structure 2 is not damaged during operation by the spacer 21, for example by penetration of the lattice structure into the fiber structure 2, between the framework 2 and the spacer 21 a protective fleece (not visible) made of polyester with a thickness of about 0.2 mm inserted.
  • the spacer 21 and the fiber structure 2 and the intermediate protective fleece are not firmly connected to one another, but are pressed against each other during operation by the pressure gradient ⁇ p (FIGS. 3b, 4b). It is also conceivable to provide a protective fleece between the fiber skeleton 2 and the unfiltrate side spacers 3.
  • FIGS. 3a and 3b The structure of a crossflow filter system and the crossflow filtration principle are shown schematically in FIGS. 3a and 3b.
  • the liquid to be filtered is located as unfiltrate U in a non-filtrate tank 6.
  • the unfiltered material U is conveyed by a feed pump 9. With a process pump 10, the unfiltered material U is circulated in the circuit 11 at a speed of about 1 m / s.
  • the filtration takes place in the modules 30, in which membranes 1 are in stacked module elements (Fig. 3b).
  • the filtrate F is fed via a discharge 8 into a filtrate tank 7.
  • a pressure drop ⁇ p of typically 1 bar between an unfiltered space 12 and a filtrate space 13 leads to the passage of liquid through the membrane 1.
  • the pressure gradient is set by a suitable control arrangement R which controls the feed pump 9 and the process pump 10. Due to the pressure drop ⁇ p, the flow velocity v of the unfiltered material can be regulated.
  • the membrane 1 is installed in a module element 20 (FIGS. 4a-4d), which can be easily replaced. This simplifies maintenance of the filter.
  • FIG. 4a to d An inventive module element 20 and the installation of the module element 20 in modules 30 with a housing is shown in Fig. 4a to d.
  • Fig. 4a the module element 20 and the module 30 are shown in plan.
  • the module 30 has a housing with a substantially circular cross-section. Through two connections 31, the unfiltered material is brought into or removed from the housing. The unfiltered material is located in the unfiltrate spaces 32. Two discharge lines 33 are provided for the removal of the filtrate. On the non-filtrate side, the module element 20 is open, so that no sealing is necessary between the unfiltrate spaces and the unfiltrate sides of the membrane.
  • a module element 20 is shown in the region of the filtrate outflow 33.
  • the module element 20 comprises two membranes 1.
  • the membranes 1 essentially comprise a fiber skeleton 2, which is provided with a spacer 3 on the unfiltrate side.
  • the spacers 3 of the two membranes 1 face away from each other.
  • Between the two membranes 1 is another spacer 21. This in turn consists of a network of PP.
  • the spacer 21 is used for sewerage of the filtrate F and for setting a constant distance between the two membranes 1.
  • the protective fleece prevents penetration into the fiber skeleton.
  • the hole size can be selected larger and is 2 to 2.5 mm. Suitable in this case is a spacer such as the product with the number XN4510 from the company Internet.
  • the spacer 21 extends into the filtrate drain 33, so that the filtrate is passed there.
  • a transmembrane pressure ⁇ p is applied over the membrane 1.
  • the non-filtrate U flows over the membranes 1.
  • a portion of the unfiltered material is forced through the membrane 1 due to the pressure gradient Ap and thereby filtered as described above.
  • connection piece 50 In a connection region 40, the fiber structure 2 and the spacer 3 are connected to a connection piece 50.
  • the connecting piece 50 is designed in such a way that the replacement of the module element 20 and the module stack formed from module elements 20 in the housing can be carried out quickly and easily.
  • Several module elements 20 are assembled into a stack of modular elements. One or more such stacks are inserted into each other in the housing.
  • the two membranes 1 are compressed in their edge regions by the connecting piece 40.
  • the connector 40 is formed as an injection molded part.
  • the filtrate drain 33 is arranged in the connection piece 40.
  • the connecting piece may be formed, for example, in two parts. The two parts can through Gluing, welding, clamping or plugging are connected to each other. But it is also conceivable to overmold the membranes of a module element 20 with a connection piece.
  • module element 20 allows the arrangement of several module element or element stacks within the housing 30.
  • the individual filtrate outlets 33 are superimposed and sealingly connected to each other, so that there is a continuous Filtratabhne. Due to the spacers 3 between adjacent module elements 20 channels are formed for the unfiltered, which open into the Unfiltratsammlung 32.
  • Unfiltrate U flows (see left side in FIG. 4 a) over the one unfiltrate edge 32 between the membranes 1 of adjacent modules. In this tangential overflow part of the unfiltered as described passes through the membrane 1 and is thereby filtered. The remainder of the unfiltrate overflows the membrane 1 and reenters the unfiltrate space 32 (see right side in FIG. 4a). From the right Unfiltratausgang the unfiltered material U in the circuit is fed back to the supply on the left side in Figure 4a.
  • Fig. 4c the housing 30 is shown in a side view.
  • the housing 30 is substantially cylindrical.
  • Four ports 31 for the supply and removal of the unfiltered material U are provided.
  • a drain 34 for the filtrate F is visible, in which the drain lines 33 open.
  • 100 module elements 20 are stacked one above the other.
  • 100 individual module elements 20 or 20 element stacks with five module elements can be used.
  • Each of the modules is built into the housing as previously described with reference to Figs. 4a and 4b.
  • the module elements 20 are close to each other, so that the spacers 3 of two adjacent module elements 20 unfiltrate channels between the module elements 20th form.
  • the non-filtrate U then flows between the module elements 20 tangentially along the membrane surface.
  • Fig. 4d is shown how a plurality of housing 30 can be connected in a filter system connected in series and in parallel.
  • each module element 20 comprises two membranes 1.
  • each module element 20 comprises two membranes 1.
  • FIG. 1 An alternative embodiment of a module element 20 is shown in FIG. Functionally identical components are denoted by the same reference numerals as in the embodiment according to FIGS. 4a to 4d.
  • the module element 20 is formed as a winding module.
  • the fiber skeleton 2 is wound around a filtrate outflow 33.
  • the result is a cylindrical module element 20.
  • a spacer 3 and the filtrate side a spacer 21 is placed between the windings of the fiber structure 2 on the unfiltrate side.
  • the unfiltered material U flows over the membrane along the longitudinal direction of the cylinder.
  • the filtrate is directed spirally in the middle to the filtrate outflow 33.
  • the end piece 35 is used to stabilize the module and is suitable for easy installation in a module 30th
  • a cylindrical module 30 (not shown) is analogous to FIG. 4 suitable.
  • the cylindrical shape of the module 30 is preferred because of the optimum pressure distribution within the housing, but other shapes are also conceivable.
  • Experiments with membranes according to the invention have shown that the flow rates can be kept constant for a long time without regeneration. With an overflow velocity of 1 m / s, for example, during the filtration of beer over a period of 480 minutes, the average flow could be maintained at a value of approximately 1501 / m 2 h. A series of measurements is shown by way of example in FIG. 6. Over time, the transmembrane pressure only had to be increased from about 0.5 bar to just under 1 bar.
  • a membrane 1 which is composed of a fiber structure 2.
  • the fibers were selected such that measured pore sizes (measured by a capillary flow analysis measuring device CFP-1100-A from Porous Materials Ine, Itaka, NY, USA) with water as the measuring liquid result as follows:
  • FIG. 7 shows a plan view of a module element 120 according to the invention with overlying unfiltrate spacer 103.
  • the module element 120 has a centrally arranged filtrate outlet 133.
  • FIG. 8 shows a sectional view of a stack 100 of two module elements 120 along a sectional plane AA in Figure 7.
  • Each module element 120 consists of a filter pad 115, a connecting element 160 and a non-filtrate spacer 103.
  • the filter pad 115 in turn is composed of two membranes 101 and a filtrate spacer 121 constructed. Between the membranes 101, a filtrate discharge channel 125 is formed on the filtrate side.
  • the filter pad 115 has a frame 141. On the uppermost filter pad 115 is another connecting element 160 ''. This can serve as a conclusion for the entire stack 100 or for connection to a further filter pad not shown in the figure.
  • FIG. 9 shows an enlarged detail C of the illustration in FIG. 8 with connecting elements 160, 160 ', 160 "set on one another.
  • a connecting element 160 has on both sides closure elements, which are designed in the example shown in the figure as a pin 162 and recesses 163, for connection to further connecting elements 160 'on.
  • the connecting elements 160, 160 'shown in the figure each have six pins 162 and arranged therebetween six recesses 163.
  • the pins 162 of a connecting element 160 engage in the recesses 163 of the overlying connecting element 160', whereby a snap closure is formed.
  • the connecting elements 160, 160 ', 160'' are identical in terms of their external shape.
  • the connecting element 160 has a contact surface 164, with which it rests on the membrane 101 around the central outflow region 122 of the filter pad 115. In parallel, there is a further contact surface 165 for applying a (not shown here) further filter pad 115 '.
  • the distance 166 between abutment surfaces 164, 165 of adjacent connecting elements 160, 160 ' is dimensioned such that trapping of the filter pad 115 between the abutment surfaces 164, 165 is permitted in the discharge region 122. Consequently, no unfiltered material, which is located between adjacent filter pads 115, 115 ', can enter the filtrate outlet 133.
  • the contact surfaces 164, 165 may be located in the figure extensions not shown, which press into the membrane. Even with fluid flow, the filter pad 115 is held between the contact surfaces 164, 165. It is ensured that no unfiltered material enters the filtrate outlet 133.
  • FIG. 10 shows an enlarged detail D of the illustration in FIG. 8 with the edge regions 139 of filter pads 115.
  • the filtrate spacer 121 has a stop 123 in the edge region 139.
  • the stop 123 is designed as a stop surface 124 arranged perpendicular to the plane of the filtrate spacer 121.
  • the membranes 101 abut against the stop 123 in the edge region 139 and are encapsulated together and enclosed by a frame 141.
  • FIG. 11 shows an alternatively executed edge region 139 of filter pad 115 in which the filtrate spacer 121 has a sealing end 126 in the edge region 139.
  • the sealing end 126 seals in the edge region 139 the space between the membranes 101.
  • the filter pad In the edge region 139 still encapsulated, whereby a frame 141 is formed.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional representation of a plurality of stacked module elements 120 along a sectional plane B-B in FIG. 7.
  • the module elements 120 On the molded frame 141, the module elements 120 have alignment elements 144, which are designed as pins 146 and recesses 147. Pins 146 and recesses 147 of adjacent module elements 120 engage each other.
  • the alignment elements 144 assist in the correct positioning of the module elements 120 during stacking and help to maintain positioning as liquid flows through the stack. Additional, externally attacking fasteners are not necessary.
  • FIG. 13 shows a perspective view of a stack 100 of module elements 120 with an unfiltrate spacer 103 lying on top.
  • the unfiltrate spacer 103 has a groove structure via which unfiltered material is conducted from an inflow region 134 to an outflow region 135.
  • the membrane surface of the module element 120 flows around uniformly and the filtrate drain 133 is excluded.
  • the unfiltrate spacer 103 is equipped with positioning tabs 136, which engage in corresponding recesses on the frame 141 of the module element 120.
  • the positioning tabs 136 facilitate assembly during stacking and prevent slippage of the unfiltrate spacer 103 as liquid flows through the stack.
  • the unfiltrate spacer 103 is an injection molded part, which is preferably made of polypropylene. The same applies to the filtrate spacers not explicitly shown in this figure.
  • the connecting elements 160 "are made of glass fiber reinforced polypropylene.
  • the membranes 101 are also encapsulated in an injection molding tool with glass fiber reinforced polypropylene, so that a solid frame 141 is formed.
  • the connecting elements 160 "and the frames 141 basically all injection-moldable plastics, such as thermoplastics, elastomers and thermosets, come into question.
  • Polypropylene, PSU and PES are particularly suitable for use in beverage filtration.
  • the same material or at least materials with the same thermal expansion should be used.
  • Typical basic dimensions of the membranes are a length of 385 mm and a width of 287, so that a filter pad with two membranes has a filter area of about 0.2 m 2 .
  • module element can be manufactured with smaller and larger filter surfaces.
  • Figure 14 shows a perspective view of a connecting element 160.
  • the closure elements are designed as pins 162 and recesses 163.
  • the connecting element 160 has a contact surface 165 for a membrane, not shown in the figure.
  • On this two annular extensions 166 are arranged, which press into the membrane.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Crossflow-Filtermembran, welche eine aktive Schicht von mindestens 1mm aufweist. Mit der Crossflow-Filtermembran erfolgt eine Filtration im Querstrom-Modus entlang der Oberfläche und gleichzeitig eine Tiefenfiltration in der Tiefe der Membran. Die Erfindung betrifft ausserdem ein Verbindungselement zum Verbinden von Modulkissen, ein Verfahren zu Herstellung eines Modulelements und ein Modul zur Crossflow-Filtration. Das Verbindungselement liegt an einer unfiltratseitigen Oberfläche des Filterkissens an, schliesst einen Bereich, in welchem sich Unfiltrat befindet, dichtend gegen den Filtratablauf ab und besitzt mindestens ein Verschlusselement für einen Formschluss mit mindestens einem Verschlusselement mindestens eines weiteren Verbindungselements.

Description

Crossflow-Filtermembran, Membranmodul, Verbindungselement zum Verbinden von Modulkissen, Verfahren zu Herstellung eines Modulelements, Modul zur Crossflow-Filtration, Verfahren zur Cross- flow-Filtration und Verwendung eines Filters
Die Erfindung betrifft eine Crossflow-Filtermembran, ein Membranmodul, ein Verbindungselement zum Verbinden von Modulkissen, ein Verfahren zu Herstellung eines Modulelements, ein Modul zur Crossflow-Filtration, die Verwendung eines Filters und ein Verfahren zur Crossflow-Filtration gemäss den unabhängigen Patentansprüchen .
Der Einsatz von Crossflow-Filtern zur Filtration von Flüssigkeiten ist im Stand der Technik bekannt. Beispiele für Crossflow- Filter finden sich in EP 1 302 227 oder EP 208 405.
Für Crossflow-Filter werden Membranen mit einem dünnen aktiven Bereich von unter 20 μm eingesetzt. Als aktiver Bereich wird jener Bereich der Membran verstanden, in welchem die eigentliche Filtration stattfindet. Bei Crossflow-Filtermembranen ist dies üblicherweise nur ein kleiner Anteil in der Dicke der Membran. Die restliche Membran dient als Stützkörper und hat auf die Filtration keinen massgebenden Einfluss. Die Membranen bestehen insbesondere aus Kunststoff oder Keramik, oder auch aus Glas oder Metall. Ein Beispiel für Keramikmembranen findet sich in DE 198 46 041.
Die Kosten für Keramikmembranen sind relativ hoch. Die Durchflussraten sind begrenzt. Damit die Wirtschaftlichkeit solcher Membranen gewährleistet bleibt, müssen diese regelmässig regeneriert und mehrfach verwendet werden. Kunststoffmembranen sind zwar günstiger, aber deutlich kurzlebiger als Keramikmembranen. Die Membranen werden unter Verwendung von Reinigungsmedien regeneriert. Für die Regeneration werden beispielsweise Verfahren eingesetzt, die auf Oxidation beruhen oder starke Laugen oder Säuren benötigen. Diese Verfahren sind teuer und risikoreich. Einerseits können die Membranen bei der Wiederaufbereitung beschädigt werden, andererseits können Rückstände des Reinigungsmittels die Qualität des Filtrats beeinträchtigen. Insbesondere wenn fermentierte Flüssigkeiten, z.B. Lebensmittel, filtriert werden, können Rückstände des Reinigungsmittels negative Folgen haben.
Aus dem Stand der Technik sind zum Beispiel aus EP 1475 142, SU 1352701 oder SU 788480 Membranmodule bekannt, die ein Filterkissen aus zwei parallel zueinander angeordneten Filtermembranen umfassen, wobei filtratseitig ein Filtratabflusskanal gebildet ist, und die mindestens einen Abflussbereich zum Abführen von in dem Filtratsabflusskanal gesammeltem Permeat in einen Filtratab- lauf aufweisen. Um den Abflussbereich herum sind auf beiden un- filtratseitigen Oberflächen des Filterkissens Anschlussbereiche ausgebildet. Diese Anschlussbereiche können nach einem Aufstapeln der Membranmodule miteinander verschweisst werden. Dadurch wird verhindert, dass ungefilterte Flüssigkeit aus dem Unfilt- ratbereich zwischen den Membranmodulen in den Filtratablauf gelangt .
Die Anschlussbereiche erlauben einerseits den Abfluss des Per- meats aus den Filterkissen, müssen andererseits die Räume zwischen unfiltratseitigen Oberflächen benachbarter Filterkissen flüssigkeitsdicht zum Filtratablauf abschliessen. Dies erfordert eine präzise Fertigung und einen Nachbearbeitungsschritt, wenn die Schweissverbindungen der zusammengesetzten Modulelemente hergestellt wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Nachteile des bekannten zu überwinden und insbesondere eine Membran für die Crossflow-Filtration zu schaffen, welche kostengünstig herstellbar und mit hohen Durchflussraten einsetzbar ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, die einfache Handhabung des Filters sicherzustellen. Ausserdem sollen Modulelemente geschaffen werden, die preisgünstig herstellbar, leicht montierbar und zu Stapeln kombinierbar sind und überdies eine gute Filterwirkung erzielen.
Diese und weitere Aufgaben werden mit einer Membran, einem Membranmodul, einem Verbindungselement, einem Modul, einem Verfahren und einer Verwendung gemäss den unabhängigen Patentansprüchen gelöst .
Die erfindungsgemässe Crossflow-Filtermembran weist einen aktiven Bereich von mindestens lmm, bevorzugt über 2 mm auf. Vorzugsweise erstreckt sich der aktive Bereich über die gesamte Membrandicke, so dass sich die Membran über ihre ganze Dicke zur Filtration einsetzen lässt.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich Membranen mit einem verhältnismässig dicken aktiven Bereich besonders gut zur Crossflow-Filtration eignen.
Bevorzugt ist die Membran aus einem Gerüst von Fasern aufgebaut. Die Fasern können organischen oder anorganischen Ursprungs sein. Besonders geeignet sind Zellulosefasern. In das dreidimensionale Fasergerüst können Zusatzstoffe wie Kieselgur, Perlite oder weitere Füllstoffe eingelagert sein.
Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung basiert die Grundstruktur der Membran auf einem Gerüst aus Zellulosefasern. Dabei können Zellulosefasern verschiedenen Ursprungs verwendet werden. Nicht nur Holzfasern sondern andere Fasern, z.B. Hanffasern können verwendet oder miteinander gemischt werden. Es sind aber auch Membranen denkbar, die auf anderen faserigen Verbindungen basieren, z.B. auf Kunststoff-, Metall- oder Glasfasern.
Die Membran kann ausserdem asymmetrisch aufgebaut sein, d.h. dass die Faserdichte, die Fasergrössen und/oder und die Zusatzstoffe nicht homogen über die gesamte Membrandicke verteilt sind. Vorzugsweise ist die Verteilung der Fasern und der Zusatzstoffe derart ausgewählt, dass im Bereich benachbart zur unfilt- ratseitigen Oberfläche der Membran die Membran zum Filtrieren von relativ groben Partikeln ausgebildet ist. Zur Filtratseite hin verändert sich die Struktur der Membran derart, dass feinere Anteile aus der Flüssigkeit gefiltert werden, je näher ein entsprechender Membranbereich zur filtratseitigen Oberfläche liegt. Die feinsten Teilchen werden in einem Bereich benachbart zur filtratseitigen Oberfläche der Membran zurückgehalten. Ein Vorteil bei dieser Anordnung besteht darin, dass der Durchfluss durch die Membran insgesamt grösser ist. Grobe Teilchen werden an der Oberfläche im Querstrom-Prinzip zurückgehalten. Feinere Partikel werden beim Durchtritt der Flüssigkeit durch die Membran im Innern der Membran zurückgehalten. Auf Grund der Filtration von feinen Partikeln in der Tiefe der Membran kann die Membran an der unfiltratseitigen Oberfläche so ausgebildet werden, dass nur die grössten Partikel zurückgehalten werden. Die Durchflussrate wird dadurch nicht allzu stark beeinträchtigt. Insbesondere ist es denkbar, Zusatzstoffe, insbesondere Kieselgur in einer grosseren Konzentration in einem Bereich benachbart zur Filtratseite der Membran vorzusehen.
Typischerweise können Fasern mit einer Länge von 0,5mm bis 10mm eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft werden der Grundstruktur der Membran Zusatzstoffe beigegeben. Dies können beispielsweise Kieselguren oder Perlite sein. Andere Beispiele für Zusatzstoffe sind allgemein geladene Teilchen oder polare Verbindungen, welche elektrisch geladene Schmutzpartikel anziehen. Diese verbessern die Filtrationsleistung der Membran durch vergrösserte Adsorption. Weitere denkbare Zusatzstoffe sind Harze, Chitin oder Fasern mit anderen Eigenschaften, z.B. in Länge oder Reissfestigkeit, als die Hauptfasern der Grundstruktur. Insbesondere ist es denkbar, die Reissfestigkeit der Membran zu erhöhen, in dem der Membran Hanffasern zugegeben werden und/oder in dem ein verhältnismässig hoher Harzanteil verwendet wird. Die Reissfestigkeit kann über 100N/50mm, typischerweise 400N/50mm betragen.
Crossflow-Filtermembranen gemäss der vorliegenden Erfindung sind günstig herstellbar. Sie weisen über längere Zeit hohe Durchflussraten auf. Ausserdem lassen sie sich im Betrieb auf einfache Weise reinigen. Aufgrund der geringen Kosten könnten sie auch als Einwegprodukte verwendet werden. Vorteilhaft werden die Membranen jedoch mehrfach regeneriert.
Üblicherweise soll bei der Crossflow-Filtration durch eine grosse Querströmungsgeschwindigkeit verhindert werden, dass sich Ablagerungen auf der Oberfläche der Membran bilden und diese verstopfen. Mit einer Membran gemäss der vorliegenden Erfindung können insbesondere feine Partikel und Kolloide in der dreidimensionalen Struktur der Membran, also in der Tiefe der Membran aufgenommen werden. Die Porengrösse der Membran kann vor allem im unfiltratseitigen Oberflächenbereich grösser gewählt werden als bei herkömmlichen Crossflow-Membranen. Dadurch ist der Durchfluss durch die Membran grösser, was eine verbesserte FiI- terleistung erlaubt. Bei herkömmlichen Membranen wird mit einer verhältnismässig grossen Querströmungsgeschwindigkeit gefahren, um auf der Oberfläche abgelagerte Partikel zu entfernen. Insbesondere Kolloide haben die Tendenz, stark an der Oberfläche anzuhaften. Deshalb sind grosse Querströmungsgeschwindigkeiten notwendig. Gemäss der vorliegenden Ausführungsform werden kolloidale Stoffe in der Tiefe der Membran aufgenommen. Es gibt keine zusammenhängende Deckschicht von schwierig zu entfernenden kolloidalen Stoffen. Dass sich allenfalls auf der Oberfläche der Membran ablagernde Haufwerk aus groben Partikeln lässt sich mit verhältnismässig geringer Querströmgeschwindigkeit entfernen. Dadurch wird weniger Energie zum Pumpen und zum Kühlen gebraucht. Das Druckgefälle durch die Membran ist entsprechend verringert. Besonders vorteilhaft weist die Membran reversibel kompressible Eigenschaften auf. Dies bedeutet, dass die Membran unter Druck komprimiert wird, sich aber wieder entspannt, wenn der Druck gelöst wird. Vorteilhaft wird die Membran bei einem Druckgefälle von 1 bar um 50 % der Dicke komprimiert und erholt sich nach Aufheben der Druckdifferenz zu mindestens 95 % der Dicke. Besonders vorteilhaft erholt sich die Membran nach Aufheben des Drucks vollständig.
Es hat sich gezeigt, dass sich eine reversibel kompressible Membran besonders einfach direkt in der Filteranlage reinigen lässt. Aufgrund des Transmembrandrucks wird die Membran im Betrieb komprimiert. Zum Reinigen wird der Transmembrandruck prozesstechnisch reduziert. Dadurch dehnt sich die Membran wieder aus und die Poren weiten sich auf. Darin enthaltene Partikel können auf einfache Weise mit einer Flüssigkeit, z.B. mit Wasser, ausgeschwemmt werden.
Falls eine weitergehende Regeneration der Membran gewünscht ist, kann eine sanfte Reinigung mittels einer schwachen Lauge vorge- nommen werden. Die Filterleistung der regenerierten Membran entspricht der ursprünglichen Filterleistung.
Das Gerüst der Membran ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass die Retentionsrate der erfindungsgemässen Membran der Retenti- onsrate einer herkömmlichen Kunststoff oder Keramikmembran mit einer Porengrösse von 0,2 μm bis 1,2 μm bei der Bierfiltration entspricht. Die erfindungsgemässe Membran ist dabei bevorzugt so aufgebaut, dass eine logarithmische Reduktionsrate für Hefezellen der Getränkeindustrie von wenigstens 1010 erzielt wird. Po- rengrössen der erfindungsgemässen Membran lassen sich beispielsweise mit einem „capillary flow analysis" Messgerät der Porous Materials, Inc. Ithaca, NY, USA, bestimmen. Bevorzugt ist das Membrangerüst derart aufgebaut, dass die kleinste detektierte Pore im Bereich von etwa 0,5 μm bis 1 μm liegt, die grösste detektierte Pore im Bereich zwischen 10 μm und 20 μm liegt und die durchschnittliche Porengrösse („mean flow pore diameter") zwischen 2 μm und 8 μm, bevorzugt etwa zwischen 2 μm und 4 μm liegt. Auf Grund der Filtrationswirkung in der Tiefe der erfindungsgemässen Membran können auch mit solchen verhältnismässig grossen Porengrössen gleiche Retentionsraten erzielt werden, wie bei herkömmlichen Membranen mit geringeren Porengrössen.
Um die Oberfläche der Membran gegen Beschädigung und Verschleiss zu schützen, wird diese vorteilhaft mit einer Schutzschicht und/oder einem Abstandhalter versehen. Ein solcher Abstandhalter bzw. eine solche Schutzschicht kann sowohl auf der filtratseiti- gen als auch auf der unfiltratseitigen Oberfläche der Membran vorgesehen werden. Insbesondere die Schutzschicht auf der Un- filtratseitigen Oberfläche ist vorteilhaft. Diese Schutzschicht oder der Abstandhalter kann beispielsweise aus einem Gewebe und/oder einem mit Öffnungen versehenen Kunststoff bestehen. Mit einem solchen Abstandhalter kann die Lebensdauer der Membran weiter verlängert werden. Der Abstandhalter kann fest mit der Membran verbunden sein, kann aber auch nur aufgelegt oder schwach fixiert und durch den Betriebsdruck angepresst werden. Beispielsweise kann ein Gewebevlies in Kombination mit einem als Abstandshalter dienenden Kunststoffnetz zum Bilden von Flüssigkeitskanälen verwendet werden. Geeignet ist ein Abstandhalter, bei dem die Gittergrösse ungefähr der Faserlänge der darunter liegenden Membran entspricht. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Abstützung der darunter liegenden Membran. Die Beeinträchtigung der Membran durch in Gitterzwischenräume hervorstehende oder hervortretende Fasern wird dadurch verhindert.
Die erfindungsgemässe Membran ist ausserdem im Wesentlichen frei von Aluminium, Eisen oder Schwermetallen. Ausserdem ist die Membran bevorzugt pyrogenarm 0,12 EU/ml (Endotoxin unit) und ionenarm.
Ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist ein Modulelement für den Einbau in einem Crossflow-Filter . Das erfindungsgemässe Modulelement umfasst wenigstens eine Membran mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften. Bevorzugt umfasst das Modulelement Zu- und/oder Abflussleitungen für das Unfiltrat bzw. das Filtrat. Vorteilhaft umfasst das Modulelement mindestens zwei Membranen. Besonders vorteilhaft werden in jedem Modulelement je zwei Membranen derart miteinander verbunden, dass der Filtratabfluss zwischen den beiden Membranen angeordnet und gegenüber der Unfilt- ratkammer isoliert ist. Mehrere Modulelemente können zu einem Stapel miteinander verbunden werden. Mindestens ein Modulelement oder ein Stapel von Modulelementen wird in ein Gehäuse eingespannt. Auf diese Weise wird ein Filtermodul gebildet. Die Verwendung von Modulelementen vereinfacht und beschleunigt den Austausch der gebrauchten Membranen gegen neue Membranen. Dadurch können Zeit und Kosten bei der Wartung des Filters gespart werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Modulelement, insbesondere mit den oben beschriebenen Eigenschaften, gelöst, das ein Filterkissen aus zwei parallel zueinander angeordneten Filtermembranen umfasst, wobei filtratseitig ein Filtratabflusskanal gebildet ist, und das mindestens einen Abflussbereich zum Abführen von in dem Filtratsabflusskanal gesammeltem Permeat in einen Filtratablauf aufweist. Das Modulelement umfasst mindestens ein den Filtratablauf definierendes Verbindungselement, welches benachbart zu dem mindestens einen Abflussbereich an einer unfiltratseitigen Oberfläche des Filterkissens an anliegt, durch das ein Bereich, in welchem sich Un- filtrat befindet, dichtend gegen den Filtratablauf abschliessbar ist und das mindestens ein Verschlusselement für einen Form- schluss mit mindestens einem Verschlusselement mindestens eines weiteren Verbindungselements besitzt.
Das Filtermodul löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe eigenständig, insbesondere auch im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Membranen.
Das Filterkissen ist insbesondere aus Filtermembran-platten aufgebaut, deren Ränder ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind und den Rand des Filterkissens bilden.
Das Verbindungselement dichtet den Filtratablauf gegenüber Un- filtrat ab, welches sich auf der Seite des Filterkissens befindet, an welcher das Verbindungselement anliegt.
Das Modulelement weist mit dem Verbindungselement selbst ein Element auf, über das es mit weiteren Verbindungselementen ver- bindbar ist. Die Befestigung des Modulelementes und die Abdichtung zum Unfiltratbereich kann daher ohne weitere Befestigungsoder Dichtmittel oder einen weiteren Fertigungsschritt erfolgen, was die Herstellung und die Montage erleichtert und die damit einhergehenden Kosten reduziert.
Das Modulelement besitzt vorzugsweise ein Verbindungselement, das beidseitig mit mindestens einem gleichartigen Verbindungselement wenigstens eines weiteren Modulelements verbindbar ist.
Die Verbindungselemente erlauben eine beidseitige Verbindung, also in beide Richtungen der Flächensenkrechten des Filterkissens. Dadurch sind die Modulelemente zu Modulstapeln verbindbar, wobei sich der Filtratablauf durch die Verbindungselemente bildet und gegenüber dem Unfiltrat abgedichtet ist.
Jedes Verbindungselement kann gleichzeitig Gegenstück zu einem gleichartigen Verbindungselement sein. Entsprechend kann jedes stapelbare Modulelement einschliesslich des Verbindungselementes gleichartig ausgebildet sein, wobei die Form der Verbindungselemente identisch sein kann. Dies vereinfacht wiederum die Herstellung, da nur ein Typ von Verbindungselementen gefertigt werden muss. Bei der Spritzgussherstellung wird nur eine Gussform benötigt. Die Montage wird erleichtert, da keine besondere Anordnung oder Reihenfolge der Verbindungselemente zu beachten ist.
Die Verschlusselemente sind vorteilhafterweise integraler Bestandteil der Verbindungselemente.
Bevorzugt umfasst das mindestens eine Verschlusselement Zapfen und Ausnehmungen, wobei die Ausnehmungen zur Aufnahme von Zapfen eines benachbarten Verbindungselements und zum Bilden des Schnappverschlusses dienen. Die Zapfen dienen in analoger Weise zum Einführen in Ausnehmungen eines weiteren benachbarten Verbindungselements .
Modulelemente mit derartigen Verbindungselementen können ohne Werkzeug oder nur mit einem einfachen Presswerkzeug aneinander befestigt werden.
Die Verbindungselemente liegen an einer unfiltratseitigen Oberfläche des Membrankissens in der Nähe des Abflussbereichs an. Sie verhindern, dass Unfiltrat in den Filtratablauf gelangt. Dazu besitzen die Verbindungselemente vorteilhafterweise eine erste Anlagefläche, mit welcher sie benachbart zum Abflussbereich an einer unfiltratseitigen Oberfläche des Membrankissens anliegen, und ausserdem eine weitere Anlagefläche für ein Membrankissen eines weiteren Modulelements. Der Raum zwischen zwei benachbarten Filterkissen wird in der Umgebung des mindestens einen Abflussbereichs durch das Verbindungselement geschlossen, sodass kein Unfiltrat aus dem Unfiltratbereich, der sich zwischen den unfiltratseitigen Oberflächen zweier parallel zueinander angeordneten gleichartigen Modulelementen bildet, in den Filtratablauf gelangen kann.
Die Verschlusselemente der Verbindungselemente sorgen für einen bestimmten Abstand zwischen zwei benachbarten Verbindungselementen. Dieser Abstand zugewandten Anlageflächen benachbarter Verbindungselemente ist so dimensioniert, dass an die Dicke eines Filterkissens angepasst ist. Der Abflussbereich eines Filterkissens kann zwischen den Anlageflächen zweier benachbarter Verbindungselemente eingeklemmt werden.
Um einen möglichst gut dichtenden Kontakt zwischen dem Verbindungselement und dem Filterkissen zu gewährleisten, sind an dem mindestens einen Verbindungselement bevorzugt Fortsätze vorgesehen, die in die Membran einhaken. Die Fortsätze befinden sich vorteilhafterweise auf der Anlagefläche und drücken in die Membran.
Der Abflussbereich eines Modulelements ist bevorzugt mitten in der Fläche des Filterkissens, besonders bevorzugt zentral, angeordnet. Der Abflussbereich ist insbesondere kreisförmig. In diesem Fall kann das Verbindungselement als Ringflansch ausgebildet sein, das den Filtratablauf einfasst.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung besitzt das Modulelement ein Filterkissen, dessen Randbereich, welcher den gesamten Rand des Filterkissens ausser dem mindestens einen Abflussbereich umfasst, flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist.
Das Filterkissen besteht mindestens aus zwei plattenförmigen, parallel zueinander angeordneten Membranen, zwischen denen der Filtratabflusskanal gebildet ist. Ein Flüssigkeitsübergang von der Unfiltratseite zur Filtratseite soll ausschliesslich durch die Membran erfolgen. Der Rand des Kissens muss daher verschlossen sein. Ausgenommen ist lediglich der Abflussbereich, durch den das Permeat in den Filtratablauf gelangt. In der Umgebung des Abflussbereichs wird das Unfiltrat von den Verbindungselementen daran gehindert, auf die Filtratseite zu gelangen.
Der Randbereich kann den gesamten äusseren Rand des Filterkissens umfassen, wenn der Abflussbereich innerhalb der Membranfläche angeordnet ist, beispielsweise als zentrale Öffnung.
Der flüssigkeitsdicht abgeschlossene Randbereich kann als nicht lösbarer Rahmen aus Kunststoff ausgebildet sein, der die Form- Stabilität des Kissens erhöht. Das Filterkissen ist dann einteilig und kann leicht montiert werden.
Bevorzugt erfolgt der Abschluss durch Umspritzen oder Ver- schweissen, welche kostengünstige und die Dichtheit sicherstellenden Verfahren sind.
Der dichtend abgeschlossene Randbereich ist vorzugsweise so ausgebildet, dass aneinander stossende Randbereiche benachbarter Modulelemente, ausgenommen Bereiche, in welchen Unfiltrat ein- und ausströmen kann, einen Formschluss bilden.
In einer vorteilhaften Ausführung des Modulelements sind auf dem Randbereich Zapfen und Ausnehmungen für einen Schnappschluss mit einem benachbarten Modulelement angeordnet. Bevorzugt lässt sich ein Randbereich beidseitig mit einem gleichartigen Randbereich mindestens eines weiteren Modulelements verbinden. Gleichartige Modulelemente werden beim Aufeinanderlegen ausgerichtet, was das Stapeln erleichtert.
Vorteilhaft bildet filtratseitig zwischen je zwei Membranen ein Filtrat-Abstandshalter einen Filtratabflusskanal, mittels welchem das Filtrat durch ein Anschlussstück in einen Filtratablauf geführt wird. Dieser Filtratablauf ist gegenüber dem Zu- und Ab- fluss für das Unfiltrat isoliert.
In einer vorteilhaften Ausführung weist der Filtrat- Abstandshalter zumindest in einem Teil seines Randbereichs mindestens einen Anschlag auf, an welchem mindestens eine Membran anstösst.
Der Anschlag kann beispielsweise als eine Fläche ausgeführt sein, die senkrecht zu der Fläche des Filtrat-Abstandshalters angeordnet ist. Die Anschlagfläche kann sich in Richtung beider Membranen erstrecken und somit einen Anschlag für die beiden Membranen bilden. Der Rand der Membranen ist durch den Anschlag geschützt und die Montage des Filterkissens wird erleichtert, da sich die Aussenkonturen der Membranen und des Filtrat- Abstandshalters anhand des Anschlags aneinander ausrichten lassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Modulkissens schliesst der Filtrat-Abstandshalter den Randbereich des Filterkissens, der den gesamten Rand des Filterkissens ausser dem mindestens einen Abflussbereich umfasst, flüssigkeitsdicht ab. Der Filtrat-Abstandshalter kann zum Beispiel im Randbereich eine Verdickung aufweisen, sodass der Randbereich der beiden Membranen über den Abstand, ausser im Abflussbereich, komplett ausgefüllt ist. Werden Filtrat-Abstandshalter und Membranen am Randbereich fest miteinander verbunden, beispielsweise durch Kleben, Verschweissen oder durch Aufeinanderpressen, so ist der Randbereich flüssigkeitsdicht abgeschlossen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Modulelements befinden sich zwischen den Membranen und dem Filtrat-Abstandshalter Vlieseinlagen. Die Vlieseinlagen verhindern, dass sich der Filtrat-Abstandshalter in die Membran drückt und diese dabei verformt oder verletzt.
Ausserdem können zwischen den Membranen und dem Filtrat- Abstandshalter Kunststoff-Membran-Einlagen, vorzugsweise mit einer Porengrösse zwischen 0,lμm und 0,6μm, angeordnet sein. Die Membraneinlagen können für eine zusätzliche Filterwirkung sorgen und Partikel aus dem Filtratabflusskanal zurück halten. Die Kunststoff-Membran-Einlagen bilden insbesondere eine Sicherheitsbarriere für Teilchen, die ungewollt die Membran durchdringen. Wichtig ist vor allem, dass derartige Partikel nicht in den Filtratablauf geraten. Es kann daher ausreichen, wenn sich min- detens eine Kunststoff-Membran-Einlage, zum Beispiel mit einer Porengrösse zwischen 0,lμm und 0,6μm, im durchflossenen Querschnitt des Filtratabflusskanals befindet, insbesondere in der Umgebung des Abflussbereichs. So kann beispielsweise der Abflussbereich mit einer Kunststoff-Membran-Einlage verschlossen sein.
Ebenfalls bevorzugt ist zwischen den unfiltratseitigen Oberflächen von benachbarten Membranen ein Kanal für Unfiltrat gebildet. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn ein Modulelement zwei oder mehr Membranen umfasst. Vorteilhaft wird der Kanal für das Unfiltrat durch einen Unfiltrat-Abstandshalter gebildet. Ein zwischen den unfiltratseitigen Oberflächen benachbarter Membranen gebildeter Unfiltratraum ist vorzugsweise seitlich des Moduls geöffnet.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ausserdem gelöst durch ein Modulelement, insbesondere mit den oben beschriebenen Eigenschaften, mit einem Unfiltrat-Abstandshalter, der eine Rillenstruktur aufweist. Durch die Rillenstruktur ist das Unfiltrat über die Membranfläche und bevorzugt am Abflussbereich vorbei leitbar. Die Rillen haben eine Form, durch die das Unfiltrat von dem Einlaufbereich zum Auslaufbereich geführt wird, dabei die Membran möglichst gleichmässig und am Abflussbereich vorbei überströmt wird.
Der Unfiltrat-Abstandshalter kann so ausgeführt sein, dass der Abflussbereich flüssigkeitsdicht gegenüber Unfiltrat abgeschlossen ist. In der Umgebung des Abflussbereichs füllt der Unfilt- rat-Abstandshalter dabei den unfiltratseitigen Raum zwischen zwei benachbarten Membranen.
In einer gesonderten Ausführung können das Verbindungselement und der Unfiltratabstandshalter einteilig ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausführung weist der Unfiltrat- Abstandshalter Positionierzungen auf, die in korrespondierende Ausnehmungen in dem Randbereichs des Filterkissens eingreifen. Unfiltrat-Abstandshalter lassen sich somit leicht ausgerichtet auf Filterkissen legen, wodurch das Stapeln von Modulelementen vereinfacht wird.
Für stapelbare Modulelemente ist es günstig, wenn insbesondere gleichartige Bauteile preiswert in grosser Stückzahl herstellbar sind. Bevorzugt ist der Unfiltrat-Abstandshalter daher ein Spritzgussteil .
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verbindungselement gelöst. Das Verbindungselement dient er- findungsgemäss zum Verbinden von nebeneinander angeordneten Filterkissen aus zwei parallel zueinander angeordneten Filtermembranen, wobei filtratseitig zwischen den Membranen ein Filtratab- flusskanal gebildet ist, aufweisend mindestens einen Abflussbereich zum Abführen von in dem Filtratsabflusskanal gesammelten Permeat, der in einen Filtratablauf mündet. Das Verbindungselement ist benachbart zu dem mindestens einen Abflussbereich an einer unfiltratseitigen Oberfläche des Filterkissens anlegbar. Durch das Verbindungselement ist ein Bereich, in welchem sich Unfiltrat befindet, dichtend gegen den Filtratablauf abschliess- bar und das Verbindungselement besitzt mindestens ein Verschlusselement für einen Formschluss mit mindestens einem Verschlusselement mindestens eines weiteren Verbindungselements. Vorteilhafterweise ist das Verbindungselement beidseitig mit mindestens einem gleichartigen Verbindungselement wenigstens eines weiteren Modulelements verbindbar.
Das Verbindungselement lässt sich an ein Filterkissen anlegen oder anstecken, sodass dieses ohne weitere Hilfsmittel und/oder ohne Werkzeug oder nur mit einem einfachen Presswerkzeug mit weiteren Filterkissen verbindbar und die zwischen den Filterkissen befindlichen Unfiltratbereiche zum Filtratablauf abdichtbar sind.
Ein Verbindungselement dient weiteren gleichartigen Verbindungselementen als Gegenstück. Zum Aufstapeln von Modulelementen ist daher nur ein Typ von Verbindungselementen notwendig.
Bevorzugt ist das Verbindungselement ein Spritzgussteil, das sich in grosser Stückzahl preiswert herstellen lässt.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Modulelements, insbesondere gemäss obiger Beschreibung, mit den folgenden Verfahrensschritten: (i) Aufstapeln einer ersten Membran, eines Filtratabstandshalters und einer zweiten Membran, (ii) Umspritzen des Randes, ausgenommen den mindestens einen Abflussbereich, und (iii) Verbindungselement anlegen.
Mindestens ein Abflussbereichs, bevorzugt in der Mitte der Membranflächen, kann durch Stanzen und/oder Schneiden des Stapels ausgebildet werden. Der mindestens eine Abflussbereich kann alternativ schon bei der Fertigung oder beim Zuschneiden der Membranen gebildet werden. Gegebenenfalls kann zudem noch ein Unfiltrat-Abstandshalter aufgelegt werden.
Die so hergestellten Modulelemente lassen sich ohne Werkszeug oder mit einem einfachen Presswerkzeug zu Modulen stapeln.
Die Erfindung umfasst ausserdem ein Modul zur Crossflow- Filtration, das aus einem Stapel von 2-100 Modulelementen, ge- mäss der obigen Beschreibung, besteht.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Crossflow- Filtration einer Flüssigkeit, bei welchem die Flüssigkeit entlang einer Membran wie zuvor beschrieben geleitet wird.
Vorteilhaft wird die Flüssigkeit bei einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0.1 und 2 m/s, insbesondere 0.1 bis 1 m/s, über die Membran geleitet. In diesem Geschwindigkeitsbereich ist eine besonders effiziente Filterleistung möglich. Die Energie zum Umwälzen der Flüssigkeit wird durch die geringe Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren reduziert.
Der Transmembrandruck beträgt typischerweise zwischen 0,1 und 2 bar.
Vorteilhaft kann die Flussrate durch die Membran geregelt werden, z.B. durch das Einstellen des Transmembrandrucks über die Membran. Die Flussrate könnte auf einen konstanten Wert geregelt werden, ein vorbestimmter zeitlicher Verlauf kann jedoch ebenso vorteilhaft sein. Die Flussrate kann z.B. 100 bis 2001/m2h bei der Getränkefiltration betragen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung der zuvor beschriebenen Crossflow-Filtermembran. Beim Verfahren zur Reinigung der Crossflow-Filtermembran wird der Transmembrandruck im Vergleich zum Druckgefälle während der Filtration reduziert. Vorteilhaft beträgt die Reduktion des Transmembranducks mindestens 50 %. Durch die Reduktion des Druckgefälles weiten sich die Poren der Membran auf. Durch Vorwärts- und/oder Rückwärtsspülung kann die Membran sanft mit Wasser oder mit einer schwachen Lauge gereinigt werden.
Besonders vorteilhaft wird eine Membran oder ein Verfahren wie zuvor beschrieben zur Crossflow-Filtration von Flüssigkeiten, insbesondere Getränken, eingesetzt. Dazu zählen insbesondere Bier oder Wein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filtration von Flüssigkeiten. Die Flüssigkeit wird dazu im Querstrom entlang einer Membran geführt, wobei verhältnismässig grobe Partikel an der Oberfläche der Membran zurückgehalten werden. Die von diesen groben Partikeln befreite Flüssigkeit tritt quer durch die Membran hindurch. Gemäss der vorliegenden Erfindung werden beim Durchtritt der auf dieser Weise zum Teil vorfiltrierten Flüssigkeit quer durch die Membran feinere Partikel in der Tiefe der Membran zurückgehalten und aus der Flüssigkeit ausfiltriert. Dieser Aspekt der Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Filtration, welches an sich bekannte Querstrom- Filtrationsprinzipien mit an sich bekannten Tiefenfiltrationsprinzipien in ein und derselben Filtermembran vereinigt.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäs- sen Membran, Fig. 2: eine schematische Darstellung des filteraktiven Bereichs der Membran gemäss Fig. 1,
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Crossflow-Filters mit der Membran aus Fig. 1,
Fig. 4a-d: ein erfindungsgemässes Modulelements und den Einbau des Modulelements in ein Gehäuse,
Fig. 5: eine alternative Ausführungsform eines Modulelements,
Figur 6: eine grafische Darstellung von Transmembrandruck und Flux einer erfindungsgemässen Membran im Zeitverlauf,
Figur 7: eine Draufsicht eines erfindungsgemässen Modulelements,
Figur 8 : eine Schnittdarstellung mehrerer gestapelter Modulelemente entlang einer Schnittebene A-A in Figur 7,
Figur 9: einen vergrösserten Ausschnitt C der Darstellung in
Figur 8 mit den Verbindungselementen von Modulelementen,
Figur 10: einen vergrösserten Ausschnitt D der Darstellung in Figur 8 mit Randbereichen von Filterkissen,
Figur 11: alternativ ausgeführte Randbereiche von Filterkissen,
Figur 12 : eine Schnittdarstellung mehrerer gestapelter Modulelemente entlang einer Schnittebene B-B in Figur 7,
Figur 13: eine perspektivische Darstellung eines Stapels von Modulelementen mit einem Unfiltrat-Abstandshalter;
Figur 14: eine perspektivische Darstellung eines Verbindungselements .
In Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemässe Membran 1 dargestellt. In dieser Membran 1 werden Partikel und Kolloide mit Durchmessern von bis hinunter zu 0,1 μm aufgehalten. Die Membran 1 besteht in erster Linie aus einem dreidimensionalen Fasergerüst 2 aus Fasern 4. 55% des Trockengewichts der Membran 1 werden durch das Fasergewebe 4 und Harz gegeben. Davon sind 15% des Gewichts Chitinfasern, der Rest sind Zellulosefasern. Ein Anteil von 7% der Zellulosefasern sind Hanffasern, die restlichen Fasern sind übliche Holzzellulosefasern. Die mittlere Faserlänge der Holzzellulosefasern 4 beträgt ca. 1.5 mm. Die Hanffasern sind mit einer Länge von bis zu 6 mm deutlich länger und wirken stabilisierend. Die Fasern weisen je nach gewünschter Durchflussrate einen Mahlgrad von beispielsweise 30 - 60SR auf. Als Nassfestmittel wird Polyamidoamin-Harz zu einem Gewichtsanteil von 6% verwendet.
Zwischen den Fasern 4 sind Kieselgur und Perlite als Zusatzstoffe 5 eingelagert. Der Gewichtsanteil der Zusatzstoffe 5 beträgt 45 % des Trockengewichts der Membran.
Die Dicke des filteraktiven Fasergerüstes 2 beträgt im entspannten Zustand 3,7 bis 3,9 mm. Während dem Betrieb wird die Membran 1 durch das Druckgefälle Δp (Fig. 3) auf zwischen 1.85 und 1.95 mm komprimiert. Das Flächengewicht der Membran beträgt 1300 g/m2. Die Reissfestigkeit beträgt 130NM/50mm.
Der optionale Abstandshalter 3, welcher lose auf auf das filteraktive Fasergerüst aufgelegt ist, besteht aus Polypropylen (PP) und hat eine Dicke von 1 bis 2 mm. Der Abstandshalter 3 ist ein Netz mit Öffnungen von ca. 2x2 mm und hat keine Filterwirkung. Er schützt einerseits die darunter liegende Fasergerüst 2 vor Beschädigung durch das Unfiltrat U und bildet Kanäle für die Un- filtratseitige Querüberströmung. Geeignete Abstandshalter sind beispielsweise das Produkt der Nummer 5.307 der Firma Intermas oder das Produkt der Nummer XN 4510 der Firma InterNet. Diese Produkte sind aufgrund der triplanaren Struktur bevorzugt, da das Unfiltrat auf günstige Weise kanalisiert wird. Damit das Fasergerüst 2 während dem Betrieb nicht durch den Abstandshalter 21 beschädigt wird, z.B. durch Eindringen der Gitterstruktur in das Fasergerüst 2, wird zwischen das Gerüst 2 und den Abstandshalter 21 ein Schutzvlies (nicht sichtbar) aus Polyester mit einer Stärke von ca. 0.2 mm eingelegt. Der Abstandshalter 21 und das Fasergerüst 2 sowie das dazwischen liegende Schutzvlies sind nicht fest miteinander verbunden, sondern werden während dem Betrieb durch das Druckgefälle Δp (Fig. 3b, 4b) aneinander gepresst. Es ist ausserdem auch denkbar, ein Schutzvlies zwischen das Fasergerüst 2 und den unfiltratseitigen Abstandshalter 3 vorzusehen.
In den Fig. 3a und 3b sind der Aufbau einer Crossflow- Filteranlage und das Crossflow-Filtrationsprinzip schematisch dargestellt. Die zu filtrierende Flüssigkeit befindet sich als Unfiltrat U in einem Unfiltrattank 6. Das Unfiltrat U wird mit einer Zuführpumpe 9 gefördert. Mit einer Prozesspumpe 10 wird das Unfiltrat U mit einer Geschwindigkeit von ca. 1m/s im Kreislauf 11 umgewälzt. Die Filtration findet in den Modulen 30 statt, in welchen sich Membranen 1 in aufeinandergestapelten Modulelementen (Fig. 3b) befinden. Das Filtrat F wird über einen Ablauf 8 in einen Filtrattank 7 geführt.
Ein Druckgefälle Δp von typischerweise 1 bar zwischen einem Un- filtratraum 12 und einem Filtratraum 13 führt zum Durchtritt von Flüssigkeit durch die Membran 1. Das Druckgefälle wird durch eine geeignete Regelanordnung R eingestellt, welche die Zuführpumpe 9 und die Prozesspumpe 10 steuert. Durch das Druckgefälle Δp kann die Strömungsgeschwindigkeit v des Unfiltrats geregelt werden.
Durch das Druckgefälle Δp wird ein Teil des Unfiltrats U durch die Membran 1 gedrückt. Ein Teil der Partikel des Unfiltrats wird an der Oberfläche der Membran aufgehalten, ein weiterer Teil bleibt in der Tiefe der Membran 1 hängen. Somit wird die Flüssigkeit beim Durchtritt durch die Membran auf zwei Arten filtriert. Das austretende Filtrat F wird in einem Abfluss 8 abgeführt .
Die Membran 1 ist in ein Modulelement 20 (Fig. 4a - 4d) eingebaut, welches einfach ausgewechselt werden kann. Dadurch ist die Wartung des Filters vereinfacht.
Ein erfindungsgemässes Modulelements 20 und der Einbau des Modulelements 20 in Module 30 mit einem Gehäuse ist in Fig. 4a bis d dargestellt.
In Fig. 4a sind das Modulelement 20 und das Modul 30 in Aufsicht dargestellt. Das Modul 30 hat ein Gehäuse mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Durch zwei Anschlüsse 31 wird das Unfiltrat in das Gehäuse gebracht bzw. daraus abgeführt. Das Unfiltrat befindet sich in den Unfiltraträumen 32. Zwei Abführleitungen 33 sind für das Abführen des Filtrats vorgesehen. Un- filtratseitig ist das Modulelement 20 offen, so dass zwischen den Unfiltraträumen und den Unfiltratseiten der Membran keine Abdichtung notwendig ist.
Fig. 4b zeigt einen Ausschnitt entlang des Schnittes A-A aus Fig 4a. Ein Modulelement 20 ist im Bereich des Filtratabflusses 33 dargestellt. Das Modulelement 20 umfasst zwei Membranen 1. Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben, umfassen die Membranen 1 im Wesentlichen ein Fasergerüst 2, das unfiltratseitig mit einem Abstandshalter 3 versehen ist. Die Abstandshalter 3 der beiden Membranen 1 weisen voneinander weg. Zwischen den beiden Membranen 1 befindet sich ein weiterer Abstandhalter 21. Dieser besteht wiederum aus einem Netz aus PP. Zwischen dem Abstandshalter 21 und dem Fasergerüst 2 befindet sich ein nicht gezeigtes Schutzvlies . Der Abstandhalter 21 dient zur Kanalisation des Filtrats F und zum Einstellen eines konstanten Abstandes zwischen den beiden Membranen 1. Das Schutzvlies verhindert das Eindringen in das Fasergerüst. Da der Abstandhalter 21 keine Schutzfunktion für die Membranen 1 bieten muss, kann die Lochgrösse grösser gewählt werden und beträgt 2 bis 2,5 mm. Geeignet ist in diesem Fall ein Abstandhalter wie z.B. das Produkt mit der Nr. XN4510 der Firma Internet. Der Abstandhalter 21 erstreckt sich bis in den Filtratabfluss 33, so dass das Filtrat dorthin geleitet wird.
Über der Membran 1 wird ein Transmembrandruck Δp angelegt. Das Unfiltrat U überströmt die Membranen 1. Ein Teil des Unfiltrats wird aufgrund des Druckgefälles Δp durch die Membran 1 gedrückt und dabei wie zuvor beschrieben filtriert.
In einem Anschlussbereich 40 wird das Fasergerüst 2 und der Abstandshalter 3 mit einem Anschlussstück 50 verbunden. Das Anschlussstück 50 ist derart gestaltet, dass das Auswechseln des Modulelementes 20 und des aus Modulelementen 20 gebildeten Modulstapels im Gehäuse schnell und einfach auszuführen ist. Mehrere Modulelemente 20 werden zu einem Stapel aus Modulelementen zusammengebaut. Einer oder mehrere solche Stapel werden miteinander in das Gehäuse eingesetzt.
Die beiden Membranen 1 werden in ihren Randbereichen durch das Anschlussstück 40 zusammengedrückt. Das Anschlussstück 40 ist als Spritzgussteil ausgebildet. Im Anschlussstück 40 ist der Filtratabfluss 33 angeordnet. Das Anschlussstück kann beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein. Die beiden Teile können durch Kleben, Schweissen, Klemmen oder Stecken miteinander verbunden werden. Es ist aber auch denkbar, die Membranen eines Modulelementes 20 mit einem Anschlussstück zu umspritzen.
Die Konstruktion von solchen Modulelement 20 erlaubt die Anordnung von mehreren Modulelement oder Elementstapeln innerhalb des Gehäuses 30. Die einzelnen Filtratabflüsse 33 werden übereinander angeordnet und dichtend miteinander verbunden, so dass sich ein durchgehender Filtratabfluss ergibt. Auf Grund der Abstandshalter 3 zwischen benachbarten Modulelementen 20 werden Kanäle für das Unfiltrat gebildet, welche in die Unfiltraträume 32 münden. Unfiltrat U strömt (siehe linke Seite in Figur 4a) über den einen Unfiltratrand 32 zwischen den Membranen 1 benachbarter Module hindurch. Bei dieser tangentialen Überströmung tritt ein Teil des Unfiltrats wie beschrieben durch die Membran 1 und wird dabei filtriert. Der Rest des Unfiltrats überfliesst die Membran 1 und tritt wieder in den Unfiltratraum 32 (siehe rechte Seite in Figur 4a) . Vom rechten Unfiltratausgang wird das Unfiltrat U im Kreislauf wieder der Zufuhr auf der linken Seite in Figur 4a zugeführt .
In Fig. 4c ist das Gehäuse 30 in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Das Gehäuse 30 ist im Wesentlichen zylinderförmig. Je vier Anschlüsse 31 für die Zu- bzw. Abfuhr des Unfiltrats U sind vorgesehen. Weiter ist ein Abfluss 34 für das Filtrat F sichtbar, in welchen die Abflussleitungen 33 münden. Im Innenraum des Gehäuses 30 sind 100 Modulelemente 20 übereinander geschichtet. Es können beispielsweise 100 einzelne Modulelemente 20 oder 20 Elementstapel mit fünf Modulelementen verwendet werden. Jedes der Module ist wie zuvor Anhand von Fig. 4a und 4b beschrieben in das Gehäuse eingebaut. Die Modulelemente 20 liegen dicht aufeinander auf, so dass die Abstandshalter 3 zweier benachbarter Modulelemente 20 Unfiltratkanäle zwischen den Modulelementen 20 bilden. Das Unfiltrat U strömt dann zwischen den Modulelementen 20 tangential entlang der Membranoberfläche.
In Fig. 4d ist dargestellt, wie mehrere Gehäuse 30 in einer Filteranlage seriell und parallel zusammengeschlossen werden können.
In diesem Beispiel umfasst jedes Modulelement 20 zwei Membranen 1. Selbstverständlich ist es auch denkbar, Modulelemente 20 mit mehreren Membranen 1 vorzusehen.
Eine alternative Ausführungsform eines Modulelements 20 ist in Fig. 5 dargestellt. Funktionsgleiche Komponenten werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie im Ausführungsbeispiel ge- mäss Fig. 4a bis 4d.
In dieser Ausführungsform ist das Modulelements 20 als Wickelmodul ausgebildet. Das Fasergerüst 2 wird um einen Filtratabfluss 33 gewickelt. So entsteht ein zylinderförmiges Modulelement 20. Dabei wird unfiltratseitig ein Abstandhalter 3 und filtratseitig ein Abstandhalter 21 zwischen die Wicklungen des Fasergerüstes 2 gelegt. Das Unfiltrat U überströmt die Membran entlang der Längsrichtung des Zylinders. Das Filtrat wird senkrecht dazu spiralförmig in die Mitte zum Filtratabfluss 33 geleitet. Das Abschlussstück 35 dient der Stabilisierung des Moduls und ist geeignet zum einfachen Einbauen in ein Modul 30.
Wegen der zylindrischen Grundform des Modulelements 20 aus diesem Ausführungsbeispiel ist ein zylinderförmiges Modul 30 (nicht dargestellt) analog zu Fig. 4 geeignet. Die zylindrische Form des Modul 30 ist wegen der optimalen Druckverteilung innerhalb des Gehäuses bevorzugt, andere Formen sind jedoch ebenfalls denkbar. Versuche mit erfindungsgemässen Membranen haben gezeigt, dass sich die Flussraten über lange Zeit ohne Regeneration konstant halten lassen. Mit einer Überströmgeschwindigkeit von 1m/s konnte beispielsweise bei der Filtration von Bier über eine Zeit von 480 Minuten der mittlere Fluss auf einem Wert von ca. 1501/m2h gehalten werden. Eine Messreihe ist beispielhaft in Fig. 6 gezeigt. Dabei musste der Transmembrandruck im Verlauf der Zeit lediglich von ca. 0,5 Bar auf etwas weniger als 1 bar erhöht werden. Mit der wie in Figuren 1 und 2 gezeigt aufgebauten Membran wurde eine Retention erreicht, welche vergleichbar mit der Retentionsrate von herkömmlichen Kunststoff oder Keramikmembranen mit einem Porendurchmesser von etwa 0,1 μm bis 0,2 μm entspricht. Dazu wurde eine Membran 1 verwendet, welche aus einem Fasergerüst 2 aufgebaut ist. Die Fasern wurden derart ausgewählt, dass sich gemessene Porengrössen (Messung durch ein ca- pillary flow analysis Messgerät CFP - 1100-A der Porous Materials Ine, Itaka, NY, USA, mit Wasser als Messflüssigkeit wie folgt ergeben:
Minimum pore size Mean pore size Maximum pore size 0,82 4,05 15,57
Figur 7 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemässen Modulelements 120 mit aufliegendem Unfiltrat-Abstandshalter 103. Das Modulelement 120 weist einen zentral angeordneten Filtratablauf 133 auf.
Der Randbereich 139 des Modulelements 120 ist flüssigkeitsdicht umspritzt, sodass ein Rahmen 141 gebildet wird. Auf dem Rahmen 141 sind Zapfen 142 und Ausnehmungen 143 zur Verbindung mit weiteren Modulelementen vorgesehen. Figur 8 zeigt eine Schnittdarstellung von einem Stapel 100 aus zwei Modulelementen 120 entlang einer Schnittebene A-A in Figur 7. Jedes Modulelement 120 besteht aus einem Filterkissen 115, einem Verbindungselement 160 und einem Unfiltrat-Abstandshalter 103. Das Filterkissen 115 wiederum ist aus zwei Membranen 101 und einem Filtrat-Abstandshalter 121 aufgebaut. Zwischen den Membranen 101 ist filtratseitig ein Filtratabflusskanal 125 gebildet.
Im Randbereich 139 besitzt das Filterkissen 115 einen Rahmen 141. Auf dem obersten Filterkissen 115 befindet sich ein weiteres Verbindungselement 160'' . Dies kann als Abschluss für den gesamten Stapel 100 dienen oder zur Verbindung mit einem in der Figur nicht dargestellten weiteren Filterkissen.
Figur 9 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt C der Darstellung in Figur 8 mit aufeinander gesetzten Verbindungselementen 160, 160', 160''. Ein Verbindungselement 160 weist beidseitig Verschlusselemente, die in dem in der Figur gezeigten Beispiel als Zapfen 162 und Ausnehmungen 163 ausgeführt sind, zur Verbindung mit weiteren Verbindungselementen 160' auf. Die in der Figur gezeigten Verbindungselementen 160, 160' besitzen jeweils sechs Zapfen 162 und und dazwischen angeordnet sechs Ausnehmungen 163. Die Zapfen 162 eines Verbindungselements 160 greifen in die Ausnehmungen 163 des darüber angeordneten Verbindungselements 160' ein, wodurch eine Schnappverschluss entsteht. Die Verbindungselemente 160, 160', 160'' sind bezüglich ihrer äusseren Form identisch. Sie werden übereinander abwechselnd, jeweils gegeneinander um 30 Grad verdreht, gestapelt, sodass die Zapfen 162 auf die zwischen den Zapfen 162 befindlichen Ausnehmungen 163 treffen . Das Verbindungselement 160 besitzt eine Anlagefläche 164, mit der es um den zentralen Abflussbereich 122 des Filterkissens 115 an der Membran 101 anliegt. Parallel dazu befindet sich eine weitere Anlagefläche 165 zum Anlegen eines (hier nicht gezeigten) weiteren Filterkissens 115' . Der Abstand 166 zwischen Anlageflächen 164, 165 benachbarter Verbindungselemente 160, 160' ist so dimensioniert, dass im Abflussbereich 122 ein Einklemmen des Filterkissens 115 zwischen den Anlageflächen 164, 165 erlaubt wird. Folglich kann kein Unfiltrat, das sich zwischen benachbarten Filterkissen 115, 115' befindet, in den Filtratablauf 133 gelangen.
Auf den Anlageflächen 164, 165 können sich in der Figur nicht gezeigte Fortsätze befinden, die in die Membran eindrücken. Auch bei Fluiddurchströmung wird das Filterkissen 115 zwischen den Anlageflächen 164, 165 gehalten. Es wird gewährleistet, dass kein Unfiltrat in den Filtratablauf 133 gelangt.
Figur 10 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt D der Darstellung in Figur 8 mit den Randbereichen 139 von Filterkissen 115. Der Filtrat-Abstandshalter 121 weist im Randbereich 139 einen Anschlag 123 auf. Der Anschlag 123 ist als senkrecht zur Ebene des Filtrat-Abstandshalters 121 angeordnete Anschlagsfläche 124 ausgeführt. Die Membranen 101 liegen im Randbereich 139 an dem Anschlag 123 an und sind gemeinsam umspritzt und von einem Rahmen 141 eingeschlossen.
Figur 11 zeigt einen alternativ ausgeführten Randbereich 139 von Filterkissen 115, in welchem der Filtrat-Abstandshalter 121 im Randbereich 139 einen dichtenden Abschluss 126 besitzt. Der dichtenden Abschluss 126 dichtet im Randbereich 139 den Raum zwischen den Membranen 101 ab. Zusätzlich ist das Filterkissen im Randbereich 139 noch umspritzt, wodurch ein Rahmen 141 gebildet wird.
Figur 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung mehrerer gestapelter Modulelemente 120 entlang einer Schnittebene B-B in Figur 7. Auf dem angespritzten Rahmen 141 besitzen die Modulelemente 120 Ausrichtelemente 144, die als Zapfen 146 und Ausnehmungen 147 ausgeführt sind. Zapfen 146 und Ausnehmungen 147 benachbarter Modulelemente 120 greifen ineinander. Die Ausrichtelemente 144 unterstützen die korrekte Positionierung der Modulelemente 120 beim Stapeln und tragen dazu bei, die Positionierung beizubehalten, wenn der Stapel von Flüssigkeit durchströmt wird. Zusätzliche, von aussen angreifende Befestigungselemente sind nicht notwendig.
Figur 13 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Stapels 100 von Modulelementen 120 mit oben auf liegendem Unfiltrat- Abstandshalter 103. Der Unfiltrat-Abstandshalter 103 hat eine Rillenstruktur, über welche Unfiltrat von einem Einströmbereich 134 zu einem Ausströmbereich 135 geführt wird. Dabei wird die Membranfläche des Modulelements 120 gleichmässig umströmt und der Filtratabfluss 133 ausgenommen.
Der Unfiltrat-Abstandshalter 103 ist mit Positionierzungen 136 ausgestattet, welche in entsprechende Ausnehmungen auf dem Rahmen 141 des Modulelements 120 eingreifen. Die Positionierzungen 136 erleichtern die Montage beim Stapeln und verhindern ein Verrutschen des Unfiltrat-Abstandshalters 103, wenn der Stapel von Flüssigkeit durchströmt wird.
Der Unfiltrat-Abstandshalter 103 ist ein Spritzgussteil, das bevorzugt aus Polypropylen gefertigt wird. Gleiches gilt für die in dieser Figur nicht explizit gezeigten Filtrat-Abstandshalter . Die Verbindungselemente 160'' sind aus glasfaserverstärktem Polypropylen hergestellt.
Die Membranen 101 werden in einem Spritzgusswerkzeug ebenfalls mit glasfaserverstärktem Polypropylen umspritzt, sodass ein fester Rahmen 141 entsteht.
Für die Abstandshalter 103, die Verbindungselemente 160'' und die Rahmen 141 kommen grundsätzlich alle spritzgussfähigen Kunststoffe, wie Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste, in Frage. Für die Anwendung in der Getränkefiltration eignen sich besonders Polypropylen, PSU und PES. Für alle Teile sollte dasselbe Material oder zumindest Materialien mit derselben Wärmeausdehnung verwendet werden.
Typische Grundabmessungen der Membranen sind eine Länge von 385 mm und eine Breite von 287, so dass ein Filterkissen mit zwei Membranen eine Filterfläche von etwa 0,2 m2 besitzt. Selbstverständlich können auch Modulelement mit kleineren und grosseren Filterflächen gefertigt werden.
Figur 14 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Verbindungselements 160. Die Verschlusselemente sind als Zapfen 162 und Ausnehmungen 163 ausgebildet. Das Verbindungselement 160 weist eine Anlagefläche 165 für eine in der Figur nicht gezeigte Membran auf. Auf dieser sind zwei ringförmige Fortsätze 166 angeordnet, welche in die Membran eindrücken.

Claims

Patentansprüche
1. Crossflow-Filtermembran (1; 101), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1; 101) eine aktive Schicht (2) von mindestens lmm, bevorzugt mindestens 2 mm Dicke aufweist.
2. Crossflow-Filtermembran (1; 101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1; 101) über ihre ganze Dicke als zur Filtration aktive Schicht (2) ausgebildet ist.
3. Membran (1; 101) insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1; 101) aus einem dreidimensionalen Gerüst, insbesondere aus Fasern (4), bevorzugt aus Zellulosefasern, besteht.
4. Membran (1; 101) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale Gerüst durch ein Harz verfestigt ist.
5. Membran (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1; 101) derart aufgebaut ist, dass ihre Retentionsrate der Retentionsrate von herkömmlichen Kunststoff oder Keramikmembranen mit einer Porengrösse von 0,2 μm bis 1,2 μm bei der Bierfiltration entspricht.
6. Membran (1; 101) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (4) eine Länge von 0.5 - 10mm aufweisen.
7. Membran (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Membran (1; 101) Zusatzstoffe (5) , insbesondere Kieselgur und/oder Perlite, eingelagert sind.
8. Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran reversibel kompressibel ist.
9. Membran (1; 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1; 101) insbesondere an der unfiltratseitigen Oberfläche mit einem Abstandshalter (3, 21) versehen ist.
10. Membran (1; 101) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abstandshalter (21) und der Filterschicht (2) eine Schutzschicht, insbesondere ein Gewebe oder Vlies angeordnet ist.
11. Membran (1; 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Membran (1; 101) bezogen auf eine Richtung senkrecht zur Membranoberfläche inhomogen ist, dass insbesondere Faserdichte, Faserlängen und allenfalls in der Membran (1; 101) eingelagerte Zusatzstoffe (5) inhomogen verteilt sind.
12. Membran (1; 101) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (4) und/oder Zusatzstoffe (5) derart verteilt sind, dass in einem filtratseitigen Bereich der Membran (1; 101) verglichen zum unfiltratseitigen Bereich der Membran (1; 101) feinere Partikel aus dem Unfiltrat (U) filtriert werden.
13. Modulelement (20) für den Einbau in einem Crossflow-Filter, wobei das Modulelement (20) wenigstens eine Membran (1; 101) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12 enthält.
14. Modulelement (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulelement (20) zwei Membranen (1; 101) aufweist, wobei filtratseitig zwischen den Membranen (1; 101) ein FiIt- ratabflusskanal (125) gebildet ist.
15. Modulelement, insbesondere gemäss Anspruch 14, mit einem Filterkissen (115,115') aus zwei parallel zueinander angeordneten Filtermembranen (1; 101) , wobei filtratseitig ein FiIt- ratabflusskanal (125) gebildet ist, aufweisend mindestens einen Abflussbereich (122) zum Abführen von in dem Filtratabflusskanal (125) gesammeltem Permeat in einen Filtratablauf (33; 133) , dadurch gekennzeichnet, dass das Modulelement (20; 120) mindestens ein den Filtratablauf (33; 133) definierendes Verbindungselement (160, 160', 160") umfasst,
- das benachbart zu dem mindestens einen Abflussbereich (122) an einer unfiltratseitigen Oberfläche des Filterkissens (115,115') anliegt,
- durch das ein Bereich, in welchem sich Unfiltrat befindet, dichtend gegen den Filtratablauf (33; 133) abschliessbar ist und
- das mindestens ein Verschlusselement (162, 163) für einen Formschluss mit mindestens einem Verschlusselement (162, 163) mindestens eines weiteren Verbindungselement (160, 160', 160") besitzt.
16. Modulelement gemäss Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (160, 160', 160'') beidseitig mit mindestens einem gleichartigen Verbindungselement (160, 160', 160'') wenigstens eines weiteren Modulelements (20; 120) verbindbar ist.
17. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verschlusselement (161) Zapfen (162) und Ausnehmungen (163) umfasst, wobei Ausnehmungen (163) zur Aufnahme von Zapfen (162) eines benachbarten Verbindungselements (160, 160', 160'') und zum Bilden des Schnappverschlusses dienen.
18. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Verbindungselement (160, 160', 160'') Fortsätze (166) vorgesehen sind, die in die Membran einhaken.
19. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randbereich des Filterkissens (115, 115' ) , der den gesamten Rand des Filterkissens (115, 115' ) ausser dem mindestens einen Abflussbereich (2) umfasst, flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist, vorzugsweise durch Umspritzen oder Verschweis- sen.
20. Modulelement gemäss Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Randbereich (139) Ausrichtelemente (144), insbesondere Zapfen (142) und Ausnehmungen (143), für einen Formschluss mit einem benachbarten Modulelement (20; 120) angeordnet sind.
21. Modulelement (20) nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abflusskanal durch einen Filtrat-Abstandshalter (21; 121) gebildet ist.
22. Modulelement gemäss Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtrat-Abstandshalter (21) zumindest in einem Teil seines Randbereichs (139) mindestens einen Anschlag (123) aufweist, an welchem mindestens eine Membran (1; 101) anstösst.
23. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtrat-Abstandshalter (21) den Randbereich (139) des Filterkissens (115,115'), der den gesamten Rand des Filterkissens (115,115') ausser dem mindestens einen Abflussbereich (122) umfasst, flüssigkeitsdicht abschliesst.
24. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Membranen (1; 101) und dem Filtrat- Abstandshalter (21; 121) Vlieseinlagen befinden.
25. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Membranen (1; 101) und dem Filtrat- Abstandshalter (21; 121) Kunststoff-Membran-Einlagen, vorzugsweise mit einer Porengrösse zwischen 0,lμm und 0,6μm befinden.
26. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Durchflussquerschnitt des Filtratabflusskanals (125) des Modulelements (20; 120) mindestens eine Kunststoff-Membran- Einlage, vorzugsweise mit einer Poregrösse zwischen 0,lμm und 0,6μm, befindet.
27. Modulelement (20) nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis
26, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtrat-Abstandshalter (21; 121) einen Filtratkanal bildet, mittels welchem das Filtrat (F) seitlich durch ein Anschlussstück (40) in einen Filtratablauf (33) führbar ist.
28. Modulelement (20) nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis
27, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den unfiltratseiti- gen Oberflächen von benachbarten Membranen (1; 101) ein Kanal für Unfiltrat (U) gebildet ist.
29. Modulelement (20) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal für das Unfiltrat (U) durch einen Unfiltrat- Abstandshalter (3; 103) gebildet ist.
30. Modulelement (20) nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen den unfiltratseitigen Oberflächen benachbarter Membranen (1; 101) gebildeter Unfiltratraum seitlich des Moduls geöffnet ist.
31. Modulelement, insbesondere gemäss einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulelement (20, 120) einen Unfiltrat-Abstandshalter (3; 103) mit einer Rillenstruktur aufweist, durch welche das Unfiltrat über die Membranfläche und bevorzugt am Abflussbereich (122) vorbei leitbar ist.
32. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 29-31, dadurch gekennzeichnet, dass der Unfiltrat-Abstandshalter Positionierzungen (136) aufweist, die in korrespondierende Ausnehmungen in dem Randbereichs (139) des Filterkissens (115,115') eingreifen.
33. Modulelement gemäss mindestens einem der Ansprüche 29-32, dadurch gekennzeichnet, dass der Unfiltrat-Abstandshalter (3; 103) ein Spritzgussteil ist.
34. Verbindungselement zum Verbinden von nebeneinander angeordneten Filterkissen (115,115') aus zwei parallel zueinander angeordneten Filtermembranen, wobei filtratseitig zwischen den Membranen (1; 101) ein Filtratabflusskanal (125) gebildet ist, aufweisend mindestens einen Abflussbereich zum Abführen von in dem Filtratsabflusskanal (125) gesammelten Permeat, der in einen Filtratablauf (133) mündet, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Verbindungselement (160, 160', 160'') benachbart zu dem mindestens einen Abflussbereich (122) an einer unfilt- ratseitigen Oberfläche des Filterkissens (115,115') anlegbar ist,
- dass durch das durch das Verbindungselement (160, 160', 160'') ein Bereich, in welchem sich Unfiltrat befindet, dichtend gegen den Filtratablauf (33; 133) abschliessbar ist und
- dass das Verbindungselement (160, 160', 160'') mindestens ein Verschlusselement (162, 163) für einen Formschluss mit mindestens einem Verschlusselement (162, 163) mindestens eines weiteren Verbindungselements (160, 160', 160'') besitzt.
35. Verbindungselement gemäss Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (160, 160', 160'') beidseitig mit mindestens einem gleichartigen Verbindungselement (160, 160', 160'') wenigstens eines weiteren Modulelements (20; 120) verbindbar ist.
36. Verfahren zur Herstellung eines Modulelements, insbesondere gemäss einem der Ansprüche 15-34, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Aufstapeln von einer ersten Membran (1; 101), einem FiIt- rat-Abstandshalter (21; 121) und einer zweiten Membran (1; 101)
- Umspritzen des Randes (139) , ausgenommen den mindestens einen Abflussbereich (122)
- Verbindungselement (160, 160', 160'') anlegen.
37. Ein Modul zur Crossflow-Filtration, gekennzeichnet dadurch, dass es aus einem Stapel (100) von 2-100 Modulelementen (20; 120), gemäss einem der Ansprüche 15-34, besteht.
38. Verfahren zur Crossflow-Filtration einer Flüssigkeit, insbesondere eines Getränks, wobei die Flüssigkeit entlang einer Membran (1; 101) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 2 geleitet wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0.1 und 2 m/s und/oder mit einem Transmembrandruck (Δp) von 0.01 bis 2 bar, vorzugsweise etwa 1 bar über die bzw. durch die Membran (1; 101) geleitet wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate durch die Membran (1; 101) geregelt wird, insbesondere durch Einstellen des Transmembrandrucks (Δp) .
41. Verfahren zur Filtration einer Flüssigkeit, insbesondere eines Getränks, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit im Querstrom über eine Membran (1; 101) filtriert wird und dass der quer durch die Membran (1; 101) insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hindurchtretende Teil der Flüssigkeit zusätzlich beim Durchtritt durch die Membran (1; 101) in der Tiefe der Membran (1; 101) filtriert wird.
42. Verfahren zur Reinigung einer Crossflow-Filtermembran, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung der transmembrane Druck (Δp) quer zur Membran (1; 101) im Vergleich zum Transmembrandruck (Δp) während der Filtration reduziert wird, wodurch sich die
Membran (1; 101) ausdehnt und dass in der Membran (1; 101) abgelagerte Teile mit einer Reinigungsflüssigkeit entfernt werden.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Transmembrandruck (Δp) um mindestens 50% reduziert wird.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008036920A1 (de) * 2008-08-04 2010-02-11 Itn Nanovation Ag Filtriereinheit zur Aufbereitung von Wasser
CN102059015B (zh) * 2010-11-22 2012-09-05 宋健 一种层式过滤组件
EP2695666A1 (de) 2012-08-08 2014-02-12 Grundfos Holding A/S Filterelement
AU2014237109B2 (en) * 2013-03-15 2018-08-02 Oasys Water LLC Membrane modules
DE102017208730A1 (de) * 2017-05-23 2018-11-29 Krones Ag Verfahren für den Crossflow bei der Membranfiltration von Bier
EP4309760A1 (de) * 2022-07-19 2024-01-24 Filtrox AG Filterschicht

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3353682A (en) * 1966-02-28 1967-11-21 Pall Corp Fluid-permeable fibrous multilayer materials and process of making the same
AR205025A1 (es) * 1974-04-19 1976-03-31 Johnson & Johnson Medios para filtrar sangre
US4828705A (en) * 1986-10-31 1989-05-09 Kingston Technologies, Inc. Pressure-dependent anisotropic-transport membrane system
DE9010071U1 (de) * 1989-10-17 1990-11-15 Sartorius AG, 3400 Göttingen Filterstapel für den Einbau in einer nach dem Crossflow-Prinzip betreibbaren Filtervorrichtung für Fluide
US5221479A (en) * 1991-02-15 1993-06-22 Fuji Photo Film Co., Ltd. Filtration system
NL9301653A (nl) * 1993-09-24 1995-04-18 X Flow Bv Werkwijze voor het verwijderen van troebelheid veroorzakende bestanddelen uit een vloeistof met behulp van microfiltratie.
WO2000045933A1 (en) * 1999-02-04 2000-08-10 Cuno Incorporated Graded particle-size retention filter medium for cell-type filter unit

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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