WO1998041300A1

WO1998041300A1 - Vorrichtung für die adsorptive stofftrennung mit adsorptionsmembranen

Info

Publication number: WO1998041300A1
Application number: PCT/EP1998/001424
Authority: WO
Inventors: Dietmar Nussbaumer; Wolfgang Demmer; Hans-Heinrich Hoerl; Andreas Graus; Günter Pradel; Khuong To Vinh; Abdul Weiss
Original assignee: Sartorius Ag
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1998-09-24
Also published as: US6294090B1; JP2001515403A; DE19711083C2; JP4198760B2; DE19711083A1; AU6921198A; EP0968036A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen für absorptive Stofftrennungen mittels Permeation von Flüssigkeiten durch poröse Adsorptionsmembranen und Verwendungen der Vorrichtungen. Erfindungsgemäße Vorrichtungen bestehen aus einem aus einem Mantelrohr, Boden- und Deckelelement gebildeten zylindrischen Gehäuse, das mindestens ein wickelartig als Hohlzylinder ausgebildetes Adsorbermodul aus Adsorptionsmembranen umschließt, in welchem konzentrisch ein zylindrischer Kern angeordnet ist. Zwischen der Innenfläche des Hohlzylinders und dem zylindrischen Kern und zwischen der Außenfläche des Hohlzylinders und dem Mantelrohr ist ein innerer und ein äußerer Ringspalt ausgebildet. Vorzugsweise befinden sich für die Zufuhr der Flüssigkeiten radiale Kanäle im Kern, die mit dem inneren Ringspalt, und für die Abfuhr des Permeats radiale Kanäle im Bodenelement, die mit dem äußeren Ringspalt verbunden sind. Durch Parallel- und Serienschaltungen sind Anwendungen der Vorrichtung für Scale-up und Scale-down Arbeiten im Labor, Technikum und in der Produktion möglich.

Description

Vorrichtung für die adsorptive Stofftrennung mit Adsorptionsmembranen.

Die Erfindung betrifft Norrichtungen für adsorptive Stofftrennungen mittels Permeation von Flüssigkeiten durch poröse Adsorptionsmembranen und Verwendungen der Norrichtungen zur Durchführung adsorptiver Stofftrennungen

Die Vorrichtung ist anwendbar zur selektiven Abtrennung und Reinigung von Stoffen, wie beispielsweise von bio spezifischen Molekülen, Proteinen, Enzymen, ionogenen Stoffen, Metallionen, insbesondere Schwermetallionen aus unterschiedlichen Medien Die Erfindung gestattet die Verwendung der Vorrichtung für Arbeiten im Labor, im Technikum und in der Produktion. Durch ihren Aufbau sind Arbeiten zur Maßstabsanpassung sowohl im Scale-up als auch im Scale-down möglich Erfindungsgemäße Vorrichtungen sind anwendbar im Bereich der Biotechnologie, der Gentechnik, der Pharmazie, der Chemie, der Getränke- und Lebensmittelindustrie sowie des Umweltschutzes

Unter adsorptiver Stofftrennung wird eine spezifische Abtrennung oder Reinigung von Stoffen (Komponenten) aus einer flüssigen Phase (Medium) verstanden, die von einem festen Adsorbens spezifisch adsorbiert werden. Dazu wird ein zu filtrierendes Medium, daß die abzutrennenden oder zu reinigenden Stoffe enthält, auf das Adsorbens gegeben oder hindurchgepreßt und mittels einer oder mehrerer Elutionsflussigkeiten (Eluenten), die unter Druck durch das Adsorbens gepreßt werden, aufgetrennt In Abhängigkeit vom Ausmaß der Wechselwirkung der Bestandteile des Mediums mit dem Adsorbens und den Elutionsflussigkeiten werden die einzelnen Komponenten vom Adsorbens unterschiedlich stark festgehalten und treten fraktioniert aus dem Adsorbens aus Die im Medium enthaltenen zu trennenden Stoffe können entweder alleine oder gemeinsam am Adsorbens adsorbiert werden. Im letzteren Fall wird das Medium mit dem zu trennenden Stoffgemisch zum Beispiel solange durch das Adsorbermodul filtriert, bis der gewünschte Stoff am Auslaß des Moduls erscheint Mit geeigneten Elutionsflussigkeiten, die durch den Modul zum Beispiel hindurchfiltriert werden, kann er getrennt von anderen am Adsorbens festgehaltenen Stoffen eluiert werden (Stufenelution) Es kann aber auch ein unerwünschter Stoff (Kontaminant) aus dem Medium abgetrennt werden Ein weiteres Einsatzgebiet von Adsorbern ist die Chromatographie, bei der nur ein Teil der Adsorptionskapazitat des Adsorbers zur Adsorption ausgenutzt wird und die Trennung der adsorbierten Komponenten darauf beruht, daß für die Elution unterschiedliche Volumina des Elutionsmittels erforderlich sind Wenn auch auf die Chromatographie im folgenden nicht ausdrucklich Bezug genommen wird, liegt sie als Anwendung im Bereich der Erfindung

Bei der adsorptiven Stofftrennung spielt also die Wechselwirkungen zwischen festen und flussigen Phasen eine wichtige Rolle, wobei die feste Phase zum Erreichen einer hohen Wirksamkeit eine hohe spezifische Oberflache aufweisen muß und damit entweder eine geringe Partikelgroße oder eine hohe Porosität haben sollte Da dem Einsatz extrem feiner Feststoffe in der Praxis Grenzen gesetzt sind, werden im allgemeinen als feste Phasen hochporose Matrices verwendet Die Verwendung poröser Matrices hat zur Folge, daß der Kinetik des Elementarvorgangs der Adsorption/Desorption, d.h der Wechselwirkung zwischen der Komponente der flussigen Phase mit der festen Phase, die Kinetik überlagert ist, mit der der Stofftransport in die poröse Matrix hinein und aus ihr heraus erfolgt Da der Stofftransport bei bekannten Matrices überwiegend diffüsiv geschieht (wie zum Beispiel bei den partikularen und porösen Matrices), tritt eine für die Effektivität des Verfahrens nachteilige Diffiisionslimitierung auf, weil wegen der in flussigen Phasen generell niedrigen Diffüsionskoeffizienten die Kinetik des Gesamtprozesses durch die Kinetik des Stofftransports bestimmt wird Durchgehende Porenstrukturen aufweisende nichtpartikulare Matrices, wie poröse Membranen, bieten demgegenüber die Möglichkeit zum überwiegend konvektiven Stofftransport unter der Einwirkung einer Druckdifferenz und damit zu einer wirksamen Ausschaltung der unerwünschten Diffüsionslimitierung Unter Adsorptionsmembranen sollen Membranen verstanden werden, die an ihrer inneren und äußeren Oberflache funktioneile Gruppen Liganden oder Reaktanden tragen, die zur Wechselwirkung mit mindestens einem Stoff einer mit ihr in Kontakt stehenden flussigen Phase befähigt sind Die Bezeichnung Adsorptionsmembran ist als Oberbegriff für verschiedene Arten von Adsorptionsmembranen zu verstehen, wie Kationen-, Anionen-, Liganden-, Affinitats- oder aktivierten Membranen, die ihrerseits wieder je nach den fünktionellen Gruppen, Liganden oder Reaktanden in unterschiedliche Adsorptionsmembran-Typen eingeteilt werden Poröse Adsorptionsmembranen sind Membranen, deren mittlere Porendurchmesser im Mikrofiltrationsbereich liegen und zwischen ungefähr 0, 1 μm bis ungefähr 15 μm betragen Die Dicke der verwendeten porösen Adsorptionsmembranen betragt zwischen ungefähr 100 μm und ungefähr 500 μm

Aus der DE-OS 44 32 628 und den US-PS 5,575,910 und 4,895,806 sind Vorrichtungen und Verfahren zur Durchführung von adsorptiven Stofftrennungen mittels Permeation von Flüssigkeiten durch poröse Adsorptionsmembranen bekannt, bei denen die Adsorptionsmembranen in Druckfiltrationsgeraten axial oder radial angeströmt werden Zur Erhöhung der Adsorptionskapazitat werden Adsorptionsmodule aus einer Vielzahl flachiger Zuschnitte poröser Adsorptionsmembranen in Stapelform verwendet Die vorgeschlagenen Losungen haben den Nachteil, daß bei der Herstellung der flachigen Zuschnitte ein relativ hoher Verschnitt an wertvollen Adsorptionsmembranen eintritt, die bekanntlich hochveredelte und kostenintensive Produkte darstellen Außerdem ist die Erhöhung der Anzahl der Zuschnitte an porösen Adsorptionsmembranen, die als Stapel vom zu filtrierenden Medium durchströmt werden, mit einer Verringerung der Durchflußleistung und einer relativ raschen Verblockung der oberen Lagen der Zuschnitte der Adsorptionsmembranen verbunden

Aus den US-PS 4,895,806 und 4,986,909 ist bekannt, das Adsorptionsmaterial in Form eines Wickels einzusetzen, wodurch der Verschnitt an wertvollen Adsorptionsmembranen verringert werden kann Gemäß der US-PS 4,895,806 wird beispielsweise eine Bahn einer Adsorptionsmembran auf einem porösen Rohr aufgewickelt und unter Anlegung einer Druckdifferenz von außen nach innen Medium durchströmt Ein Nachteil besteht darin, daß die permeationswirksame Flache bei einem Wickel von außen nach innen abnimmt Wird also der Durchmesser des porösen Rohres klein gewählt, ist auch die Durchflußleistung der Vorrichtung entsprechend klein Wird er hingegen groß gewählt, ist auch das dadurch bewirkte Totvolumen groß Die Losung hat daruberhinaus den Nachteil, daß die Durchflußleistung rasch abnimmt und die Standzeit aufgrund von Membranfouling und Membrandefekten relativ gering ist Das gemäß der US-PS 4,986,909 verwendete Wickel wird ebenfalls von außen nach innen durchströmt Allerdings besteht sein Bahnmaterial nicht aus Adsorptionsmembranen, sonder aus einem aus Fasern aufgebauten Flachengebilde Das ist von Nachteil, weil derartige Materialien eine ungunstige Bindungskinetik aufweisen und daruberhinaus schwer kontrollierbare Schrumpf- und Quelleigenschaften haben Um die letzteren unter Kontrolle zu bringen, wurde vorgeschlagen, zwischen den Einzellagen des Wickels aus dem faserigen Flachengebilde flexible Ausgleichsschichten einzubringen unter Inkaufnahme des Nachteils, daß derartige Maßnahmen zu einer Erhöhung des Totvolumens und einer Verminderung des für den eigentlichen Stofftrennprozeß verfügbaren Apparatevolumens führen

Den bekannten Vorrichtungen, die einen aus einem Bahnmaterial bestehenden Wickel zur adsorptiven Stofftrennung verwenden, haftet daruberhinaus der Nachteil an, daß sie eine starre Konfiguration besitzen, die keine flexible Anpassung an die zu losenden Trennaufgaben zulassen

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mit einem Adsorbermodul ausgestattete Vorrichtung zur Durchführung von adsorptiven Stofftrennungen mittels Permeation von Flüssigkeiten durch poröse Adsorptionsmembranen zu schaffen, die so aufgebaut ist, daß sie sich durch ein geringes Totvolumen, ein optimales Apparatevolumen bei möglichst großer Bindungskapazitat, eine gute Durchflußleistung und lange Standzeit sowie eine hohe Flexibilität zur Anpassung an die zu losenden Trennaufgaben auszeichnet sowie Verwendungen der Vorrichtungen zur Durchführung von adsorptiven Stofftrennungen vorzuschlagen

Die Aufgabe wird zum einen gelost durch eine Vorrichtung aus einem Mantelrohr, das mit einem Boden- und einem Deckelelement zu einem zylindrischen Gehäuse mit Flussigkeitsein- und -auslassen verbunden ist, welches mindestens ein hohlzylindrisch ausgebildetes Adsorbermodul mit mindestens einem Wickel aus mindestens einer Windung einer Adsorptionsmembran und mit einem darin konzentrisch angeordenten zylindrischen Kern aufnimmt Das mindestens eine Adsorbermodul ist zwischen dem Boden- und dem Deckelelement unter Ausbildung mindestens eines Flussigkeitseinlaß- und mindestens eines Flussigkeitsauslaßraumes derart eingeschlossen, daß die Fl ssigkeiten bei der Permeation vom Flussigkeitseinlaß zum Flussigkeitsauslaß bestimmungsgemäß die porösen Adsorptionsmembranen des Adsorbermoduls passieren Das hohlzylindrisch ausgebildete Adsorbermodul ist so dimensioniert, daß zwischen seiner Innenflache und dem zylindrischen Kern und zwischen seiner Außenflache und dem Mantelrohr ein innerer und ein äußerer Ringspalt ausgebildet ist Vorzugsweise sind dabei der Anschluß für die Flussigkeitszuführ durch radiale Bohrungen im Kern mit dem inneren Ringspalt und der Anschluß für die Flüssigkeitsabführ durch radiale Kanäle im Bodenelement mit dem äußeren Ringspalt verbunden

Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch die erfmdungsgemaße Konstruktion, die eine Durchstromung des Adsorbermoduls von innen nach außen sichert, eine hohe Durchflußleistung und Standzeit zur Folge hat, ein Membranfouling stark abgeschwächt und die Adsorptionsmembranen vor mechanischen Defekten wahrend des Permeationsbetriebs bewahrt bleiben

Offenbar dienen die inneren Windungen eines von außen angeströmten Wickels, wie auch die unteren Lagen eines Adsorptionsmembranstapels als Filterunterstutzung für die äußeren Windungen beziehungsweise für die oberen Lagen eines Stapels, wodurch die inneren Windungen beziehungsweise die unteren Lagen komprimiert werden Die Adsorptionsmembranen erleiden infolge ihres hohen Porenvolumens unter Kompression eine Verminderung ihrer Dicke, die von einer Verminderung ihrer Durchflußleistung begleitet ist Im Falle von außen druckbeaufschlagter Wickel hat die Dickenverminderung jedoch noch eine andere, viel gravierendere Folge als die Durchflußverminderung Dadurch, daß die inneren Windungen durch die Druckbeanspruchung komprimiert werden, nimmt der Durchmesser des Wickels ab und somit auch der Durchmesser der Einzelwindungen, und zwar am stärksten, je weiter außen sie sich befinden Da aber die pro Windung aufgewickelte Bahnlange gleich bleibt, wird die geometrische Form der Einzelwindungen, die ursprunglich naherungeweise einen Kreiszylinder darstellt, verzerrt und irregulär Das ruft Wellen- und Faltenbildungen hervor, was zu ungleichmäßigen Durchstromungsbedingungen und damit zu ungleichmäßiger Beladung mit der Folge vorzeitigen lokalen Durchbruchs der Zielsubstanz führt Die praktische Folge davon ist, daß die dynamische Bindungskapazitat der Adsorptionsmembran sehr viel niedriger ist, als von der eingesetzten Adsorberflache zu erwarten wäre Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, daß die Adsorptionsmembran an den Falten derart stark mechanisch beansprucht wird, daß es zu Membranbruchen kommt Die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit von innen nach außen durchströmten hohlzylindrisch ausgebildeten Adsorbermodulen gegenüber Adsorptionsmembranwickeln, die von außen nach innen durchströmt werden, kommt vor allem nach längerem Betrieb voll zur Geltung. Naturgemäß sind die zuerst durchströmten Lagen der Adsorptionsmembranen in besonderem Maße den Verblockungen durch^' partikuläre Kontaminanten des zu filtrierenden Mediums als auch durch Fouling-Effekte ausgesetzt. Sobald also bei herkömmlichen Vorrichtungen die äußerste Windung verblockt ist, wird der gesamte Arbeitsdruck nicht nur zur Kompression der innersten, sindern praktisch aller Windungen wirksam. Durch die Durchströmung von innen nach außen wird eine Vermeidung der beschriebenen, nachteiligen Kompressionseffekte erreicht. Wenn, im Extremfall, die innerste Windung verblockt ist, ist sie einer Zugbeanspruchung ausgesetzt, mit der Folge daß das Bahnmaterial, gedehnt und nicht gestaucht wird, was Faltenbildung ausschließt. Das Verhalten eines Adsorptionsmembranwickels bei Druckbeanspruchung von außen bzw. von innen ist dem eines Schlauches vergleichbar, der im ersteren Fall kollabiert, während er im anderen Fall keine nennenswerten Dimensionsänderungen erleidet. Die Anwendung eines Ringspaltes anstelle eines porösen Rohres auf der Innenseite des hohlzylindrisch ausgebildeten Adsorbermoduls und eines Ringspalts auf der Außenseite bewirkt, daß das Totvolumen klein gehalten werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Ringspalten durch Abstandshalter durchgehend offen gehalten, die gleichzeitig Stützfünktionen für das Adsorbermodul haben. Als Abstandshalter sind alle für den Fachmann üblichen Materialien zum Bau von Permeationsmodulen einsetzbar. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Abstandshalter durch Nuten ausgebildet, die sich auf der Oberfläche des zylindrischen Kerns und auf der inneren Umfangsfläche des Mantelrohres befinden. Die Nuten können verschiedene Form und einen unterschiedlichen Verlauf haben. Sie können beispielsweise helixartig umlaufend ausgebildet sein.

Überaschenderweise wurde ein Zusammenhang zwischen der Dimensionierung der Ringspalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Durchflußleistung der Adsorptionsmembranen gefunden, der eine solche Dimensionierung von Ringspalten gestattet, bei denen eine optimale Ausnutzung der Adsorptionskapazität des Adsorbers gewährleistet ist. Die Stromungsquerschnitte der Ringspalte sind entscheidend für den hydraulischen Druckabfall sowohl des zugeführten Mediums als auch des abgeführten Permeats Dieser Druckabfall soll möglichst klein sein, und zwar nicht nur deshalb, weil Druckverluste in den Ringspalten zu Lasten der bei einem bestimmten Betriebsdruck mit der Vorrichtung erreichbaren Durchflußleistung gehen, sondern weil sie zu lokal unterschiedlichen Druckdifferenzen über die Lange der Vorrichtung führen Lokal unterschiedliche Druckdifferenzen bewirken auch lokal unterschiedliche Durchflußleistungen, mit der Folge, daß die Bindungskapazitat der Adsorptionsmembrane lokal zu unterschiedlichen Zeitpunkten erschöpft wird Da die insgesamt nutzbare Bindungskapazitat eines Adsorbers dann erschöpft ist, sobald an einer Stelle der erste Durchbruch der Zielsubstanz auftritt, hat ein hoher Druckabfall im inneren und/oder äußeren Ringspalt eine Verminderung der nutzbaren Bindungskapazitat zur Folge

Wenn die nachteiligen Folgen eines großen Druckabfalls in den Ringspalten konstruktiv durch besonders große Spaltbreiten vermieden werden, wobei unter Spaltbreite eines Ringkanals die Differenz zwischen seinem äußeren und inneren Radius zu verstehen ist, besteht die Gefahr der Uberdimensionierung Überdimensionierte Spaltbreiten bedingen nicht nur ein unnötig großes Totvolumen, sondern auch ein unnötig großes Apparatevolumen Ein hohes Totvolumen einer Adsorberanlage beeinträchtigt deren technische Leistungsfähigkeit Ein großes Apparatevolumen hat u a hohe Herstellkosten zur Folge

Der optimale Ringspalt ist so dimensioniert, daß sowohl die durch Unter- als auch durch Uberdimensionierung bewirkten nachteiligen Erscheinungen vermieden werden Die optimale Spaltbreite ist abhangig von der spezifischen Durchflußleistung der Adsorptionsmembran, der Dicke der Adsorptionsmembran, dem Verhältnis von innerem zu äußerem Durchmesser des aus der Adsorbermembran gebildeten Hohlzylinders und der Lange des Adsorbermoduls

Die Abhängigkeit der optimalen Spaltbreite von der Lange des Adsorbermoduls erschwert ihre empirische Ermittlung insofern, als sie die direkte Übertragung von an kleinen Versuchsmodellen erhaltenen Ergebnissen auf große Einheiten ausschließt Das bedeutet in der Praxis, daß für die empirische Optimierung der Spaltbreiten Versuchsmodelle in Originalgröße unter Verwendung der vorgesehenen Adsorptionsmembran erstellt und unter Variierung der Spaltbreiten das Durchfluß- und Durchbruchsverhalten mit einem relevanten Testsystem untersucht werden mußte Nach der Erfindung wird es ermöglicht, die optimalen Spaltbreiten wesentlich ökonomischer und dennoch mit hinreichender Genauigkeit auf der Basis eines Ähnlichkeitsgesetzes zu ermitteln. Dieses Ähnlichkeitsgesetz beruht auf einer dimensionslosen Größe, des Dimensionslosen Widerstandsparameters A, die es erlaubt, mathematische Zusammenhänge zwischen den geometischen und hydraulischen Gegebenheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ihren qualitätsbestimmenden Eigenschaften herzustellen und die im Falle eines radial durchströmten Membranwickels wie folgt definiert ist:

Es bedeuten:

Ri =Innenradius des Adsorber - Hohlzylinders [cm]

R₂ = Außenradius des Adsorber - Hohlzylinders[cm] k = Breite des äußeren Ringspalts [cm]

L = Länge des Adsorber - Hohlzylinders [cm]

D = Spezifische Durchflußleistung der Einzeladsorbermembran [cm cP/min bar] d = Dicke der Einzeladsorbermembran [cm]

Wenn mehrere Adsorbermodule in einem Mantelrohr parallelgeschaltet sind, ist für L die Gesamtlänge der Module einzusetzen.

Die Definition von A leitet sich unter vereinfachenden Annahmen aus den Strömungsverhältnissen in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ab (Gültigkeit des Hagen-Poiseuille'schen Gesetzes im Ringspalt, linearer Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Durchfluß durch die Membranen, Vernachlässigung des Staudrucks). Unter Vernachlässigung der unterschiedlichen Strömungswiderstände im inneren und äußeren Ringspalt lassen sich näherungsweise der lokale statische Druck in den Ringspalten und daraus die lokale, statische Druckdifferenz ermitteln. Für den Betrieb eines Adsorbers sind wesentlich: die mittlere Druckdifferenz ΔP_m, die die erreichbare Filtrationsleistung bestimmt die maximale Druckdifferenz, die den Beginn des Durchbruchs der Zielsubstanz und damit die verlustfreie Kapazitätsausnutzung K_n des Adsorbers bestimmt

Es gelten folgende Beziehungen, wobei P_G die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Adsorbers bezeichnet und K die Bindungskapazitat des Adsorbers ohne Stromungswiderstande in den Ringspalten

ΔP _=P ^A) ^m ° A (cosh(A) + A sιn (A))

tanKA) ⁿ A

Die Berechnungen werden an folgenden Beispielen verdeutlicht, denen praktische Zahlenwerte der beispielhaft genannten erfindungsgemaßen Ausführungsformen zugrunde liegen (das Beispiel mit nur einer Windung illustriert den nachteiligen Einfluß zu eng dimensionierter Kanäle) L = 100 cm R₂= 48 mm k = 2 mm D = 150 cm³ cP/cm² min bar d = 300 μm

Vorzugsweise werden die Spaltbreiten der Ringspalte so gewählt, daß der äußere und der innere Ringspalt das gleiche Volumen aufweisen Daher weist der äußere eine geringere Spaltbreite und somit einen höheren Stromungswiderstand auf als der innere und wird für die Beurteilung des Druckabfalls herangezogen

Obwohl nach der Erfindung auch Vorrichtungen herstellbar sind, bei denen die Adsorptionsmembran mit dem Gehäuse fest verbunden ist (Disposables), liegt der Schwerpunkt auf dem Gebiet technischer Einheiten für den Prozeßmaßstab Nach der erfindungsgemaßen Losung ist die Neubestuckung einer Vorrichtung oder von Anlagen mit derartigen Vorrichtungen mit Adsorptionsmembranen mit dem geringstmoglichen Materialeinsatz verbunden Erfindungsgemaß wird dies dadurch erreicht, daß die Vorrichtung lediglich aus den fünf Grundbauteilen Mantelrohr, Bodenelement, Deckelelement, Adsorbermodul und Kern aufgebaut ist Dazu kommen lediglich Hilfsbauteile, die im einzelnen weiter unten beschrieben sind Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht deshalb darin, daß für unterschiedliche Adsorbermodule, also solche mit unterschiedlichen Windungszahlen im Adsorptionsmembranwickel, im Prozeßmaßstab dieselbe hard wäre, also identische Bauteile eingesetzt werden können Mit anderen Worten Adsorbermodule mit unterschiedlichen Windungszahlen haben zwar unterschiedliche Kerndurchmesser, sie können jedoch in denselben Gehäusen eingesetzt werden Das wird erfindungsgemaß dadurch erreicht, daß die Dimensionen des Verbindungsstuckes zwischen dem Deckelelement und dem Kern unabhängig von der Windungszahl für alle Module gleich ist

Die zielgerichtete Einführung einer neuen Technologie setzt voraus, daß gleichermaßen Probleme des Scale-up als auch des Scale-down beherrscht werden Dementsprechend bietet eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, nämlich Ausführungsform I, die Möglichkeit des lückenlosen Scale-up und Scale-down über einen weiten Bereich Wesentlich ist dabei, daß sich die mit kleinen Einheiten erhaltenen Versuchsergebnisse direkt zur Maßstabsvergroßerung übertragen lassen Dabei wird von einem sogenannten Einheitsmodul ausgegangen, dessen Lange zweckmaßigerweise der Herstellbreite der Adsorptionsmembran entspricht Das Scale-up-Prinzip ist dabei die Parallelschaltung von Einheitsmodulen, und zwar sowohl innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses als auch in mehreren Gehäusen, das Scale-down-Pri zip die Verkürzung von Einheitsmodulen

Ein weiterer Vorteil von Ausführungsform I besteht darin, daß sich das Gehäuse nach dieser Konstruktion gleichermaßen problemlos aus metallischen Werkstoffen und aus spanabhebend bearbeitbaren Kunststoffen herstellen laßt und darüber hinaus die aus verschiedenen Werkstoffen gefertigten Bauteile untereinander frei kombinierbar sind Zwar wäre es technisch möglich, beim Scale-down denselben Werkstoff einzusetzen, wie beim Scale-up. Dagegen sprechen aber unterschiedliche Anforderungen in beiden Fallen Wahrend bei einer technischen Anlage ein robuster Konstruktionswerkstoff wie beispielsweise Edelstahl zu bevorzugen ist, ist es bei Vorversuchen im Labormaßstab vorteilhaft, preisgünstige, leichte Einheiten aus Kunststoff verwenden zu können Vielfach besteht bei Versuchsvorrichtungen die Anforderung nach Verwendung durchsichtiger Materialien wie Glas oder Plexiglas Auch dann, wenn weder Zielsubstanz noch zu bindendende Kontaminanten eine Eigenfarbung aufweisen, kann die visuelle Beurteilung des chromatographischen Ablaufs entscheidende Rückschlüsse ermöglichen Zu nennen sind hier in erster Linie die Schlieren, die durch unterschiedliche Brechungsindices hervorgerufen werden Lokal unterschiedliche Brechungsindices wiederum basieren auf unterschiedlichen Konzentrationen von gelosten Substanzen, seien es die Zielsubstanz, ein Kontaminant oder ein Puffer- bzw Elutionsmitteladditiv Zwar wäre diese Anforderung prinzipell nach Ausführungsform I ebenfalls zu erfüllen, jedoch nur mit untragbar hohen Anforderungen an die Materialbearbeitung der in Frage kommender Werkstoffe wie z B Glas oder Plexiglas Dabei ist auch die handelsüblich zur Verfügung stehenden Halbzeuge für das Mantelrohr entscheidend (Rohre bzw Hohlstabe)

Diesen Gesichtspunkten tragt die Ausführungsform II Rechnung Die Ausführungsformen I und II unsterscheiden sich in erster Linie dadurch, daß bei der Ausführungsform I die mechanische Verbindung zwischen dem Boden- und dem Deckelelement und die Aufnahme der axialen Dichtungskrafte durch das Mantelrohr erfolgt, wahrend bei der Ausführungsform II die mechanischen Aufgaben vom Kern übernommen werden und die Aufgabe des Mantelrohrs auf die Sammlung des Permeats reduziert ist Infolgedessen können bei Ausführungsform II für das Mantelrohr auch die erwähnten transparenten Werkstoffe, die in geeigneten Rohren verfügbar sind, eingesetzt werden Das Adsorbermodul ist für beide Ausführungsformen identisch

Die Ausführungsformen I und II entsprechen in der Stromungsführung dem, wofür sich bei der Filtration der Begriff „dead end filtration" eingebürgert hat, d h das gesamte zu behandelnde Medium durchströmt das Adsorbens und wird als Permeat der Vorrichtung entnommen Nach der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den sogenannten „cross flow" Betrieb zu realisieren, d h nur ein Teil des zugeführten Mediums durchströmt das Adsorbens und fallt als Permeat an, wahrend ein anderer am Ende des inneren Ringkanals als sogenanntes Retentat wieder abgeführt wird Diese Vorgangsweise ist erfindungsgemaß dann vorteilhaft, wenn das Medium partikulare Kontaminanten enthalt, die nicht beliebig aufkonzentriert werden können und zu einer Verblockung des Adsorbens führen wurden Permeat und Retentat können der Vorrichtung entweder getrennt entnommen oder vor der Entnahme ruckvermischt werden Im letzteren Fall ergibt sich der zusatzliche Vorteil, daß die hohe Partikelkonzentration, die im Extremfall zu einer pastosen Konsistenz und den damit verbundenen Schwierigkeiten führen kann, nicht langer, als unbedingt notig aufrechterhalten wird

Eine Vorrichtung der letzteren Artstellt Ausführungsform III dar, bei der innerhalb des Gerätes eine Ruckvermischung des Permeats mit dem Partikelkonzentrat stattfindet, wobei das Mengenverhältnis von permeierender zu überströmender Flussigkeitsmenge über eine nadelventilartige Konstruktion reguliert werden kann Bei dieser Vorrichtung wird also eine zielsubstanzhaltige Partikelsuspension zugeführt und die an Zielsubstanz abgereicherte Partikelsuspension abgeführt Zur vollständigen Adsorption der Zielsubstanz kann sie im Kreislauf betrieben werden Bei den Ausführungsformen I-III steht die Entfernung einer Zielsubstanz aus einem Medium und dessen Gewinnung in Form eines möglichst hochkonzentrierten Eluats im Vordergrund, wofür die Minimierung des Totvolumens eine wichtige Voraussetzung darstellt. Nach der Erfindung können jedoch technische Aufgaben gelost werden, bei denen die Konzentration des Eluats geringe oder gar keine Bedeutung besitzt, beispielsweise bei der Entfernung von Kontaminanten wie Pyrogenen, DNA- Bruchstucken oder störenden Enzymen (z.B Proteasen) Hiefür wird erfindungsgemaß eine Vorrichtung nach Ausführungsform IV bevorzugt, wobei die Mediumzuführ von unten durch den hohl ausgeführten Kern erfolgt Die Stromungsführung in den Ringspalten gleicht der der übrigen bevorzugten Ausführungsformen Die Abführ des Permeats erfolt über einen gesonderten Änschlußstutzen in der Bodenplatte Die Dichtungsstellen sind so dimensioniert, daß dieselben Module wie für die übrigen Ausführungsformen eingesetzt werden können

Gemäß dem vorgesehehen Anwendungsfall von Ausführungsform IV, der Entfernung meist nur in niedriger Konzentration vorhandener Kontaminanten, gegebenenfalls als sogenanntes „Polizeifilter", d h als reine Sicherheitsmaßnahme zur Entfernung von im Normalfall überhaupt nicht vorhandenen Verunreinigungen, kommen für diese Ausführungsform Adsorbermodule geringer Kapazität, d h mit niedrigen Windungszahlen in Frage Dementsprechend sind vergleichsweise hohe Durchflußraten erreichbar, was zur Folge hat, daß die bei dem beschriebenen mathematischen Ermittlungsverfahren für die Spaltweiten getroffenen vereinfachenden Annahmen (laminare Strömung, Vernachlässigung des Staudrucks) keine Gültigkeit mehr aufweisen Die Ringspalte werden daher zur Sicherheit gegenüber den berechneten Werten weit überdimensioniert, zumal hier, wie erwähnt, die Totvolumina von untergeordneter Bedeutung sind

Als weitere Maßnahme, insbesondere zur Vermeidung einer nachteiligen Auswirkung des Staudruckes, ist in einer Variante eine besondere stromungstechnische Gestaltung bei der Umlenkung des Mediums aus dem Hohlkern in den inneren Ringkanal vorgesehen, wobei abrupte Richtungsanderungen vermieden werden und der Eintritt in den Ringkanal in einem möglichst flachen Winkel erfolgt

Je hoher die Konzentration der zu adsorbierenden Substanzen im Medium, desto hoher wird die zweckmäßige Anzahl von Windungen des Adsorbermodules gewählt Generell gilt, daß, je kleiner die Windungszahl gewählt wird, auch kleinere Zylinderdurchmesser zweckmäßig sind, weil dadurch das Kernvolumen, also unproduktives Apparatevolumen klein gehalten werden kann

Aus fertigungstechnischen Gründen wird eine untere Grenze der Windungszahl von 5 bevorzugt, eine obere Grenze von 150 Die obere Grenze des äußeren Zylinderdurchmessers liegt vorzugsweise bei 200 mm, die untere betragt, beispielsweise bei Laboreinheiten, 5 mm Auch das bevorzugte Verhältnis von innerem zu äußerem Zylinderdurchmesser kann in weiten Grenzen schwanken, nämlich zwischen 0,25 und 0,95 Wenn sich auch in Einzelfällen extreme Dimensionierungen als zweckmäßig erweisen können, ist es im Rahmen der Erfindung möglich, für den Prozeßbereich ein breites Spektrum an Anwendungen mit einem Minimum an technischem Aufwand abzudecken Das wird durch ein modulares Baukastensystem erreicht, bei dem die Einzelkomponenten weitgehend austauschbar sind, und eine Reihe von Adsorbermodulen, deren Windungszahlen etwa im Verhältnis 1 2 abgestuft sind Beispielsweise können nach der Erfindung Adsorbermodule mit 8, 15, 30 und 60 Windungen für den Einsatz in einheitlichen Gehäusen von 100 mm Innendurchmesser des Mantelrohres erstellt werden Die beispielhafte Aufzahlung stellt jedoch keine Begrenzung der Erfindung dar Das hohlzylindrisch ausgebildete Adsorbermodul besteht außer dem Wickel mit mindestens einer Windung einer Adsorptionsmembran aus einer unteren und einer oberen Endkappe, einer Vergußmasse zum Einbetten der Adsorptionsmembran in die Endkappen und in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem inneren und einem äußeren Stutzelement

Die aus Kunststoff bestehenden Endkappen sind an den offenen Enden des hohlzylindrisch ausgebildeten Adsorbermoduls befestigt und erstrecken sich quer dazu Sie betten die Stirnseiten des Adsorbermoduls fluiddicht in eine Vergußmasse aus Kunststoff ein, wobei wenigstens eine der Endkappen ringförmig ausgebildet ist, vorzugsweise sind beide Endkappen ringförmig ausgebildet

Die sich auf den Außenflachen befindlichen Stutzelemente sind für Fluide durchlassig Sie haben nicht nur die Aufgabe, die Membrane gegen hydraulische Druckunterschiede abzustutzen, sondern geben dem Adsorbermodul auch die für die Handhabung, z B beim Einsetzen in das Gehäuse, erforderliche Steifigkeit Im einfachsten Fall können durch Verschweißen von Geweben hergestellte Zylinder Verwendung finden Auch das äußere Stützelement, das die Membran unter Betriebsbedingungen gegen den Innendruck abstutzt, braucht nicht für den vollen auftretenden hydraulischen Druckunterschied ausgelegt zu sein, weil dieser zu einem wesentlichen Anteil von den einzelnen Windungen der Membrane aufgenommen wird Das innere Stutzelement weist unter Betriebsbedingungen überhaupt keine Druckbeanspruchung auf und konnte somit grundsatzlich auch entfallen Im praktischen Betrieb erweist es sich jedoch als zweckmäßig, bei beginnender Verblockung der inneren Windung einen Ruckspulschritt bei niedrigem Druck durchzuführen In diesem Fall verhindert das innere Stutzelement ein Kollabieren des Membranwickels Die Stutzelemente sind vorzugsweise an beiden Enden etwas langer, als der Breite der Adsorptionsmembranbahn, aus der der Wickel gefertigt wird, entspricht (vorzugsweise etwa 2 bis 10 mm), sodaß sie in der Vergußmasse verankert werden Als Werkstoffe für die Stutzelemente kommen sowohl Kunststoffe (z B Polypropylen, Polyester, Polyamide, Polyurethane) als auch Metalle (z B korrosionsbeständige Edelstahle, insbesondere solche mit hoher Chloridbestandigkeit), in Frage

Wird ein metallisches Stutzelement verwendet, so wird vorzugsweise zusätzlich ein nichtmetallisches Distanzelement zwischen der Adsorptionsmembran und dem Stutzelement eingesetzt, beispielsweise ein Kunststoffgewebe, um den direkten Kontakt zwischen Membran und Metall zu vermeiden Dieses Distanzelement kann auch in mehreren Lagen eingesetzt werden, um die Wandstarke des entstehenden Hohlzylinders zu vergrößern, was insbesondere bei kleinen Windungszahlen im Interesse besserer Handhabbarkeit wünschenswert ist Zudem ist es beispielsweise möglich, bei Windungszahlen unter 15 zusatzliche Lagen des Distanzelements einzubringen, um die gleichen Endkappen wie für 15 Windungen verwenden zu können Es können sowohl Halbzeuge (Gewebe, Vliese, Lochbleche, Lochfolien) benutzt werden, die durch Verschweißen oder Verkleben zu Zylindern geformt werden, als auch Kunststoffformteile Im Fall von Edelstahlgeweben werden Drahtstarken zwischen 0,2 und 0,5 mm bei Maschenweiten zwischen 0,3 und 1 mm bevorzugt Bei Kunststoffgeweben werden Drahtstarken zwischen 0,5 und 1 mm bei Maschenweiten zwischen 1 und 2 mm bevorzugt Bei Vliesen (z B Polypropylenvhes) liegt der bevorzugte Dickenbereich zwischen 0,2 und 1 mm Die Vergußmasse hat die Aufgabe, die Enden des Adsorptionsmembranwickels abzudichten und Stutzelemente, Adsorptionsmembranen und Endkappen miteinander zu verbinden Zur zuverlässigen Abdichtung ist es erforderlich, daß die Vergußmasse in flussiger Form unter Druck mit den Stirnflachen des Adsorptionsmembranwickels in Kontakt kommt Die Herstellung und das Eingießen des Wickels erfolgt unter Verwendung einer Wickelvorrichtung und einer Eingießvorrichtung Die Wickelvorrichtung besteht aus dem Wickelkern und zwei Seitenwangen A und B Der Außendurchmesser von Seitenwange A entspricht dem Innendurchmesser des äußeren Stutzelements, wahrend Seitenwange B nur auf die Lange des berstehenden Teils des äußeren Stutzelementes auf diesen Durchmesser abgedreht ist, sodaß noch ein Anschlag bestehen bleibt Auf den Wickelkern wird das innere Stutzelement aufgesteckt, dann die Seitenwangen Diese sind innen ausgedreht, um den überstehenden Teil des Stutzelementes aufzunehmen Der äußere Teil der Seitenwangen begrenzt die Position, die die Rander des Adsorptionsmembranwickels einnehmen sollen Nach strammem Aufwickeln der Adsorptionsmembran wird in der Regel das Ende der Bahn mit dem Wickel verklebt, beispielsweise durch punkt- oder linienformiges Aufbringen der flussigen Vergußmasse Nun wird das äußere Stutzelement über Seitenwange A bis zum Anschlag auf Seitenwange B aufgeschoben

Das Eingießen des Wickels kann enweder in einem Arbeitsgang mit dem Aufbringen der Endkappen erfolgen oder mit Hilfe einer abnehmbaren Form, wobei die Endkappen nachtraglich befestigt werden Der erstere Weg wird bevorzugt, er bedingt allerdings eine aufwendigere Konstruktion der Wickel- und Eingießvorrichtung Als Vergußmasse kommen sowohl aushartpare Gießharze wie Polyurethanharze, Epoxidharze und, besonders bevorzugt, Siliconkautschuk in Frage, als auch Thermoplaste wie z B Polypropylen Wesentlich für den Eingießvorgang ist, daß die flussige Vergußmasse von unten an den senkrecht stehenden Wickel herangeführt wird und, sobald sie Kontakt mit dem Rand des Wickels hat, erkennbar am Austreten über den Rand, das Anheben unterbrochen bzw so langsam weitergeführt wird, daß kein nennenswerter Austritt von Vergußmasse erfolgt Dadurch wird erreicht, daß die Vergußmasse nicht nur blasenfrei den Raum bis zu dem Adsorptionsmembranwickel erfüllt, sondern auch zwischen die Membranrander und in die Membranporen eintritt Dieser Vorgang, der vermutlich nicht nur auf einen kleinen, wirksamen Überdruck, sondern auch auf Kapillarkrafte zurückzuführen ist, hat eine zuverlässige Abdichtung der Rander zum Ergebnis Eine Beschleunigung des Eingießvorganges ist bei Verwendung einer Vorrichtung nach dem Zentrifügenprinzip möglich, wie sie dem Fachmann für das Eingießen von Hohlfaser- und Kapillarmodulen vertraut ist.

Die Endkappen stellen die dichtende Verbindung zwischen Adsorptionsmembranwickel und Kern her Die Abdichtung des inneren Ringkanals wird im Zusammenhang mit der Konstruktion des Kerns naher erläutert Die obere Endkappe weist auf ihrer Innenseite vorzugsweise einen Steg auf, der in eine entsprechende Ausdrehung im Kern paßt Dieser Steg dient einerseits der exakten Positionierung des Moduls auf Anschlag, außerdem übertragt er das Gewicht des Moduls auf den Kern Das ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn, wie r bei Ausführungsform I der Erfindung möglich, mehrere Adsorbermodule übereinander in einem Gehäuse angeordnet sind In diesem Fall wurde sonst das Gewicht samtlicher Adsorbermodule auf den untersten einwirken, was die Gefahr einer Stauchung der inneren und äußeren Stutzelemente mit sich brachte Die obere Endkappe weist außerdem außen eine Nut zur Aufnahme eines Dichtelements (z B O-Ring) auf Aufgabe dieser Dichtung ist nicht die Trennung von Medium und Permeat, denn diese erfolgt zwischen den Innenflachen der Endkappen und dem Kern Die Abdichtung an dieser Stelle verhindert vielmehr, daß Permeat, Eluat oder Reinigungsmittel in den Spalt zwischen Endkappe und Deckelelement (bzw zwischen zwei Endkappen bei mehreren Modulen) eindringen und zu Kontaminationen führen kann Die Endkappen können auch in einem Arbeitsgang mit dem Eingießen der Membrane aus der Vergußmasse geformt werden , Wird hiefür ein elastischer, selbstdichtender Werkstoff, wie z.B Siliconkautschuk, benutzt, können, wie für den Fachmann ersichtlich, die Dichtelemente zwischen Modul und Kern entfallen Werden Endkappen als gesonderte Bauteile angesetzt, weisen sie zweckmaßigerweise Hinterschneidungen auf, die der zusatzlichen mechanischen Verankerung der Vergußmasse in der Endkappe dienen Das wird insbesondere bei Vergrußmassen, die, wie z B die für pharmazeutische Anwendungen bevorzugten Siliconharze, keine Haftung mir dem Kappenmaterial aufweisen

In einer bevorzugten Ausführungsform sind Adsorptionsmembranen mit unterschiedlichen Adsorptionseingenschaften in demselben Adsorbermodul untergebracht Das ist für Anwendungen zweckmäßig, wenn beispielsweise mehrere Zielsubstanzen oder Kontaminanten gleichzeitig gebunden werden sollen Dafür besteht erfindungsgemaß sowohl die Möglichkeit, zwei oder mehr Adsorptionsmembranen hintereinander aufzuwickeln, oder einen Doppel- oder Mehrfachwickel herzustellen, wobei die unterschiedlichen Membranen gleichzeitig aufgewickelt werden und somit abwechselnd durchströmt werden Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der Adsorptionsmembranen mit gleichen Adsorptionseigenschaften, aber unterschiedlichen Porositäten in einem Adsorbermodul vereinigt sind Ein Grund dafür besteht darin, daß die gunstigere Durchbruchscharakteristik feinporiger Adsorptionsmembranen ausgenutzt und der Nachteil von deren niedrigerer Durchflußleistung minimiert werden soll In diesem Fall ist auf der Anstromseite eine grobporige, auf der Abstromseite dagegen eine feinerporige Adsorptionsmembran angeordnet

Ein weiterer Grund für den Einsatz unterschiedlicher Membranporositaten kann darin bestehen, daß die Durchflußleistung der Adsorbermodule standardisiert werden soll. Die Gleichmäßigkeit der Durchflußleistung ist insbesondere bei Parallelschaltung mehrer Adsorptionsmodule von entscheidender Bedeutung Dieser Gesichtspunkt unterscheidet die Anforderungen an Adsorptionsmodule entscheidend von denen an bliche Filtrationsmodule Wahrend beispielsweise bei der Parallelschaltung von Sterilfiltrationseinheiten eine besonders hohe Durchflußleistung einer Einzeleinheit sich auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems nur positiv auswirken kann, sofern jede der parallel geschalteten Einheiten wirklich sterilfiltriert, liegen die Verhaltnisse bei der Adsorption ganz anders Wenn von mehreren, parallel geschalteten Adsorbermodulen eines bei gleicher Adsorptions- bzw Bindungskapazitat eine höhere Durchflußleistung aufweist, wird es vor den übrigen erschöpft, was zum Durchbruch der Zielsubstanz ohne Ausschopfüng der Adsorptionskapazitat der übrigen Module führt

Aus diesen Gründen ist es, wenn die zur Verfügung stehende Adsorptionsmembran nicht mit exakt gleichen Durchflußleistungen hergestellt werden kann, zweckmäßig, durch Kombination von Membranchargen höherer und niedrigerer Durchflußleistung in den Einzelmodulen genau spezifizierte Durchflußleistungen der Adsorbermodule einzustellen

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auf der Innenseite des Hohlzylinders des Adsorbermoduls ein Sicherheitsfilter angeordnet Das Sicherheitsfilter ist bevorzugt als austauschbares, zylindrisch geformtes Sicherheitsfilter gestaltet Als Material wird eine feinporige Mikrofiltrationsmembrane, vorzugsweise aber die Adsorptionsmembran verwendet, aus der auch das Adsorbermodul aufgebaut ist Unter Betriebsbedingungen, unter denen ein irreversibles Verblocken der Adsorptionsmembran auftreten kann, ist davon im allgemeinen praktisch ausschließlich die zuerst durchströmte Membranlage betroffen Aus diesem Grund wird es generell bevorzugt, vor die erfindungsgemaße Vorrichtung eine Einfachlage der Adsorptionsmembran zu schalten, die leicht zu ersetzen ist Dies kann jedoch, beispielsweise durch einen Bedienungungsfehler versäumt werden, sodaß die Gefahr besteht, daß ein Adsorbermodul durch irreversible Verblockung der inneren Windung unbrauchbar gemacht wird. Dies kann auch dadurch geschehen, daß zwar die erwähnte Vorfiltration erfolgt, jedoch hinter dem Vorfilter Kontaminanten im Rohrsystem entstehen, beispielsweise durch Koagulations- oder Korrosionsprozesse Aus diesen Gründen wird erfindungsgemaß die Anwendung des erwähnten Sicherheitsfilters im Adsorbermodul selbst bevorzugt Es soll deshalb bevorzugt dieselben Adsorptionseigenschaften wie das verwendete Adsorbermaterial haben, weil die erwähnten Koagulations- oder Korrosionsprodukte von einer Art sein können, daß sie durch inertes Filtermaterial nicht zurückgehalten werden können Das aus dem adsorptionsfahigen Filtermaterial bestehende Sicherheitsfilter ist vorzugsweise als Membranschlauch ausgebildet, der durch Verschweißen oder Verkleben der Adsorptionsmembran hergestellt wird Sein Durchmesser ist dem Innendurchmesser des inneren Stutzelementes angepaßt und wird, lose in den Hohlzylinder eingesetzt, sodaß es durch den Betriebsdruck an diesen angepreßt wird Eine besondere Abdichtung an den Enden ist dabei nicht unbedingt erforderlich Der Vorteil des Sicherheitsfilters besteht darin, daß der Arbeitsaufwand, der mit seinem Austausch verbunden ist, derart gering ist, daß er in keinem Verhältnis steht zu dem Schaden, den ein unbrauchbar gewordener Adsorbermodul darstellen wurde

Der Außendurchmesser des Kerns bestimmt zusammen mit dem Innendurchmesser des Adsorbermoduls die Hohe des inneren Ringspaltes Er erfüllt generell die Aufgaben, das oder die Adsorbermodule im Gehäuse zu positionieren, das Volumen zur Reduzierung des Totvolumens zu verdrangen und das zugeführte Medium im Ringspalt zu verteilen In der Ausführungsform II kommt die Aufgabe hinzu, die Boden- und Deckelelemente mechanisch zu verbinden und die axialen Dichtkrafte zu aufzunehmen In der Ausführungsform I kommt als weitere Aufgabe, sofern sich noch weitere, parallelgeschaltete Adsorbermodule dahinter befinden, hinzu, das Medium zu den dahinter befindlichen Adsorbermodulen weiter zu leiten.

Bei Ausführungsform I sind somit zwei unterschiedliche Bauformen des Kerns zu unterscheiden, je nach dem, ob sich dahinter noch weitere Adsorbermodule befinden, oder nicht Im ersteren Fall weist er als Verlängerungskern an beiden Enden Kanäle, beispielsweise in Form von Bohrungen, zum Durchtritt des Mediums auf, im letzteren Fall nur am oberen Ende

Das bedeutet, daß es für die Umrüstung einer technischen Anlage nach Ausführungsform I für einen anderen Adsorbermodultyp ausreicht, die Adsorbermodule und die Kerne zu ersetzen, die Mantelrohre, Boden- und Deckelplatten hingegen beibehalten werden können Der Kern kann sowohl aus Vollmaterial gefertigt als auch als für Fluide undurchlässiger Hohlkörper ausgeführt werden Als Werkstoffe bieten sich dieselben an, aus denen auch die Endkappen gefertigt werden können, nämlich beispielsweise Polyacetale, Polypropylen und Polyamide Polyacetale werden bevorzugt

Der Innendurchmesser des Mantelrohres bestimmt zusammen mit dem Außendurchmesser des Adsorbermoduls die Höhe des äußeren Ringspaltes Die generelle Aufgabe des Mantelrohres ist die Sammlung des Permeats In der Ausführungsform I kommen die mechanische Verbindung des Boden- und Deckelelements und die Aufnahme der axialen Dichtkrafte hinzu

Bei Ausführungsform I werden vorzugsweise Mantelrohre mit Klemm- Verbindungen (Clamp-Verbindungen) und O-Ringdichtung oder Flanschverbindungen mit dem Boden- und Deckelelement verwendet Wesentlich bei der Verbindung ist der mechanische Kontakt zwischen dem Mantelrohr und dem Boden- bzw Deckelelement, um geometrisch definierte Verhaltnisse zu gewahrleisten Klemmverbindungen mit Flachdichtungen, bei denen eine ungleichmäßige Kompression der Dichtung auftreten kann, sind nicht geeignet Das Baukastensystem der Ausführungsform I ermöglicht es auf einfache Weise, vorhandene Mantelrohre durch Verwendung von Verlängerungsst cken für eine größere Anzahl von Modulen aufzurüsten

Durch das Bodenelement wird über etwa 3 - 8 Bohrungen eine weitgehend rotationssymmetrische Abfuhr der Flüssigkeit zu dem axial angeordneten Leitungsanschluß, der vorzugsweise als angeformter Klemmanschluß ausgebildet ist, bewirkt

Das Deckelelement weist ebenfalls vorzugsweise einen axialen Klemmanschluß auf und, bei den bevorzugten Ausführungsformen, eine Entluftungsoffnung für den äußeren Ringspalt

Obwohl für die Entlüftung jede dafür geeignete Armatur (z B eine einfache Entluftungsschraube) eingesetzt werden kann, wird die Verwendung eines einschraubbaren Ruckschlagventils mit oder ohne Federbelastung bevorzugt, wobei das Dichtelement unmittelbar in einer entsprechenden Bohrung des Deckelelements angeordnet ist In der Ableitung des Ruckschlagventils ist ein Sperrorgan angebracht Wenn dieses geöffnet wird, wird der äußere Ringspalt durch den in der Vorrichtung herrschenden Überdruck entlüftet Der Vorteil des Ruckschlagventiles besteht dabei einerseits darin, daß die Abdichtung unmittelbar im Deckelelement erfolgt und ein Totraum, der zu Kontaminationen führen kann, vermieden wird Anderseits ist es dadurch auch möglich, mehrere parallelgeschaltete Module, bei denen die Ableitungen der Ruckschlagventile miteinander verbunden sind, über ein gemeinsames Ventil zu entlüften Das ist insbesondere für automatisch arbeitende Anlagen von Bedeutung, bei denen die Entlüftung über einen Prozeßrechner gesteuert wird Für eine Entlüftung des äußeren Ringspaltes ist deshalb zu sorgen, weil Luft im äußeren Ringspalt zu einer im unteren Bereich höheren hydrostatischen Druckdifferenz zwischen innerem und äußerem Ringspalt führen wurde mit der Folge eines dort erfolgenden vorzeitigen Durchbruchs der Zielsubstanz Über die Entluftungsoffnung ist es auch möglich, den oberen Bereich des äußeren Ringspaltes zu durchspulen Um den Flussigkeitsstrom in diesem Fall über den ganzen äußeren Ringspalt möglichst gleichmaßig zu verteilen, ist eine umlaufende Rinne im Deckelelement vorgesehen Die Spulbarkeit des oberen Teils des Ringspaltes ist deshalb von Bedeutung, weil die Flüssigkeit in diesem Bereich unter Betriebsbedingungen keine Zwangsstromung aufweist Insbesondere nach Reinigung des Adsorbers mit aggressiven Medien ist es zweckmäßig, über die Entluftungsoffnung mit Spulpuffer im by pass zu spulen Auch das kann bei einer automatischen Anlage über das Steuerprogramm erfolgen

Zum anderen wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Verwendung der erfindungsgemaßen Vorrichtungen gelost, bei der das wickelartig ausgebildete Adsorbermodul der erfindungsgemaßen Vorrichtung radial von innen nach außen mit dem Medium unter Einwirkung einer Druckdifferenz durchströmt wird Unerwartet wurde gefunden, daß bei dieser Verfahrensweise eine höhere Durchflußleistung und eine höhere Beständigkeit gegen den Arbeitsdruck erreicht werden als bei der Durchstromung der Vorrichtung von außen nach innen Die Vorrichtung wird dabei vorzugsweise mit senkrecht stehender Zylinderachse betrieben

Überraschenderweise wurde gefunden, daß beim Betreiben der Vorrichtung mit senkrecht stehender Zylinderachse und Zuführ des Mediums von oben das Eluat, das infolge einer hohen Konzentration an desorbierter Zielsubstanz sowie eines hohen Gehaltes des Elutionsmittels an Elektrolyten eine hohe Dichte aufweist, leichter nach unten abströmen kann Die Zuführ des zu filtrierenden Mediums und die Abfuhr des Permeats erfolgen vorzugsweise an entgegengesetzten Enden der Vorrichtung Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird sie zuerst von unten mit Flüssigkeit gefüllt und der äußere Ringspalt über eine in der Deckeleinheit befindliche Entluftungseinrichtung, zum Beispiel in Gestalt einer Entluftungsschraube, entlüftet Es ist aber auch möglich, die Vorrichtung so auszugestalten, daß die Zuführ des Mediums in den inneren Ringkanal von unten her erfolgt In diesem Fall ist die Entluftungsoffnung in der Deckeleinheit mit dem inneren Ringkanal verbunden

Die Erfindung ermöglicht es auch, die erfindungsgemaßen Adsorbermodule und Vorrichtungen für den Aufbau von Anlagen zur adsorptiven Stofftrennungen zu verwenden, die sich durch eine hohe Flexibilität auszeichnen Auf der Grundlage der Ausführungsform I werden auf zwei Wegen Möglichkeiten zur Parallelschaltung erfindungsgemaß er Adsorbermodule oder Vorrichtungen geschaffen, nämlich durch Parallelschaltung mehrerer Einzelmodule in einem Mantelrohr oder durch Parallelschaltung mehrerer gleichartig bestückter Mantelrohre

Bei der Parallelschaltung mehrerer gleichartig bestückter Mantelrohre ist auf eine symmetrische Flussigkeitszu- und -abführ zu achten, wobei Kreuzstucke in den Rohrleitungen bei der Zu- und Abführ bevorzugt werden Wahrend die Parallelschaltung von Adsorbermodulen den Durchbruch der Zielsubstanz grundsatzlich nur verschlechtern kann (Ungleichmäßigkeiten in der Durchflußleistung oder der Bindungskapazitat haben zur Folge, daß der Durchbruch nicht bei allen Modulen gleichzeitig erfolgt), führt die Serienschaltung grundsatzlich zu einer Verbesserung des Durchbruchsverlaufs Größere Anlagen lassen sich vorzugsweise durch eine Kombination von Parallel- und Serienschaltung realisieren Bei Anwendung eines bevorzugten Systems von Modulen mit Abstufungen der Windungszahlen im Verhältnis 1 2 ergeben sich dabei besonders vorteilhafte Möglichkeiten Wenn beispielsweise in der ersten Stufe n Adsorbermodule mit 60 Windungen an Adsorptionsmembranen parallel geschaltet werden, in der zweiten Stufe n/2 Module mit 30 Windungen und in einer dritten Stufe n/4 Module mit 15 Windungen, ist der Druckabfall in allen drei Stufen annähernd gleich und die Bindungskapazitat der folgenden Stufen ist jeweils ein Viertel der vorhergehenden Dadurch, daß die bei schleichendem Durchbruch infolge der erwähnten Ungleichmäßigkeiten durchgetretene Zielsubstanz von der folgenden Stufe aufgefangen wird, kann die dynamische Kapazität (also die Bindungskapazitat, die bis zu einer bestimmten Konzentration an Zielsubstanz im Permeat genutzt werden kann), wesentlich erhöht werden Der besondere Vorteil der erwähnten Abstufung liegt dabei darin, daß sich der Druckabfall auf die einzelnen Stufen gleichmaßig verteilt und daher alle Stufen bis zum maximal zulassigen Druckabfall belastet werden können Bei der beschriebenen Abstufung der Einzelkomponenten tragt die letzte Stufe nur einen relativ geringen Anteil zur Gesamtkapazitat der Anlage bei, was für den insgesamt nutzbaren Anteil der Gesamtkapazitat von Vorteil ist Wenn der Durchbruch bei einer Stufe dann auftritt, wenn sie beispielsweise zu 80 % beladen ist, betragt die nicht nutzbare Kapazität 20 % der installierten Kapazität Bei einer zweistufigen Anlage in der oben genannten Abstufung weist die zweite Stufe 20 % der Gesamtkapazitat auf, die erste Stufe ist zu 100 %, die zweite Stufe zu 80 % nutzbar, sodaß von der insgesamt installierten Kapazität nur mehr 4 % nicht nutzbar sind Bei einer dreistufigen Anlage reduziert sich der nicht nutzbare Anteil auf 1 % (77,1 % der Gesamtkapazitat in der ersten, 19, 1 % in der zweiten und 4,8 % in der letzten Stufe, von der 20% nicht nutzbar

Zur Verbesserung des Durchbruchsverhaltens durch Serienschaltung werden im Fall mehrerer parallelgeschalteter Mantelrohre in der vorhergehenden Stufe die Permeatstrome vereinigt, bevor sie der nächsten Stufe zugeführt werden

Eine besonders bevorzugte Form der Seπenschaltung wird hier als Tandemanlage bezeichnet Das Prinzip beruht auf der Tatsache, daß der Durchbruch der Zielsubstanz bei einem Adsorber erst in der letzten Phase der Beladung eintritt und die Serienschaltung daher erst dann Vorteile bringt Erfindungsgemaß werden zwei identische Stufen A und B eingesetzt, wobei zyklisch entweder jeweils gerade eine beladen und die andere eluiert bzw regeneriert wird, oder beide in Serie betrieben werden Der Ablauf ist dabei im einzelnen folgender Die Stufe A wird mit dem Medium beladen Bevor die Zielsubstanz im Permeat durchbricht, wird dieses auf die frisch regenerierte Stufe B umgeschaltet Sobald Stufe A vollständig beladen ist, wird restliches Medium mit Puffer aus Stufe A m Stufe B gespult und anschließend die so vorbeladene Stufe B direkt mit Medium beaufschlagt, wahrend Stufe A eluiert wird, womit der Anfangszustand mit vertauschten Stufen wieder ereicht ist Bei Steuerung durch einen Prozeßrechner lassen sich auf diese Weise, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemaßen Vorrichtung mit Adsorptionsmembranen, sehr kurze Zykluszeiten und damit sehr hohe Anlagenproduktivitaten erreichen Unter kurzen Zykluszeiten werden hier solche von 15 min und weniger verstanden, wahrend mit herkömmlichen Chromatographiesaulen solche von mehreren Stunden gebräuchlich sind Eine derartige Anlage setzt den Einsatz einer Vielzahl von Absperr- und

Umschaltarmaturen voraus, wobei deren Bauart einen erheblichen Einfluß auf die

Effektivität des Gesamtprozesses hat. Besonders nachteilig kann sich das Vorhandensein von toten (also nicht durchspulten) Leitungsteilen auswirken Erfolgt beispielsweise die

Umschaltung von einer Flüssigkeit auf die andere, ist das zwar prinzipiell auch unter

Verwendung eines T- Stucks mit zwei getrennten Absperrorganen möglich, doch bleibt stets ein nicht durchspultes Leitungsteil übrig, aus dem heraus die nachfolgende

Flüssigkeit durch die vorhergehende kontaminiert wird Die MarcValve Corporation (Tewksbury, Massachusetts) hat ein System von Membranventilen auf den Markt gebracht, die in einer einzelnen Baueinheit eine Vielzahl von Funktionen vereinigen (bis zu 6 Zugange mit einem Abgang, by pass - Ventile und Ventile zur Stromungsumkehr) und die ein vernachlassigbares Totvolumen aufweisen Diese oder gleichwertige

Armaturen werden erfindungsgemaß besonders bevorzugt eingesetzt

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 14c und der Ausführungsbeispiele näher erläutert Dabei zeigt

Fig 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemaße Vorrichtung in der Ausführungsform I,

Fig 2 schematisch einen Vertikalschnitt durch ein Verbindungsstuck für die

Serienschaltung von zwei Adsorbermodulen in einer erfindungsgemaßen

Vorrichtung nach der Ausführungsform I, Fig 3 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemaße Vorrichtung in der Ausführungsform I mit zwei in einem gemeinsamen

Mantelrohr parallelgeschalteten Adsorbermodulen mit gleichen

Windungszahlen, Fig 4a bis c schematisch einen Vertikalschnitt durch erfindungsgemaße

Adsorbermodule mit verschiedenen Windungszahlen, Fig 5 Durchbruchskurven Hämoglobin,

Fig 6 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemaße

Vorrichtung mit zwei in einem gemeinsamen Mantelrohr parallelgeschalteten Adsorbermodulen mit gleichen Windungszahlen und einem in Serie geschalteten Adsorbermodul halber Windungszahl in der Ausführungsform I, ig 7 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemaße

Vorrichtung in der Ausführungsform II, ig 8 schematisch den äußeren Aufbau bei der dreistufigen Seπenschaltung von erfindungsgemaßen Vorrichtungen nach Ausführungsform II, ig 9a bis b maßstabsgetreu einen Vertikalschnitt und einen Grundriß einer

Adsorberstufe bestehend aus vier in vier Einzelrohren parallelgeschalteten erfindungsgemaßen Vorrichtungen nach Ausführungsform I (Maße in mm), ig 10a bis b maßstabsgetreu einen Vertikalschnitt und Grundriß einer dreistufigen

Adsorberanlage, bestehend 12 Modulen in vier Einzelrohren in der ersten Stufe, 6 Modulen in 2 Einzelrohren in der zweiten Stufe und 3 Modulen in einem Einzelrohr in der dritten Stufe nach Ausführungsform I (Maße in mm), ig 1 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine eine erfindungsgemaße

Vorrichtung in der Ausführungsform IV, ig 12 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemaße

Vorrichtung in der Ausführungsform III, ig 13a bis c die schematischen Darstellungen eines Fließschemas einer erfindungsgemaßen Tandemanlage und ig 14a bis c graphisch die Beziehungen zwischen dem Dimensionslosen

Widerstandsparameter A und den lokalen statischen Drucken in den Ringspalten sowie der Adsorptionskapazitat der erfindungsgemaßen Vorrichtung

Die Bedeutung der Bezugszeichen ist der Liste der Bezugszeichen zu entnehmen

Bei der in Fig 1 dargestellten Ausführungsform I der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist ein Bodenelement 7 durch Verschrauben über Montagegewinde 24 mit einem

Tragegerust verbunden und ein Kern 15, der als Basiskern füngiert, mit seiner unteren

Ausnehmung auf ein Zentrierungszylinder 26 des Bodenelements gesteckt Ein Adsorbermodul 45 ist von oben so auf den Kern 15 gesteckt, daß ein Steg 27 einer oberen Endkappe 5 in der Ausnehmung an Kern 15 auf Anschlag kommt Die mit den Bezugszeichen 28 - 31 bezeichneten Elemente stellen Verbindungsflansche dar Ihre Konstruktion ist in Fig 1 nicht im Detail ausgeführt Vorzugsweise handelt es sich dabei um Verbindungen, die unter der Bezeichnung „Aseptic- Verbindungen" bekannt sind und durch eine speziell geformte O-Ring-Nut ein Minimum an nicht durchstromtem Spalt aufweisen Sie können sowohl als echte Flansche ausgeführt sein, vorzugsweise sind jedoch „Aseptic-Clamp-Verbindungen" vorgesehen Derartige Verbindungen erlauben durch metallischen Kontakt eine geometrisch besonders präzise Verbindung der Bauteile, die insbesondere für die einwandfreie Wirksamkeit von Diff sionshemmdichtungen 21 erforderlich ist

Ein Mantelrohr 9 ist über den Verbindungsflansch 29 mit dem Verbindungsflansch 28 des

Bodenelementes 7 verbunden Drauf ist ein Deckelelement 8 ist mit montierter

Ausgleichseinheit 17 und gelockerter Anpreßschraube 18 aufgesetzt Nach Befestigen der Verbindungsflansche 30 und 31 wird die Anpreßschraube 18 eines

Ausgleichselements 17 angezogen Das Ausgleichselement 17 dient dazu, den für die

Wirkung der Diffüsionshemmdichtungen 21 erforderlichen axialen Dichtungsdruck auch bei unvermeidlichen Fertigungstoleranzen in der Lange des Kerns und des Mantelrohrs zu gewahrleisten Diese Dichtungen haben keiner Druckbeanspruchung standzuhalten, weil die Abdichtung des in einem inneren Ringspalt 10 gegenüber des in einem äußeren

Ringspalt 11 höheren hydrostatischen Drucks von einer unteren Abdichtung 19 des inneren Ringspalts, einer oberen Abdichtung 20 des inneren Ringspalts und einer

Kernabdichtung 22 bewirkt wird Die Diffüsionshemmdichtungen 21 haben vielmehr die

Aufgabe, das Eindiffündieren von Flüssigkeit in den Spalt zwischen oberer Endkappe 5, dem Kern 15 und dem Ausgleichselement 17 bzw zwischen einer unteren Endkappe 6, dem Kern 15 und dem Bodenelement 7 zu verhindern

Anstelle der Anpreßschraube 18 kann auch, wie im Zusammenhang mit Fig 2 im Detail beschrieben, Preßluft zum Aufbringen der axialen Dichtungskraft eingesetzt werden, wobei das Ausgleichselement 17 im Prinzip als Pneumatik-Zylinder ausgeführt ist Diese Variante wird insbesondere für größere Anlagen bevorzugt, bei denen eine Vielzahl von Einzelrohren betrieben werden, die dann gleichzeitig mit Preßluft beaufschlagt werden können Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn beim Betrieb der Vorrichtung unterschiedliche Temperaturen auftreten, beispielsweise bei Verwendung heißer Reinigungsmedien Das pneumatische Aufbringen der axialen Dichtungskraft bewirkt dann , daß die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Mantelrohrs und des Kerns ausgegelichen werden Eine weitere Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, zwischen der Anpreßschraube 18 und dem Ausgleichselement 17 ein federndes Element vorzusehen

Nach Aufbau der Vorrichtung werden an einem axialen Anschluß 12 für die Zuführ des Mediums und einem axialen Anschluß für die Abfuhr von Permeat 13 Rohrverbindungen und Armaturen angeschlossen Die Anschlüsse 12 und 13 sind vorzugsweise für eine gebrauchliche Art der Rohrverbindung vorbereitet, beispielsweise eine Clamp- Verbindung Zur Entlüftung der Vorrichtung wird zunächst über den Anschluß 13 ein Spulmedium, beispielsweise ein Puffer, zugeführt und die Entluftungseinrichtung 16 solange geöffnet, als Luft kommt Dann wird sie geschlossen und die Zuführ des Spulmediums solange fortgesetzt, bis auch der Anschluß 12 mit Flüssigkeit gefüllt ist Nun kann die Beladung des Adsorbers mit Medium von dem Anschluß 12 her erfolgen, wobei der Eintrag von Luft zu vermeiden ist Dazu wird zweckmaßigerweise eine Luftab Scheidung im Rohrsystem vorgesehen

Zu den sonstigen vorzugsweise beim Betrieb der Vorrichtung eingesetzten Armaturen zahlt ein nach dem Anschluß 13 angebrachtes Ruckstauventil Dieses bewirkt, daß sich das Medium in der Vorrichtung unter Betriebsbedingungen stets unter einem gewissen Überdruck befindet, der vorzugsweise bei 0,2 bis 0,7 bar liegt Dadurch wird der Abscheidung von Gasblasen in den Poren der Adsorptionsmembranen vorgebeugt Ohne Überdruck besteht die Gefahr, daß in Fallen, in denen das Medium eine Übersättigung an gelosten Gasen aufweist, sich diese in den Poren akkumulieren und schließlich sowohl die Durchflußleistung als auch die Adsorptionskapazitat der Vorrichtung beeinträchtigen Für eine ohne Ruckstauventil störende Übersättigung des Mediums an gelosten Gasen reicht es schon aus, wenn sich beispielsweise das bei Raumtemperatur mit Luft gesattigte Medium wahrend des Betriebes, besipielsweise durch Umpumpen, erwärmt Das Medium strömt von dem Anschluß 12 durch Verteilungskanale 14 über eine Verteilungsschrage 32 in den inneren Ringspalt 10 Die Verteilungsschrage bewirkt die weitgehend rotationssymmetrische Stromungsverteilung des Mediums und dadurch eine gleichmaßige Druckverteilung Nach radialer Durchstromung des Mediums durch eine Adsorptionsmembranen 1 strömt das Permeat durch den äußeren Ringspalt 11 über ebenfalls mit einer Verteilunsschrage versehenen Verteilungskanale 34 zum Anschluß 13 Eine Verteilungsrinne 33 hat die Aufgabe, den Flussigkeitsstrom aus dem äußeren Ringspalt 11 zu verteilen, wenn die Entluftungseinrichtung 16 zur Spulung des oberen Bereichs des äußeren Ringspalts 11 benutzt wird Eine O-Ring-Nut 35 hat im Normalfall keine Bedeutung Sie ermöglicht es jedoch, anstelle des Kerns 15 auch einen Verlangerungskern 36 einzusetzen (Fig 3)

Die erfindungsgemaßen hohlzylindrisch ausgebildeten Adsorbermodule 45 (Figuren 4 a bis 4c) bestehen aus Wickeln mit einer unterschiedlichen Anzahl von Windungen der Adsorptionsmembran 1, aus der unteren 6 und der oberen Endkappe 5, der Vergußmasse 4 zum Einbetten der Adsorptionsmembran in die Endkappen und in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem inneren 3 und einem äußeren Stutzelement 2, welche für Flüssigkeiten durchlassig sind

Die aus Kunststoff bestehenden Endkappen 5 und 6 sind an den offenen Enden des hohlzylindrisch ausgebildeten Adsorbermoduls befestigt und erstrecken sich quer dazu Sie betten die Stirnseiten des Adsorbermoduls fluiddicht in die Vergußmasse 4 aus Kunststoff ein.

In Fig 3 ist die Vorrichtung nach Ausführungsform I dargestellt, bei der sich zwei Einzeladsorbermodule strömungstechnisch parallel geschaltet in einem gemeinsamen Mantelrohr 9 befinden (In dieser Darstellung ist das Deckelelement 8 zur Vereinfachung ohne die Ausgleichseinheit dargestellt ) Anstelle des hier dargestellten einteiligen Mantelrohres 9 ist es auch möglich, das Mantelrohr aus mehreren Teilen zusammenzusetzen, was insbesondere bei mehr als 2 Adsorbermodulen in einem Rohr eine vereinfachte Handhabung darstellt Die beiden Adsorbermodule sind mit dem in Fig 1 dargestellten Adsorbermodulen identisch Als einziges unterschiedliches Bauteil kommt der Verlangerungskern 36 hinzu, der sich von dem Kern 15 als Basiskern nur im unteren Teil unterscheidet, nämlich durch das Vorhandensein von Durchführungskanalen 38 Sie ermöglichen den Durchtritt des Mediums aus dem inneren Ringkanal 10 des oberen Adsorbermoduls in den inneren Ringkanal 10 des unteren Adsorbermoduls. Der äußere Ringkanal 11 ist für beide Module gemeinsam vorhanden Dargestellt sind auch Distanzstege 39, die beim Einsatz mehrerer Module in einem Rohr zweckmäßig sind Sie können an die obere Endkappe 5 angeformt sein oder an einer Vergußmasse 4, was sich durch eine entsprechende Eingießform bewerkstelligen laßt Ihre Aufgabe ist die seitliche Abstutzung der Adsorbermodule am Mantelrohr, um ein Verkanten zu vermeiden

Das gesamte System von Ausführungsform I besteht beispielsweise aus fünf Langenabstuf ngen (3,1 , 6 25 , 12,5 , 25 und 50 cm) und 4 Abstufungen der Windungszahlen (8, 15, 30 und 60) der Adsorptionsmembranen 1 der wickelartig ausgebildeten Adsorbermodule 45, wie sie in Fig 4a-c beispielhaft dargestellt sind Die unterschiedlichen Wandstarken der Modulhohlzylinder bei 15 und 8 Windungen sind im letzteren Fall durch zusatzliche Lagen des Distanzelements ausgeglichen (nicht dargestellt) Das Bodenelement 7, das Deckelelement 8 und die Mantelrohre 9 sind für die dargestellten drei Windungszahlen gleich Insgesamt handelt es sich also um ein Baukastensystem, das in diesem Fall die Zusammenstellung von 20 verschiedenen Konfigurationen mit einem Minimum an unterschiedlichen Bauteilen erlaubt So können beispielweise die Module sowohl in der Vorrichtung nach Ausführungsform I als auch nach Ausführungsformen II,III und IV eingesetzt werden Da bei der Auslegung der Ringspalte Wert darauf gelegt wurde, daß sie ohne unzulässigen Druckabfall den Einsatz von etwa 3 Einheitsmodulen von 50 cm erlauben (bei Einsatz der Adsorbermodule mit 60 Windungen können prinzipiell auch 5 Module in einem Einzelrohr eingesetzt werden, bei 8 Windungen sind allerdings mit 3 Modulen bereits gewisse Einbußen zu erwarten), ergibt sich ein weiter Großenbereich von stromungstechnisch identischen Vorrichtungen, die zuverlässige Vorstudien beim Scale-up technischer Prozesse ermöglichen Die Verhältnisse für die beispielhaft genannte Kombination sind in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt

Tabelle 1

Das genannte System ist naturlich nicht auf die beispielhafte Kombination von fünf Langenabstufüngen und vier Abstufungen der Windungszahlen beschrankt

Bei der in Fig 7 dargestellten Ausführungsform II ist das Adsorbermodul 45 im Aufbau identisch mit dem von Ausführungsform I Der Kern 15 ist durch ein unten befindliches Innengewinde 47 über eine Kernverlangerung 48 mit einem Außengewinde 46 des Bodenelements 7 verbunden Die Kernverlangerung 48 kann unterschiedliche Langen aufweisen, sodaß Module unterschiedlicher Langen eingesetzt werden können Entsprechend unterschiedliche Langen weist das Mantelrohr 9 auf Die Dimensionen der Kernverlangerungen 48, des Bodenelements 7, des Kerns 15 und der Mantelrohre 9 sind so gewählt, daß Adsorbermodule in den Langenabstufüngen von beispielsweise 50, 25, 12 5 und 6.25 cm eingesetzt werden können, wobei für die kürzeste Einheit die Kernverlangerung 48 wegfallt und der Kern 15 direkt mit dem Bodenelement 7 verschraubt wird Der Kern 15 weist oben ein Außengewinde 43 auf, auf das ein Anschlußstuck 44 aufgeschraubt ist, das das Deckelelement 8 fixiert Zwischen Bodenelement 7 und Deckelelement 8 wird dadurch das Mantelrohr 9 eingeklemmt, wodurch der äußere Ringspalt mit Hilfe von Mantelrohrdichtungen 49 und 50 nach außen abgedichtet wird Ein Stift 52, der in der im Deckelelement 8 befindlichen Nut 53 eingreift, verhindern ein Verdrehen beim Festschrauben von Anschlußstuck 44 auf Gewinde 43 Der Steg 27 der oberen Endkappe 5 ist zwischen dem Deckelelement 8 und dem Kern 15 eingeklemmt, wodurch die Anpreßkraft für die Dif üsionshemmdichtung 21 aufgebracht wird

Das Permeat umströmt die untere Endkappe 6 und wird über die Verteilungsbohrungen 34 abgeführt Die Nut der unteren Mantelrohrdichtung 50 weist auf der Innenseite Durchbruche 51 auf, um eine Ansammlung spezifisch schwerer Flüssigkeiten in der Dichtungsnut zu vermeiden Die Diffüsionshemmdichtungen 52 verhindern ein Eindringen von Flüssigkeit in die Gewinde 46 und 47, wodurch Kontaminationen vermieden werden.

In Fig 2 ist ein Verbindungsstuck für die Serienschaltung von Adsorbermodulen in einer erfindungsgemaßen Vorrichtung nach der Ausführungsform I im Detail dargestellt Der Korper 40 ist in seinem oberen Teil als Boden- , im unteren Teil als Deckelelement ausgeführt und wird über den Verbindungsflansch 28 mit dem oberen und den Verbindungsflansch 31 mit dem unteren Mantelrohr verbunden Durch die Verteilungskanale 34, die in Form von Bohrungen vorliegen können, wird das Permeat der vorhergehenden (oberen) Stufe aus deren äußerem Ringspalt dem inneren Ringspalt der folgenden (unteren) Stufe zugeführt Eine Entluftungsoffnung der Entlüftungseinheit 16 ist hier seitlich angeordnet Der Anpreßdruck für die Ausgleichseinheit 17 wird pneumatisch über den Preßluftanschluß 42 aufgebracht Der mit Preßluft beaufschlagte Bereich zwischen dem Korper 40 und der Ausgleichseinheit 17 wird durch die Dichtelemente 23 und 41 abgedichtet

In Fig 6 ist die Einbausituation diese Verbindungsstuckes in einer zweistufigen Anlage nach Ausführungsform I dargestellt, wobei die erste Stufe aus zwei identischen Adsorbermodulen und die zweite aus einem Adsorbermodul halber Windungszahl besteht Diese Anordnung ist als technische Kleinanlage anzusehen Wie für den Fachmann ersichtlich, können nach dem gleichen Prinzip auch drei- und mehrstufige Anlagen zusammengestellt werden, wobei aus praktischen Gründen allerdings die Bauhohe limitierend ist

Fig 9a ist eine maßstabsgetreue Darstellung eines Vertikalschnitts durch eine Einzelstufe, bestehend aus 4 Vorrichtungen nach Ausführungsform I, von denen die Mantelrohre 9, die Bodelemente 7 und die Deckelelemente 8 der beiden hintenliegenden Vorrichtungen sichtbar sind und die gemeinsam auf einem Tragegerust 54 montiert sind Die Einzelvorrichtung sind über den Rohrverteiler 126 zustromseitig und und über den Rohrverteiler 127 abstromseitig parallelgeschaltet und so als Einzelstufe einer Tandemanlage oder einer mehrstufigen Anlage einsetzbar Bei geringeren Anforderungen an die Kapazitätsausnutzung kann diese Anordnung, die die Grundeinheit des erfindungsgemaßen scale up - Systems darstellt, naturlich auch als selbständige Anlage betrieben werden Die Ventile 55, 56, 57 und 58 sind pneumatisch betriebene Membranventile und dienen der Steuerung von Füllung und Entlüftung Das Zuflußrohr 133 und die Entlüftungs- und Spulleitung 129 sind am Tragegerust 54 durch die Rohrdurchführungen 59 fixiert Die Deckelelemente 8 entsprechen der Bauform mit pneumatischer Anpressung der Ausgleichseinheit, wie sie in Fig 6 im Detail dargestellt ist Der Rohrverteiler 126, die Preßluftversorgung 134 und die Entluftungsleitungen 130 sind zu einem Versorgungsteil 131 vereinigt, von dem der Entlüftungs- und Spulanschluß 132 zum Ventil 56 führt Das Versorgungsteil 131 ist auf der Mittelsaule 128 in der Weise befestigt, daß es unter Montagebedingungen (beispielweise bei Modulwechsel) in einer zur Achse der Mittelsaule gedrehten Position fixiert werden kann Das gleiche gilt für den abstromseitigen Rohrverteile 127 Das Ventil 58 dient dem Leerlaufen der Stufe bei Stillegung

Fig 10 stellt beispielhaft dar, auf welch einfache und übersichtliche Weise, ausgehend von der Anordnung nach Fig 9, das weitere scale up erfindungsgemaß vonstatten geht Gezeigt wird maßstabsgetreu eine dreistufige Anlage mit 12 Modulen in der ersten Stufe, sechs in der zweiten und drei in der dritten Stufe, was bei entsprechender Modulbestuckung beispielsweise 96, 24 und 6 m², also insgesamt 126 m² Membranflache entspricht Die beanspruchte Grundflache ist weniger als 1 m² bei einer vertretbaren Bauhohe von knapp 2,30 m Wie für den Fachmann ersichtlich, ist die Parallelschaltung nicht auf vier Einzelrohre begrenzt und bei Großanlagen können innerhalb der Stufen auch mehrere Vierergruppen parallelgeschaltet werden, sofern die erforderliche Symmetrie in der Leitungsführung beibehalten wird Diese Symmetrie und die die dadurch bedingte symmetrische Druckverteilung ist allerdings Voraussetzung für optimale Ergebnisse Ein Aspekt des erfindungsgemaß bevorzugten Baukastensystems ist auch, daß es dem Betreiber ermöglicht, industrielle Anlagen nach vorliegenden Basisuntersuchungen zu konzipieren bzw bei gestiegenen Anforderungen mit serienmäßig verfügbaren Bauteilem selbständig aufzurüsten

Fig 8 zeigt einen Versuchsaufbau mit drei in Serie geschalteten Vorrichtungen nach Ausführungsform II in einem geeigneten Haltegestell mit zwischengeschalteten Manometern Bei Einsatz von Plexiglas-Mantelrohren erlaubt diese Anordnung die Vorgange beim mehrstufigen Betrieb auch visuell zu beobachten

In Fig 12 ist eine Variante der Ausführungsform III für den Crossflow- Betrieb dargestellt, bei der gegenüber Ausführungsform II nur das Bodenelement 7 verändert ist In dem veränderten Bodenelement 7 befinden sich radiale Verbindungskanale 60 vom inneren Ringspalt 10 zu einer axialen Bohrung 61, die durch einen Dichtkegel 62 verschließbar oder teilweise zu öffnen ist. Der Dichtkegel 62 befindet sich auf einem Schließelement 63, das mit einem Gewinde 64 im Bodenelement 7 andgeordnet ist Das Schließelement 63 weist eine Ausnehmung 65 auf, die zwischen dem Schließ element 63 und dem Bodenelement 7 einen Freiraum laßt, in den Verteilungsbohrungen 34 vom äußeren Ringspalt 11 munden Im Bereich der Ausnehmung 65 weist das Schließelement 63 auch Bohrungen 66 auf, durch die die Flüssigkeit in das Innere des Schließelements 63 gelangt und über den als Schlauchtulle ausgebildeten axialen Abflußanschluß 13 abfließen kann Der Bereich der Ausnehmung 65 wird nach außen durch ein Dichtelement 67 abgedichtet Durch mehr oder weniger starkes Herausdrehen des Schließelements 63 wird der Dichtkegel 62 mehr oder weniger stark geöffnet, sodaß das Mengenverhältnis der aus dem inneren Ringspalt 10 und dem äußeren Ringspalt 11 stromenden Flüssigkeit verändert werden kann Bei dieser Variante werden überströmendes Medium und Permeat nicht getrennt abgeführt, sondern innerhalb der Vorrichtung ruckvermischt, wodurch diese nur einen einzigen Abfluß benotigt Es wird also eine zielsubstanzhaltige Partikelsuspension zugeführt und eine an Zielsubstanz abgereicherte Partikelsuspension abgeführt Zur vollständigen Adsorption der Zielsubstanz kann sie im Kreislauf betrieben werden

Fig 11 zeigt eine erfindungsgemaße Vorrichtung nach Ausführungsform IV in Edelstahlausführung Sie orientiert sich im Aufbau an Gehäusen, wie sie zum Betrieb herkömmlicher plissierter Filterkerzen gebrauchlich sind, mit der Ausnahme, daß die Stromungsrichtung von innen nach außen erfolgt und sie daher zwei Entluftungsvorrichtungen 16 aufweist Der Kern, gebildet vom Rohr 121 und von Abschlußteil 124, ist mit der Bodenplatte verschweißt und enthalt im Inneren das Steigrohr 122 Bodenplatte 7, Rohr 121, Steigrohr 122 und Abschlußteil 124 begrenzen einen dicht verschweißten Hohlraum 123 Das Abschlußteil 124 und die Ausgleichseinheit 17 sind so geformt, daß sie einen Bogen bilden, der eine sanfte Umlenkung des Flussigkeitsstromes bewirkt Das Abschlußteil 124 enthalt die Verteilungskanale 14, die in einem steilen Winkel in den inneren Ringspalt 10 einmunden Dadurch werden negative Auswirkungen, die ein in Richtung der Adsorptionsmembrane 1 gerichteter Staudruck haben konnte, minimiert Das Fließschema einer Tandemanlage ist in Fig 13 a-c dargestellt Es handelt sich dabei um eine Ausführungsform für die Zweistufenelution, bei der nach derBeladung zuerst mit Eluent 1 ein gebundener Kontaminant eluiert wird und dann mit Eluent 2 das Produkt, oder umgekehrt. Die Stufen A und B sind identische Adsorbereinheiten, die entweder aus einem Einzelmodul oder aus parallel und/oder in Serie geschalteten Einzelmodulen bestehen, pAl, pA2, pBl, pB2, pM, pR sind Druckmeßorgane, UNA, UVB sind Monitore zur Bestimmung der UN-Extinktion, LA, LB Leitfahigkeitsmonitore, LDM und LDE Luftdetektoren (Trockenlaufschutz für die Pumpen), PM, PE Pumpen, FA, FB und FR Norfiltereinheiten, die Ziffern 68 bis 109 bezeichnen die einzelnen auf-zu Funktionen der Ventile, wobei Ventilfünktionen mit identischen Aufgaben in den beiden Stufen gleiche Nummern haben und durch den Zusatzbuchstaben A bzw B unterschieden werden Bei den Ventilen mit den Ventilfünktionen 96 bis 98 und 100 bis 102 handelt es sich um by pass - Ventile, die Ventilfünktionen 4A und 4B dienen als Ruckstauventile, die Ventilfünktionen 5A, 5B, 89 und 99 dienen zur Entleerung der Rohrleitungen, die Ventilfünktionen 1A, 1B, 3A und 3B der Entlüftung, 6A und 6B zur Öffnung eines by pass von der Entlüfüngseinheit der Module, das Ventil mit den Funktionen 103 bis 117 dient der Richtungsumkehr.

Fig 13 a stellt den Betriebszustand der Anlage dar, in dem Stufe A mit Medium beaufschlagt wird, wahrend aus Stufe B das Produkt eluiert wird Fig 13 b stellt die Beaufschlagung der Stufen A und B mit Medium in Serienschaltung dar

Die vorgenannten Schritte sind essentiell für das Tandemprinzip

Fig 13 c gibt dagegen eine der Optionen wieder, die sich aus der speziellen Ventilbestuckung der Ausführungsform ergeben Wahrend Stufe A mit Medium beaufschlagt wird, erfolgt bei Stufe B die Regeneration im geschlossenen Kreislauf und mit Ruckspulung Dabei ist das Regenerantfilter, dessen by pass bei samtlichen anderen Flüssigkeiten geschlossen ist, in den Kreislauf geschaltet, sodaß partikulare Verunreinigungen, die sich vom Adsorber ablosen können, nicht wieder ablagern Die Kreislaufschaltung ist auch bei den anderen, von der Pumpe PE geforderten Flüssigkeiten einsetzbar, und zwar in beiden Richtungen Beispielsweise ist es auch möglich, den Eluenten 2, der bei dem angenommenen Anwendungsfall die Elution des Produktes bewirkt, im Kreislauf möglich In diesem Fall wird anschließend das im Rohrsystem des Kreisaufs befindliche Produkt mit Puffer über die Produktabführ 69 aus dem System gespult

F r einfachere Anwendungsfalle kann beispielsweise auf die Ruckspulung verzichtet werden, wodurch sich das Richtungsumkehrventil (Ventilfünktionen 101 bis 107 ) erübrigt In Fallen, in denen das Permeat als Produkt zu betrachten ist, wenn nämlich aus dem Medium Kontaminanten entfernt werden sollen, kann auf die mit Produktabführ bezeichneten Leitungen und die entsprechenden Armaturen verzichtet werden Diejenigen Ventilfunktionen (z B 14 A,B und 15 A,B), bei denen sich auf beiden Seiten stets dieselbe Flüssigkeit befindet (Produkt bzw Permeat) dienen in erster Linie der effektiven Spulung, weil sie die getrennte Spulung der Stufen ermöglichen, ohne daß eine Kontamination der durchströmten Leitungen aus den nicht durchsp lten möglich ist

In Fig 14 a ist der lokale statische Druck 118 im Zuflußringspalt, der lokale statische Druck 119 im Abflußringspalt (bei freiem Abfluß) und die lokale Druckdifferenz 120 bei dem Dimensionslosen Widerstandsparameter A 1 dargestellt, wobei s die Lange der Strecke vom Eintritt in den Ringspakt symboliert

Aus der Fig 14 b geht die mittlere Druckdifferenz in Abhängigkeit von A und in Fig 14 c die verlustfreie Kapazitätsausnutzung in Abhängigkeit von A hervor

Erfindungsgemäß werden Vorrichtungen bevorzugt, deren Ringspaltdimensionen nach obiger Berechnung Werte von unter 0,2 ergeben, vorzugsweise unter 0,1 Zur Erreichung minimaler Totvolumina wird als untere Grenze für A ein Wert von 0,02 bevorzugt

Beispiel 1

Konzentrierung von Hämoglobin mit einem stark sauren Membranionenaustauscher 4 Volumina frisches Rinderblut wurden mit 1 Volumen einer wäßrigen Losung von 3,8% trz-Natrium-Zitrat und 0,9 % Natrium-Chlorid vermischt, 10 Minuten bei 3000 g zentrifügiert, der Überstand dekantiert, das Sediment (Erythrozyten) mit dem 10-fachen Volumen entionisiertem Wasser hamolysiert, über eine 0,2 μm Mikrofiltrationsmembran cross-flow filtriert und der Hamoglobin-Gehalt des Permeats mit dem Reagenz nach Drabkin gegen einen Standard, beide Fa Sigma Deisenhofen, bestimmt Das Permeat mit Kalium-Phosphat und entionsiertem Wasser auf einen pH von 6,0 +/- 0,05, eine Ionenstarke von 5 mM und einen Hamoglobingehalt von 3 mg/ml gebracht und über eine erfindungsgemaße Vorrichtung der Ausführungsform I mit einer stark sauren Adsorptionsmembran (EP 0 538 315 Bl, US-PS 5,547,575) von 8 m² - Flache bei 60 Windungen gepumpt, bis die Extinktion im Permeat 10 % der Extinktion der Ausgangslosung erreichte Das erfolgte nach einem Volumen von 33 1 Nach Spulen bis Erreichung der Basislinie wurde mit einer 0, 1 molaren Losung von Kaliumchlorid in Puffer eluiert, das Eluat in Fraktionen von 0,2 Litern aufgefangen und der Hamoglobingehalt bestimmt Die erhaltenen Werte sind in der nachstehenden Tabelle 2 dargestellt

Tabelle 2

Die Ausbeute an Hämoglobin betrug über alle Fraktionen 81,4 % und 76,1 % über die Fraktionen 3-8 Die Aufkonzentrierung war über diese Fraktionen 20 fach, in den Spitzenfraktionen (5 und 6) 28 fach Beispiel 2

Abtrennung von Endotoxin aus einer pyrogenhaltigen Losung mit einer stark basischen

Adsorptionsmembran Als Pyrogentest wurde Limulus-Amoebozyte-Lysat der Fa Bio-Whittaker, Ch 422760 benutzt Empfindlichkeit 6 pg/ml

Es wurde eine erfindungsgemaße Vorrichtung nach Ausführungsform II, bestuckt mit einer stark basischen Adsorptionsmembran (EP 0 538 315 Bl, US-PS 5,547,575) eingesetzt Die Anzahl der Windungen der Adsorptionsmembran im wickelartig ausgebildeten Adsorbermodul betrug 30, die Membranflache 1 m²

Die Vorrichtung wurde zur Entpyrogemsierung mit 2 Liter 1 M Natriumhydroxid beaufschlagt und nach 60 min mit 5 1 Puffer gespult Der Pyrogentest ergab die Abwesenheit von Pyrogenen 20 1 einer Losung von 0,5 g/1 γ-Globulin-Fraktion vom Rind (Sigma Deisenhofen Best Nr G 7516, Lot No 24H9306) und lOOng/ml lOOng/ml in 0,05 Mol/1 Kalium-Phosphat- Puffer pH 6,0 wurden innerhalb eines Zeitraums von 10 Minuten über die Vorrichtung gepumpt und im Permeat die Proteinkonzentration bestimmt und auf Endotoxin geprüft Ergebnis Proteinkonzentration 0,48 mg/ml, Pyrogentest negativ (entsprechend einem LRV (logarithmic reduction value) von >3,5)

Beispiel 3

DNA-Abreicherung Zur Bestimmung für die Gesamt-DNA wurde der „Threshhold™,, -Analyzer, der Fa Molecular Devices, Menlo Park Da U S A , verwendet, der auf enzymatischer Basis arbeitet

Ausgangslosung war der Prozeßstrom einer mehrstufigen Aufarbeitung von monoklonalen Antikörpern aus einer Zellkultur von Saugetierzellen, die über eine Protein-A Säule der Fa Pharmacia vorgereinigt worden waren Der diese Säule verlassende Prozeßstrom von 550 bis 650 Litern enthielt zwischen 640 und 766 g Antikörper und zwischen 67 und 370 Picogramm DNA pro mg Antikörper

Der Prozeßstrom wurde über eine erfindungsgemaße Einheit nach Ausführungsform I mit 15 Lagen (2 m²) eines stark basischen Membranionenaustauschers mit bei einer Flußrate von rund 5 1/mιn geführt Nach Verlassen der Einheit lag der DNA-Gehalt unterhalb von 5 Picogramm pro mg Antikörper

Beispiel 4 Verbesserung der Durchbruchskurven durch Seπenschaltung der Adsorbermodule

Die Bestimmung der Hamoglobin(Hb)-Konzentration erfolgte durch Aufnahme der UV- Absorption bei 280 nm mit einem Durchflußphotometer Model 662 mit Sensor AF44, beides Produkte der Fa Wedgewood Technology, Ine San Carlos CA, US Das erhaltene Meßsignal wurde auf einem handelsüblichen Flachbettschreiber dargestellt Die Hb- Konzentration wurde an Hand von Eichstandards ermittelt

Die Versuche wurden mit einer Losung von 2 g/1 Hb in 0,005 Mol/1 Kalium-Phosphat- Puffer von pH 6,2 durchgeführt Das eingesetzte Hämoglobin wurde wie in Beipiel 1 beschrieben aus frischem Rinderblut gewonnen Versuch A Die Hb-Losung wurde mit einer Flußrate von rujnd 2 1/min mittels einer Verdrängerpumpe über eine erfindungsgemaße Vorrichtung nach Ausführungsform I, bestuckt mit einem 30 lagigen Modul mit 4 m² eines stark sauren Membranionenaustauschers, geführt Die UV-Absorption des austretenden Stromes wurde kontinuierlich erfaßt und aufgezeichnet Die dynamische Bindekapazitat bei 50% Durchbruch wurde zu 0,7 mg Hb pro cm² Membranflache bestimmt Versuch B

Die Hb-Losung wurde mit einer Flußrate von rund 2 1/min mittels einer Verdrängerpumpe über zwei gemäß Fig 3 parallel geschaltete erfindungsgemaße Einheiten nach Ausführungsform I mit 60 Lagen, entsprechend 16 m², eines stark sauren Membranionenaustauschers geführt Die UV-Absorption des austretenden Stromes wurde kontinuierlich erfaßt und aufgezeichnet

Die dynamische Bindekapazitat bei 50% Durchbruch wurde zu 0,58 mg Hb pro cm² Membranflache bestimmt Versuch C

Die Hb-Losung wurde mit einer Flußrate von rund 2 1/min mittels einer Verdrängerpumpe über eine zweistufige Einheit gemäß Fig 6 der Ausführungsform I, deren erste Stufe wie in Versuch B mit 16 m² und deren zweite Stufe wie in Versuch A mit 4 m² eines stark sauren Membranionenaustauschers bestückt war, geführt. Die UV- Absorption des austretenden Stromes wurde kontinuierlich erfaßt und aufgezeichnet. Die dynamische Bindekapazität bei 50% Durchbruch wurde zu 0,64 mg Hb pro cm² Membranfläche bestimmt. Die 3 Versuche A, B, C sind in Fig. 5 dargestellt.

Es zeigt sich, daß durch die Serienschaltung (Versuch C) eine drastische Erhöhung der Bindekapazität, das heißt, bis zu 10 % Durchbruch der Hb-Lösung und ein verbesserter Verlauf der Durchbruchskurve erzielt wird.

Liste der Bezugszeichen:

1 Adsorptionsmembran,

2 äußeres Stutzelement,

3 inneres Stutzelement, 4 Vergußmasse,

5 obere Endkappe,

6 untere Endkappe,

7 Bodenelement,

8 Deckelelement, 9 Mantelrohr,

10 innerer Ringspalt,

11 äußerer Ringspalt,

12 axialer Anschluß für die Zuführ von zu filtrierendem Mediums,

13 axialer Anschluß für die Abf hr von Permeat, 14 Verteilungskanale zum inneren Ringspalt,

15 Kern,

16 Entluftungseinrichtung,

17 Ausgleichseinheit,

18 Anpreßschraube für die Ausgleichseinheit, 19 untere Abdichtung des inneren Ringspalts,

20 obere Abdichtung des inneren Ringspalts,

21 Diffüsionshemmdichtung,

22 Kernabdichtung,

23 Abdichtung der Ausgleichseinheit, 24 Montagegewinde für das Bodenelement,

25 Zentrierungszylinder des Kerns,

26 Zentrierungszylinder des Bodenelements,

27 Steg der oberen Endkappe,

28 Verbindungsflansch des Bodenelementes, 29 unterer Verbindungsflansch des Mantelrohres,

30 oberer Verbindungsflansch des Mantelrohres,

31 Verbindungsflansch des Deckelelementes,

32 Verteilungsschrage, Verteilungsrinne,

Verteilungskanäle vom äußeren Ringspalt,

O-Ring-Nut,

Verlängerungskern,

Durchführungskanäle,

Distanzstege,

Körper des Verbindungsstücks, im oberen Teil als Boden- und im unteren

Teil als Deckelelement ausgeführt

Dichtelement

Preßluftanschluß oberes Außengewinde des Kerns,

Anschlußstück,

Adsorbermodul,

Außengewinde des Bodenelements

Innengewinde des Kerns,

Kernverlängerung,

Mantelrohrdichtung,

Durchbrüche,

Diffüsionshemmdichtungen,

Nut,

Traggerüst -58 Ventile

Rohrdurchführung radiale Verbindungskanäle, axiale Bohrung,

Dichtkegel,

Schließ element,

Gewinde,

Ausnehmung,

Bohrungen zur Verbindung mit dem Inneren des Schließ elements 63,

Dichtelement, -109 auf-zu Funktionen der Ventile, 69 Produktabführ,

96-98, 100-102 by pass - Ventile,

89 und 99 Ventilfünktion zur Entleerung,

103-117 Ventilfünktion zur Richtungsumkehr, pAl, pA2, pBl, pB2, pM, pR Druckmeßorgane,

UVA, UVB Monitore zur Bestimmung der UV-Extinktion,

LA, LB Leitfähigkeitsmonitore,

LDM und LDE Luftdetektoren (Trockenlaufschutz für die

Pumpen), PM, PE Pumpen,

DM, DR Volumsmeßeinheiten

FA, FB und FR Vorfiltereinheiten,

4A und 4B Rückstauventile,

5 A und 5B Ventilfünktionen zur Entleerung der Rohrleitungen, 1A, IB, 3A und 3B Ventilfünktionen zur Entlüftung,

6A und 6B Ventilfünktion zur Öffnung eines by pass,

14 A,B und 15 A,B Spülung,

118 lokaler statischer Druck im Zuflußringspalt,

119 lokaler statischer Druck im Abflußringspalt, 120 lokale statische Druckdifferenz,

121 Rohr,

122 Steigrohr,

123 Hohlraum,

124 Abschlußteil, 126 Rohrverteiler zustromseitig,

127 Rohrverteiler abströmseitig,

128 Mittelsäule,

129 Spülleitung,

130 Entlüftungsleitung, 131 Versorgungsteil,

132 Entlüftungs- nd Spülanschluß,

133 Zuflußrohr,

134 Preßluftversorgung .

Claims

Patentansprüche

1 Vorrichtung zur Durchführung von adsorptiven Stofftrennungen mittels Permeation von Flüssigkeiten durch poröse Adsorptionsmembranen (1), wobei die Vorrichtung besteht aus einem Mantelrohr (9), das mit einem Boden- (7) und einem Deckelelement (8) zu einem zylindrischen Gehäuse mit Anschlüssen für Flussigkeitsein- (12) und -auslasse (13) verbunden ist, welches mindestens ein wickelartig ausgebildetes Adsorbermodul (45) mit einem darin konzentrisch angeordenten zylindrischen Kern (15) aufnimmt und wobei das mindestens eine Adsorbermodul (45) zwischen dem Boden- (7) und dem Deckelelement (8) unter Ausbildung mindestens eines Flussigkeitseinlaß- und mindestens eines Flussigkeitsauslaßraumes derart eingschlossen ist, daß die Flüssigkeiten bei der Permeation vom Flussigkeitseinlaß (12) zum Flussigkeitsauslaß (13) bestimmungsgemäß die porösen Adsorptionsmembranen (1) des Adsorbermoduls (45) passieren, dadurch gekennzeichnet, daß das wickelartig ausgebildete Adsorbermodul (45) einen Hohlzylinder aus mehr als einer Windung der Adsorptionsmembranen (1) darstellt und zwischen seiner Innenflache und dem zylindrischen Kern (15) und zwischen seiner Außenflache und dem Mantelrohr (9) ein innerer (10) und ein äußerer Ringspalt (11) ausgebildet ist und der Anschluß für die Zuführ des Mediums (12) durch radiale Kanäle (14) im Kern (15) mit dem inneren Ringspalt (10) und der Anschluß für die Abführ des Permeats (13) durch radiale Kanäle (34) im Bodenelement (7) mit dem äußeren Ringspalt (11) verbunden sind

2 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Anschluß für die Zuführ des Mediums (12) und der Anschluß für die Abführ des Permeats (13) an entgegengesetzten Enden bezuglich der Ringspalten (10, 11) befinden

3 Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse für die Zuführ des Mediums (12) und die Abführ des Permeats (13) in der Zylinderachse der Vorrichtung angeordneten sind

4 Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Hohe und Lange der Ringspalte (10, 11) durch den Dimensionslosen Widerstandsparameter A festgelegt ist

5 Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dimensionslose Widerstandsparameter A unter 0,2, vorzugsweise unter 0, 1 liegt

6 Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und der äußere Ringspalt (10, 11) das gleiche Volumen besitzen

7 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspalten (10, 11) durch Abstandshalter (2, 3) offen gehalten sind, die gleichzeitig Stutzfünktionen für das Adsorbermodul (45) haben

8 Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (2, 3) durch Nuten auf der Oberflache des zylindrischen Kerns (15) und auf der inneren Umfangsfläche des Mantelrohres (9) gebildet sind

9 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den offenen Enden des Hohlzylinders des Adsorbermoduls (45) Endkappen (5, 6) aus Kunststoff befestigt sind, die sich quer dazu erstrecken und die Stirnseiten des Adsorbermoduls (45) fluiddicht in ein Material aus Kunststoff einbetten, wobei wenigstens eine der Endkappen (5, 6) ringförmig ausgebildet ist

10 Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbermodul (45) auf der Außenflache von einem für Fluide durchlassigen Stutzelement (2) umgeben ist, welches das Adsorbermodul (45) gegen Zerstörung durch Druckbeanspruchungen schützt

11 Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbermodul (45) auf der Innenflache ein für Fluide durchlassiges Stutzelement (3) besitzt, welches das Adsorbermodul (45) gegen Zerstörung durch Druckbeanspruchungen sch tzt

12 Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stutzelemente (2, 3) als gelochtes Rohr oder als Gewebeschlauch ausgebildet sind

13 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Adsorbens des wickelartig ausgebildeten Adsorbermoduls (45) aus mindestens einer mikroporösen Adsorbermembran (1) besteht

14 Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurchgekennzeichnet, daß der Hohlzylinder des wickelartig ausgebildeten Adsorbermoduls (45) aus Adsorptionsmembranen (1) mit unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften aufgebaut ist

15 Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Adsorptionsmembranen (1) mit unterschiedlichen Adsorptionseigenschaften hintereinander zu dem Hohlzylinder aufgewickelt sind

16 Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Adsorptionsmembranen (1) mit unterschiedlichen

Adsorptionseigenschaften gleichzeitig zu dem Hohlzylinder aufgewickelt sind

17 Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 13 bis 16, dadurchgekennzeichnet, daß der Hohlzylinder des wickelartig ausgebildeten Adsorbermoduls (45) aus Adsorptionsmembranen (1) mit unterschiedlichen Porositäten aufgebaut ist, wobei die grobporigste Adsorptionsmembran auf der Anstromseite angeordnet ist

18 Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsmembranen (1) in Form von Kationen-, Anionen-, Liganden-, Affinitats- oder aktivierten Membranen oder in Kombination davon vorliegen

19 Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Anstromseite des Adsorbermoduls (45) ein zylindrisches, auswechselbares Sicherheitsfilter eingesetzt ist

20 Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitsfilter aus einer schlauchformigen Adsorptionsmembran (1) besteht

21 Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurchgekennzeichnet, daß das Adsorbermodul (45) austauschbar ist, wozu die Verbindungen zwischen den Gehauseteilen und gegenüber dem zylindrischen Kern (15) losbar sind

22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung zwischen dem Boden- (7) und dem Deckelelement (8) und die Aufnahme axialer Dichtungskrafte durch den Kern (15) erfolgt

23 Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung zwischen dem Boden- (7) und dem Deckelelement (8) und die Aufnahme axialer Dichtungskrafte durch das Mantelrohr (9) erfolgt

24 Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Trennkapazitat das wickelartig ausgebildete Adsorbermodul (45) mit einer abgestuften Anzahl an Windungen und einem Kern (15) mit daran angepaßtem Kerndurchmesser ausgestattet ist

25 Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Trennkapazitat der Hohlzylinder des wickelartig ausgebildeten Adsorbermoduls (45) in abgestuften Langen ausgeführt ist und die Lange des Mantelrohres (9) und des zylindrischen Kerns (15) der Lange des Adsorbermoduls (45) angepaßt sind

26 Vorrichtung nach den Ansprüchen 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Trennkapazitat die abgestufte Anzahl an Windungen und die abgestuften Langen des Hohlzylinder miteinander kombiniert sind

27 Vorrichtung nach den Ansprüchen 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Kern (15) durch Verwendung von Kernverlangerungen (48) verlangerbar ist

28 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mantelrohr (9) eine Vielzahl von Adsorbermodulen (45) mit einer entsprechenden Anzahl von zylindrischen Kernen (15) stromungstechnisch in Parallelschaltung angeordnet sind, wobei die Kerne (15) der anströmseitig voranliegenden Adsorbermodule (45) in ihrem unteren Teil Durchführungskanäle (38) aufweisen, durch die Flüssigkeiten aus dem inneren Ringspalt (10) des voranliegenden Adsorbermoduls (45) in den inneren Ringspalt (10) des anströmseitig nachrangigen Adsorbermoduls (45) gelangen.

29. Vorrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenelement (7) zusätzlich radiale Kanäle (34) enthält, die für den inneren Ringspalt (10) am entgegengesetzten Ende in Bezug auf die Fluidzuführ (12) eine Retentatabführ (13) darstellen.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Retentatabführ (13) durch ein am Bodenelement (7) angeordnetes Schließ element (63) regulierbar ist.

31. Vorrichtung nach den Ansprüchen 29 und 30, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Permeatabführ- (60, 61, 13) und der Retentatabführleitung (34, 13) eine Rückvermischungvorrichtung (62 - 67) befindet und wobei das Mengenverhältnis von permeierender zu überströmender Flüssigkeitsmenge über eine nadelventilartige Einheit (62, 63) regulierbar ist.

32. Verwendung von Vorrichtungen gemäß der vorstehenden Ansprüche zur adsorptiven Stofftrennung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen strömungstechnisch in Parallelschaltung zu einer Filterstufe zusammengefaßt werden.

33. Verwendung von Vorrichtungen gemäß der Ansprüche 1 bis 29 zur adsorptiven

Stofftrennung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen stromungstechnisch in Serienschaltung zu einer Filterstufe zusammengefaßt werden

34 Verwendung von Vorrichtungen gemäß der vorstehenden Ansprüche zur adsorptiven Stofftrennung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen in einer Stofftrennanlage betrieben werden, die aus einer Kombination von Filterstufen besteht, die durch Parallel- und Serienschaltung von Vorrichtungen gebildet sind, wobei die Permeatstrome der parallel geschalteten Vorrichtungen vor ihrem Eintritt in die Filterstufe der in Serie geschalteten Vorrichtungen vereinigt werden

35 Verwendung von Vorrichtungen gemäß der vorstehenden Ansprüche zur adsorptiven Stofftrennung, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Vorrichtung oder mehr als eine Filterstufe in einer Tandemanlage zur adsorptiven Stofftrennung betrieben werden und folgende wiederkehrende Zyklen durchgeführt werden, die aus den Schritten bestehen a) Beladen der ersten Vorrichtung oder ersten Filterstufe mit dem zu trennenden Stoffgemisch durch Durchströmen des Mediums durch diese erste Vorrichtung oder erste Filterstufe, b) Umleiten des Mediums von der ersten Vorrichtung oder der ersten Filterstufe vor Durchbruch der Zielsubstanz auf eine zweite Vorrichtung oder zweite Filterstufe, die mit der ersten Vorrichtung oder der ersten Filterstufe identisch und frisch regeneriert ist, c) Freispulen der ersten Vorrichtung oder ersten Filterstufe nach vollständiger Beladung vom Medium mit einer Pufferlosung bei Einleitung der Pufferlosung in die zweite Vorrichtung oder zweite Filterstufe, d) Beladen der zweiten Vorrichtung oder zweiten Filterstufe mit Medium, wahrend durch die erste Vorrichtung oder erste Filterstufe Elutionsflussigkeit hindurch geströmt wird

36. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung oder eine Filterstufe in einer Anlage zur adsorptiven Stofftrennung betrieben wird und folgende wiederkehrende Zyklen durchgeführt werden, die aus den Schritten bestehen a) Beladen der Vorrichtung oder Filterstufe mit dem zu trennenden Stoffgemisch durch Durchströmen des Mediums durch diese Vorrichtung oder Filterstufe, b) Unterbrechen des Hindurchstromens des Mediums durch die Vorrichtung oder Filterstufe vor Durchbruch der Zielsubstanz, c) Freispulen der Vorrichtung oder Filterstufe nach Beladung vom Medium mit einer Pufferlosung bei Einleitung der Pufferlosung in einen Tank, d) Gewinnen des gewünschten Stoffes durch Hindurchstromen von Elutionsflussigkeit durch die Vorrichtung oder Filterstufe, e) Regenerieren der Vorrichtung oder Filterstufe

37 Verwendung der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 32 und 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Zyklen durch einen Prozeßrechner automatisch gesteuert werden

38 Verwendung der Vorrichtungen gemäß der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wickelartig ausgebildeten Adsorbermodule (45) der Vorrichtungen von innen nach außen von den Flüssigkeiten durchströmt werden.

39 Verwendung der Vorrichtungen gemäß der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen bei senkrecht stehender Zylinderachse mit Flüssigkeiten von oben nach unten durchströmt werden