FR2536671A1 - Appareil de filtrage pour liquides, de type statique a membrane - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN APPAREIL DE FILTRAGE POUR LIQUIDES, A RECIPIENT EXTERIEUR ET, EN PARTICULIER A TUYAU DE CENTRIFUGEAGE, AVEC EQUIPAGE DE FILTRE DANS LEQUEL SE TROUVE LE LIQUIDE, OU LE MILIEU A FILTRER EST EN CONTACT PAR SURPRESSION AVEC L'ELEMENT FILTRANT DE L'EQUIPAGE DE FILTRE. SELON L'INVENTION IL A ETE PREVU POUR LE FILTRAGE STATIQUE PAR MEMBRANE, SUR LE COTE EXTERIEUR TOURNE VERS LE FOND DU RECIPIENT DE L'EQUIPAGE DE FILTRE 4 UNE MEMBRANE FILTRANTE 8 DONT LA COUCHE FILTRANTE EFFICACE EST TOURNEE VERS L'EXTERIEUR. L'INVENTION S'APPLIQUE EN PARTICULIER AUX ANALYSES BIOCHIMIQUES ET MEDICALES.

Description

k.1 L'invention concerne un récipient de filtrage muni

d'un tuyau extérieur, en particulier d'un petit tuyau centri-

fuge et d'un équipage filtrant ouvert à l'intérieur, prévu

pour flotter dans l'espace, o le milieu à filtrer est en con-

tact avec le filtre sous une légère surpression et o les ac- célérations extérieures des échantillons à filtrer vues de

l'extérieur ne comportent aucun vecteur dans le sens du fil-

tre. Le filtrage statique est le procédé de filtrage le plus

simple Le milieu à filtrer est ici en contact avec la membra-

ne sous une surpression, sans contraintes d'écoulement On ne peut l'utiliser avec succès, dans le stade de la technique,

que lorsqu'il faut séparer de très faibles quantités de subs-

tance de la suspension ou de la solution, comme par exemple, dans le cas de l'extraction de filtrats stériles à partir de

solutions comportant quelques rares germes.

Toutefois, plus la concentration des substances en so-

lution ou en suspension à séparer est grande, plus les taux de filtrage susceptibles d'être atteints par filtrage statique (quantité de filtrat par unité de surface et de temps) sont affectés par l'enrichissement des composants à séparer à la

surface de la membrane.

L'emploi de surfaces filtrantes proportionnellement plus grandes n'est toutefois pas seulement irréalisable en

raison du coût technique élevé que ceci implique En particu-

lier dans les travaux de filtrage analytique o l'on doit par-

venir à une extraction totale du concentré ou du filtrat afin de ne pas avoir une composition erronée, on doit utiliser, si

possible, de petites surfaces filtrantes.

Bien entendu, l'emploi de grandes surfaces filtrantes

implique également en conséquence des pertes proportionnelle-

ment plus élevées en raison de l'adhérence du filtrat ou du

concentré En outre, la composition peut être également modi-

fiée de façon indésirable en raison de la matière filtrante.

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D'une part, les principales matières filtrantes et, en parti-

culier les membranes d'ultrafiltration comprennent des adju-

vants lavables (agents mouillants, plastifiants, glycérine,

bactéricides, etc) qui, lorsqu'ils sont en fortes concentra-

tions, peuvent provoquer des perturbations et dont le lavage préliminaire peut de son côté entraîner une dilution des échantillons D'autre part, les matières filtrantes, en raison d'effets d'adsorption spécifiques ou non, peuvent affecter la composition de-l'échantillon, tant dans sa concentration d'ensemble que dans les taux de concentration des composants

entre eux On peut citer à titre d'exemple de cela, l'adsorp-

tion de médicaments non combinés lors de l'ultrafiltration du sérum et l'adsorption partielle de protéines lors de la

concentration des protéines de l'urine.

Les inconvénients du filtrage statique peuvent toute-

fois être notablement surmontés par le principe du flux tan-

gentiel appliqué au moyen de pompes mais, toutefois, celui-ci

n'est pas utilisable dans le domaine des petits et très pe-

tits volumes en raison des pertes qui se produisent.

L'invention a pour objet de permettre, par un procédé plus simple que jusqu'ici, et également pour les très petites

quantités, d'éviter les erreurs lors du prélèvement de concen-

trés ou de filtrats tout en assurant l'automatisation du pro-

cédé de filtrage.

Elle y parvient avec un appareil du type indiqué plus haut, de façon étonnante en assurant le filtrage statique par membrane au moyen du montage sur la face externe du corps creux flottant d'une membrane dont la couche efficace servant

au filtrage est tournée vers l'extérieur.

On utilise de préférence comme force motrice pour le filtrage une différence de pression hydrostatique de 0,5 bar au moins provenant de la différence de niveau entre le milieu filtrant et le filtrat et de l'accélération centrifuge, ce qui fait que l'appareil est conçu de manière que l'accélération centrifuge de la solution à filtrer, vue de l'extérieur, ne

comporte aucun vecteur dans le sens de la membrane.

Lors de l'application de l'invention, on est étonné par la simplicité des appareils qui peut avoir une signification importante en particulier dans la fabrication d'appareils à

usage unique.

On utilise le filtrage statique dans le champ d'accélé-

ration d'une centrifugeuse ou de la gravitation de manière à séparer le sens de migration du filtrat du sens de l'accéléra- tion. A la différence des dispositifs connus utilisés pour le filtrage statique o l'on a également recours à l'accélération

centrifuge pour produire la différence de pression hydrostati-

que efficace (voir par exemple le brevet allemand 19 06 179),

dans la forme de réalisation conforme à l'invention, l'accélé-

ration centrifuge ne comporte aucun vecteur dans le sens de la

membrane On évite ainsi que les composants existants suscep-

tibles de se décanter viennent se déposer sur la membrane ou

ne viennent enrichir le concentré formé, qui se trouve généra-

lement à une densité supérieure à celle de la solution de dé-

part, sur la membrane Ceci est valable de même quand le fil-

trage est effectué sous vide, sous l'effet de l'accélération terrestre mais, bien entendu, l'effet est proportionnellement

moins développé.

En outre, grâce aux mesures conformes à l'invention, on

arrive, en cours de filtrage, à ce que la membrane mobile sui-

ve la baisse de niveau de l'échantillon et soit recouverte de

produit à filtrer sur toute sa surface, jusqu'à la fin du pro-

cessus de concentration, c'est-à-dire que la surface filtrante efficace reste inchangée pendant toute la durée du processus complet. En raison de la construction simple du dispositif, les

coûts de fabrication restent réduits.

L'équipage filtrant comporte avantageusement un orifice près de la membrane collée qui s'étend de l'extérieur de l'équipage filtrant à l'intérieur, en traversant la faible

épaisseur de paroi de l'équipage filtrant creux.

L'un des avantages particuliers est que dans certaines

formes de réalisation on peut réaliser un système de construc-

tion modulaire réel o l'on voit avec surprise que le nombre de pièces à utilisation exclusivement polyvalente est réduit,

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ce qui permet une fabrication économique.

Tant sous vide qu'en centrifugeage, l'appareil est maintenu ensemble, par la pression extérieure, sans filetage, etc. Il est prévu de préférence pour des échantillons impor-

tants, des flotteurs à porte-filtre amovible et membrane in-

terchangeable o le fond du flotteur est ouvert avec une ex-

tension pour l'introduction du porte-filtre.

Les problèmes qui ont servi de base à l'invention sont fréquemment du domaine de l'analyse médicale ou biochimique

et de la recherche pharmaceutique.

On peut citer à titre d'exemple, la séparation des pro-

téines avant la détermination par chromatographie sur colonne échangeuse d'amino-acides (les protéines rendent inutilisable

le remplissage des colonnes par suite de la formation de liai-

sons irréversibles Les liquides biologiques et hydrolysats de

protéines enzymatiques doivent par suite être séparés des pro-

téines avant l'analyse de l'amino-acide).

Un autre domaine d'utilisation est celui de la détermi-

nation de substances libres (non liées aux protéines) dans le

sang des patients (médicaments par exemple).

Parmi les autres domaines d'utilisation, on peut citer

l'enrichissement d'enzymes, de pyrogènes ou virus afin d'aug-

menter la sensibilité de détermination.

En utilisant des formes de réalisation de l'invention qui permettent avec un récipient de concentré d'obtenir un

facteur de concentration supérieur et défini, on peut effec-

tuer la concentration des protéines de l'urine ou du liquide cérébrospinal pour les recherches par électrophorèse, qui sont

d'une importance significative pour le diagnostic médical.

Les mesures conformes à l'invention permettent, outre

les avantages décrits plus haut, d'obtenir une surface fil-

trante plus petite ce qui évite les pertes par adsorption On obtient une vitesse de filtrage élevée en évitant efficacement

la polarisation de la concentration Les macromolécules ne su-

bissent aucune sollicitation mécanique On obtient un contact minimum de l'échantillon avec l'air et, par suite, il ne se produit aucun échange gazeux avec l'atmosphère Le produit filtré peut être traité dans une centrifugeuse de laboratoire, sans, autre moyen auxiliaire Il est possible d'effectuer le

filtrage simultané d'une pluralité d'échantillons.

Le flotteur plonge aussi en général en partie dans l'échantillon du tuyau centrifuge Il se produit ainsi au ni- veau de la membrane une pression hydrostatique qui atteint plusieurs bar sous l'effet de l'accélération centrifuge Dans ce cas, le filtrat s'accumule à l'intérieur du flotteur Alors

qu'on utilise ordinairement des centrifugeuses à tête oscil-

lante ou angulaire il faut par contre, dans le cas des lipides émulsionnés tels que par exemple le lait, des centrifugeuses à

tête angulaire pour éviter les dépôts sur la membrane.

Des exemples de formes de réalisation de l'invention vont maintenant être détaillés en se référant aux planches de croquis joints o: La Fig 1 illustre une première forme de réalisation, La Fig 2 illustre une seconde forme de réalisation, La Fig 3 illustre une variante,

La Fig 4, une variante comportant un élément supplémen-

taire,

La Fig 5, une variante destinée à une application par-

ticulière, La Fig 6, une forme de réalisation pour extraction sous v i de, La Fig 7, une forme de réalisation particulièrement

bien appropriée dans la pratique, avec un volume résiduel mi-

nimum, La Fig 8, une variante sans aucune perte de substance dans le volume résiduel, La Fig 9, une forme de réalisation pour centrifugeage intermittent, La Fig 10, une forme de réalisation pour d'importantes quantités d'échantillonnage, La Fig 11, une variante de la Fig 10, La Fig 12, une forme de réalisation particulièrement bien conçue pour Diafiltration,

La Fig 13, une forme de réalisation pour la concentra-

tion sous vide, 253667 j La Fig 14, une variante particulièrement simple, La Fig 15, une forme de réalisation avec corps élargi et, La Fig 16, une forme de réalisation pour dia-filtration et filtrage sous vide. La Fig 1 représente une forme de réalisation conçue pour l'extraction directe d'un ultrafiltrat sanguin (état en

début de filtrage) Les éléments illustrés (corpuscules san-

guins) 2 se trouvent déjà au fond du tuyau de centrifugeage 1, l'équipage filtrant (corps creux/flotteur) 4 et la membrane 8 flottent sur le plasma 3 L'écartement latéral 140 entre l'équipage 4 et le tuyau 1 a été agrandi pour faciliter la compréhension et est de 0,1 mm environ (Dans la plupart des tuyaux coniques, la cote interne de la partie inférieure est déterminante) La partie décolletée 15 sert de réservoir au

liquide qui monte et arrête l'effet de capillarité après l'ar-

rêt de la centrifugeuse La membrane 8, constituée de préfé-

rence par une membrane d'ultrafiltration asymétrique, dotée d'une limite de séparation de 20 000 Daltons est raccordée à

l'équipage 4, sur le côté actif (côté efficace pour le fil-

trage), vers l'extérieur, par un bord 9 soudé ou collé, de manière que la perméabilité de la membrane soit interrompue dans cette zone (On sait que les membranes d'ultra-filtration

asymétriques comportent sous la couche efficace pour le fil-

trage, une couche d'appui à pores de taille relativement gros-

sière, perméable aux protéines Lorsque le bord découpé de la membrane reste ouvert, ce qui arrive dans le cas d'adhésifs qui ne pénètrent pas dans la couche de support, il advient que la couche active vienne à "migrer" sous l'effet de la solution

de protéines Dans le procédé préféré, l'étanchéité est assu-

rée par un soudage thermique.

Le filtrat 6 s'écoule, après avoir traversé la membrane 8, dans un système réalisé de façon connue de fins canaux 10

et d'orifices 11 et vient se recueillir dans l'espace inté-

rieur de l'équipage 4 La partie inférieure de cet espace est de préférence confectionnée de forme conique afin de faciliter

le prélèvement total du filtrat.

7 - L'énergie motrice du filtrage est la différence de pression hydrostatique qui provient de la différence de niveau 13 entre le niveau de plasma 7 et le niveau de filtrat 5 sous l'influence de l'accélération centrifuge Plus le filtrage progresse, plus la différence-de pression baisse mais la vi- tesse de filtrage n'est pas influencée de la même manière car

dans les membranes d'ultra-filtration asymétriques, un ac-

croissement de la différence de pression efficace de filtrage

au delà d'une valeur donnée, fonction de la limite de sépara-

tion de la membrane utilisée, n'entraîne aucune augmentation de la capacité de filtrage nominale (une différence de niveau de 3 mm correspond à une accélération centrifuge de 3000 g et

à une différence de pression de 0,9 bar).

On évite un enrichissement des protéines concentrées sur la surface de la membrane étant donné que le concentré, en raison de sa densité accrue (une augmentation de concentration protéinique de 1 g/100 ml correspond à un accroissement de densité de 0,004 g/ml environ) dans le sens de l'accélération

centrifuge Z vient à nouveau migrer par convection vers la so-

lution de départ et ne se mélange pas à celle-ci.

Dans l'application décrite ici il est désirable d'obte-

nir une grande quantité d'ultra-filtrat à partir d'une petite quantité de sang Au sujet du sang, le facteur limitatif est la pression oncotique apparaissant dans le plasma concentré

(pression colloïde-osmotique), car le filtrat ne peut s'arrê-

ter que si la pression oncotique du concentré et la différen-

ce de pression hydrostatique efficace sont équivalentes Dans la pratique, la limite supérieure de la fraction du liquide

ultrafiltrable est ici aux environs de 50 % du volume de dé-

part ce qui fait que cette valeur est naturellement fonction des valeurs d'hématocritie, de la concentration en protéines de l'échantillon, de la vitesse de rotation de la centrifugeuse

et de la géométrie du dispositif et de la centrifugeuse.

Lors du filtrage de solution-protéiniques diluées, le filtrage peut être arrêté de façon prématurée, comme illustré

sur la Fig 1 en utilisant un tuyau à fond arrondi car l'équi-

page 4 vient buter contre l'arrondi Etant donné que la majeu-

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re partie des tuyaux de centrifugeage du commerce comportent un fond arrondi, il est nécessaire de monter dans ce cas un corps de contrainte semi-sphérique à face supérieure plane

sur le fond du tuyau si l'on désire obtenir le volume de fil-

trat maximum. La Fig 2 représente une forme de réalisation à flotteur plat 4 et tuyau de centrifugeage 100 à fond plat Le flotteur

s'enfonce de plus en plus profondément par suite de l'absorp-

tion de filtrat et même lorsque la solution de départ est en quantité excessive, celle-ci ne déborde pas dans le filtrat par dessus le bord du flotteur à condition de confectionner ce flotteur dans un matériau dont la densité est inférieure à celle de la solution En cas d'impossibilité, la quantité

d'échantillon existant doit être limitée Au niveau des solu-

tions concentrées, telles que le sang ou le sérum par exemple,-

le filtrage s'arrête dès une concentration de protéines donnée

ce qui permet donc de choisir un plus grand volume d'échantil-

lon.

Sur la Fig 3, comme sur la Fig 1, à la partie supérieu-

re du flotteur, à l'endroit o aucune résistance à la pression

n'est nécessaire, l'épaisseur de paroi est réduite par un dé-

colletage 15 Ainsi, lorsque l'équipage vient reposer sur le

fond, il reste encore une certaine quantité de solution de dé-

part que l'on peut encore filtrer sans qu'elle ne déborde sur

le rebord.

Dans la Fig 4, le bouchon 16 disposé au centre sur un trou d'évent et qui aboutit dans une extension tubulaire 17 remplit la même fonction A la fin du filtrage, le flotteur peut être totalement rempli à nouveau Dans cette forme de réalisation, la différence de pression hydrostatique augmente à nouveau de façon abrupte quand le flotteur est redescendu

sur le fond du tuyau de centrifugeage, jusqu'à ce que le pro-

cessus de filtrage supplémentaire arrive finalement à zéro.

Dans la variante de la Fig 5, le volume maximal de fil-

trat est prédéterminé Le bouchon est creux (espace creux ou-

vert 19 vers le haut); le tuyau de purge central 20 est à nou-

veau disponible Ici également, la densité du matériau de pa-

roi ne doit pas être choisie inférieure à celle de la solution

à filtrer Le flotteur peut toujours flotter Dès que le fil-

trat dans le tuyau a atteint le niveau extérieur de l'échan-

tillon, le filtrage s'arrête.

D'après la Fig 6, on utilise comme énergie motrice de

filtrage, la dépression du flotteur On peut par exemple, met-

tre simultanément sous vide un nombre important d'appareils dans une armoire de séchage sous vide et monter le clapet anti retour 210 sur les autres bouchons 16 inchangés Après avoir

-10 rétabli la pression dans l'armoire, on commence le filtrage.

A titre d'exemple de clapet anti-retour, on peut citer un cla-

pet du type de Bunsen (tuyau fermé d'un côté, muni d'une fente longitudinale Dans ce cas, il est préférable d'utiliser un capuchon de caoutchouc silicone avec fente longitudinale) A

la différence du centrifugeage il ne doit subsister aucun vo-

lume résiduel-de solution de départ.

La Fig 7 illustre une forme de réalisation particuliè-

rement importante Sous la membrane, on peut adapter sur le

flotteur son propre récipient de concentré 21 L'objet de cet-

te réalisation est de limiter les pertes de substance diluée

qui sont essentiellement fonction de la dimension de la surfa-

ce mouillée par le concentré On y parvient en ne procédant pas à la concentration dans le récipient d'échantillonnage mais dans un récipient de concentré relié à celui-ci, dont le volume correspond à la quantité de concentré désirée Ceci procure en outre l'avantage de ne pas pousser excessivement la

concentration par erreur Afin d'éviter, en dépit de ces mesu-

res, des temps de filtrage trop courts, l'échantillon doit parvenir sur la membrane sans se mélanger au concentré qui a déjà été formé Le récipient de concentré est réalisé dans un matériau d'une densité inférieure à celle du milieu à filtrer,

généralement constitué d'une solution aqueuse, qui vient pres-

ser de sa propre force sur le flotteur ce qui fait qu'aucune

fixation solide n'est nécessaire Le concentré vient se re-

cueillir dans la cavité 23 dont le volume correspond à celui

du volume de concentré à obtenir La paroi latérale 22 du ré-

cipient est prolongée au dessus du niveau de la membrane 8 ce qui permet d'éviter que le concentré formé qui, dans le cas de solutions protéiniques présente une plus haute densité, ne

s'échappe Il n'est pas nécessaire de prévoir de mesures par-

ticulières pour l'alimentation de la solution de départ, à condition que le récipient de concentré ne soit pas relié au flotteur de façon absolument étanche. Le support de filtre 10 comporte de préférence, dans

cette forme de réalisation, une légère convexité ce qui empê-

che la formation d'une bulle d'air au dessous de la membrane

8 Il n'est alors pas nécessaire de remplir de liquide le ré-

cipient de concentré avant le filtrage car l'air peut totale-

ment s'échapper par les bords Etant donné que la solution de

départ a une densité inférieure à celle du concentré déjà for-

mé, elle se propage directement au dessous de la membrane 8 et y est concentrée sans avoir été mélangée au préalable avec le

concentré déjà formé Afin de faciliter l'enlèvement du réci-

pient de concentré 21 a la fin du filtrage et d'éviter de ré-

pandre du concentré en retirant brutalement le flotteur, il est possible de doter la bordure 22 en 220 d'un chanfrein d'extraction en dents de scie restant engagé dans des creux

Gorrespondants aménagés dans la paroi du flotteur L'extrac-

tion du récipient de concentré s'effectue alors dans ce cas par un mouvement de rotation Les dents d'extraction peuvent également être formées de manière à permettre un engagement' dans différentes positions ce qui permet de présélectionner différents volumes de concentré Les flèches indiquent le sens

de l'écoulement, ce qui donne un rapport de concentration dé-

terminé en fonction du débit d'alimentation de l'échantillon

211 Dans toutes les formes de réalisation, les repères de ré-

férence désignent les mêmes organes La Fig 8 illustre une

forme de réalisation similaire à celle de la Fig 6, pour ex-

traction sous vide à l'aide du clapet anti-retour 210 et, mon-

tre plus particulièrement le récipient de concentré 24.

La solution de départ n'est pas ici introduite par le haut mais par le dessous, par le trou 25 Les échantillons existants peuvent ainsi être filtrés sans pertes Le volume

réservé au concentré est ici réalisé sous la forme d'un enfon-

il

cement annulaire 26 et le trou 25 d'alimentation de la solu-

tion de départ est pratiqué durectement dans la membrane 8.

Il ne se produit aucune perte de substance dans le vo-

lume résiduel.

Si l'on utilise une centrifugeuse à marche intermitten- te, comme indiqué plus haut, la forme de réalisation de la Fig 9 peut comporter des avantages S'il reste encore dans le cas de la Fig 7 une petite quantité de solution non filtrée dans l'intervalle entre le flotteur et le tuyau extérieur, il

peut être utile souhaitable de récupérer totalement les subs-

tances à poids moléculaire élevé qui se trouvent dans la solu-

tion On le fait par lavage avec un liquide approprié Si l'on

utilise pour cela le filtrat déjà formé on exclut toute possi-

bilité d'erreur d'échantillon due à la présence de composants d'éléments auxiliaires à faible poids moléculaires ou les

erreurs dues aux composants existants On utilise, par exem-

ple, le bouchon de la Fig 4 disposé en outre sur la face in-

férieure de la chambre de filtrage, sur le tuyau de purge 27.

Si l'on remplit l'intérieur du flotteur avec du filtrat, on peut évacuer l'air existant sans obstacles jusqu'à ce que le

niveau de filtrat soit parvenu à l'extrémité inférieure du tu-

yau de purge 27 Si le filtrage dépas-se cette limite, l'air résiduel est comprimé en 28 sous forme d'un coussin d'air Si la pression hydrostatique tombe par suite de l'arrêt de la

centrifugeuse, le coussin d'air comprimé 28 se détend et con-

traint toute fraction du filtrat se trouvant sur l'extrémité inférieure du tuyau de purge 27 Le filtrat remonte alors par

ce tuyau et le trou 29 du bouchon pour revenir dans la solu-

* tion de départ A la remise en marche de la centrifugeuse, on

envoie une autre partie de la substance diluée dans le réci-

pient de concentré En cas de marche intermittente fréquente,

les quantités de substances diluées se trouvant dans la solu-

tion peuvent être envoyées en quantités désirées dans le ré-

cipient de concentré Les conditions à l'arrêt sont indiquées

par les flèches 213.

Alors qu'on ne s'est préoccupé jusqu'ici que de quanti-

tés d'échantillons particulièrement faibles, la forme de réa-

lisation de la Fig 10 convient pour des quantités importantes.

Le flotteur 30 est disposé sur un fond ouvert vers le bas et une extension 36 de forme annulaire dans laquelle le support de filtre 31 est enfiché On pose au dessus la membrane 33

puis ensuite un joint torique 34 La force de serrage est as-

surée par un anneau 32 qui comprime le joint torique contre la membrane 33 et la paroi interne de l'extension 36 L'anneau de serrage 32 est, de son côté, maintenu en position par friction

entre une surface extérieure 35 et la surface interne de l'ex-

tension 36 Bien entendu, il est également possible d'utiliser un anneau de serrage à visser L'anneau de serrage 32 et le support de filtre 31 sont réalisés dans un matériau de densité inférieure à celle de la solution de départ, ce qui fait que pendant le centrifugeage, ils sont comprimés sous l'effet de

leur contact avec le flotteur 30.

L'appareil de base de la Fig 10 peut être modifié de différentes manières: la forme de réalisation pour extraction

sous vide illustrée sur la-Fig 11 comporte, en plus des orga-

nes représentés sur la Fig 10, au dessus d'un couvercle 37

serré par le joint torique 38 contre le flotteur 30 et un cla-

pet de décharge 39 du type décrit plus haut Il existe des

réalisations à filtre interchangeable de construction modulai-

re, prévus pour différentes applications en utilisant une cen-

trifugeuse à marche intermittente (voir explications de la Fig 9) La Fig 12 est spécialement conçue pour dia-filtration

avec centrifugeuse intermittente et comporte également un tu-

yau de purge et un récipient d'échantillon Il est d'autre part possible de procéder à un dessalage ou à une séparation par adsorption des fractions de faible poids moléculaire Il a

été monté à l'extérieur du flotteur 30 un récipient supplémen-

taire de construction analogue (flotteur) 40 réalisé dans un

matériau de densité inférieure à celle des fluides à filtrer.

Celui-ci comprend de nouveau, au dessous, un support de filtre avec membrane 41 Le petit flotteur 40 contient maintenant l'échantillon qui est filtré au travers de la membrane 33 dans

le gros flotteur.

Le support de filtre démontable est ici d'une importan-

ce essentielle car on peut retourner l'appareil et le flotteur

se trouve alors ouvert à la partie supérieure; l'échantil-

lon peut être versé par le haut puis on monte le support de filtre et la membrane sans qu'il ne se trouve de bulle d'air à l'intérieur Dans l'exemple de réalisation, le flotteur 40 supporte une membrane 41 avec découpe de 20 000 Daltons, la

membrane 33 du flotteur 30 a une découpe de 100 000 Daltons.

Si l'échantillon-contient des protéines d'un poids moléculaire inférieur à 100 000 Daltons, celles-ci peuvent traverser la

membrane 33 et parvenir dans le filtrat Ce filtrat est com-

primé vers l'extérieur à l'arrêt, par le mécanisme de la cen-

trifugeuse intermittente et parvient ainsi jusqu'à la membrane

41 et est libéré des protéines d'un poids moléculaire supé- rieur-à 20 000 lors'du passage au travers de cette membrane

41; l'eau pure ou le diluant retournent dans l'échantillon.

Si ce procédé est répété suffisamment, l'échantillon peut être libéré par dia-filtration des protéines en question et reste

à nouveau dans la chambre extérieure -

Il est évident que l'on peut monter encore de la même

façon d'autres récipients 30 entre le récipient 30 et le flot-

teur 40 lorsqu'il est nécessaire de séparer plusieurs frac-

tions de l'échanitillon Le montage des membranes est alors choisi de manière appropriée afin que l'échantillon soit tout d'abord filtré par la membrane dont la découpe est la plus

grande, puis dans les récipients suivants o l'on monte à cha-

que fois des membranes de découpe plus petite Les récipients prévus pour ne recevoir que les fractions individuelles sont

remplis sans air, avant le début du-centrifugeage, d'un liqui-

de approprié.

Pour dessaler un échantillon d'albumine par exemple, la

chambre à filtrat du flotteur 30 peut être partiellement rem-

plie d'un lit mixte d'échangeurs d'ions Le filtrat remonte

alors par le lit d'échangeurs d'ions, avant l'arrêt de la cen-

trifugeuse et revient à nouveau vers l'extérieur par le tuyau de purge, c'est-à-dire que le filtrat se trouvant dans la chambre extérieure est dessalé et revient par la membrane 41 dans l'échantillon lors d'un nouveau centrifugeage On peut également introduire dans le flotteur 30 du carbone activé à

la place des échangeurs d'ions.

La forme de réalisation de la Fig 13 concerne la con-

centration sous vide Certaines mesures sont ici nécessaires

car lorsque l'échantillon est entièrement utilisé il faut em-

pêcher que l'air ne remonte dans le récipient de concentré 42.

-A la différence de la Fig 11 on ne monte pas l'anneau de ser-

-rage sur l'extension 36 du flotteur mais un récipient de con-

centré 42 qui remplit avant tout les mêmes fonctions de serra-

ge que l'anneau tout en définissant en outre un volume, à sa-

-voir le volume de concentré On enfiche dans ce récipient à

concentré 42 un organe rapporté 43 dont l'étanchéité est assu-

rée par le joint 44 contre le récipient de concentré 42 et un prolongement de forme tubulaire 51 parvenant directement sous la membrane Pour prélever le concentré, on retourne

l'appareil et on extrait l'organe rapporté 43 Pour l'extrac-

tion sous vide, il est prévu encore un filtre auxiliaire 45 serré à fond de la façon décrite plus haut et qui constitue un filtre cellulaire que l'on utilise par exemple pour des pores d'une taille de 0,2 microns Les filtres de ce genre ont la propriété quand ils sont humides de laisser passer l'air tout d'abord sous une pression plus élevée Le filtrage prend ainsi fin lorsqu'il n'existe plus d'échantillon Ce montage peut également être utilisé dans la centrifugeuse o, dans ce cas le filtre 45 est superflu bien que l'on puisse cependant l'utiliser encore pour le préfiltrage ou pour un filtrage stérile.

Le clapet de décharge 39 est supprimé.

On peut voir sur la Fig 14 une forme de réalisation particulièrement simple o les organes remplissant les mêmes fonctions-mais dans uneautre configuration portent les mêmes repères de référence mais avec l'indice "a" Le montage du couvercle 37 a s'effectue ici bien entendu directement sur un

tuyau à dépression Un ultrafiltre 50 est monté dans le cou-

vercle, et, au dessous du récipient de concentré 43 a, il a été prévu un filtre cellulaire 45 a Le récipient de concentré 43 a est aménagé de manière à comporter un support de filtre avec

canaux dans le sens allant vers l'alésage central 52 L'intro-

duction de l'échantillon peut se faire en plaçant l'appareil dans un porte-éprouvettes ou par un tuyau introduit dans le

trou 54 et relié à un récipient de type quelconque.

La pression du joint torique 56 est assurée par le bot-

tier 53 Le prélèvement du concentré est effectué après avoir

enlevé le bottier 53 et extrait le bouchon de caoutchouc 55.

Cette disposition peut être utilisée en-combinaison avec le flotteur 30 et le clapet anti-retour 39, d'une façon analogue à celle de la Fig 13, pour l'extraction sous vide,

sans tuyau à dépression fermé ou en combinaison avec le flot-

teur 30 pour le centrifugeage.

La Fig 15 illustre une autre possibilité d'emploi re-

commandée avec une légère modification des organes de la Fig 14 et l'utilisation, en complément, du flotteur 58 Les

modifications en question comprennent les orifices supplémen-

taires 61 et 60 pratiqués dans le couvercle 37 b et le trou 62 du boîtier 53 Au lieu de-la membrane cellulaire 45 a de la Fig 14, il est prévu une membrane d'ultrafiltration 601 dont le côté filtrant actif est tourné vers l'intérieur En outre, le joint d'étanchéité torique 57 remplit l'intervalle entre le couvercle 37 b et le récipient de centrifugeage 63, de façon à

coulisser Le flotteur 58 en question ne comporte, de préfé-

rence, aucun assemblage fixe sur le bottier 53 et peut être

également réalisé sous forme d'un élément constituant du bot-

tier Le flotteur 58 peut être constitué par un corps creux

rempli d'air, étanche de tous les côtés, susceptible de sup-

porter une pression extérieure de 3 bar au minimum; il peut aussi être entièrement réalisé eh matériau mousse, résistant

aux pressions extérieures et étanche vers l'extérieur La den-

sité moyenne, c'est-à-dire la masse par le volume extérieur est inférieure à celle du fluide à filtrer, de préférence, au dessous de 0,7 g/cm 3 et, tout particulièrement, d'une densité moyenne inférieure à 0,5 g/cm 3 La densité moyenne du flotteur

est déterminée de telle sorte que si l'on se réfère à la sur-

face de la section du récipient de centrifugeage, on obtient

une poussée minimale de 1 g/cm 2, ce qui correspond à une dif-

férence de pression de 1 cm de colonne d'eau.

La relation entre les valeurs indiquées plus haut est expliquée par les données mathématiques suivantes o V = volume extérieur du flotteur 58 (cm 3) F = section intérieure du récipient de centrifugeage 63 (cm 2), '= densité moyenne du flotteur 58 (g/cm 3) densité du fluide à filtrer (g/cm 3) A = poussée ascendante (g) A Exigence: Af C r j 1 2 Hypothèse:

V ( I 1

Le volume choisi doit également satisfaire à la rela-

tion suivante:

F

Plus la densité moyenne du flotteur est choisie faible,

plus son volume peut être réduit et plus le volume de l'échan-

tillon peut être grand.

On utilise l'appareil de la façon suivante On repousse le flotteur 58 et les organes du montage

représenté jusqu'au fond du récipient de centrifugeage 63.

L'air existant s'échappe par le clapet de décharge 39 Afin de réduire au minimum l'espace mort, la partie inférieure du

flotteur est ajustée de préférence à l'espace interne du réci-

pient de centrifugeage On verse ensuite la solution de départ

64 Celle-ci se trouve également au début du filtrage au des-

sus de l'appareil.

La Fig 15 représente les conditions existant après le début du centrifugeage Le dispositif, en raison de sa poussée ascendante, s'est déplacé vers le haut et l'on trouve déjà le

filtrat 65 qui s'est formé au dessous On interrompt le fil-

trage quand le dispositif est entièrement remonté vers le haut. L'appareil fonctionne de la façon suivante: Par suite du flotteur 58, il se forme entre le filtrat 65 (au dessous du

joint 57) et la solution de départ 64 une pression hydrostati-

que donnée par l'équation suivante

v F ( f S A)Rt b.

o:

RZB = accélération centrifuge relative.

Il faut bien entendu tenir également compte de la dif-

férence de densité des autres organes par rapport à la solu-

tion de départ mais qui, toutefois, en raison de l'emploi de

matières plastiques, n'est pas importante.

La solution de départ 64 pénètre dans l'appareil par le trou de passage 60 (on doit prévoir de préférence trois trous

de ce genre au minimum également espacés) coule sur la membra-

ne 601 et passe dans le récipient de concentré par l'orifice de passage 52 Il se produit déjà ainsi un filtrage partiel car la face interne du couvercle 53 est également réalisée sous forme d'un support de filtre Le filtrat migre par le

trou 54 vers le côté filtrat La solution de départ, déjà par-

tiellement concentrée, s'écoule alors du centre de la membrane 33 vers l'extérieur et poursuit sa concentration Le concentré

66 est recueilli dans la chambre de concentration de forme an-

nulaire du récipient de concentré.

Le filtrat qui s'est formé sur la membrane 33 s'écoule par le trou 61 dans le couvercle 37 b et passe par le trou 62

du boîtier 53 dans la chambre à filtrat (il est également pos-

sible de prévoir plusieurs trous de ce genre).

J 1

L'évidement 59 de la face inférieure du flotteur 58 en-

toure une cloche d'air qui est comprimée par la pression hy-

drostatique du filtrat Ce coussin d'air se dilate de la façon déjà décrite, et refoule un volume correspondant par les trous 62 et 61 et le clapet de décharge 39 vers la partie su- périeure de l'appareil (en raison de la friction entre le

joint 57 et le tube de centrifugeage 63, l'ensemble de l'équi-

page n'est pas totalement comprimé vers le haut car le clapet

de décharge 39 s'ouvre auparavant) et si l'on répète le cen-

trifugeage les résidus restant dans le trou 60 et au dessous

du récipient de concentré 43 a peuvent être enlevés par lavage.

On peut supprimer le creux 59 Il faut alors refouler le filtrat vers le haut pour procéder au lavage en'repoussant

l'équipage à la main.

Sur la membrane 601, les sens d'accélération et de fil-

trage correspondent à ceux des appareils de filtrage classi-

ques Le concentré peut ainsi s'enrichir sur la membrane Dans

l'application préférée ceci n'a cependant pas grande importan-

ce car il faut filtrer des solutions très diluées et les con-

cèntrations élevées ne se rencontrent que sur la membrane 33.

La membrane 601 n'a pour but que de réduire les temps de fil-

trage nécessaires, elle peut être supprimée lorsqu'elle est

superflue, à condition que le trou 54 soit également supprimé.

Après avoir enlevé le clapet de décharge 39 il est pos-

sible d'extraire le dispositif du tube de centrifugeage 63 et

de retirer le concentré, comme représenté sur la Fig 14.

Les dispositifs décrits plus haut, équipés de réci-

pients de concentré doivent être utilisés dans une centrifu-

geuse à tête oscillante car dans une centrifugeuse à tête

angulaire le concentré passerait par dessus bord.

Si l'on se contente d'extraire le filtrat ou de n'ef-

fectuer qu'une concentration limitée de l'échantillon, comme

dans les formes de réalisation 1 à 10, il est possible d'uti-

liser essentiellement une centrifugeuse à tête angulaire; dans

tous les cas lorsque le niveau de remplissage est faible.

La Fig 16 illustre en outre une forme de réalisation

prévue pour dia-filtration sous vide o les pièces sont assem-

blés d'une façon essentiellement différente Si une dépression est appliquée à nouveau, le liquide de lavage remonte par le dessous sur la membrane 33 Il a été prévu une bague de serra- ge 54 sous le couvercle 37; La partie inférieure du couvercle 37 est identique à la rallonge 36 illustrée sur les figures

précédentes L'échantillon-se trouve dans le flotteur, le li-

quide de lavage est dans le récipient extérieur.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1 Appareil de filtrage pour liquides, à récipient extérieur et, en particulier à tuyau de centrifugeage, avec

équipage de filtre dans lequel se trouve le liquide, o le mi-

lieu à filtrer est en contact par surpression avec l'élément filtrant de l'équipage de filtre, caractérisé en ce qu'il a été prévu pour le filtrage statique par membrane, sur le côté extérieur tourné vers le fond du récipient de l'équipage de filtre ( 4) une membrane filtrante ( 8) dont la couche filtrante

efficace est tournée vers l'extérieur.

2 Appareil de filtrage selon revendication 1, ca-

ractérisé en ce que l'on utilise comme énergie motrice de fil-

trage une pression différentielle hydrostatique minimale de

0,5 bar produite par la différence de niveau ( 13) entre le mi-

lieu à filtrer et le filtrat et l'accélération centrifuge (Z), et o l'appareil est conçu de telle manière que l'accélération

centrifuge considérée du point de vue de l'échantillon à fil-

trer, ne comporte aucun vecteur dans le sens de la membrane.

3 Appareil de filtrage selon revendication 1 ou 2,

caractérisé en ce que la membrane ( 8 33, 41) est cons-

tituée par une membrane d'ultra-filtrage asymétrique reliée à l'équipage de filtre (en 9) par la face active, étanche vers l'extérieur. 4 Appareil de filtrage selon l'une quelconque des

précédentes revendications, caractérisé en ce que l'équipage

de filtre ( 4) comporte un trou ( 11) près de la membrane collée ( 8) qui se prolonge intérieurement en cône de l'équipage de

filtre ( 4) jusqu'à l'épaisseur de paroi de l'équipage de fil-

tre ( 4).

5 Appareil de filtrage selon revendication 1, ca-

ractérisé en ce que le fond du tube de centrifugeage ainsi que celui du corps creux relié à la membrane (flotteur 4) est plan. 6 Appareil de filtrage selon l'une des précédentes

revendications, caractérisé en ce qu'un décolletage extérieur

( 15) de l'extrémité ouverte du corps creux ( 4) réduit cette

épaisseur de paroi.

7 Appareil de filtrage selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'un bouchon-( 16) d'extrémité d'un prolongement ( 17) de trou d'évent central obture le corps creux.

8 Appareil de filtrage selon revendication 7, ca-

ractérisé en ce que le tuyau d'évent ( 20) est monté dans un

creux ( 19) d'un bouchon ouvert vers le haut ( 16, 18).

9 Appareil de filtrage selon revendications 7 et

8, caractérisé en ce que le flotteur prévu essentiellement

pour un service sous dépression est raccordé à un clapet anti-

retour ( 210) à la partie supérieure et que l'accélération due à la gravité, considérée du point de vue de l'échantillon à

filtrer, ne comporte aucun vecteur dans le sens de la membra-

ne. Appareil de filtrage selon l'une quelconque des

précédentes revendications, caractérisé en ce qu'un récipient

de concentré ( 21) en matériau de densité inférieure à celle des fluides à filtrer est monté sous la membrane ( 33), sur le flotteur.

11 Appareil de filtrage selon revendication 10, ca-

ractérisé en ce que le support de filtre ( 10) est de forme lé-

gèrement convexe.

12 Appareil de filtrage selon l'une des précédentes

revendications, caractérisé en ce que le bord du récipient de

concentré ( 22) remonte et comporte des saillies en forme de dent de scie ( 220) correspondant à des évidements de la paroi

du flotteur.

13 Appareil de filtrage selon l'une des revendica-

tions 7 et 8, caractérisé en ce qu'il a été prévu pour l'uti-

lisation intermittente de la centrifugeuse, sur la face infé-

rieure du bouchon ( 16), un tuyau de purge ( 27).

? 536671

14 Appareil de filtrage selon revendication 1, ca-

ractérisé en ce que pour des échantillons importants, les flotteurs ( 30) sont prévus avec porte-filtre ( 31) démontable et membrane ( 33) interchangeable, ce qui fait que le fond du flotteur est ouvert et comporte un prolongement ( 36) destiné à

y adapter le porte-filtre ( 31).

Appareil de filtrage pour échantillons en quan-

tités importantes, selon revendication 14, conçu pour service sous vide, caractérisé en ce qu'il a été prévu en outre un couvercle ( 37) à clapet de décharge ( 39) pour le flotteur ( 30)

et, sous le flotteur, un ou plusieurs autres flotteurs supplé-

mentaires ( 40), avec porte-filtres individuels et plusieurs membranes individuelles à différents degrés de séparation, o

l'extension ( 36) et le couvercle ( 37) sont de dimensions éga-

les et le matériau du flotteur ( 40) est de densité inférieure

à celle du milieu à filtrer.

16 Appareil de filtrage selon revendication 15, caractérisé par un récipient de concentré ( 43 a) en forme de porte filtre, dont l'étanchéité est assurée par une membrane

dans le couvercle ( 37 a) et un filtre cellulaire ( 45 a) au des-

sous, contre le couvercle.

17 Appareil de filtrage selon revendication 15, ca-

ractérisé par un élément ( 42) sollicité par le flotteur, dont la forme intérieure est adaptée à un tube de centrifugeage et, éventuellement, un équipage ( 58) comportant un évidement ( 59), destiné à recevoir un coussin d'air, par des trous de passage

( 60) dans le couvercle ( 37 b), aboutissant à une membrane d'ul-

trafiltration ( 33), dont la face filtrante efficace est tour-

née et supportée par la face interne du couvercle ( 53) réali-

sée en forme de porte-filtre, et par un trou de passage ( 52) dans le récipient de concentré, conduisant à la membrane ( 601) o la solution de départ ( 64) s'écoule par les trous ( 60), puis le long de la membrane ( 601) avec filtration partielle au centre de la membrane ( 33) et de là, par des canaux ( 61) vers l'extérieur après poursuite de la concentration et o le concentré s'accumule dans l'espace annulaire du réservoir de: concentré ( 42) et le filtrat formé sur la membrane ( 33) coule

dans la chambre de filtrat ( 65).

18 Appareil de filtrage selon l'une des précédentes

revendications, caractérisé en ce que le porte-filtre du corps

creux et la partie adjacente du corps creux sont conçus pour une pression minimale de 3 bar et la profondeur d'immersion en flottement vertical libre dans un échantillon de-liquide

d'une densité de 1 g/cm 3 est de 10 mm au minimum.

19 Appareil selon l'une des précédentes revendi-

cations, caractérisé en ce que le jeu entre la paroi extérieu-

re du corps creux et la paroi intérieure du récipient d'échan-

tillonnage est très réduit.