NL8401635A

NL8401635A - Zelfreinigende filterinrichting.

Info

Publication number: NL8401635A
Application number: NL8401635A
Authority: NL
Original assignee: Tno
Priority date: 1984-05-22
Filing date: 1984-05-22
Publication date: 1985-12-16

Description

“I- i N.0. 32.431

Aanvraagster noemt als uitvinders: dr ir I. Rousseau, dr L. de Vries i“i. J. Z-ar-.

Zelfreinigende filterinrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een filterinrichting bestaande uit een huis dat door een membraan in twee kamers is verdeeld, waarvan de eerste kamer is voorzien van ten minste één toevoer- en één afvoeropening en de tweede kamer is voor-5 zien van ten minste één afvoeropening.

Bij het filtreren van fluïda wordt meestal een filterkoek gevormd waardoor het filter na enige tijd verstopt raakt.Bekende oplossingen voor dit probleem zijn het periodiek vervangen van een filterelement, het periodiek gedurende korte tijd omke-10 ren van de richting van de stroom door het filter en het periodiek verwijderen van de filterkoek met behulp van een ojiosmiddëL,

Dee drie oplossingen hebben alle het bezwaar dat het filter periodiek buiten bedrjjf moeten worden gesteld.Hier komt dan nog bij, dat in vele gevallen door omkering van de richting van de stroom door 15 het filter of door toepassing van een oplosmiddel geen voldoende reiniging van het filter kan worden verkregen.

Meer in het bijzonder, maar de aanvrage is niet hiertoe beperkt, doet zich het hierboven besproken probleem voor bij filters die gebruikt worden in biologische en biochemische proces-20 sen. Bjj zulke processen is het dikwijls gewenst voor het uitvoeren van een continue of periodieke on-line analyse vloeistof-monsters onder steriele omstandigheden uit een bioreactor (bijvoorbeeld fermentor of een reactor met geïmmobiliseerde enzymen) af te tappen. Tussen de bioreactor en de analyse-inrich-25 ting wordt dan een filterinrichting aangebracht die moet voorkomen dat enerzijds micro-organismen tezamen met een vloeistof-stroom uit de bioreactor in de analyse-apparatuur terechtkomen en dat anderzijds ongewenste micro-organismen in de bioreactor terechtkomen en daarin de steriliteit tenietdoen.

30 Zo is uit het Amerikaanse octrooischrift 4.204.962 een filter van de in de aanhef aangegeven soort bekend dat wordt toegepast bij het trekken van analysemonsters uit een fermentor voor de bierbereiding, teneinde te voorkomen dat micro-organismen in de analyse-apparatuur, in casu een vloeistof-35 chromatograaf, terechtkomen. Teneinde enerzijds te voorkomen dat het zich in deze bekende filterinrichting bevindende vlak- -- ----^ 8401635 .. Λ -2- • -Λ ke filterelement verstopt raakt en anderzijds een continue werking van dit filter te verzekeren, wordt niet alleen een, vergeleken met het filtraat, grote hoeveelheid te filtreren vloeistof door de filtreerinrichting geleid, maar is de 5 stroom van deze vloeistof in de filterinrichting zodanig gericht, dat hij een snelheidscomponent bevat die evenwijdig is aan één oppervlak van het vlakke filterelement. Hierdoor wordt de zich op het filterelement vormende filterkoek continu los- en weggespoeld, waardoor verstopping van het fil-10 ter wordt voorkomen.

Deze in het geciteerde Amerikaanse octrooischrift voorgestelde maatregelen ter voorkoming van verstopping van een filter blijken echter niet bij alle biochemische processen te kunnen worden toegepast. Zo is gevonden, dat bij de bio-15 chemische omzetting van suiker in ethanol filtratie van vloeistof uit de bioreactor door een membraan met een poriëndiameter die klein genoeg is om enerzijds uit de bioreactor afkomstige micro-organismen tegen te houden en anderzijds de steriliteit van de zich in de bioreactor bevindende vloeistof 20 te verzekeren, een uit biomassa bestaande filterkoek wordt gevormd die zich zo sterk aan het membraan hecht, dat deze filterkoek niet door een in hoofdzaak evenwijdig aan het mem-braanoppervlak gerichte stroom van te filtreren vloeistof kan worden verwijderd.

25 Het doel van de uitvinding is het verschaffen van een filterinrichting waarin de filterkoek continu kan worden verwijderd, ook als de adhesie tussen de filterkoek en het filtrerende membraan zo groot is, dat de filterkoek· niet door een in hoofdzaak evenwijdig aan het membraanoppervlak gerieh-30 te vloeistofstroom kan worden weggespoeld.

Dit doel wordt bereikt met een filterinrichting van de in de aanhef aangegeven soort, welke filterinrichting volgens de uitvinding hierdoor is gekenmerkt, dat zich in de eerste kamer een schraper bevindt en dat middelen zijnaangebracht om jieze 35’'Schraper en het membraan met zijn aan de eerste, kamer-grenzend oppervlak draaiend ten opzichte van en langs elkaar te bewegen .

Deze schraper maakt continu de filterkoek los van het membraanoppervlak, waarna de losgeraakte deeltjes van de fil-40 terkoek door de door de filterinrichting gaande stroom van te 8401635 «© ·* -3- filtreren vloeistof uit deze inrichting worden verwijderd.

Bij een voorkeursuitvoering van de filterinrichting volgens de uitvinding is het membraan buisvormig en omgeeft dit de tweede kamer zodat de te filtreren vloeistof langs het 5 buitenoppervlak van de membraanbuis en bovendien van buiten naar binnen door de wand van de membraanbuis heen stroomt. Teneinde hierbij de mechanische weerstand van de membraanbuis tegen een op deze buis inwerkend drukverschil te vergroten en voorts het volume van de holte in de membraanbuis te 10 verkleinen, is het noodzakelijk het inwendige van de membraanbuis grotendeels op te vullen met een stijf lichaam waarvan het oppervlak is voorzien van in de lengterichting van de membraanbuis en in het algemeen dwars daarop lopende groeven. In het geval de in het algemeen buigzame membraan-15 buis is aangebracht op een niet-buigzame stijve buisvormige drager met inwendig afvoerkanaal dan kan het stijve lichaam achterwege blijven.

Bij een andere voorkeursuitvoering bevat de schraper een of meer borstels die het naar de eerste kamer gerichte 20 oppervlak van het membraan voortdurend schoonborstelen.

Bij een filterinrichting volgens de uitvinding voorzien van een buisvormig membraan biedt het voordelen een om de membraanbuis draaibare borstelhouder aan te brengen waarin zich een of meer borstels bevinden* Als deze borstelhouder 25 wordt geroteerd verwijderen de borstels een eventueel aanwezige filterkoek van het buitenoppervlak van de membraanbuis.

In een andere uitvoeringsvorm is de schraper vast opgesteld rond een op een inwendig stijf lichaam of een inwendig stijve buisvormige drager aangebrachte membraanbuis die langs 30 de schraper gedraaid kan worden.

De uitvinding zal nu nader worden verklaard aan de hand van de tekening waarin figuur 1 een langsdoorsnede is door een voorkeursuitvoering van een filterinrichting volgens de uitvin-35 ding, en figuur 2 een opstelling weergeeft voor het continu bemonsteren van een fermenteervat.

In figuur 1 is in langsdoorsnede een ftiferinrichting volgens de uitvinding weergegeven. 1 is het filterhuis. Daar-40 in bevindt zich een eerste kamer 2 met een toevoer 3 en een ___.

8401635 -4- 3 afvoer 4 voor de te filtreren vloeistof. In de kamer 2 is aangebracht een buisvormig membraan 5 dat de tweede kamer 6 omgeeft, welke tweede kamer is voorzien van een afvoer 7 voor filtraat. In de membraanbuis 5 bevindt zich een metalen staaf 5 8 met een buitendiameter die slechts iets kleiner is dan de binnendiameter van de membraanbuis 5. Het oppervlak van deze 9 metalen staaf 8 is voorzien van een schroefdraad en bovendien van een aantal over de gehele lengte van de staaf in de lengterichting lopende groeven. Het doel van het aanbrengen van 10 deze staaf 8 is drieledig: ten eerste voorkomt deze staaf dat de membraanbuis samenklapt als de druk in de kamer 2 veel groter wordt dan die in de kamer 6. Ten tweede wordt door de aanwezigheid van de staaf 8 het volume van de tweede kamer 6 verkleind, waardoor de doorstroomsnelheid van het filtraat in 15 deze kamer wordt vergroot. Ten derde functioneert deze staaf als drager van het membraan en versterkt daarmee de mechanische sterkte ten opzichte van de schraper.

Onder de membraanbuis 5 bevindt zich het onderste deel 9 van een borstelhouder die afdichtend is gelagerd in een lager 20 10 en kan draaien om een as die samenvalt met de hartlijn van de membraanbuis 5. Dit onderste deel 9 van de borstelhouder kan worden geroteerd door een buiten het filterhuis opgestelde en niet in figuur 1 weergegeven electromotor.

Bij een andere uitvoeringsvorm kan, in afwijking van de 25 uitvoeringsvorm van figuur 1, de borstelhouder vast zijn bevestigd aan de buitenrand van kamer 2 terwijl de membraanbuis 5 met inwendige staaf 8 door de electromotor wordt gedraaid.

Teneinde de montage van een afdichtend lager te vermij-30 den kan, in afwijking van wat in de tekening is weergegeven, het filterhuis 1 aan de onderzijde geheel gesloten zijn en kan het onderste deel 9 van de borstelhouder en de electromotor geheel van elkaar worden gescheiden door een magnetische overbrenging.

35 In het onderste deel 9 van de borstelhouder zijn drie pipetborstels 11 aangebracht (waarvan er slechts één geheel in de tekening is weergegeven), welke pipetborstels 11 aan de bovenzijde zijn bevestigd in het niet aangedreven, bovenste deel 12 van de borstelhouder, welk bovenste deel om de mem-40 braanbuis 5 kan draaien. Als het onderste deel 9 van de bor- 8401635 -5- stelhouder wordt aangedreven, draaien de borstels 11 om de membraanbuis 5 heen en reinigen het buitenoppervlak ervan.

In figuur 2 is een opstelling weergegeven voor het bemonsteren van een fermentatievat 21 met behulp van de filter-5 inrichting 1 die in detail in figuur 1 is weergegeven. 13geeft hier de motor aan die de borstelhouder roteert.

Vloeistof uit het vat 21 wordt door de membraanpomp 22 geleid naar de toevoeropening 3 van de eerste kamer van de filterinrichting 1. Deze vloeistof kan de eerste kamer weer 10 verlaten door de afvoeropening 4 en van daar - afhankelijk van de stand van de driewegafsluiter 23 - rechtstreeks, dan wel via een van een afsluiter 24 voorziene omloopleiding weer in het vat 21 komen.

Als de stand van de driewegafsluiter 23 zodanig is dat 15 de uit de afvoeropening 4 komende vloeistof via de omloopleiding en de afsluiter 24 naar het vat 21 terugstroomt, kan met behulp van de afsluiter 24 de druk in de eerste kamer van de filterinrichting 1 worden geregeld, welke druk kan worden afgelezen op de manometer 25. Filtraat afkomstig uit het in-20 wendige van de membraanbuis 5 stroomt via de afvoeropening 7 naar de driewegafsluiter 26, Afhankelijk van de stand van deze driewegafsluiter 26 gaat de filtraatstroom naar een afval-vat 27, dan wel via de leiding 28 naar een niet in de tekening weergegeven analyse-inrichting, bijvoorbeeld een vloei-25 stofchromatograaf.

Voor het bemonsteren van het fermentatievat 21 gaat men als volgt te werks

Eerst wordt de driewegkradn 23 zodanig ingesteld, dat vloeistof afkomstig van de afvoeropening 4 rechtstreeks naar 30 het vat 21 kan stromen. Een betrekkelijk grote stroom vloeistof stroomt dan via de membraanpomp 22, de openingen 3 en 4 en de driewegafsluiter 23 door de eerste kamer van de filterinrichting 1, waarbij de druk in deze kamer laag is door het ontbreken van een grote stromingsweerstand tussen de opening 35 4 en het vat 21. Dit doorspoelen van de eerste kamer van de filterinrichting is noodzakelijk om er van verzekerd te zijn dat de samenstelling van de vloeistof in de eerste kamer geheel overeenkomt met die van de vloeistof in het vat 21. Tijdens dit doorspoelen vindt praktisch geen filtratie door de 40 membraanbuis 5 plaats, omdat er nauwelijks een drukverschil

___ X

8401635 * -6- * β is tussen de eerste en de tweede kamer. Het reinigen van de membraanbuis 5 met behulp van de roterende borstels kan ook zeer geschikt tijdens deze spoelperiode worden uitgevoerd.

Vervolgens wordt de driewegafsluiter 23 zodanig ver-5 steld, dat uit de opening 4 stromende vloeistof uitsluitend via de afsluiter 24 naar het vat 21 kan stromen, en door het gedeeltelijk sluiten van de afsluiter 24 wordt de op de manometer 25 af te lezen druk in de eerste kamer van de filter-inrichting 1 verhoogd tot een gewenste waarde. Door deze druk-10 verhoging treedt filtratie door het membraan 5 op.. Het hierbij gevormde filtraat wordt via de afvoeropening 7 en een driewegaf sluiter 26 geleid naar een afvalvat 27. Op deze wijze worden het membraan, de tweede kamer en de zich daarachter bevindende filtraatleiding doorgespoeld en filtraat van de vorige 15 bemonstering verwijderd. De benodigde doorspoeltijd is onder meer afhankelijk van de grootte van het volume van de tweede kamer van de filterinrichting 1. Doordat het vloeistofvolume van deze tweede kamer, dat wil zeggen van de holle ruimte in de membraanbuis 5, aanzienlijk is verkleind door het daarin 20 aanbrengen van een vast cylindervormig lichaam, wordt door deze maatregel de doorspoeltijd aanzienlijk verkort. De benodigde overdruk kan ook ontstaan door gebruik te maken van de , (plus eventuele kopruimte-) in het reactievat aanwezige hyarostatischF-niYuk. Alternatief kan de doorstroming worden bewerkstelligd door in plaats van 25 een overdruk in kamer 2 een onderdruk in kamer 6 teweeg te brengen, bijvoorbeeld met een vacuümpomp.

Nadat het membraan, de tweede kamer en de zich daarachter bevindende leiding voldoende zijn doorgespoeld wordt de drie-wegafsluiter 26 zodanig versteld, dat het filtraat via de lei-30 ding 28 stroomt naar de niet in de tekening weergegeven ana-lyse-apparatuur. Nadat voldoende filtraat aan de analyse-apparatuur is toegevoerd, wordt de bemonstering beëindigd.

De borstels respectievelijk schraper voor het schoonhouden van de membraanbuis 5 kunnen continu draaien of slechts 35 tijdens een bepaalde periode. Zij moeten echter in ieder geval in werking zijn tijdens het doorspoelen van de eerste kamer van de filterinrichting 1.

De hierboven beschreven wijze van bemonstering kan geheel met de hand worden uitgevoerd, maar ook met behulp van 40 een automatische regelinrichting die op van tevoren vastge- 84 0 1 6 3 5 -7- ¢=3 stelde tijdstippen de diverse afsluiters in de gewenste stand brengt.

Het is tevens mogelijk de gehele boven beschreven membraanbuis op drager met schraper en rotatiemiddelen in de bio-5 reactor onder te brengen. Hierbij vormt de inwendtgae ruimte van de bioreactor de genoemde eerste kamer en wordt de te bemonsteren en te filteren vloeistof door het membraan gevoerd en uit de membraanbuis, de genoemde tweede kamer, naar buiten af-gevoerd.

10 Uitvoeringsvoorbeeld,

De opstelling weergegeven in figuur 2 werd toegepast voor het bemonsteren van een fermentatievat waarin ethanol werd bereid door fermentatie van sucrose met behulp van het micro-organisme Zymomonas mobilis. Als membraanbuis werd ge-15 bruikt een polypropyleen membraanbuis met een poriëngrootte van 0,20-0,55^urn, een buitendiameter van 8 mm en een binnen-diameter van 5 mm.

Dit polypropyleen membraan toegepast in een filterinrich-ting zonder schraper, bleek een bedrijfsduur te hebben van 20 circa A-8 uur. In een filterinrichting voorzien van roterende borstels volgens de uitvinding werd de bedrijfsduur verlengd tot 1200 uur.

_^ 8401635

Claims

1. Filterinrichting bestaande uit een huis dat door een membraan in twee kamers is verdeeld, waarvan de eerste kamer is voorzien van ten minste één toevoer- en één afvoer-opening en de tweede kamer is voorzien van ten minste één af-5 voeropening, met het kenmerk, dat zich in de eerste kamer een schraper bevindt en dat middelen zijn aangebracht om deze schraper en het membraan met zijn aan de eerste kamer grenzend oppervlak draaiend ten opzichte van en langs elkaar te bewegen.

2. Filterinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het membraan buisvormig is en de tweede kamer omgeeft, waarbij het inwendige van de membraanbuis grotendeels is opgevuld door een stijf lichaam waarvan het oppervlak is voorzien van in de lengterichting van de membraanbuis 15 en in het algemeen dwars daarop lopende groeven.

3. Filterinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de schraper één of meer borstels bevat.

4. Filterinrichting volgens conclusie 2 en 3, met 20 het kenmerk, dat een om de membraanbuis draaibare borstelhouder is aangebracht waarin zich één of meer borstels bevinden.

5. Opstelling voor het bemonsteren van een reactievat met behulp van een filterinrichting volgens een of meer van 25 de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de toevoeropening van de eerste kamer van de filterinrichting met het te bemonsteren vat is verbonden door een leiding waarin zich een pomp bevindt, dat de afvoeropening van de eerste kamer van de filterinrichting eveneens met het te bemon-30 steren vat is verbonden door middel van een leiding waarin zich een instelbare stromingsweerstand bevindt, dat de af-voeropening van de tweede kamer via leidingen en een drieweg-afsluiter is verbonden met respectievelijk een afvalvat en een analyse-apparaat, en dat een motor aanwezig is voor het ro-35 teren van borstelhouder of membraanbuis. 8401635