NO157485B - Apparat til endring av konsentrasjonen av en eller flere forutvalgte komponenter i et tilfoerselsmateriale. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat til endring av konsentrasjonen av én eller flere forutvalgte komponenter i et tilførselsmateriale og som omfatter innløpsmidler innrettet til å innføre tilførselsmaterialet under trykk i apparatet, utløpsmidler innrettet til å fjerne behandlet tilførselsmateriale fra apparatet, en strømningsvei for tilførselsmaterialet mellom innløpet og utløpet og som avgrenses av et par barrierer av flatt materiale idet barrierene er gjennomtrengelige for den (de) nevnte forutvalgte komponent(er), midler for innføring eller fjerning av den (de) nevnte forutvalgte komponent(er) som kommuniserer med barrierens motsatte overflater, idet hver barriere har en første overflate i kontakt med en annen barrieres første overflate når det ikke strømmer tilførselsmateriale, og strømningsveien utvides ved at de første overflater adskilles og beveger seg bort fra hverandre når det under trykk stående tilførselsmateriale fra innløps-midlene passerer gjennom strømningsveien, og stive begrensningsmidler er innrettet til å understøtte barrierene og begrense strømningsveienes utvidelse slik at det opprettholdes en laminær strømning av tilførselsmaterialet når dette strømmer gjennom strømningsveien ved et forutbestemt arbeidstrykk.

Oppfinnelsen er brukbar til fjerning av mikron- og submi-kronstoffer fra en fluidumfase, men det skal forstås, at oppfinnelsen ikke er begrenset hertil.

For enkelthets skyld vil oppfinnelsen bli beskrevet i forbindelse med krysstrømstilbakeholdelse eller filtrering, hvori den forutvalgte komponent eller stoff blir fjernet fra tilførsels-materialet ved overføring gjennom en barriere, som er innrettet til å la komponenten eller stoffet passere og til å tilbakeholde den resterende del av tilførselsmaterialet.

Det skal imidlertid forstås, at oppfinnelsen ikke er begrenset hertil, idet den like gjerne kan anvehdes til den omvendte situasjon, hvori det forutvalgte stoff blir innført i tilførsels-materialet igjennom barrieren. j

Mikron- og submikronstof f er (eksempjelvis molekyler, koloi-der, partikler og små dråper) i en fluidumfase (eksempelvis en vandig fase) kan fjernes på flere forskjellige måter i avhengighet av den tilstedeværende mengde av stoffer.!

Til lave konsentrasjoner er dybdef ijltrering sannsynligvis den mest alminnelig anvendte metode. En alternativ fremgangsmåte er å anvende et overflatefilter, eksempelvis den såkalte Nucleor-poremembran, hvor denne membran fremkaller fjerning av partikler ved en overflatesiktefunksjon. Andre typer av overflatemembraner er til rådighet og er basert på en aktivjoverflatehud, som er av-støttet av et porøst bære- eller støttelag. Under partikkelfil-treringsoperasjoner virker slike membraner på liknende måte som Nucleorpore-membraner. j

Når konsentrasjonen av tilbakeholdte stoffer er høy, blir dybdebarrierer og død-ende-flatebarrierer langt mindre attraktive, idet det trykkfall, som er nødvendig fori å fremkalle filtrering, stiger hurtig med ansamlingen av faste stoffer.

Det er for å overvinne dette problem, at et nytt område for tilbakeholdelse av mikron- og submikrons;tof f er er i ferd med å bli utviklet. Den anvendte teknikk er krysstrømstilbakeholdelse. I krysstrømstilbakeholdelse anvendes en overflatemembran, og oppbyg-ningen av et lag av tilbakeholdte stoffer blir gjort minst mulig ved å pålegge et fluidumforskyvningsfelt' på oppstrømsfluidet i nærheten av barriereoverflaten. Dette kan utføres enten ved opp-røring eller ved å pumpe fluidet utad over barriereoverflaten.

Ifølge denne teknikk er det mulig jå arbeide i en stabil

i

tilstand, hvori en oppløsning effektivt[oppdeles i en gjennomtrengende og en tilbakeholdt del, og i stabil tilstand oppsamles

j

det ikke lenger stoffer på barriereoverflaten, som kunne føre til tap av yteevne. Alternativt kan systemet arbeide porsjonsvis, og i

i

dette tilfelle tiltar tilførselsoppløsningen gradvis i konsentrasjon, og selv om dette fører til et fall i gjennomstrømningen, er dette fall langt mindre, enn det ville være i forbindelse med død-endemetoden, hvor alle stoffene blir samlet på eller i barrieren.

I forbindelse med enhver membrananvendelse innenfor ultrafiltrering, dialyse og elektrodialyse er membransystemets permea-bilitet generelt begrenset av laget av tilbakeholdte stoffer (dvs. konsentrasjonslaget eller til sluttgellaget), som er til stede. Ifølge den foreliggende oppfinnelse foretrekkes det å anvende laminær strømning til å fjerne gelen eller kaken fra membranens overflate.

Ved laminær strømning er det et forhold for en gitt konsentrasjon av et fluidum, som skal behandles, og for en gitt membran. Dette forhold sammenbinder fluksen, forskyvningsgraden og lengden av filterstrømningsveien.

Som angitt av Blatt m.fl. i 1970 i Membrane Science and Technology, gjelder forholdet for laminære strømningstilstander og for den gelpolariserte tilstand, dvs. når øket trykk ikke øker fluksen). Forholdet er gitt som:

hvor J er fluksen for et gitt membranareal,

UB er fluidets hastighet,

hcer høyden eller tykkelsen av filterstrømveien,

L er lengden av filterstrømveien,

y er forskyvningsgraden.

Forskyvningsgraden er et uttrykk for forholdet mellom tangensialhastigheten v for fluidum mellom nabomembraner og høyden av filterstrømveien eller kanalen, dvs.:

Y a v/hc.

Når gellaget (istedenfor membranens porøsitet) er den begrensende faktor for membranytelsen, er fluksen forbundet med forskyvningsgraden gjennom dette forhold. Dette betyr, at virk-ningen av å forminske kanalhøyden eller tykkelsen utgjør en betydelig økning av både forskyvningsgraden og fluksen.

I forbindelse med krysstrømstilbakeholdelse er den energi, som medgår til resirkulasjon av tilførselsstrømmen, generelt den høyeste direkte omkostningsfaktor i operasjonen. I klassiske systemer med h c av størrelsesorden 1 mm er energiforbruket av størrelsesorden 1 kw pr. m2 av installert membran. I tilfelle av rørsystemer med rør av en diameter av størrelsesorden 1 cm, er den nødvendige energiomkostning enda større.

Følgelig er det en interesse for å utvikle kapillarkryss-strømstilbakeholdelse eller filtrering og ultrafiltreringsappa-rater, hvori høyden av strømningsveien er betydelig redusert, eksempelvis til ca. 50-100 mikron.;Ved kun å anvende en strøm-ningsveihøyde av denne størrelse, blir den pumpekapasitet, som kreves pr. m2 membran, redusert proporsjonalt, idet en fordobling av kanalhøyden bevirker, at den nødvendige pumpekapasitet blir mer enn fordoblet.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at barrierene er kompressible og strømningsveien er innrettet til å bli elastisk utvidet når tilførselsmateriale under trykk passerer gjennom strømningsveien idet barrierene komprimeres mot de stive begrensningsmidler.

Fortrinnsvis er strømningsveiens tykkelse slik, at apparatet arbeider under pre-gelpolariserte tilstander, slik at en økning av trykket ikke øker fluksen.

Selv om det er mulig for apparatet ifølge oppfinnelsen å utnytte visse komponenter, som er utnyttet til kjent dialyseteknologi, som det henvises til, skal det bemerkes, at den heri beskrevne krysstrømsfiltrering og ultrafiltrering avviker ganske meget fra den kjente dialyseteknologi, og at den kjente dialyse-apparatur ikke er egnet som sådant til den her beskrevne anvendelse til krysstrømsfiltrering/ultrafiltrering ved høyt trykk. Eksempelvis kan følgende forskjeller noteres: i) dialyse er et fire-vektorsystem for to fluider med apparatur inneholdende to innløp og to utløp - et innløp og et utløp for materialet, som skal dialyseres samt et separat innløp og utløp for den dialyserendé væske, som strømmer i motstrøm til materialet, som skal dialyseres. Krysstrømsfiltrering er på den annen side et tre-vektorsystem for et enkelt fluidum - med bare ett innløp for tilførselsmaterialet, som skal behandles, samt to separate utløp, nemlig et for konsentra-tet eller det tilbakeholdte materiale, og et for filtratet

eller det gjennomtrengende materiale.

ii) Dialyse resulterer i en fortynning av materialet, som dialyseres, mens derimot krysstrømsfiltrering resulterer i konsentrasjon av de tilbakeholdte stoffer i materiale, som behandles.

iii) Dialyse arbeider ved trykk på mindre enn 10 KPa, mens derimot krysstrømsfiltrering utføres ved trykk av

størrelsesorden 100 KPa.

iv) Dialyse anvender membraner med lav vannfluks ved lave gjennomstrømninger (f.eks. to liter pr. dag) og med en minst mulig transmembran-trykkgradient. Krysstrømsfiltrering anvender sterkt permeable membraner med høyvannfluks (gjennomstrømninger på f.eks. 50 1 pr. time) og med en stor

transmembran-trykkgradient.

v) Dialyse anvender to membraner, hver med en tykkelse på ca.

40 mikron og med en kanalhøyde eller tykkelse på ca. 150

mikron ved normalt atmosfæretrykk. Hermed sammenliknbare krysstrømsfiltreringsapparatur anvender to membraner, hver med en tykkelse på ca. 120-200 mikron med en kanalhøyde på 0 (dvs. membranene er i kontakt) ved normalt atmosfæretrykk og< med en kanalhøyde eller tykkelse på ca. 50 mikron ved en transmembran-trykkgradient på 100 KPa under drift.

I den foreliggende beskrivelse omfatter uttrykket "barriere" høyflukssemipermeable membraner, biofiltre og filtre, som er både kompressible og elastiske og/eller kan monteres på en kompressibel og elastisk underkledning eller støtte.

For å gjøre oppfinnelsen letter å forstå og å utøve i praksis skal det nå henvises til tegningene, hvori: Fig. 1 viser et perspektivisk riss (med visse deler utelatt) av et fluidumbehandlingsapparat eller filter ifølge en første utførelsesform av oppfinnelsen.

Fig. 2 viser et sideriss av filteret i fig. 1.

Fig. 3 viser et planriss av en bakplate i filteret i fig. 1. Fig. 4 viser et ekspandert riss av en filterenhet i filteret i fig. 1. Fig. 5 viser skjematisk et riss av et krysstrømsfilterappa-rat innrettet i overensstemmelse med prinsippene ifølge den foreliggende oppfinnelse og med filteret i en pre-brukstilstand. Fig. 6 viser et skjematisk riss i likhet med fig. 5, men med filteret i en stabil tilførselsmaterial-strømningstilstand. Fig. 7 viser et forstørret del-riss i snitt av to avstands-og støtteplater med to kompressible membraner anbrakt mellom disse. Fig. 8 viser et partielt skjematisk snitt av en filterenhet som viser en pakningsforsegling ved kanten av de to membraner med filteret i en pre-brukstilstand. Fig. 9 viser et riss i likhet med fig. 8, men med filteret i den stabile tilførselsmaterial-strømningstilstand. Fig. 10 viser et skjematisk riss som viser en blokkering som dannes i strømveien. Fig. 11 viser et skjematisk riss i likhet med fig. 10 og viser blokkeringens bevegelse. Fig. 12 viser et sideriss i snitt av et krysstrømsfilter ifølge en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 13 viser et partielt perspektivriss av filteret i fig. 12. Fig. 14 viser et snittriss av et membranhylster i filteret i fig. 12 og 13. Fig. 15 viser et skjematisk snittriss av en ytterligere utførelsesform av apparatet ifølge oppfinnelsen. Fig. 16 viser et skjematisk snittriss av enda en utførelses-form av apparatet ifølge oppfinnelsen.

Som vist i figurene 1 og 2 inneholder det foretrukne apparat 10 til endring av konsentrasjonen av én eller flere forutvalgte komponenter 11 i et tilførselsmateriale 12, flere barrierer 13, som er innrettet til å la komponenten eller komponentene 11 passere.

En innløps- og manifold - eller fordelerinnretning 17 på den høyre side i fig. 1 (se fig. 2) er innrettet til å rette tilfør-selsmaterialet i kontakt med en første overflate på hver barriere 13. Overføringsinnretninger 14 er innrettet til å kommunisere med den motsatte overflate på hver filtermembran 13 for å motta den eller de passerte komponenter 11 med tanke på fjerning av disse passerte komponenter 11 fra apparatet 10. En utløps- og manifold-eller samleinnretning 15 er innrettet til å fjerne det behandlete tilførselsmateriale 12 fra apparatetlO.

Begrensningene for strømningsveiene for tilførselsmaterialet 12, som i det aktuelle tilfelle er dannet av barrierene 13, er innrettet til å bli i det minste elastisk utvidet under passasjen av tilførselsmateriale gjennom strømningsveiene.

Begrensningsmidler i form av plater 16 er innrettet til å begrense omfanget av elastisk utvidelse av strømningsveiene, således at det opprettholdes en laminar strømning av tilførsels-materialet, når tilførselsmaterialet 12 strømmer gjennom strøm-ningsveien ved et forutbestemt arbeidstrykk.

Som vist i fig. 4 består hver filterenhet av en første bakplate 16, en første barriere eller membran 13, en pakning 18, en annen barriere eller membran 13a samt en annen bakplate 16a. Bakplatene 16 og 16a har en tetningsansats 19 ved periferien, som er innrettet til, når filteret er samlet, å forsegle periferien for filterposen dannet av membranene 13 og 13a. Alternativt kunne bare den ene plate 16 være forsynt med en ansats 19, som er gjort større for å danne inngrep med den annen plate 16a på forseglende måte.

Det henvises nå til fig. 5 og 6, som viser, at avstands-eller støtteplater eller bakplater 16, 16a, 16b og 16c er arrangert i en stabel og atskilt fra hverandre med par av kompressible barrierer eller membraner 13, 13a, 13b, 13c og 13d, 13e anbrakt mellom naboplater. Hver barriere er støttet av og atskilt fra hver plate av flere koniske tapper 29 utformet på hver overflate av hver plate og med åpne volum 20 utformet mellom tappene. En opp-løsning av tilførselsmateriale 12 pumpes mellom hvert barrierepar, som blir komprimert under påvirkninger fra det høye transbarriere-eller transmembrantrykk, som er frembrakt av tilførselsmaterialet, for å danne tynne kanaler 22, 23 og 24, som oppdeler tilførsels-materialoppløsningen 12 i et konsentrat eller en tilbakeholdt materialdel 25, samt et filtrat eller en gjennomtrengende materialdel 11.

Det henvises nå til fig. 7, som viser, at hvert par av motstående avstands- eller støtteplater 27 og 28 er utstyrt med flere koniske tapper 29 på den overflate, som tjener til å støtte et membranpar 30 og 31 anbrakt mellom støtteplatene. De i denne utførelsesform anvendte barrierer er kompressible og elastiske og er i det aktuelle tilfelle flerlags anisotropiske ultrafiltrer-ingsmembraner. Biofiltre, filtre eller membraner utstyrt med en kompressibel og elastisk underkledning kan også anvendes. De åpne volum 32 utformet mellom tappene 29, når disse er forbundet, danner en filtratvei 33 med lavt trykk. I tilstander uten tilført trykk vil barrierene 30 og 31 normalt være i kontakt flate mot flate med en strømningsveitykkelse på 0, fig. 5. Det høye transmembrantrykk som dannes av strømmen av tilførselsmateriale under trykk, bevirker imidlertid, at h<y>er av membranene 30 og 31 blir komprimert elastisk på de koniske tapper 29, noe som danner en tynn kanal eller strømningsvei 34 med variabel kanalhøyde "h" mellom de motstående overflater av de kompressible membraner eller barrierer 30 og 31. Ved krysstrømsfiltrering eller ultrafiltrering blir tilførselsmaterialoppløsningen oppdelt i et filtrat 33, som passerer gjennom membranen, og et konsentrat 36.

Da det vil være et trykkfall langs hver strømningsvei eller kanal 34 fra innløpssiden med det høyeste trykk (venstre side i fig. 7) og til utløpssiden med lavere trykk (høyre side i fig. 7), vil strømningsveienes tykkelse ikke være konstant langs lengden fra innløp til utløp. En svak tilspissing vil opptre, idet det høyere innløpstrykk vil komprimere membranenes innløpssone mer enn det lavere utløpstrykk vil komprimere membranenes utløpssone.

Avstanden mellom overfor hverandre liggende avstandsplater (typisk ca. 2 50 mikron) er angitt ved "H", og tykkelsen av membranene eller filtrene er gitt ved "e" (se fig. 5). I et dialysesystem, hvor membranene typisk har en tykkelse på ca. 40 mikron, forblir kanalhøyden mellom membranene.i det vesentlige konstant, og kanalhøyden er bestemt på forhånd som følge av membranenes tykkelse. I et konvensjonelt dialysesystem er H=2e, hvori H=2e for krysstrømningsultrafiltrering.

Den foretrukne tykkelse på strømningsveiene under stabil strømningstilstand er den tykkelse, som sikrer, at den elastiske utvidelse opprettholder laminar strømning under ikke-gelpolariserte tilstander gjennom lange tidsperioder med fluks. Som det vil fremgå av ovenstående beskrivelse, er det kanalhøyden eller strøm-ningsveitykkelsen, som endrer forskyvningsgraden for en gitt flui-dumhastighet. Da forskyvningsgraden er omvendt proporsjonal med strømningsveitykkelsen, vil en reduksjon av strømningsveitykkelsen således øke forskyvningsgraden, som på sin side vil øke fluksen.

Selv om variasjoner i tilførselsmaterialet kan eller vil bevirke at strømningsveitykkelsen ikke er en universalt valgt parameter, foretrekkes det, at tykkelsen ikke overstiger 80 mikron eller i visse tilfeller 100 mikron. I visse tilfeller forløper tykkelsesintervallet fortrinnsvis fra 50 til 100 mikron, fra 40 til 60 mikron og fra 10 til 25 mikron. De foretrukne kompressible høyfluksmembraner, som anvendes ifølge oppfinnelsen, er de membraner, som er beskrevet i australsk patentskrift 505.494. Dette patentskrift viser høypermeable anisotrope membraner med graduert porøsitet og inneholdende en blanding av depolymerisert og poly-mert materiale, samt flere ved hverandre liggende lag, hvor hvert lag er aktivt som en molekylskjerm og har en nøyaktig molekylvekt-avskjæring, hvor variasjonen i molekylvektavskjaeringen for de ved hverandre liggende lag fra topp til bunn i membranen er en konti-nuerlig funksjon.

I en annen utforming av oppfinnelsen kan barrierene være dannet av en sammensetning av en første del, som er kompressibel i delens tverrdimensjon, samt en annen del, som er vesentlig mindre kompressibel i denne dels tverrdimensjon, og hvor de tidligere omtalte begrensningsmidler er innrettet til å danne kontakt med den første del av denne barriere, når disse midler begrenser omfanget av strømningsveiens utvidelse.

Pakningen 18 er fortrinnsvis et kompressibelt skummateriale med celler eller lukkete celler, såsom polyetylen eller propylen, som under trykk blir komprimert fra ca. 1 mm til ca. 15 mikron. Under komprimeringen skjer det brudd i cellene i skummaterialet, hvorved det dannes flere åpne cellerom i kontakt med den flate, som skal forsegles. Hver åpen cellestruktur virker i realiteten som et lite dekompressjonskammer, idet det finnes et stort antall av slike kamre innenfor et forholdsvis lite rom, noe som virker som en effektiv forsegling mot tap av trykk i et filtrerings-eller ultrafiltreringssystem, som arbeider ved trykk (dvs. transmembran-trykkforskjeller) på ca. 100 KPa (eller ca. 15 psi) - i motsetning til trykkforskjeller på mindre enn 10 KPa (eller mindre enn 1 psi), som eksisterer i dialyseapparater.

Et middel til å sørge for, at forsyningen av fluidum, som skal behandles under trykk, danner en kanal mellom to filtrerings-eller ultrafiltreringsmedier (13), hvor sistnevnte er innrettet til å frembringe en fluidumtett forsegling med den tilstøtende plate 16 i området, som omgir innløps- og utløpsåpningene som beskrevet ovenfor, er å anvende radiale fluidumfordelerskiver eller knapper 40 (se fig. 1) av den type, som er beskrevet i US-patentskrifter 3.837.496 og 3.841.491, mellom paret av filtrerings- eller ultrafiltreringsmedier og sammenfallende med innløps-og utløpsåpningene. Nødvendigheten av å ha flere slike fordeler- knapper 4 0 er imidlertid skadelig for systemets kompakthet og gir unødvendig strømningsmotstand for tilførselsmaterialet, og - under de høye arbeidstrykk, som eksisterer i apparatet ifølge oppfinnelsen - er det nødvendig å tilveiebringe en ringformet kompressibel pakning (f.eks. av polypropylenskummateriale) på hver side av og konsentrisk med knappen for å danne en tetning under kompressjon mellom avstands- og støtteplaten 16 og filtrerings- og ultrafil-treringsmediet 13.

Den aktive flate 42 på avstands- og støtteplatene 16, dvs. den flate, hvori det er anordnet passasjer til fordeling og oppsamling av filtratet 11, kan være utformet på mange forskjellige måter i overensstemmelse med kjent teknikk, som er anvendbar i dialyseapparatteknologien, eksempelvis, for anvendelse av prege- og stanseteknikk. I denne forbindelse kan det henvises til overflate-strukturen 42 på støtteplaten 16, som er vist i US-patentskrift 4.154.792, hvor membranstøtteflaten inneholder et stort antall tett motstilte koniske tapper eller fremspring 29.

I visse utførelsesformer for apparatet ifølge oppfinnelsen kan det anvendes den med spor eller kanaler forsynte manifold-struktur på støtteplaten, som er beskrevet i US-patentskrift 4.051.041, særlig for oppsamling av filtrat fra den aktive flate på avstandsstøtteplaten 16 og inn i apparatets filtratutløpsdel 11.

Det kan også henvises til US-patentskrift 3.411.630 som vedrører overflatekonfigurasjonen for avstandslegemer innrettet til å tilveiebringe en støtte for den tilstøtende membran og for å frembringe en passasje for den dialyserende eller rensende væske.

I en foretrukket utforming gir den foreliggende oppfinnelse basis for et filtreringsapparat med ét energibehov så lite som ca.

50 og ikke mer enn 150 watt/m 2 installert membran (jevnførtmed et

o 2

energibehov pa ca. 1 kw/m installert membran i klassiske kjente systemer), noe som betyr, at den foreliggende oppfinnelse gir basis for en betydelig energibesparelse i sammenlikning med kjente systemer.

En annen anvendelsesmessig korisekvens ved en foretrukket utforming av apparatet ifølge oppfinnelsen består i at forskyvningsgraden har tendens til å bli særlig høy. Som resultat av dette skjer det en økning av den spesifikke fluks for et gitt av-løp, og det er således mulig å la filtreringsapparatet arbeide under ikke-gelpolarisert tilstand ved høy fluks. Dette er viktig, når det ønskes å gjøre den molekylære selektivitet størst mulig, og det fører til en lettvint rensing av barrierene eller membranene.

En fordel ved apparatet ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen (utover energibesparelsen) består i at det kan inneholdes et meget stort membran- eller filteroverflateareal i et forholdsvis lite volum. Generelt kan det inneholdes ca. 10 ganger mer membran eller filter pr. volumenhet innenfor et gitt område, enn det er mulig med klassisk kjent ultrafiltrerings- eller kryss-strømsfiltreringsutstyr.

Anvendelsen av deformasjon av selve membranen for å danne kanalen resulterer også i en meget høy stabilitet for filtrerings-utstyret ifølge en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen.

Hvis kanalhøyden eller strømningsveitykkelsen hceksempelvis har tendens til å avta, skjer det en reduksjon av overflatearealet for kanalens tverrsnitt. Dette betyr, at trykkfallet gjennom den aktuelle filtreringsenhet stiger, og dette betyr, at innløpstryk-ket stiger, noe som resulterer i at kanalhøyden eller strømnings-veitykkelsen hchar tendens til å stige. Det er således en auto-stabilisering eller auto-gjennomskyllingseffekt, som letter rensing av enheten.

Hvis en kanal 34 med andre ord blir tilstoppet av en kake 50, som vist i fig. 10, vil overflatearealet for kanalen avta, og trykket i kanalen vil stige. Dette forårsaker, at kanalen 34 ekspanderer og åpner seg (som vist i fig. 11) for å bortskylle kaken 50, som har tilstoppet filtreringsenheten. Denne egenskap, som er kjent som autostabiliseringseffekten, er meget viktig med hensyn til evnen til selvrensing i filtreringssystemet i en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen.

Med membraner inkorporert i apparatet er apparatet innrettet til krysstrømsultrafiltrering. Når membranen erstattes av et bio-filter eller et filter, er utstyret egnet til krysstrømsfiltrering med to separative virkninger: 1) å fjerne filtreringskaken konstant ved hjelp av høy forskyvningsgrad, og

2) rørsammenklemmingseffekten.

I enhver gitt oppløsning, hvori væskemediet og det deri inneholdte partikkelstoff er av forskjellig massevolum, er det mulig å oppnå en separasjon på to måter. Hvis partikkelstoffet er tyngre enn væsken, og hvis tilførselsmaterialoppløsningen (konsentrat) bringes til å strømme oppad, dvs. i en i det vesentlige loddrett retning i kanalen, har partikkelstoffet tendens til å konsentrere seg i kanalens sentrum med det resultat, at det er mulig å utta permeatet uten tilstopping av filteret forårsaket av partikkelstoffet.

Når derimot partikkelstoffet er lettere enn væsken, bringes tilførselsmaterialkonsentratet til å strømme i en nedadrettet retning, og igjen har partikkelstoffet tendens til å agglomerere i kanalens sentrum, og igjen er det mulig å utta permeatet uten tilstopping av filteret forårsaket av partikkelstoffet.

Under bruk av det i fig. 1-7 viste patron- eller filterappa-rat samt en anisotrop nylonultrafiltreringsmembran av den type, hvis egenskaper og fremstilling er beskrevet i australsk patentskrift 505.494, ble det foretatt rensing ved ultrafiltrering av springvann fra Sydney, Australia.

Springvannet ble som tilførselsmateriale resirkulert gjennom patronen over en 12-timers periode, mens fluksfallet ble.iakttatt. I begynnelsen var mottrykket innstilt på 88 KPa. Etter fire timers forløp ble trykket øket til 100 KPa, som er det anbefalte minimum-trykk til denne anvendelse. Krysstrømmen var 186 liter pr. time, og temperaturen var ca. 3 0C. Ved et innløpstrykk på 88 KPa var den stabiliserte fluks 64 liter/m 2 time. Trykkfallet over patronen var 20 KPa. Den stabiliserte fluks ved 100 KPa var 74,3 liter/m 2 time og viste intet fall i løpet av de siste 8 timer av eksperimentet. Relasjonen mellom fluks og trykk for patronen antydet at eksperimentet ble utført i en pre-gelpolarisert tilstand. Totalinnholdet på 0,19 g/liter av tørt, fast stoff i tilførselsmaterialet og 0,08 g/liter i permeatet ga en totalfjernelse på 60% i dette eksperiment.

Kjemisk analyse av permeatet antydet at det inneholder et gjennomsnitt på 2,5 ppm silisium, 12,9 ppm kalsium, 5,0 ppm magnesium samt et ikke målbart innhold av jern, magnesium eller kobber. Hardheten for dette permeat ble også bestemt til 5,3 mg/liter bestemt som kalsiumkarbonatekvivalent, og den samlete mengde av oppløst stoff var 15,2 mg/liter.

Nedenstående tabell viser effekt- og energibehovene for ultrafiltreringseksperimentet basert på membranareal og permeatvolum:

Ovenstående data viser det lave energiforbruk pr. enhet av renset vann så vel som det lave effektforbruk pr. membran areal-enhet .

Et ytterligere aspekt ved apparatet ifølge oppfinnelsen angår tilpasningen til elektrodialyse.

Den spesielle konfigurasjon av filtreringsmodulene i en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse til-later inkorporering i de to endeplatemanifolder av en platestabel av to metallplater som elektroder for å etablere et elektrisk felt. I dette tilfelle vil filtreringsmodulet - hvis det eksempelvis skulle anbringes separate anion- og kationmembraner mellom de to metallplater - være innrettet til å fungere som en elektrodialyseenhet.

Hvis det mellom de to plater ble anbrakt en oppladet membran og en nøytral membran, ville enheten være innrettet til å fungere som en omvendt elektrodialyseenhet eller transportuttynningsenhet.

En annen utførelsesform av oppfinnelsen er vist i fig.

12-14. I denne utførelsesform inneholder apparatet en hovedhusdel 60 med et innløp 61 og et utløp 62. I hovedhusdelen 60 finnesflere membranhylstre 63. Hvert hylster 63 inneholder en første membran eller barriere 64 samt en overliggende annen membran eller barriere 65, som er holdt atskilt av et gitter 66. Periferien av de over hverande liggende barrierer 64, 65 er forseglet til hverandre som vist i fig. 14 med unntakelse av den ene side, som rager inn i manifolden 67 som vist i fig. 13. Manifolden 67 utgjør et overføringsmiddel for apparatet, og rommet mellom hver av hylstrene 63 er lukket av et forseglingsmateriale, såsom araldit,

som det er antydet ved henvisningstallet 68 i fig. 13.

Når fluidum innmates i husdelen 60 under trykk, blir de

kontaktdannende flater på overfor hverandre liggende barrierer 64 og 65 atskilt på den ovenfor i forbindelse med den første utførel-sesform for oppfinnelsen beskrevne måte. Den valgte materialkompo-nent passerer gjennom barrierene 64, 65 og inn i strømningskana-len, som er avgrenset mellom de to barrierer 64, 65 av gitteret 66, og deretter til manifolden 67 gjennom de åpne ender av membranhyIstrene 63 (se fig. 13).

En ytterligere utførelsesform av apparatet ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 15, hvor membranene eller barrierene 70, 71, har utenfor hverandre liggende og samvirkende fremspring 74 og 75, som avgrenser strømningsveien 76. På denne måte blir strømningsveien mellom barrierene 70 og 71 oppdelt i flere paral-lelle strømningsveier, som hver for seg er utsatt for begrens-ninger med hensyn til elastisk utvidelse på grunn av bakplatene 72 og 73.

Enda en utførelsesform av apparatet ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 16, hvor hylstrene 80 og 81 er viklet i spiral inne i hverandre. Hvert hylster 80 og 81 svarer i det vesentlige til hylsteret 63 vist i fig. 12-14. Hvert hylster 80, 81 har utløps-midler 82, og hylstrene er innrettet til å bli innsatt i et hus med et innløp og et utløp.

Som antydet ovenfor er oppfinnelsen ikke begrenset til krysstrømsfiltrering eller -tilbakeholdelse, Eksempelvis kan den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen, som er beskrevet i forbindelse med fig. 1-7, anvendes til å innføre et foretrukket stoff i tilførselsmaterialet ved tilsetning gjennom overførings-porten og barrieren eller barrierene i motsatt retning av den ovenfor beskrevne.

En slik anvendelse vedrører innføring av oksygen (det foretrukne stoff) i blod (tilførselsmaterialet). I dette tilfelleer barrierene valgt slik at oksygen lett kan strømme gjennom barrierene, mens alle komponentene i blodet tilbakeholdes i strøm-ningsveiene.

Claims (14)

1. Apparat til endring av konsentrasjonen av én eller flere forutvalgte komponenter i et tilførselsmateriale og som omfatter innløpsmidler (17,61) innrettet til å innføre tilførselsmaterialet under trykk i apparatet, utløpsmidler (15,62) innrettet til å fjerne behandlet tilførselsmateriale fra apparatet, en strømnings-vei (22,23,24,34) for tilførselsmaterialet mellom innløpet og ut-løpet og som avgrenses av et par barrierer av flatt materiale (13,30,31,64,65,80,81) idet barrierene er gjennomtrengelige for den (de) nevnte forutvalgte komponent(er), midler (14,67) for innføring eller fjerning av den (de) nevnte forutvalgte komponent-(er) som kommuniserer med barrierens motsatte overflater, idet hver barriere har en første overflate i kontakt med en annen barrieres første overflate når det ikke strømmer tilførselsmateri-ale, og strømningsveien utvides ved at de første overflater adskilles og beveger seg bort fra hverandre når det under trykk stående tilførselsmateriale fra innløpsmidlene passerer gjennom strømningsveien, og stive begrensningsmidler (16,29) er innrettet til å understøtte barrierene og begrense strømningsveienes utvidelse slik at det opprettholdes en laminær strømning av tilførsels-materialet når dette strømmer gjennom strømningsveien ved et forutbestemt arbeidstrykk,karakterisert vedat barrierene (13,30,31,64,65,80,81) er kompressible og strøm-ningsveien (22,23,24,34) er innrettet til å bli elastisk utvidet når tilførselsmateriale under trykk passerer gjennom strømnings-veien idet barrierene komprimeres mot de stive begrensningsmidler (16,29).

2. Apparat i samsvar med krav 1,karakterisertved midler (18,19) som forsegler barrierenes periferier for å gjøre strømningsveien lekkasjetett.

3. Apparat i samsvar med krav 2,karakterisertved at midlene til forsegling av barrierenes periferier omfatter komprimert pakningsmateriale (18) innsatt mellom.barrierenes periferier.

4. Apparat i samsvar med krav 3,karakterisertved at pakningsmaterialet (18) er tilveiebrakt av et kompressibelt celle- eller lukket- skumstoff, som komprimeres under trykk, slik at det skjer brudd i cellene i skummaterialet til dannelse av et antall åpne cellerom i kontakt med den overflate som skal tettes.

5. Apparat i samsvar med et av kravene 1-3,karakterisert vedet stablet arrangement av barrierer idet begrensningsmidlene omfatter den ene overflate på et nett, som er innrettet til å danne kontakt med nevnte overflater på to mot hverandre vendende barrierer på en slik måte at nevnte nettover-flate hindrer atskillelse av de første overflater på de mot hverandre vendende barrierer, som danner strømningsveien, til en forutbestemt avstand når tilførselsmateriale strømmer gjennom strømningsveien ved et forutbestemt arbeidstrykk.

6. Apparat i samsvar med et av de foregående krav, k a r a k - terise_rt ved at begrensningsmidlene omfatter et flatt platelegeme (16,27,28) innsatt ved neynte motsatte overflate av hver barriere, og hvor hver av disse platelegemer har et antall fremspring (29) ved nevnte motsatte overflate på den respektive barriere.

7. Apparat i samsvar med krav 6,karakterisertved et stablet arrangement av barrierer og platelegemer, hvor fremspringene er utformet på hver side av hvert platelegeme.

8. Apparat i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat barrieren er kompressibel i hele sin tverrdimensjon.

9. Apparat i samsvar med et av kravene 1-7,karakterisert vedat hver barriere omfatter en komposisjon av en første del, som er kompressibel i sin tverrdimensjon, samt en annen del, som er vesentlig mindre kompressibel i sin tverrdimensjon, og at nevnte begrensningsmidler er innrettet til å danne kontakt med den første del av barrieren, når begrensningsmidlene begrenser omfanget av strømningsveiens utvidelse.

10. Apparat i samsvar med krav 9,karakterisertved at i det minste en del av nevnte strømningsvei er omfattet av den annen del av hver barriere.

11. Apparat i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte begrensningsmidler er innrettet til å frembringe en største strømningsveitykkelse på mindre enn 100 (im.

12. Apparat i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat begrensningsmidlene er arrangert, og barrierenes kompressibilitet er slik at når tilførselsmaterialet i strømningsveien overskrider det foreskrevne arbeidstrykk som følge av en blokkering av strømningsveien, ekspanderer strømningsveien ytterligere midlertidig men gjentatte ganger omkring blokkeringens lokalisering for å muliggjøre at blokkeringen beveger seg frem gjennom strømningsveien, inntil den blir fjernet herfra, hvoretter strømningsveien går tilbake til strømningsveitykkelsen for laminær strømning.

13. Apparat i samsvar med et av kravene 1-12,karakterisert vedat begrensningsmidlene omfatter spissene på fremspring (29), som rager utad fra et platelegeme, som er anbrakt på motsatte overflater av hver barriere, og hvor disse fremspring er innrettet til å bringe spissene, ved utvidelse av nevnte strøm-ningsvei - i kontakt med barrierenes nevnte motsatte overflater for å begrense atskillelsen av nevnte to første overflater på barrierene til en forutbestemt avstand for laminær strømning, når tilførselsmaterialet strømmer gjennom strømningsveien.

14. Apparat i samsvar med krav 13,karakterisertved at spissene trenger inn i det minste en del av barrierenes motsatte overflater uten å gjennombryte barrierenes første overflater.