WO2001089668A1 - Crossflow filtration device - Google Patents

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WO2001089668A1
WO2001089668A1 PCT/EP2001/005082 EP0105082W WO0189668A1 WO 2001089668 A1 WO2001089668 A1 WO 2001089668A1 EP 0105082 W EP0105082 W EP 0105082W WO 0189668 A1 WO0189668 A1 WO 0189668A1
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WO
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pressure
containers
medium
crossflow filtration
filtration unit
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/005082
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German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Grabosch
Oscar-Werner Reif
Ulrich Grummert
Hans-Weddo Schmidt
Original Assignee
Sartorius Ag
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/147—Microfiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/08—Prevention of membrane fouling or of concentration polarisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/20—By influencing the flow
    • B01D2321/2083—By reversing the flow

Definitions

  • the invention relates to a device for crossflow filtration of liquid media, in which the medium to be filtered is passed over filter medium with changing overflow direction and the filtrate is drained off.
  • the device according to the invention is used in particular in the medical field and biotechnology for the extraction of valuable substances from biological or biotechnologically produced liquid media and for the concentration of shear-sensitive liquid media which contain, for example, human, animal and plant cells.
  • the device is particularly intended for laboratory use. It preferably ensures a particularly gentle treatment of the media.
  • DE-OS 40 21 123 a device is known in which a crossflow filtration unit in the overflow circuit is arranged in terms of flow between two closed gas-loaded containers for the medium to be filtered.
  • the medium is alternately conveyed by gas pressure from one container while relieving gas pressure in the other container.
  • Valve control and sensors cause the medium and gas to be filtered to be reversed in both containers in a closed line network.
  • the containers are designed as a compact unit in the form of a tank with a common partition.
  • the medium is removed from one tank half, passed through the filtration unit and returned to the other tank half. There is an interface between the liquid phase and the superimposed gas phase.
  • the invention is therefore based on the object of developing a device of the type described above for crossflow filtration of liquid media using simple means in such a way that the disadvantages mentioned are overcome.
  • a device for crossflow filtration of liquid media in which the medium to be filtered overflows the overflow sides of filter media of a crossflow filtration unit and a filtrate is obtained from the outflow sides of the filter media, the crossflow filtration unit overflowing between two closed ones Containers for the medium to be filtered is arranged, and the medium can be conveyed alternately from one container under passage of the overflow sides of the filter medium into the other container under the action of a pressure difference, in which each container is accommodated in a pressure vessel which is connected via connections for pneumatic, hydraulic and / or mechanical means for controllably acting the pressure difference on the containers and that the containers are at least partially flexible in such a way that they change their volume when a pressure change occurs. Gases and liquids, such as air, water or hydraulic liquids, are used as preferred means for generating the pressure difference.
  • the flexible containers are preferably designed as bags, in particular as elastic bags.
  • the containers can also be lamp-shaped with cylindrical or polygonal bases. It has proven to be expedient if the pressure containers are also designed as flexible pressure bags, and preferably also as elastic pressure bags.
  • the lampion-shaped containers are accommodated in pressure vessels, where they can be compressed and / or expanded by mechanical means that can be moved up and down.
  • a pressure line connects the pressure vessels to a directionally adjustable pump for gases or liquids. With the help of the pump, the action of the pressure difference between the vessels and on the containers is switched. It is particularly advantageous if there is a lockable connection between at least one of the containers and the filtration unit. Via it, the medium to be filtered can be let into the device and a concentrate can be discharged from the device after the filtration has ended or a slide liquid can be introduced into the device to conduct diafiltration on the side of the media to be treated.
  • At least part of the device consisting of the crossflow filtration unit with the containers connected to it is made of autoclavable materials, such as plastics, with a temperature resistance of up to at least 132 ° C.
  • autoclavable materials such as plastics
  • the use of filtration membranes, in particular microfiltration membranes, has proven itself as a filter medium.
  • Membranes with a low tendency to block, which generally have low protein adsorption properties, are preferably used for working up biological or biotechnologically produced liquid media.
  • the containers are filled with the liquid to be treated, connected to the crossflow filtration unit and vented via a vent valve.
  • a lockable connection can be used as a vent valve. Due to the flexible design of the containers, the device can be loaded with a variable amount of medium to be treated. To affect the pressure difference on the W
  • Containers for the conveyance of the medium to be treated through the crossflow filtration unit the containers are alternately acted upon from the outside by a pneumatic, hydraulic and or mechanical means with different pressures.
  • the pressure difference acts on the containers within pressure vessels in which the containers are located.
  • the overflow direction of the medium to be treated over the overflow sides of the filter means points from the pressure vessel with the higher pressure to the pressure vessel with the lower pressure.
  • the medium is passed into the vessel with the lower pressure, which is located in a preferably relaxed pressure vessel.
  • the container in the pressure vessel with the higher pressure acts as a container for the feed liquid and the container in the pressure vessel with the lower pressure acts as a concentrate container.
  • a switchover process takes place in which the pneumatic, hydraulic and / or mechanical means in the pressure container with the higher pressure is released and pressurized in the other pressure container.
  • the concentrate container becomes a container for feed liquid and the first container for feed liquid becomes a concentrate container.
  • the crossflow filtration unit is now overflowed in the opposite direction, which is associated with a cleaning effect for the filter medium.
  • the filtrate passing through the filter medium is removed from the filtration unit via a filtrate outlet at ambient pressure or under counterpressure.
  • the medium is alternately conveyed back and forth to the desired processing goal.
  • a slide liquid washing liquid
  • the switching of the conveying direction can preferably be triggered via a time cycle to be set to two controllable three-way valves. Also triggering via pressure measurement on the hydraulic fluid or the pneumatic gas or by measuring the flow rate of the medium through the filtration unit is possible.
  • the concentrate mixes with the medium remaining in the other vessel.
  • connection (drain valve), the system can be used from the remaining medium
  • FIG. 1 a schematically shows an embodiment of the invention according to the invention in the state of filling
  • FIG. 1 b shows the embodiment according to FIG. 1 a in a state of filtration
  • FIG. 1c shows the embodiment according to FIG. 1a in a different state of the filtration
  • FIG. 2a schematically shows a further embodiment of the invention for diafiltration
  • FIG. 2b shows the embodiment according to FIG. 2a in the state of emptying
  • FIG. 3 schematically shows another embodiment of the invention with a directionally controllable pump.
  • a cross-flow filtration unit 1 is provided on the inlet side on the overflow side with a lockable connection 2 for charging the device with medium to be filtered, for emptying the device from concentrate and for degassing (venting) the device.
  • the crossflow filtration unit 1 is arranged on the overflow side between two closed containers 3, 4, which are designed as flexible and elastic bags for holding the medium to be processed.
  • container bags 3, 4 are pressure bags as pressure vessels 5, 6 for hydraulic fluid inverted, which in the embodiment shown also consist of a flexible, elastic material that has a strength that is at least as high as that of the container bag.
  • a connection 7 on the crossflow filtration unit 1 serves to remove the filtrate.
  • the pressure bags 5, 6 each have a connection 8, 9 for the hydraulic fluid, which consists, for example, of water with a disinfectant additive.
  • the hydraulic fluid is now pressed into the pressure bag 5 via a three-way valve 10 and the connection 8 at a pressure of, for example, 2 bar, according to FIG. 1b.
  • the pressure in the pressure bag 5 is transferred to the medium to be filtered in the container bag 3.
  • the medium from the container bag 3 is pressed into the container bag 4 via the overflow sides of the filter means of the crossflow filtration unit 1.
  • a three-way valve 11, which is located at port 9, is open. After an adjustable predetermined time, according to FIG. lc the valves 10 and 11 switched over such that hydraulic fluid now flows into the pressure bag 6 and escapes from the pressure bag 5. This process is repeated alternately until the desired concentration of the medium.
  • the system can be detached at ports 8 and 9 and autoclaved or disposed of as a disposable unit.
  • 3 shows a device according to the invention, in which instead of the valves 10 and 11, the hydraulic fluid is alternately conveyed into one of the pressure bags 5, 6 directly from a hydraulic fluid tank via a directionally controllable pump 12.
  • the medium to be treated does not come into contact with any foreign substances because it is operated in a closed system. No moving parts come into contact with the medium, which eliminates the risk of cross-contamination. There are no special requirements, such as sterility, on the pneumatic, hydraulic and / or mechanical means for generating the pressure difference, since they do not come into contact with the medium to be treated. No sensors, such as pressure transducers, come into contact with the medium to be treated, because at best they are installed on the pressure vessels. The pressure difference generated between the two pressure vessels corresponds to the pressure on the overflow side of the filtration unit. As a result, the device can be operated at the same inlet pressure during the entire filtration period.
  • the device has a small dead volume because one of the two vessels can be emptied completely and its volume can be compressed to zero or almost zero due to the flexible design.
  • the device can be made compact and as a disposable unit, which preferably consists only of the two vessels and the filtration unit. This means that parts in contact with the medium can be disposed of unopened. This is particularly advantageous when working with dangerous substances.
  • This part of the device is also easy to sterilize by autoclaving.
  • the device can also be used for diafiltration by batchwise or continuous addition of washing solution via a lockable connection.

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Abstract

The invention relates to a device for carrying out crossflow filtration of liquid media in which the medium to be filtered is guided with a varying overflow direction over filtering means, and the filtrate is drained away. A crossflow filtration unit (1) is arranged on the overflow side between two closed receptacles (3, 4) for the medium to be filtered. By effecting a pressure difference, the medium is alternately guided from one receptacle (3, 4) into the other receptacle (3, 4). Each receptacle (4, 3) is accommodated in a pressure vessel (5, 6), which uses connections (8, 9) for pneumatic, hydraulic and/or mechanical means in order to effect the pressure difference on the receptacles (3, 4) in a controllable manner. According to the invention, the receptacles (3, 4) are at least partially flexible so that their volumes alter when subjected to a change in pressure. The inventive device is provided, in particular, for use in laboratories and in the fields of medicine and biotechnology for recovering valuable substances and for concentrating shear-sensitive biologically or biotechnologically prepared media under preserving conditions.

Description

Vorrichtung zur Crossflow-Filtration Crossflow filtration device
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien, bei der das zu filtrierende Medium mit wechselnder Überströmrichtung über Filtermittel geführt wird und das Filtrat abgeleitet wird.The invention relates to a device for crossflow filtration of liquid media, in which the medium to be filtered is passed over filter medium with changing overflow direction and the filtrate is drained off.
Die erfϊndungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere im medizinischen Bereich und Biotecbnologiebereich zur Gewinnung von Wertstoffen aus biologischen oder biotechnologisch hergestellten flüssigen Medien und zur Aufkonzentrierung scherempfmdlicher flüssiger Medien, die zum Beispiel menschliche, tierische- und pflanzliche Zellen enthalten. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Laborbetrieb bestimmt. Sie gewährleistet vorzugsweise eine besonders schonende Behandlung der Medien. Aus der DE-OS 40 21 123 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Crossflow- Filtrationseinheit im Überströmkreislauf strömungsmäßig zwischen zwei geschlossenen mit Gas beaufschlagbaren Behältern für das zu filtrierende Medium angeordnet ist. Das Medium wird durch Gasdruck abwechselnd von dem einen Behälter unter gleichzeitiger Gasdruckentlastung im anderen Behälter in diesen befördert. Durch Ventilsteuerung und Sensorik läuft in einem geschlossenen Leitungsnetz eine Strömungsumkehr des zu filtrierenden Mediums und Gas in beiden Behältern ab. Die Behälter sind als kompakte Baueinheit in Form eines Tanks mit einer gemeinsamen Trennwand ausgebildet. Bei dieser Vorrichtung wird das Medium der einen Tankhälfte entnommen, über die Filtrationseinheit geleitet und in die andere Tankhälfte zurückgeführt. Es besteht eine Grenzfläche zwischen der flüssigen Phase und der übergelagernden Gasphase.The device according to the invention is used in particular in the medical field and biotechnology for the extraction of valuable substances from biological or biotechnologically produced liquid media and for the concentration of shear-sensitive liquid media which contain, for example, human, animal and plant cells. The device is particularly intended for laboratory use. It preferably ensures a particularly gentle treatment of the media. From DE-OS 40 21 123 a device is known in which a crossflow filtration unit in the overflow circuit is arranged in terms of flow between two closed gas-loaded containers for the medium to be filtered. The medium is alternately conveyed by gas pressure from one container while relieving gas pressure in the other container. Valve control and sensors cause the medium and gas to be filtered to be reversed in both containers in a closed line network. The containers are designed as a compact unit in the form of a tank with a common partition. In this device, the medium is removed from one tank half, passed through the filtration unit and returned to the other tank half. There is an interface between the liquid phase and the superimposed gas phase.
Nachteilig ist, das ein mit dem Medium nicht reagierendes und keimfreies Gas verwendet werden muß, weil anderenfalls die Medien durch Stoffumwandlung oder Kontamination geschädigt würden. Um zu vermeiden, dass Gas in die Crossflow-Filtrationseinheit gedrückt wird, was zu einer Verminderung der Filtrationsleistung in nachfolgenden Überströmzyklen führen würde, muß ein nicht zu vernachlässigendes Restvolumen (Totvolumen) in dem Tank verbleiben. Das erforderliche Totvolumen führt seinerseits zu einer Leistungsminderung der Vorrichtung und bei der Gewinnung von Wertstoffen werden pro Zeiteinheit keine optimalen Ausbeuten erzielt. Durch Verwendung von Druckgas kann eine die Filtration ungünstig beeinflussende Blasenbildung nicht ausgeschlossen werden.It is disadvantageous that a germ-free gas which does not react with the medium has to be used, because otherwise the media are caused by material conversion or contamination would be harmed. In order to avoid that gas is pressed into the crossflow filtration unit, which would lead to a reduction in the filtration performance in subsequent overflow cycles, a non-negligible residual volume (dead volume) must remain in the tank. The required dead volume in turn leads to a reduction in the performance of the device, and optimum yields are not achieved per unit of time when recovering valuable materials. The use of compressed gas cannot rule out the formation of bubbles, which can have an adverse effect on the filtration.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien mit einfachen Mitteln so weiterzubilden, dass die genannten Nachteile überwunden werden.The invention is therefore based on the object of developing a device of the type described above for crossflow filtration of liquid media using simple means in such a way that the disadvantages mentioned are overcome.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien gelöst, bei der das zu filtrierende Medium die Überströmseiten von Filtermitteln einer Crossflow-Filtrationseinheit überströmt und von den Abströmseiten der Filtermittel ein Filtrat gewonnen wird, wobei die Crossflow-Filtrationseinheit überströmseitig zwischen zwei geschlossenen Behältern für das zu filtrierende Medium angeordnet ist, und das Medium unter Einwirken einer Druckdifferenz abwechselnd von dem einen Behälter unter Passage der Überströmseiten der Filtermittel in den anderen Behälter förderbar ist, in dem jeder Behälter in einem Druckgefäß untergebracht ist, das über Anschlüsse für pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Mittel zum steuerbaren Einwirken der Druckdifferenz auf die Behälter verfugt und dass die Behälter mindestens teilweise flexibel ausgebildet sind derart, dass sie beim Einwirken einer Druckänderung ihr Volumen ändern. Als bevorzugte Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz werden Gase und Flüssigkeiten, wie Luft, Wasser oder Hydraulikflüssigkeiten verwendet.This object is achieved according to the invention by a device for crossflow filtration of liquid media, in which the medium to be filtered overflows the overflow sides of filter media of a crossflow filtration unit and a filtrate is obtained from the outflow sides of the filter media, the crossflow filtration unit overflowing between two closed ones Containers for the medium to be filtered is arranged, and the medium can be conveyed alternately from one container under passage of the overflow sides of the filter medium into the other container under the action of a pressure difference, in which each container is accommodated in a pressure vessel which is connected via connections for pneumatic, hydraulic and / or mechanical means for controllably acting the pressure difference on the containers and that the containers are at least partially flexible in such a way that they change their volume when a pressure change occurs. Gases and liquids, such as air, water or hydraulic liquids, are used as preferred means for generating the pressure difference.
Vorzugsweise sind die flexiblen Behälter als Beutel ausgebildet, insbesondere als elastische Beutel. Die Behälter können auch lampiorrförmig mit zylindrischen oder polygonalen Grundflächen ausgebildet sein. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn auch die Druckbehälter als flexible Druckbeutel ausgebildet sind und dabei vorzugsweise ebenfalls als elastische Druckbeutel. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die lampionförmigen Behälter in Druckgefäßen untergebracht, wo sie durch mechanische auf- und abbewegbare Mittel zusammengedrückt und/oder expandiert werden können.The flexible containers are preferably designed as bags, in particular as elastic bags. The containers can also be lamp-shaped with cylindrical or polygonal bases. It has proven to be expedient if the pressure containers are also designed as flexible pressure bags, and preferably also as elastic pressure bags. In a further embodiment of the invention, the lampion-shaped containers are accommodated in pressure vessels, where they can be compressed and / or expanded by mechanical means that can be moved up and down.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verbindet eine Druckleitung mit einer richtungsregelbaren Pumpe für Gase oder Flüssigkeiten die Druckgefäße. Mit Hilfe der Pumpe erfolgt ein Umschalten des Einwirkens der Druckdifferenz zwischen den Gefäßen und auf die Behälter. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen mindestens einem der Behälter und der Filtrationseinheit ein absperrbarer Anschluß liegt. Über ihn kann das zu filtrierende Medium in die Vorrichtung eingelassen und ein Konzentrat nach Beendigung der Filtration aus der Vorrichtung abgelassen werden oder eine Diaflüssigkeit zur Diirchführung von Diafiltrationen auf die Seite der zu behandelnden Medien in die Vorrichtung eingeführt werden.In another advantageous embodiment of the invention, a pressure line connects the pressure vessels to a directionally adjustable pump for gases or liquids. With the help of the pump, the action of the pressure difference between the vessels and on the containers is switched. It is particularly advantageous if there is a lockable connection between at least one of the containers and the filtration unit. Via it, the medium to be filtered can be let into the device and a concentrate can be discharged from the device after the filtration has ended or a slide liquid can be introduced into the device to conduct diafiltration on the side of the media to be treated.
Zumindest ein Teil der Vorrichtung bestehend aus der Crossflow-Filtrationseinheit mit den daran angeschlossenen Behältern ist aus autoklavierbaren Materialien, wie Kunststoffen mit einer Temperaturbeständigkeit von bis zu mindestens 132° C ausgeführt. Als Filtermittel hat sich die Verwendung von Filtrationsmembranen, insbesondere von Mikrofiltrationsmembranen bewährt. Für die Aufarbeitung biologischer oder biotechnologisch hergestellter flüssiger Medien werden bevorzugt Membranen mit einer geringen Neigung zum Verblocken eingesetzt, die in der Regel geringe Proteinadsorptionseigenschaften haben.At least part of the device consisting of the crossflow filtration unit with the containers connected to it is made of autoclavable materials, such as plastics, with a temperature resistance of up to at least 132 ° C. The use of filtration membranes, in particular microfiltration membranes, has proven itself as a filter medium. Membranes with a low tendency to block, which generally have low protein adsorption properties, are preferably used for working up biological or biotechnologically produced liquid media.
Zur DurcMührung der Filtration werden die Behälter mit der zu behandelnden Flüssigkeit befüllt, an die Crossflow-Filtrationseinheit angeschlossen und über ein Entlüftungsventil entlüftet. Als Entlüftungsventil kann ein absperrbarer Anschluss verwendet werden. Durch die flexible Ausgestaltung der Behälter kann die Vorrichtung mit einer variablen Menge an zu behandelndem Medium beschickt werden. Zum Einwirken der Druckdifferenz auf die WTo carry out the filtration, the containers are filled with the liquid to be treated, connected to the crossflow filtration unit and vented via a vent valve. A lockable connection can be used as a vent valve. Due to the flexible design of the containers, the device can be loaded with a variable amount of medium to be treated. To affect the pressure difference on the W
Behälter für die Beförderung des zu behandelnden Mediums durch die Crossflow- Filtrationseinheit hindurch werden die Behälter abwechselnd von außen durch ein pneumatisches, hydraulisches und oder mechanisches Mittel mit unterschiedlichen Ducken beaufschlagt. Das Einwirken der Druckdifferenz auf die Behälter erfolgt dabei innerhalb von Druckgefäßen, in denen sich die Behälter befinden. Die Überströmrichtung des zu behandelnden Mediums über die Überströmseiten der Filtermittel hinweg weist dabei vom Druckgefäß mit dem höheren Druck zum Druckgefäß mit dem geringeren Druck. Das Medium wird nach Überströmen der Filtermittel in das Gefäß mit dem geringeren Druck geleitet, das sich in einem vorzugsweise entspannten Druckbehälter befindet. Dabei fungiert der Behälter in dem Druckgefäß mit dem höheren Druck als Behälter für Speiseflüssigkeit und der Behälter in dem Druckgefäß mit dem geringeren Druck als Konzentratbehälter. Nachdem der Konzentratbehälter ganz oder zumindest teilweise mit Medium gefüllt ist, erfolgt ein Umschaltprozess bei dem das pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Mittel in dem Druckbehälter mit dem höheren Druck entspannt und in dem anderen Druckbehälter unter Druck gesetzt wird. Hierdurch wird aus dem Konzentratbehälter ein Behälter für Speiseflüssigkeit und aus dem ersten Behälter für Speiseflüssigkeit wird ein Konzentratbehälter. Die Crossflow-Filtrationseinheit wird nun in entgegengesetzter Richtung überströmt, was für das Filtermittel gleichzeitig mit einem reinigenden Effekt verbunden ist. Das die Filtermittel passierende Filtrat wird über einen Filtratauslass bei Umgebungsdruck oder unter Gegendruck aus der Filtrationseinheit abgeführt.Containers for the conveyance of the medium to be treated through the crossflow filtration unit, the containers are alternately acted upon from the outside by a pneumatic, hydraulic and or mechanical means with different pressures. The pressure difference acts on the containers within pressure vessels in which the containers are located. The overflow direction of the medium to be treated over the overflow sides of the filter means points from the pressure vessel with the higher pressure to the pressure vessel with the lower pressure. After flowing over the filter medium, the medium is passed into the vessel with the lower pressure, which is located in a preferably relaxed pressure vessel. The container in the pressure vessel with the higher pressure acts as a container for the feed liquid and the container in the pressure vessel with the lower pressure acts as a concentrate container. After the concentrate container is completely or at least partially filled with medium, a switchover process takes place in which the pneumatic, hydraulic and / or mechanical means in the pressure container with the higher pressure is released and pressurized in the other pressure container. As a result, the concentrate container becomes a container for feed liquid and the first container for feed liquid becomes a concentrate container. The crossflow filtration unit is now overflowed in the opposite direction, which is associated with a cleaning effect for the filter medium. The filtrate passing through the filter medium is removed from the filtration unit via a filtrate outlet at ambient pressure or under counterpressure.
Im weiteren Filtrationsverlauf wird das Medium, wie soeben beschrieben, bis zum gewünschten Aufarbeitungsziel abwechselnd hin und her gefördert. Zur Diafiltration kann eine Diaflüssigkeit (Waschflüssigkeit) während der Filtration batchweise oder kontinuierlich zugefügt werden. 5 Die Umschaltung der Förderrichtung lässt sich bei Verwendung von pneumatischen oder hydraulischen Mitteln zur Erzeugung der Druckdifferenz vorzugsweise über einen einzustellenden Zeittakt auf zwei regelbare Drei- Wege- Ventile auslösen. Auch eine Auslösung über Druckmessung an der Hydraulikflüssigkeit oder dem Pneumatikgas oder durch Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch die Filtrationseinheit ist möglich.In the further course of the filtration, the medium, as just described, is alternately conveyed back and forth to the desired processing goal. For diafiltration, a slide liquid (washing liquid) can be added batchwise or continuously during the filtration. 5 When using pneumatic or hydraulic means to generate the pressure difference, the switching of the conveying direction can preferably be triggered via a time cycle to be set to two controllable three-way valves. Also triggering via pressure measurement on the hydraulic fluid or the pneumatic gas or by measuring the flow rate of the medium through the filtration unit is possible.
In vorteilhafter Weise ist es nicht notwendig, das Medium vollständig aus dem Gefäß fürAdvantageously, it is not necessary to completely remove the medium from the vessel
Speiseflüssigkeit in das Konzentratgefäß zu pressen. Bei der nächsten erfolgten Umkehr derPress the liquid into the concentrate container. At the next reversal of the
Strömungsrichtung vermischt sich das Konzentrat mit dem noch im anderen Gefäß verbliebenem Medium.In the direction of flow, the concentrate mixes with the medium remaining in the other vessel.
Durch Beaufschlagung beider Druckgefäße mit Druck und Öffnen des absperrbarenBy pressurizing both pressure vessels and opening the lockable
Anschlusses (Entleerungsventil) lässt sich das System vom verbliebenen MediumConnection (drain valve), the system can be used from the remaining medium
(Konzentrat) entleeren.Empty (concentrate).
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Figuren la bis ld, 2 und 3 näher erläutert. Dabei zeigenThe invention will now be explained in more detail with reference to the attached figures la to ld, 2 and 3. Show
Fig. la schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Erfindung im Zustand des Befüllens, Fig. lb die Ausführungsform gemäß Fig. la in einem Zustand der Filtration,1 a schematically shows an embodiment of the invention according to the invention in the state of filling, FIG. 1 b shows the embodiment according to FIG. 1 a in a state of filtration,
Fig. lc die Ausführungsform gemäß Fig. la in einem anderen Zustand der Filtration nachFIG. 1c shows the embodiment according to FIG. 1a in a different state of the filtration
Strömungsumkehr, Fig. 2a schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Diafiltration, Fig. 2b die Ausführungsform gemäß Fig. 2a im Zustand der Entleerung und Fig. 3 schematisch eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einer richtungsregelbaren Pumpe.Flow reversal, FIG. 2a schematically shows a further embodiment of the invention for diafiltration, FIG. 2b shows the embodiment according to FIG. 2a in the state of emptying, and FIG. 3 schematically shows another embodiment of the invention with a directionally controllable pump.
Gemäß der Fig. la ist eine Crossflow-Filtrationseinheit 1 einlassseitig auf der Überströmseite mit einem absperrbaren Anschluss 2 zum Beschicken der Vorrichtung mit zu filtrierendem Medium, zum Entleeren der Vorrichtung von Konzentrat und zur Entgasung (Entlüftung) der Vorrichtung versehen. Die Crossflow-Filtrationseinheit 1 ist überströmseitig zwischen zwei geschlossene Behälter 3, 4 angeordnet, die als flexible und elastische Beutel für die Aufnahme des aufzuarbeitenden Mediums ausgebildet sind. Über diese Behälterbeutel 3, 4 sind Druckbeutel als Druckgefäße 5, 6 für Hydraulikflüssigkeit gestülpt, die in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls aus einem flexiblen, elastischen Material bestehen, das über eine Festigkeit verfügt, die mindestens so hoch ist, wie die der Behälterbeutel. Ein Anschluss 7 an der Crossflow-Filtrationseinheit 1 dient zur Entnahme von Filtrat. Die Druckbeutel 5, 6 weisen jeweils einen Anschluss 8, 9 für die Hydraulikflüssigkeit auf, welche beispielsweise aus Wasser mit einem Desinfektionsmittelzusatz besteht. Zur Filtration wird nun gemäß Fig. lb über ein Dreiwegeventil 10 und den Anschluss 8 die Hydraulikflüssigkeit mit einem Druck von beispielsweise 2 bar in den Druckbeutel 5 gedrückt. Der Druck im Druckbeutel 5 überträgt sich auf das zu filtrierende Medium im Behälterbeutel 3. Hierdurch wird das Medium aus dem Behälterbeutel 3 über die Überströmseiten der Filtermittel der Crossflow- Filtrationseinheit 1 in den Behälterbeutel 4 gepresst. Ein Dreiwegeventil 11, das sich am Anschluss 9 befindet, ist dabei geöffnet. Nach einer einstellbaren vorgegebenen Zeit werden nun gemäß Fig. . lc die Ventile 10 und 11 derart umgeschaltet, dass nun Hydraulikflüssigkeit in den Druckbeutel 6 einströmt und aus dem Druckbeutel 5 entweicht. Dieser Vorgang wird bis zur gewünschten Aufkonzentrierung des Mediums abwechselnd wiederholt.According to FIG. 1 a, a cross-flow filtration unit 1 is provided on the inlet side on the overflow side with a lockable connection 2 for charging the device with medium to be filtered, for emptying the device from concentrate and for degassing (venting) the device. The crossflow filtration unit 1 is arranged on the overflow side between two closed containers 3, 4, which are designed as flexible and elastic bags for holding the medium to be processed. About these container bags 3, 4 are pressure bags as pressure vessels 5, 6 for hydraulic fluid inverted, which in the embodiment shown also consist of a flexible, elastic material that has a strength that is at least as high as that of the container bag. A connection 7 on the crossflow filtration unit 1 serves to remove the filtrate. The pressure bags 5, 6 each have a connection 8, 9 for the hydraulic fluid, which consists, for example, of water with a disinfectant additive. For filtration, the hydraulic fluid is now pressed into the pressure bag 5 via a three-way valve 10 and the connection 8 at a pressure of, for example, 2 bar, according to FIG. 1b. The pressure in the pressure bag 5 is transferred to the medium to be filtered in the container bag 3. As a result, the medium from the container bag 3 is pressed into the container bag 4 via the overflow sides of the filter means of the crossflow filtration unit 1. A three-way valve 11, which is located at port 9, is open. After an adjustable predetermined time, according to FIG. lc the valves 10 and 11 switched over such that hydraulic fluid now flows into the pressure bag 6 and escapes from the pressure bag 5. This process is repeated alternately until the desired concentration of the medium.
Zur Durchführung einer Diaflitration wird gemäß Fig. 2a über das Ventil des absperrbaren Anschlusses 2 Waschwasser in das System geben. Wie die Fig. 2b zeigt, wird die Vorrichtung entleert, in dem bei geöffneten Ventilen 10, 11 die Druckbeutel mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck beaufschlagt werden, wobei das Konzentrat über den absperrbaren Anschluss 2 abgeführt wird.To carry out diaflitration, 2 wash water is added to the system via the valve of the shut-off connection according to FIG. 2a. As FIG. 2b shows, the device is emptied, in which, when the valves 10, 11 are open, the pressure bags are pressurized with hydraulic fluid under pressure, the concentrate being discharged via the lockable connection 2.
Nach erfolgter Aufkonzentrierung und Diafiltration lässt sich das System an den Anschlüssen 8 und 9 lösen und autoklavieren oder als Wegwerfeinheit entsorgen. Die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der anstelle der Ventile 10 und 11 direkt aus einem Hydraulikmitteltank über eine richtungsregelbare Pumpe 12 die Hydraulikflüssigkeit wechselweise in einen der Druckbeutel 5 , 6 gefördert wird.After concentration and diafiltration, the system can be detached at ports 8 and 9 and autoclaved or disposed of as a disposable unit. 3 shows a device according to the invention, in which instead of the valves 10 and 11, the hydraulic fluid is alternately conveyed into one of the pressure bags 5, 6 directly from a hydraulic fluid tank via a directionally controllable pump 12.
Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind folgende Vorteile verbunden: Das zu behandelnde Medium kommt mit keinerlei Fremdstoffen in Berührung, denn es wird in einem abgeschlossenen System gearbeitet. Mit dem Medium kommen keine bewegten Teile in Berührung, wodurch eine Crosskontaminationsgefahr ausgeschlossen wird. Es sind keine besonderen Anforderungen, wie Sterilität an die pneumatischen, hydraulischen und/oder mechanischen Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz zu stellen, da sie mit dem zu behandelnden Medium nicht in Kontakt kommen. Mit dem zu behandelnden Medium kommen auch keine Sensoren, wie beispielsweise Druckaufhehmer, in Berührung, weil diese bestenfalls an den Druckgefäßen installiert werden. Die erzeugte Druckdifferenz zwischen den beiden Druckgefäßen entspricht dem Druck auf der Überströmseite der Filtrationseinheit. Dadurch kann die Vorrichtung während der gesamten Filtrationsdauer mit dem gleichen Eingangsdruck betrieben werden. Damit sind geringe Scherkräfte auf und ein minimaler Energieeintrag in das Medium verbunden, was für die schonende Behandlung empfindlicher Medien von besonderem Vorteil ist. Die Vorrichtung besitzt ein geringes Totvolumen, weil jeweils eines der beiden Gefäße restlos entleert werden kann und sein Volumen auf Grund der flexiblen Ausgestaltung auf Null oder nahezu Null zusammengedrückt werden kann. Die Vorrichtung kann kompakt und als Wegwerfeinheit (Disposable) ausgeführt werden, die vorzugsweise nur aus den beiden Gefäßen und der ' Filtrationseinheit besteht. Dadurch lassen sich mit vom Medium kontaktierte Teile ungeöffnet entsorgen. Das ist bei der Arbeit mit gefährlichen Stoffen besonders vorteilhaft. Dieser Teil der Vorrichtung ist auch in einfacher Weise durch Autoklavieren zu sterilisieren. Die Vorrichtung kann außer zur üblichen Crossflow- Filtration ohne Umrüstung auch zur Diafiltration durch bachweise oder kontinuierliche Zugabe von Waschlösung über einen absperrbaren Anschluß verwendet werden. Diese Vorteile kommen besonders zur Geltung , wenn teure Medien aufbereitet werden und ein geringes Arbeitsvolumen der Vorrichtung erforderlich ist. Liste der BezugszeichenThe following advantages are associated with the devices according to the invention: The medium to be treated does not come into contact with any foreign substances because it is operated in a closed system. No moving parts come into contact with the medium, which eliminates the risk of cross-contamination. There are no special requirements, such as sterility, on the pneumatic, hydraulic and / or mechanical means for generating the pressure difference, since they do not come into contact with the medium to be treated. No sensors, such as pressure transducers, come into contact with the medium to be treated, because at best they are installed on the pressure vessels. The pressure difference generated between the two pressure vessels corresponds to the pressure on the overflow side of the filtration unit. As a result, the device can be operated at the same inlet pressure during the entire filtration period. This results in low shear forces and minimal energy input into the medium, which is particularly advantageous for the gentle treatment of sensitive media. The device has a small dead volume because one of the two vessels can be emptied completely and its volume can be compressed to zero or almost zero due to the flexible design. The device can be made compact and as a disposable unit, which preferably consists only of the two vessels and the filtration unit. This means that parts in contact with the medium can be disposed of unopened. This is particularly advantageous when working with dangerous substances. This part of the device is also easy to sterilize by autoclaving. In addition to the usual crossflow filtration without retrofitting, the device can also be used for diafiltration by batchwise or continuous addition of washing solution via a lockable connection. These advantages come into play particularly when expensive media are processed and a low working volume of the device is required. List of reference numbers
1 Crossflow-Filtrationseinheit1 crossflow filtration unit
2 absperrbarer Anschluss2 lockable connection
3 geschlossener Behälter3 closed containers
4 geschlossener Behälter4 closed containers
5 Druckgefäß5 pressure vessel
6 Druckgefäß6 pressure vessel
7 Anschluss zur Entnahme von Filtrat7 Connection for the removal of filtrate
8 Anschluss8 connection
9 Anschluss9 connection
10 Dreiwegeventil10 three-way valve
11 Dreiwegeventil11 three-way valve
12 Pumpe 12 pump

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien, bei der das zu behandelnde Medium die Überströmseiten von Filtermitteln einer Crossflow-Filtrationseinheit (1) überströmt und von den Abströmseiten der Filtermittel ein Filtrat gewonnen wird, wobei die Crossflow-Filtrationseinheit (1) überströmseitig zwischen zwei geschlossenen Behältern (3, 4) für das zu behandelnde Medium angeordnet ist, und das Medium unter Einwirken einer Druckdifferenz abwechselnd von dem einen Behälter (3, 4) unter Passage der Überströmseiten der Filtermittel in den anderen Behälter (4, 3) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Behälter (3, 4) in einem Druckgefäß (5, 6) untergebracht ist, das über Anschlüsse (8, 9) für pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Mittel zum steuerbaren Einwirken der Druckdifferenz auf die Behälter (3, 4) verfügt und dass die Behälter (3, 4) mindestens teilweise flexibel ausgebildet sind derart, dass sie beim Einwirken einer Druckänderung ihr Volumen ändern.1. Device for crossflow filtration of liquid media, in which the medium to be treated flows over the overflow sides of filter media of a crossflow filtration unit (1) and a filtrate is obtained from the outflow sides of the filter media, the crossflow filtration unit (1) overflow side between two closed containers (3, 4) are arranged for the medium to be treated, and the medium can be conveyed alternately from one container (3, 4) under the action of a pressure difference while passing the overflow sides of the filter medium into the other container (4, 3), characterized in that each container (3, 4) is accommodated in a pressure vessel (5, 6) which has connections (8, 9) for pneumatic, hydraulic and / or mechanical means for controllably acting the pressure difference on the containers (3, 4) and that the containers (3, 4) are at least partially flexible in such a way that they act upon the action of a pressure change change their volume.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckleitung mit einer richtungsregelbaren Pumpe (12) für Gase oder Flüssigkeiten die Druckgefäße (5, 6) verbindet, über die ein Umschalten des Einwirkens der Druckdifferenz auf die Gefäße (3, 4) erfolgt.2. Device according to claim 1, characterized in that a pressure line with a directionally adjustable pump (12) for gases or liquids connects the pressure vessels (5, 6), via which the action of the pressure difference on the vessels (3, 4) is switched ,
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem der Behälter (3, 4) und der Filtrationseinheit (1) ein absperrbarer Anschluss (2) zum Zuführen des zu filtrierenden Mediums, zum Entleeren der Vorrichtung oder zum Zuführen von Flüssigkeiten für eine Diafiltration vorhanden ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that between at least one of the containers (3, 4) and the filtration unit (1) a lockable connection (2) for supplying the medium to be filtered, for emptying the device or for supplying Liquids for diafiltration are available.
4. Vorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (3, 4) als Beutel ausgebildet sind.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the containers (3, 4) are designed as bags.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterbeutel (3, 4) elastisch sind.5. The device according to claim 4, characterized in that the container bags (3, 4) are elastic.
6. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (3, 4) lampionförmig mit kreisförmigen oder polygonalen Grundflächen ausgebildet sind.6. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the containers (3, 4) are lantern-shaped with circular or polygonal bases.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, die Druckbehälter (5, 6) als flexible Druckbeutel ausgebildet sind.7. Device according to claims 1 to 5, characterized in that, the pressure vessels (5, 6) are designed as flexible pressure bags.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, die Druckbeutel (5, 6) elastisch sind.8. The device according to claim 7, characterized in that, the pressure bags (5, 6) are elastic.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lampionförmigen Behälter in Druckbehältern (5, 6) untergebracht sind und darin durch mechanische Mittel auf- und abbewegbar sind.9. The device according to claim 6, characterized in that the lampion-shaped containers are accommodated in pressure vessels (5, 6) and can be moved up and down therein by mechanical means.
10. Vorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Vorrichtung bestehend aus der Crossflow-Filtrationseinheit (1) mit den daran angeschlossenen Behältern (3, 4) als Wegwerfeinheit ausgebildet ist. 10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least a part of the device consisting of the crossflow filtration unit (1) with the connected containers (3, 4) is designed as a disposable unit.
11. Vorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Vorrichtung bestehend aus der Crossflow-Filtrationseinheit (1) mit den daran angeschlossenen Behältern (3, 4) autoklavierbar ist. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least a part of the device consisting of the crossflow filtration unit (1) with the containers (3, 4) connected to it is autoclavable.
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