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Dokumentenidentifikation DE4204708A1 20.08.1992
Titel Filtrationssystem
Anmelder Fuji Photo Film Co., Ltd., Minami-ashigara, Kanagawa, JP
Erfinder Etoh, Masahiro;
Ohtani, Sumio, Minami-ashigara, Kanagawa, JP
Vertreter Solf, A., Dr.-Ing., 8000 München; Zapf, C., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 5600 Wuppertal
DE-Anmeldedatum 17.02.1992
DE-Aktenzeichen 4204708
Offenlegungstag 20.08.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.08.1992
IPC-Hauptklasse B01D 61/18
IPC-Nebenklasse B01D 69/00   C12C 9/06   
IPC additional class // C12N 1/02,9/00(C12N 1/20,C12R 1:19)(C12N 1/02,C12R 1:19)  
Zusammenfassung Bei einem Dead-End-Typ Filtrationssystem, bei dem ein Filtriergut (oder eine Massensuspension), umfassend eine suspendierte Stoffe enthaltende Flüssigkeit, durch eine Mikrofiltermembran (16) filtriert wird, um die Flüssigkeit von den suspendierten Stoffen abzutrennen, wird ein Rückwaschen unter solchen Bedingungen durchgeführt, daß der Druck auf der Filtermembranseite für die durchgelassene Flüssigkeit höher ist als der Druck auf die Filtermembranseite für das Filtriergut, wobei die Rückwaschflüssigkeit zusammen mit den von der Filtermembran (16) entfernten suspendierten Stoffen aus dem Filtrationssystem nach außen abgegeben wird, zeichnet sich die verwendete Filtermembran (16) durch eine anisotrope Struktur aus, wobei die Porendurchmesser der Filtermembran (16) kontinuierlich oder diskontinuierlich in Dickenrichtung der Filtermembran (16) verändert sind und die Porendurchmesser auf einer Seite der Filtermembran (16) unterschiedlich sind zu den Porendurchmessern auf der anderen Filtermembranseite.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Dead-End-Filtrationssystem unter Verwendung einer Filtermembran mit anisotroper Struktur. Insbesondere betrifft die Erfindung ein neues Dead-End-Filtrationssystem, bei dem das Rückwaschen periodisch durchgeführt wird, um einen hohen Filtrat-Flux durch die Membran zu erhalten. Das Dead-End-Filtrationssystem ist anwendbar auf die Separation, Reinigung, Rückgewinnung und Konzentrierung verschiedener hochmolekularer Materialien, Mikroorganismen, Enzyme oder feiner Partikel aus diese enthaltenden Flüssigkeiten oder Suspensionen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße System in all den Fällen anwendbar, bei denen feine Partikel aus Flüssigkeiten durch Filtration abgetrennt werden müssen. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung anwendbar auf die Abtrennung feiner Partikel aus verschiedenen Suspensionen, Fermentationsbrühen oder Kulturlösungen, auf die Abtrennung feiner Partikel aus Pigmentsuspensionen oder die Abtrennung und Entfernung von Umhüllungen aus Kondensaten bei der Kernkraftgewinnung.

Mit fortschreitender schneller Entwicklung der Biotechnologie in den vergangenen Jahren wurde die Produktion biochemischer Materialien durch Kultivieren, Fermentieren oder Enzymreaktionen auf den Gebieten der Medizin, Nahrungsmittel und chemischer Produkte vorangetrieben.

Der Handelswert dieser Produkte läßt sich durch Reinigung erhöhen, jedoch sind die Reinigungskosten unter den bestehenden Bedingungen hoch. Das Dead-End-Filtrationssystem gemäß der Erfindung ist insbesondere in diesen Gebieten wirksam. Beispielsweise läßt sich die Erfindung auf verschiedene Gebiete anwenden, welche ein System einschließen, worin ein Reaktionsinhibitor kontinuierlich aus einer Kulturbrühe entfernt wird, um dadurch eine Kultivierung mit hoher Dichte durchzuführen; einem System, worin Enzyme kontinuierlich rückgewonnen werden, falls Exoenzym produzierende Stämme verwendet werden; ein System, worin Enzyme kontinuierlich aus einer Lösung rückgewonnen werden, wobei Stämme, welche intracelluläre Enzyme erzeugen, gebrochen werden; und ein System einschließen, worin ein Biokatalysator aus einer Kulturbrühe mittels eines Batchverfahrens rückgewonnen wird.

Herkömmliche Verfahren zur Trennung suspendierter Stoffe aus einer Masse (oder Massensuspension) enthaltend die suspendierten Stoffe schließen folgende Verfahren ein: Eine Umkehrosmose unter Verwendung von Druck als Antriebskraft, ein Ultrafiltrationsverfahren, ein Mikrofiltrationsverfahren, eine Elektrodialyse unter Verwendung von Potentialunterschieden als Antriebskraft und eine Diffusionsdialyse unter Verwendung verschiedener Temperaturdifferenzen als Antriebskraft. Gemäß diesen Verfahren kann ein kontinuierlicher Betrieb durchgeführt werden und die Trennung, Reinigung oder Konzentrierung ist durchführbar, ohne eine große Temperaturänderung zu verursachen oder die pH-Bedingungen während des Verlaufs der Trennung zu verändern. Diese Verfahren ermöglichen es, verschiedene Materialien wie Partikel, Moleküle und Ionen zu trennen. Da weiterhin die Betriebskapazität von Anlagen kleiner Größe hoch ist gemäß diesem Verfahren, kann der Betrieb wirksam durchgeführt werden und die für die Trennungsoperation notwendige Energie ist niedrig und Massensuspensionen mit niedriger Konzentration, welche mittels anderen Trennverfahren nur schwer behandelbar sind, lassen sich trennen, so daß die vorstehend genannten Verfahren weite Verbreitung finden.

Membranen, die in diesen Trennverfahren eingesetzt werden, umfassen hochmolekulare Membranen, die hauptsächlich aus einem organischen hochmolekularen Material zusammengesetzt sind, wie Celluloseacetat, Cellulosenitrat, regenerierte Cellulose, Polysulfon, Polyacrylonitril, Polyamid oder Polyimid und poröse keramische Membranen, die eine ausgezeichnete Haltbarkeit bezüglich ihrer Hitzebeständigkeit und chemischen Beständigkeit aufweisen. Wenn kolloidale Lösungen zu filtrieren sind, werden Ultrafiltrationsmembranen eingesetzt und im Falle der Filtrierung feiner Partikel werden Mikrofiltermembrane mit Mikroporen eingesetzt, die geeignet sind für die Mikrofiltration feiner Partikel. Mit dem Fortschritt in der Biotechnologie werden die Bereitstellung einer höheren Reinheit und einer höheren Genauigkeit verlangt und diese vorstehend genannten Systeme haben herkömmliche Zentrifugaltrennung und Filtration unter Verwendung von Diatomeenerde ersetzt. Der Anwendungsbereich für die Mikrofiltration oder Ultrafiltration wächst weiter, da ein kontinuierlicher Betrieb ermöglicht und eine Massenbehandlung durchführbar ist. Die Filtration kann einhergehen mit der Zugabe einer Filtrierhilfe oder eines Flockungsmittels, die Trennwirkung ist dabei unabhängig von einem Unterschied im spezifischen Gewicht zwischen der Zelle und der Suspension und ein klares Filtrat ist erhältlich, unabhängig von den physikalischen Eigenschaften der Kulturbrühe und der Zellarten und hochkonzentrierte Kulturen sind behandelbar, wobei die Produktionseffizienz erhöht wird. Kulturen lassen sich behandeln in einem vollständig geschlossenen System ohne Zellverluste, Zellen lassen sich nach Konzentrierung waschen, eine Aufzählung ist leicht durchführbar und die wirtschaftlichen Vorteile sind hoch. Obwohl die Filtermembranen vielerlei Vorteile mit sich bringen, bestehen Probleme insoweit als ein Schichtkuchen unter dem Einfluß einer Konzentrationspolarisation gebildet wird und dabei ein Widerstand gegen die Strömung der durchgelassenen oder übertragenen Flüssigkeit gebildet wird und dieser Widerstand durch Verstopfen der Filtermembran erhöht wird, wodurch schnell und in hohem Maß eine Erniedrigung des Filtrat-Flux durch die Membran eintritt, wenn die feinen Partikel mit Hilfe der Mikrofiltration oder von Ultrafiltern getrennt werden. Weiterhin werden Membranen für die Mikrofiltration oder Ultrafiltration leicht kontaminiert und daher ist es notwendig, eine Maßnahme zur Verhinderung solch einer Kontaminierung zu ergreifen.

Filtrationssysteme umfassen Dead-End-Filtrationssysteme, bei denen sämtliche zu filtrierenden Flüssigkeiten (Massen) durch ein Filtermedium (beispielsweise ein Filtertuch oder eine Membran) und eine Kuchenschicht durchgeleitet werden, um dabei die in den Flüssigkeiten (Massen) enthaltenen feinen Partikel abzutrennen. Bei einem herkömmlichen Dead-End-Filtrationssystem läßt sich ein hoher Filtrat-Flux in einer Stufe erhalten, bei der die Flüssigkeit durch ein Filtermembran geleitet wird und dabei die suspendierten Stoffe in dem Innern der Filtermembran zurückgehalten und daher getrennt werden, jedoch wird eine Kuchenschicht in jeder Stufe gebildet, bei der die suspendierten Stoffe an der Oberfläche der Filtermembran zurückgehalten werden und diese Kuchenschicht erzeugt einen hohen Filtrationswiderstand wenn eine große Menge Filtriergut (oder Massensuspension) filtriert werden soll oder die Kuchenschicht besitzt ein extrem hohen spezifischen Widerstand.

Bei Durchführung solch einer Dead-End-Filtration wird der Filtrat-Flux durch die Membran niedrig. Aus diesem Grund wurde ein Dead-End-Filtrationssystem mit periodischem Rückwaschen und ein Querstrom-Filtrationssystem entwickelt.

Auf den Gebieten der Entwässerung und der Filtration von Abwässern und Badewässern ist es bekannt, daß das Rückwaschen durchgeführt wird, um den durchlaßbaren Flux der verstopften Filter zurückzugewinnen. Jedoch ist ein System, das zusammengesetzt ist aus einer Kombination einer Dead-End-Filtration mit Rückwaschen, als ein Verfahren anzusehen, das im Gebiet der Entwässerung entwickelt wurde, wobei der Widerstand der Kuchenschicht relativ niedrig ist. Wenn daher ein kombiniertes System eingesetzt wird, ist dieses bei der Filtration feiner Partikel mit hohem Widerstand nicht wirksam, beispielsweise bei der Trennung von Zellen aus Fermentationsbrühen, welche Enzyme erzeugen, Bier, Wein, japanischer Sake, japanischem Soja, Antibiotika, Aminosäuren und organischen Säuren, wie Essigsäure und Oxalsäuren. Filtrationsverfahren mit einer Filtrierhilfe, wie Diatomeenerde oder Perlit werden gegenwärtig weit verbreitet eingesetzt, um diese Brühen zu behandeln. Bei diesen Verfahren wird ein Block feiner Partikel der Filtrierhilfe aufgebaut und eine Mikrofiltrationsschicht gebildet, wobei die Filtration durch die feine Partikelschicht erfolgt. Diese ausgezeichneten Filtrationsverfahren wurden für lange Zeit eingesetzt und sind sehr wirksam für die Filtration großer Suspensionsmengen. Jedoch haben diese bekannten Verfahren den Nachteil, daß sie aufwendig durchzuführen sind und eine große Menge Industrieabfall dabei gebildet wird.

Beim Querstrom-Filtrationssystem strömt eine zu filtrierende Menge parallel zur Membranoberfläche der Filtermembran, wobei die Flüssigkeit durch die Filtermembran zur gegenüberliegenden Seite durchgeleitet wird, so daß die Massenströmung und die Strömung der durchgelassenen Flüssigkeit rechtwinkelig zueinander stehen. Aus diesem Grund wurde solch ein Filtrationssystem als Querstrom-Filtrationssystem bezeichnet. Bei diesem Querstrom-Filtrationssystem wird die Kuchenschicht auf der Oberfläche der Membran gebildet und durch die Strömung der zu filtrierenden Menge parallel zu der Filtermembran abgestreift. Demgemäß ist der Filtrat-Flux durch die Membran im Vergleich zur Dead- End-Filtration hoch und eine große Menge Filtriergut kann direkt und kontinuierlich getrennt, gereinigt und konzentriert werden. Jedoch ist hierbei der Filtrationswiderstand der suspendierten Stoffe extrem hoch. Wird ein Ultrafilter oder eine Mikrofiltrationsmembran mit hohem Filtrat-Flux für reines Wasser zur Entfernung von Zellen oder hochmolekularen Stoffen aus der Kulturbrühe oder der Fermentationsbrühe verwendet, wird der Filtrat- Flux durch die Membran stark erniedrigt und es ist schwierig, den Filtrat-Flux durch die Membran aufrechtzuerhalten, der in einer frühen Stufe des Beginns der Filtration hoch ist. Wenn daher die Gesamtmenge der durchgelassenen Flüssigkeit in dem Querstrom-Filtrationssystem verglichen wird mit der durchgelassenen Flüssigkeit bei einem Dead-End-Filtrationssystem, ist die Wirkung des Querstrom-Filtrationssystems gering und man erhält keinen ökonomisch erstrebenswerten Filtrat-Flux.

Das Querstrom-Filtrationssystem stellt theoretisch eine wirksame Trenntechnik dar. Jedoch ist der Grad des Filtrations-Flux durch die Membran nur leicht erhöht im Vergleich mit einem herkömmlichen Dead-End-Filtrationssystem, so daß ein genügend hoher Filtrat-Flux durch die Membran nicht erhältlich ist wenn ein Querstrom-Filtrationssystem als Mikrofiltrationssystem eingesetzt wird.

Bei den Ausführungsformen herkömmlicher Trenntechniken für suspendierte Stoffe aus Flüssigkeiten tritt das Problem auf, daß nicht nur der Filtrat-Flux durch die Membran durch den auf der Oberfläche der Membran gebildeten Kuchenschicht erniedrigt wird oder durch das Verstopfen der Membran im Verlauf der Filtrationszeit, sondern die Aktivität der Zellen geht verloren durch eine Scherkraft beim Recycling des Filtrierguts, selbst wenn das Querstrom-Filtrationssystem anstelle einer herkömmlichen Zentrifugaltrennung oder eines Zentrifugal-Filtrationssystems unter Verwendung von Diatomeenerde eingesetzt wird, beispielsweise bei der Trennung von Zellen aus Fermentationsbrühen.

Um den durchgelassenen Flux zu erhöhen, wurde herkömmlich ein sogenanntes Rückwaschen versucht, wobei eine Kuchenschicht oder eine Ablagerungsschicht, die sich an der Oberfläche der Filtermembran auf der Seite des Filterguts abgesetzt hat, intermittierend durch intermittierendes Beenden des Einströmens des Filterguts in die Filtermembran entfernt wird, durch Verschließen eines Ventils, das auf der durchgelassenen Flüssigkeitsseite der Filtermembran angeordnet ist und durch intermittierendes Wegnehmen des Druckes, der senkrecht auf die Oberfläche der Filtermembran angewandt wird oder durch Vermindern des Druckes oder durch Strömen der Flüssigkeit von der durchgelassenen Flüssigkeitsseite zu der Seite des Filtrierguts durch Anwenden von Druck auf die Seite der durchgelassenen Flüssigkeit der Filtermembran. Falls der Filtrationswiderstand des suspendierten Stoffes niedrig ist, kann der sich auf der Filtermembran angesammelte suspendierte Stoff leicht desorbiert oder entfernt werden.

Jedoch treten im Falle von hochmolekularen Komponenten oder Zellen mit hohem Widerstand gegenüber der Filtration suspendierter Stoffe und hoher Adhäsion an die Filtermembran die Probleme auf, daß sie nicht in ausreichendem Maße durch Rückwaschen von der Filtermembran entfernbar sind und daher der Filtrat-Flux durch die Membran nicht in genügendem Ausmaß erneuert werden kann. Zusätzlich ergeben sich insofern Probleme, als bei Zurücklassen der suspendierten und von der Filtermembran desorbierten Stoffe im Filtrationssystem während des Rückwaschens die Konzentration der suspendierten Stoffe in dem Filtergut graduell erhöht wird und gegebenenfalls die Viskosität des Filterguts mit dem Ergebnis erhöht wird, daß der Filtrat-Flux durch die Membran graduell erniedrigt wird, so daß der Filtrat-Flux nicht in genügendem Ausmaß wiedergewonnen werden kann, selbst wenn ein Rückwaschen durchgeführt wird.

Zur Verhinderung der Erniedrigung der Aktivität der Zellen wird herkömmlich ein Verfahren durchgeführt, bei dem die Scherkraft erniedrigt wird durch Erniedrigung der Zirkulationsströmungsrate im Fall der Anwendung eines Querstrom-Filtrationssystems. Wenn jedoch die Scherkraft vermindert wird, wird die Wirksamkeit des Querstrom-Filtrationssystems erniedrigt. Daher tritt das Problem auf, daß der Filtrat-Flux durch die Membran kleiner wird, wenn die Filtration so durchgeführt wird, daß nicht erlaubt wird, daß die Aktivität der Zellen erniedrigt wird. Weiterhin ergibt sich das Problem, daß bei Anwendung einer Pumpe mit niedriger Scherkraft, wie beispielsweise einer Diaphragmapumpe zur Verminderung des Bruches der Zellen, die Pulsation der Pumpe hoch ist und die Wirkung des Querstrom-Filtrationssystems verringert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Dead- End-Filtrationssystem zu schaffen, das einen hohen Filtrat-Flux durch die Membran in der Praxis aufweist und bei dem verhindert wird, daß die Aktivität der Zellen erniedrigt wird.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Dead-End- Filtrationssystem und dem Dead-End-Filtrationsverfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.

Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des oben angegebenen Filtrationssystems bzw. -verfahrens.

Erfindungsgemäß wird ein Dead-End-Filtrationssystem geschaffen, wobei ein Filtergut (oder eine Filtersuspension) umfassend eine Flüssigkeit mit suspendierten Stoffen darin, durch eine Mikrofiltermembran gefiltert wird, um die Flüssigkeit von den suspendierten Stoffen zu trennen, wobei das Rückwaschen periodisch durchgeführt wird unter solchen Bedingungen, daß der Druck auf der Filtermembranseite der durchgelassenen Flüssigkeit höher ist als der Druck auf die Membranseite, die dem Filtriergut zugewandt ist und wobei die Rückwaschflüssigkeit zusammen mit den suspendierten Stoffen, die von der Filtermembran desorbiert oder entfernt werden, aus dem Filtrationssystem nach außen abgegeben werden, wobei das erfindungsgemäße System dadurch charakterisiert ist, daß die Filtermembran eine anisotrope Struktur aufweist, wobei die Porendurchmesser der Filtermembran kontinuierlich oder diskontinuierlich in der Dickenrichtung der Filtermembran verändert sind und die Porendurchmesser der einen Filtermembranseite unterschiedlich zu demjenigen der anderen Filtermembranseite sind.

Die für das erfindungsgemäße Filtrationssystem verwendete Filtermembran muß Poren mit einer Porengröße besitzen, welche den Durchgang von suspendierten Stoffen verhindert. Im Fall der Verwendung von Mikrofiltermembranen werden im allgemeinen solche Filtermembranen mit einer Porengröße von 0,05 bis 10 µm eingesetzt. Falls die Filtration in einem kurzen Zeitraum von 0,5 bis 3 min mittels solcher Mikrofiltermembranen durchgeführt wird, ist die gefilterte Flüssigkeit in hohem Ausmaß durch die Struktur der Filtermembranen beeinflußt. Die Filtermembranen lassen sich klassifizieren in sogenannte isotrope Membranen, bei denen die Porengrößen der Mikroporen im Innern der Membranen weitgehend einheitlich sind und die Porengrößen der Mikroporen auf beiden Oberflächen weitgehend einheitlich sind; und in sogenannte anisotrope Membranen, bei denen die Porengrößen der Mikroporen kontinuierlich oder diskontinuierlich in Dickenrichtung der Membran verändert sind und die Porengröße auf einer Oberflächenseite der Membran von der Porengröße auf einer anderen Oberflächenseite der Membran verschieden ist. Die isotropen Membranen sind in JP-A-58-98 015 beschrieben (dabei bezeichnet "JP-A" eine "nicht geprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung") und besitzen den Nachteil, daß die gesamte Membran einen hohen Widerstand gegenüber der Flüssigkeitsströmung bei Durchführung der Filtration besitzt.

Weiterhin ist die Strömungsrate niedrig, (d. h. die Strömungsrate pro Flächeneinheit/Zeiteinheit/Druckdifferenzeinheit ist niedrig), die Membran wird leicht verstopft, die Filtrationslebensdauer ist kurz und die Membran zeigt keinen Blockungswiderstand. Die anisotropen Membranen sind in JP-B-55-6406 (der Ausdruck "JP-B" bedeutet eine "geprüfte japanische Patentanmeldung"), JP- A-56-1 54 051 und JP-A-63-1 39 930 beschrieben und besitzen eine sogenannte dichte Schicht mit Poren kleiner Porengröße auf einer Oberflächenseite der Membran oder in deren Innerem und eine Schicht mit Poren relativ großer Porengröße oder extrem große Löcher, ausgehend von dem Membraninneren zu der anderen Oberflächenseite. Bei Verwendung der isotropen Membran oder bei Zufuhr des Filtriergutes zu der anisotropen Membranseite mit kleinerer Porengröße, wird der suspendierte Stoff auf der Oberfläche der Filtermembran festgehalten, während bei Zufuhr des Filtrierguts zu der anisotropen Membranseite mit größerer Porengröße, der suspendierte Stoff im Innern der Membran festgehalten wird. Für den Fall, daß der suspendierte Stoff auf der Oberfläche der Filtermembran festgehalten wird, erzeugt dieser einen hohen Filtrationswiderstand und der Filtrat-Flux wird schnell erniedrigt und führt zu einer verminderten Gesamtmenge an gefilterter Flüssigkeit. Andererseits wird bei Verwendung einer Filtermembran, die solch eine Struktur aufweist, daß die Porengröße kontinuierlich oder diskontinuierlich in der Dickenrichtung der Membran verändert ist und eine Oberflächenseite der Membran unterschiedliche Porengrößen im Vergleich zur anderen Oberflächenseite besitzt, d. h., wenn eine sogenannte anisotrope Membran auf solche Art verwendet wird, daß die Oberflächenseite mit größerer Porengröße der Filtriergutseite zugeordnet ist, kann der suspendierte Stoff im Innern der Filtermembran festgehalten werden, wobei die Gesamtmenge der filtrierten Flüssigkeit erhöht wird. Bei der Erfindung wird die Durchschnittsporengröße auf den Membranoberflächen und in deren Innern mit Hilfe eines Elektronenmikroskopbildes berechnet.

Falls die durchschnittliche Porengröße der Poren auf der Oberflächenseite der anisotropen Membran mit der größeren Porengröße extrem größer ist als die durchschnittliche Porengröße der Dichtenschicht mit der kleinsten Porengröße, wird der suspendierte Stoff einheitlich in Querschnittsrichtung der dichten Schicht im Innern der Membran dispergiert und im Gebiet der dichten Schicht festgehalten. Daher können die Charakteristiken der anisotropen Membran nicht gezeigt werden und die Filtration führt zu dem selben Ergebnissen wie bei einer isotropen Membran, wobei die suspendierten Stoffe auf der Oberfläche der Membran festgehalten werden. Die Membran muß eine anisotrope Struktur haben, die geeignet ist, um den suspendierten Stoff im Innern der Membran zu dispergieren und festzuhalten, um das Merkmal der anisotropen Membran anzuzeigen. Die anisotrope Struktur ist definiert durch das Verhältnis der durchschnittlichen Porengröße auf der Oberflächenseite der Membran mit der größeren Porengröße zu derjenigen auf der dichten Schicht in beiden Fällen, in denen die dichte Schicht auf der Oberflächenseite der Membran und in deren Innerem vorhanden ist. Die durchschnittliche Porengröße der dichten Schicht der Mikrofiltermembran beträgt im allgemeinen 0,05 bis 10 µm. Bei der anisotropen Membran beträgt die durchschnittliche Porengröße auf der Oberflächenseite mit größerer Porengröße im allgemeinen 1 bis 100 µm und die durchschnittliche Porengröße auf der Oberflächenseite mit größerer Porengröße beträgt das 1- bis 1000-fache der Porengröße der dichten Schicht. Bei einer bevorzugten anisotropen Struktur zum Erhalt einer großen Menge an filtrierter Flüssigkeit beträgt die durchschnittliche Porengröße auf der Oberflächenseite mit großer Porengröße wenigstens das 2-fache, jedoch nicht mehr als das 50- fache der Porengröße der dichten Schicht. Bevorzugt wird eine solche Struktur mit einem Bereich der Porengröße auf der Oberflächenseite mit größerer Porengröße zu der dichten Schicht derart, daß die durchschnittliche Porengröße gleichförmig verringert ist, um die suspendierten Stoffe gleichförmig im Inneren der Membran zu dispergieren. Bevorzugt ist, daß die Dicke der Filtermembran dicker ist, um die suspendierten Stoffe in verbessertem Maße festzuhalten. Die Dicke der Filtermembran beträgt 20 bis 1000 µm, vorzugsweise 100 bis 300 µm unter Berücksichtigung der Festigkeit und Handhabbarkeit der Filtermembran.

Suspendierte Teilchen in Fermentationsbrühen sind agglomerierte Teilchen, umfassend Pilze, Bakterien, Hefe, Hypha, Bestandteile in einem Kulturmedium und Proteine sowie Polysaccharide, von einem Fermentations-Metabolit stammen. Deren Partikelgröße erreicht von Submicron-Partikeln mit einer Partikelgröße von etwa 0,1 µm bis zu großen Partikeln mit einer Partikelgröße von einigen 10 µm. Die durchschnittliche Partikelgröße, die Partikelgrößenverteilung und die Konzentration variieren in Abhängigkeit der Arten der Fermentationsbrühen. Der Filtrationstypus variiert in Abhängigkeit der Produkte. Daher ist die kleinste zu entfernende Partikelgröße nicht definiert. Beispielsweise beträgt im Falle von Bier die Partikelgröße meistens 2 bis 5 µm und die Konzentration der suspendierten Stoffe beträgt 0,1 bis 1 g/l. Solches Bier muß durch eine Mikrofiltermembran mit einer durchschnittlichen Porengröße von nicht mehr als 1,5 µm filtriert werden, um eine klare Flüssigkeit zu erhalten. Falls eine Membran verwendet wird mit gleichmäßig in deren Dickenrichtung verteilten Poren, wie beispielsweise eine Nylonmembran, hergestellt durch das in JP-A-55-8887 beschriebene Verfahren, werden alle Partikel auf der Oberfläche der Membran eingefangen oder festgehalten und ein sofortiges Verstopfen der Membran ist die Folge. Wird dagegen die Filtration durch eine Mikrofiltermembran mit einer anisotropen Struktur durchgeführt, wobei die durchschnittliche Porengröße auf der Einlaßseite für die Filtration 4 bis 30 µm und die Durchschnittsporengröße für die Schicht mit einer Minimumporengröße im Inneren der Membran 0,3 bis 3 µm beträgt, läßt sich die Membraneigenschaft bezüglich des Verstopfens in hohem Maße verbessern. Weiterhin wurde gefunden, daß unvollständig unfiltriertes Erstbier praktisch filtriert werden kann wenn die Filtration mit der periodischem Rückwaschen durch eine Filtermembran mit anisotroper Struktur für einen Zeitraum von 5 bis 60 min durchgeführt wird, wobei das Rückwaschen einige Sekunden dauert und diese Verfahrensweise wiederholt angewandt wird.

Alkoholische Getränke wie Bier und japanischer Sake werden filtriert, um Flüssigkeiten zu klären und verschiedene Bakterien wie Hiochi Bacteria (Bacillus Saprogenes) zu entfernen. Für den erstgenannten Zweck genügt eine durchschnittliche Porengröße von etwa 1,5 µm, bevorzugt 0,8 bis 3 µm für die Schicht der anistropen Membran mit Minimumporengröße. Wenn dagegen Bakterien entfernt werden sollen, ist es notwendig die Durchschnittsporengröße der Schicht der anisotropen Membran mit Minimumporengröße auf 0,3 bis 0,6 µm zu verkleinern. Von Vorteil wirkt sich die Verwendung einer durchschnittlichen Porengröße für die Schicht der anisotropen Membran mit Minimumporengröße von 2 bis 10 µm aus, falls die filtrierenden Materialien Bakterien sind, die durch verwinden oder verwickeln große Massen bilden sowie bei der Fermentation von Antibiotika und es ergeben sich auch keine Schwierigkeiten bei nachfolgenden Stufen, obwohl eine geringe Menge an Fermentationsbakterien durchgelassen werden und in das Filtrat gelangen. Im allgemeinen ist es notwendig, daß die durchschnittliche Porengröße der Schicht der anisotropen Membran mit Minimumporengröße nicht größer ist als das 0,8-fache der zu entfernenden Materialien mit Minimumpartikelgröße.

Die optimale Porengröße für die Einlaßseite bei der Filtration hängt von der durchschnittlichen Volumenpartikelgröße der suspendierten Partikel in zu filtrierenden Filtriergut ab und der Partikelgrößenverteilung darin. Im allgemeinen beträgt die Porengröße das zwei- bis zwanzigfache der durchschnittlichen Volumenpartikelgröße der suspendierten Teilchen. In vielen Fällen beträgt die optimale Porengröße das drei- bis fünfzehnfache der durchschnittlichen Volumenpartikelgröße.

Wird eine Filtermembran mit zusammengesetzter Struktur, die durch Integration einer porösen Membran mit nicht gewebtem Stoff oder einem Material mit Netzstruktur erhalten wurde, eingesetzt auf solche Weise, daß die nicht gewebte Stoffseite oder Netzstruktur der Filtriergutseite zugeordnet ist, lassen sich die suspendierten Stoffe in verstärktem Maße festhalten. Wenn insbesondere die Partikelgrößenverteilung der suspendierten Stoffe groß ist, werden diese besonders gut festgehalten, da suspendierte Stoffe mit großer Partikelgröße im Innern des nicht gewebten Stoffes und suspendierter Stoffe mit kleiner Partikelgröße im Innern der porösen Membran festgehalten werden. Wird weiterhin das Rückwaschen periodisch durchgeführt, ergibt sich ein Problem insofern, als eine hohe Beladung während des Rückwaschens auf die Filtermembran erfolgt und die Membran bei zu geringer Membranfestigkeit gebrochen wird. Wenn jedoch eine poröse Membran mit dem nicht gewebten Stoff kombiniert wird, läßt sich die Festigkeit der Membran stark erhöhen. Die Integration der porösen Membran mit dem nicht gewebten Stoff oder dem Material mit Netzstruktur läßt sich durchführen durch punktweises oder linienweises Hitzeversiegeln mit einem Klebstoff, jedoch läßt sich auch eine poröse Struktur durch Auftragen einer Lösung bilden (die zu einer Filtermembran geformt wird) direkt auf den nicht gewebten Stoff oder das Material mit Netzstruktur, der das Einwirken eines Teils der porösen Membran in den nicht gewebten Stoff zuläßt, wie dies in der JP-B-45-13 931 beschrieben ist.

Bei Durchführung des Rückwaschens bei der erfindungsgemäßen Dead-End-Filtration ergibt die Verwendung einer Flüssigkeit eine bessere Wirkung als die eines Gases. Wenn das Einbringen von Fremdsubstanzen von außen vermieden werden soll, kann die durchgelassene Flüssigkeit als Rückwaschflüssigkeit verwendet werden. Zur Vermeidung der Verminderung der Menge durchgelassener Flüssigkeit oder des Filtrats ist es bevorzugt, daß eine frische Rückwaschflüssigkeit von außen zugeführt wird und das Rückwaschen mit einer erforderlichen Menge an Rückwaschflüssigkeit durchgeführt wird. Hierbei kann grundsätzlich jede Art von Rückwaschflüssigkeit verwendet werden, solange die Zufuhr von Rückwaschflüssigkeit von außen die Filtermembrancharakteristiken oder Filtriergutcharakteristiken nicht verändert oder verschlechtert. Im allgemeinen ist es bevorzugt, sterilisiertes Wasser dann zu verwenden, wenn das Filtriergut eine wässrige Lösung ist. Ebenfalls bevorzugt ist eine Entwässerung durch Gas, falls kein Rückwaschwasser nach dem Rückwaschen in dem Filtrationssystem bleiben soll. Falls das Rückwaschen durchgeführt wird nachdem der Filtrat-Flux durch die Membran extrem herabgesetzt ist, wird der Filtrat-Flux durch die Membran nach dem Rückwaschen schlecht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die suspendierten Stoffe tief in das Innere der Filtermembran eindringen und die akkumulierten suspendierten Stoffe sich verdichten oder infolge einer Langzeitfiltration fest an der Filtermembran haften, so daß es unmöglich wird, die während des Rückwaschens angesammelten suspendierten Stoffe ständig zu entfernen. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, das Rückwaschen durchzuführen bevor die Flußrate für die durchgelassene Flüssigkeit 1/1000 derjenigen am Anfang der Filtration beträgt, wenn eine Filtration unter konstantem Druck durchgeführt wird. Insbesondere ist es bevorzugt, das Rückwaschen durchzuführen, bevor die Flußrate 1/10 derjenigen am Anfang der Filtration beträgt, um eine höhere Flußrate für die durchgelassene Flüssigkeit zu behalten. Wird eine Filtration mit konstanter Rate durchgeführt, ist es bevorzugt, das Rückwaschen durchzuführen, bevor die Druckdifferenz zwischen beiden Filtermembranseiten das 100-fache derjenigen am Anfang der Filtration erreicht, da in dem Fall, in dem das Rückwaschen durchgeführt wird nachdem die Druckdifferenz zwischen beiden Filtermembranseiten angestiegen ist, die Wiedereinstellung der Druckdifferenz nach dem Rückwaschen schlecht ist und damit die Waschfähigkeit für die Filtermembran schlecht wird. Insbesondere bevorzugt wird das Rückwaschen durchgeführt bevor die Druckdifferenz das zehnfache derjenigen am Anfang der Filtration beträgt. Demgemäß wird die erforderliche Zeit bis zum Rückwaschen nach Beginn der Filtration kurz, und es ist bevorzugt, daß bei hohem Widerstand der suspendierten Stoffe das Rückwaschen wenigstens 0,5 min, jedoch nicht mehr als 3 min nach Durchführen der Filtration erfolgt. Falls eine große Menge Rückwaschflüssigkeit durch die Filtermembran mit hoher Flußrate durchströmt, erhöht sich die Waschfähigkeit. Wenn jedoch das Rückwaschen für einen langen Zeitraum durch Erhöhen des Filtrat- Flux der Rückwaschflüssigkeit durchgeführt wird, ergibt sich nicht nur eine erhöhte Menge an Rückwaschflüssigkeit, sondern auch das Verhältnis Rückwaschzeit zur Filtrationszeit wird ebenfalls erhöht und der Durchschnittsfiltrat-Flux praktisch erniedrigt. Demgemäß ist es bevorzugt, die Filtrationsfaktoren wie die Flußrate und Flußzeit so zu setzen, daß eine genügende Flußrate für die durchgelassene Flüssigkeit wieder erreicht werden kann. Vorzugsweise beträgt die Durchflußrate wenigstens 1·10-4 m3/m2/s und die Durchflußzeit beträgt wenigstens 1 s, jedoch nicht mehr als 30 s.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Dead-End-Filtrationssystems,

Fig. 2 ein herkömmliches Querstrom-Filtrationssystem,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Dead-End-Filtrationssystem,

Fig. 4 einen Querschnitt einer Filtermembran,

Fig. 5 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen anisotropen Membran,

Fig. 6 die Ergebnisse für den Filtrat-Flux in Abhängigkeit von der Zeit bei Filtration einer E. Coli-haltigen Kulturbrühe einmal für die erfindungsgemäße Dead-End-Filtration mit periodischem Rückwaschen und einmal für die Querstrom-Filtration mit Rückwaschen und einmal für eine herkömmliche Dead-End-Filtration,

Fig. 7 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Filtrat-Flux von der Zeit beim Filtrieren von agglomeriertes Protein enthaltendem Bier mit der erfindungsgemäßen Dead-End-Filtration, der herkömmlichen Querstrom-Filtration und der herkömmlichen Dead-End-Filtration zeigt,

Fig. 8 ein Diagramm, das den Unterschied in der Gesamtmenge der filtrierten Flüssigkeit in Abhängigkeit vom Verhältnis der Porengröße beim Filtrieren von agglomeriertes Protein enthaltendem Bier mit dem erfindungsgemäßen Filtrationssystem zeigt, wobei die Oberfläche mit den größeren Poren in der Filtermembran mit unterschiedlicher Anisotropie, die der Vorratsflüssigkeit zugewandte Seite ist,

Fig. 9 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Menge (1) der durchgelassenen Flüssigkeit vom Filtrat-Flux für reines Wasser der Filtermembran beim Filtrieren einer E. Coli-haltigen Kulturbrühe zeigt,

Fig. 10 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Gesamtmenge (1) der filtrierten Flüssigkeit von der Filtrationszeit beim Filtrieren von agglomeriertes Protein enthaltendem Bier zeigt,

Fig. 11 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Filtrationsdrucks von der Zeit darstellt, wenn beim Filtrieren von Hefeweizenbier die Anisotropie der Filtermembran und der Flux geändert wird,

Fig. 12 ein Diagramm, das die Filtrationsdruckkurven beim Filtrieren von Hefeweizenbier mit periodischem Rückwaschen zeigt,

Fig. 13 einen Vergleich der Filtrationsdruckzunahme beim Filtrieren einer E. Coli-haltigen Kulturbrühe durch Verändern der Porengröße der Filtermembranoberfläche, wobei die Oberfläche zuerst in Kontakt mit denen zu filtrierendem Filtriergut gebracht wurde,

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform eines Filtrationssystems vom Dead-End-Typ gemäß der Erfindung mit periodischem Rückwaschen.

In Fig. 1 bezeichnet der Pfeil 1 die Strömungsrichtung des Filtrierguts bei der Dead-End-Filtration und Pfeil 2 gibt die Strömungsrichtung der durchgelassenen Flüssigkeit wieder. Die suspendierten Stoffe 3 sammeln sich als Niederschlagsschicht 4 auf der Filtermembran 5.

Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Querstrom-Filtrationsanordnung, wobei der Pfeil 6 die Strömungsrichtung des Filtrierguts bei der Querstrom-Filtration angibt und Pfeil 7 die senkrecht dazu verlaufende Strömungsrichtung der durchgelassenen Flüssigkeit angibt. Die suspendierten Stoffe 8 sammeln sich als Niederschlag 9 auf der Filtermembran 10.

Fig. 3 zeigt ein Flußdiagram eines erfindungsgemäßen Filtrationssystems vom Dead-End-Typ mit einem Einlaß 11 für das Filtriergut, einem Auslaß 12 für die durchgelassene Flüssigkeit, einem Einlaß 13 für die Rückwaschflüssigkeit, einem Auslaß 14 für die Abfallflüssigkeit, einen Filter 15 mit einer Filtermembran 16, einem Gaseinlaß 17, einer Druckeinrichtung 18, einer Pumpe 19, sowie einem Sterilisationsfilter 20 sowie in den Zuleitungen zwischen Pumpe 19, Filter 15 und Sterilisationsfilter 20 angeordneten elektromagnetischen Ventilen 21.

In diesem System wird nach Durchführen der Filtration in dem Filter 15 sterilisiertes Wasser durch den Einlaß 13 für die Rückwaschflüssigkeit durch die Membranseite für die durchgelassene Flüssigkeit zu der Membranseite des Filtergutes geführt und das sterilisierte Wasser wird zusammen mit den von der Filtermembran entfernten oder desorbierten suspendierten Stoffen über einen Auslaß 14 für die Abfallflüssigkeit aus dem Filtrationssystem entfernt. Nachfolgend wird das im Filtrationssystem verbleibende sterilisierte Wasser mittels Gasdruck, der über den Gaseinlaß 17 auf die Leitungen beaufschlagt wird, aus dem Filtrationssystem entfernt und die Filtration wird erneut durchgeführt. Bei Wiederholung dieses Zyklus läßt sich ein hoher Filtrat-Flux aufrechterhalten, ohne daß die Konzentration der suspendierten Stoffe in dem Filtergut erhöht wird.

Fig. 4 zeigt im Querschnitt einer Filtermembran die Ansammlung suspendierter Stoffe, die auf der Oberfläche der Filtermembran 22 festgehalten werden. Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Struktur einer Filtermembran gemäß der die suspendierten Stoffe 25 im Innern der Membran 24 festgehalten werden können, so daß die suspendierten Stoffe 25 nicht zu einem bemerkenswert hohen Widerstand führen, und infolgedessen eine große Menge an gefilterter Flüssigkeit erhalten wird.

Auf Fig. 5 bis 13 wird in den nachfolgenden Beispielen Bezug genommen.

Fig. 14 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Filtrationssystems vom Dead-End-Typ mit periodischem Rückwaschen, bei dem die Filtermembran in einem Filtergehäuse 34 untergebracht ist. Eine Filtergutflüssigkeit 37 strömt durch Antrieb mittels einer Filtrationspumpe 35 durch die Filtermembran, wobei die durchgelassene Flüssigkeit in einem Vorratsbehälter 38 aufgefangen wird. Die Rückwaschflüssigkeit in Form von sterilisiertem Wasser 39, wird wie in Fig. 3 beschrieben, über eine Rückwaschpumpe 36 und elektromagnetische Ventile durch die Membranaustrittsseite für die durchgelassene Flüssigkeit in Richtung der dem Filtriergut zugewandten Membranseite gefördert und die Rückwaschflüssigkeit über einen Auslaß 41 aus dem Filtriersystem entfernt. Noch verbleibendes sterilisiertes Wasser im Filtrationssystem wird wiederum durch Druckbeaufschlagung über einen Gaseinlaß 40 auf die Zuleitungen aus dem Filtrationssystem entfernt und der Filtrationskreislauf beginnt von Neuem.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. Sämtliche Teile sind als Gewichtsteile zu verstehen.

Beispiel 1

E. Coli (IFO 3301) werden in ein Kulturmedium, enthaltend 10 g/l Glucose, 5 g/l Polypepton, 5 g/l Hefeextrakt und 5 g/l Natriumchlorid, eingebracht und 18 Stunden durch Schütteln der Kultur kultiviert, wodurch eine zu filtrierende Massenlösung erhalten wird. Die Kulturbedingungen sind derart, daß die Temperatur 37°C und der pH-Wert 7,0 betragen. Das Filtriergut wird durch eine Mikrofiltermembran mit einer nominalen Porengröße von 0,2 µm mittels einer Dead-End-Filtration filtriert, wobei das Rückwaschen gemäß der Erfindung periodisch durchgeführt wird. Der verwendete Filter besitzt eine wirksame Membranfläche von 100 cm2. Die experimentellen Bedingungen sind derart gewählt, daß die Druckdifferenz 0,5·105 Pa, die Temperatur der Lösung 25°C, der Rückwasch-Flux 1·10-3 m3/m2/s, die Rückwasch-Zeit 3 s betragen, wobei als Rückwaschflüssigkeit sterilisiertes Wasser verwendet wird. In Fig. 6 sind die Ergebnisse dargestellt, die bei Durchführung der Filtration gemäß der Erfindung erhalten werden (Kurve 26), zusammen mit den Ergebnissen, die erhalten werden bei Durchführung des Rückwaschens mit der durchgelassenen Lösung als Rückwasch-Flüssigkeit bei einem Querstrom-Filtrationssystem (Kurve 27) (Betriebszeit 120 s, Rückwasch-Zeit 3 s) (Vergleichsbeispiel) sowie die Ergebnisse, die erhalten werden bei Durchführung einer herkömmlichen Dead-End-Filtration (Kurve 28) (Vergleichsbeispiel).

Aus diesen Ergebnissen ergibt sich, daß der Filtrat-Flux bei einer herkömmlichen Dead-End-Filtration mit der Zeit Null erreicht und der Filtrat-Flux graduell vermindert ist ohne durch Rückwaschen bei der Querstrom-Filtration in genügendem Ausmaß zurückgewonnen zu werden, während ein hoher Wert für den Filtrat-Flux bei einer Dead-End-Filtration mit periodischem Rückwaschen gemäß der Erfindung erhalten wird.

Beispiel 2

In im Handel erhältlichem Bier werden 20 ppm Gerbsäure gelöst und Protein wird zum Erhalt einer Suspension agglomeriert. Die Suspension wird durch eine anisotrope Mikrofiltermembran mit einer nominalen Porengröße von 2,0 µm mittels Dead-End-Filtration mit periodischem Rückwaschen gemäß der Erfindung filtriert, wobei die Oberfläche mit großer Porengröße als Suspensionsseite angeordnet ist. Die anisotrope Membran wird wie folgt hergestellt: Eine Rohlösung, enthaltend 15 Teile Polysulfon (P 3500, hergestellt durch Amoco Co.), 15 Teile Polyvinylpyrrolidon und 3 Teile Wasser, gelöst in 70 Teilen N-Methylpyrrolidon, werden mit einer Dicke von 180 µm des Lösungsfilms auf ein Glasblatt unter Verwendung einer Beschichtungseinrichtung zum Gießen überzogen und die Oberfläche des Lösungsfilms wird mit einer Rate von 2 m/s der Luft ausgesetzt bei einer Temperatur von 25°C und 45% relativer Luftfeuchte (RH). Sofort danach wird der Film in ein mit Wasser gefülltes Koagulationsbad mit einer Temperatur von 25°C eingetaucht, um die Membran zu erhalten. Der verwendete Filter besitzt eine wirksame Membranfläche von 100 cm2. Die experimentellen Bedingungen sind derart, daß die Druckdifferenz 0,5·105 Pa, die Lösungstemperatur 2°C, die Filtrationszeit 60 s, der Rückwasch-Flux 5·10-3 m3/m2/s und die Rückwasch-Zeit 4 s beträgt, wobei als Rückwasch-Flüssigkeit sterilisiertes Wasser verwendet wird.

In Fig. 7 sind die Ergebnisse dargestellt, die erhalten werden bei Durchführung der Filtration mit dem erfindungsgemäßen Filtrationssystem (Kurve 29) zusammen mit den Ergebnissen, die erhalten werden bei Durchführung des Rückwaschens mit durchgelassener Lösung als Rückwaschflüssigkeit bei einem Querstrom- Filtrationssystem (Kurve 30) (Betriebszeit 60 s, Rückwasch-Zeit 3 s) (Vergleichsbeispiel) und den Ergebnissen, die mittels herkömmlicher Dead-End-Filtration (Kurve 31) (Vergleichsbeispiel) erhalten werden. Diese Ergebnisse zeigen, daß der Filtrat-Flux bei einer herkömmlichen Dead-End-Filtration Null erreicht und der Filtrat-Flux der Querstrom-Filtration mit Rückwaschen graduell vermindert ist ohne in ausreichendem Maß zurückgewonnen zu werden, während ein hoher Wert für den Filtrat-Flux bei der Dead-End-Filtration mit periodischem Rückwaschen gemäß der Erfindung erhalten bleibt.

Beispiel 3

In im Handel erhältlichem Bier werden 20 ppm Gerbsäure gelöst und Protein wird zur Bildung einer Suspension agglomeriert. Die Suspension wird durch eine Mikrofiltermembran mit unterschiedlicher Anisotropie (wobei die dichte Schicht eine durchschnittliche Porengröße von 2,0 µm besitzt) durch Dead-End-Filtration mit periodischem Rückwaschen gemäß der Erfindung filtriert, wobei die Oberfläche der Membran mit größerer Porengröße als Suspensionsseite angeordnet ist. Die anisotrope Membran wird durch Eintauchen des gegossenen und der Luft ausgesetzten Films in mit Wasser gefüllte Koagulationsbäder bei verschiedenen Temperaturen wie nachfolgend angegeben, hergestellt:

(1) 3°C, (2) 20°C, (3) 35°C, (4) 45°C oder (5) 80°C gemäß dem in Beispiel 2 angegebenen Verfahren. Die hergestellte Membran ist eine anisotrope Membran mit einer dichten Schicht darin. Die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Porengröße der Oberflächenseite mit höherer Porengröße und der durchschnittlichen Porengröße der dichten Schicht ist in nachfolgender Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1


Der verwendete Filter besitzt eine wirksame Membranfläche von 100 cm2. Die experimentellen Bedingungen sind derart gewählt, daß die Druckdifferenz 0,5·105 Pa, die Lösungstemperatur 2°C, die Filtrationszeit 60 s, der Rückwasch-Flux 5·10-3 m3/m2/s und die Rückwasch-Zeit 4 s betragen, wobei als Rückwasch-Flüssigkeit sterilisiertes Wasser verwendet wird. In Fig. 8 sind die Ergebnisse der Gesamtmenge der filtrierten Lösung nach einer Filtrationsdauer von 4 Stunden angegeben für den Fall, daß die Dead-End-Filtration unter Verwendung einer isotropen Membran und der wie oben angegeben hergestellten Membran durchgeführt wird. Dabei wird gefunden, daß die Gesamtmenge der gefilterten Lösung hoch ist, wenn die Durchschnittsporengröße der Oberflächenseite mit höherer Porengröße der anisotropen Membran wenigstens das 2-fache, jedoch nicht größer als das 1000-fache der durchschnittlichen Porengröße der dichten Schicht ist.

Beispiel 4

Das Filtriergut oder die Bulklösung nach Beispiel 1 wird als Suspension verwendet. Die Suspension wird durch jedes dreier anisotroper Filtermembranen mit einer nominalen Porengröße von 0,2 µm (die hinsichtlich des reinen Wasser-Filtrat-Fluxes unterschiedlich sind) mittels der Dead-End-Filtration mit periodischem Rückwaschen gemäß der Erfindung filtriert, wobei die Oberflächenseite mit höherer Porengröße als Suspensionsseite angeordnet ist. Die anisotrope Membran wird wie folgt hergestellt: Eine Lösung enthaltend 15 Teile Polysulfon (P 3500, hergestellt durch Amoco Co.), 15 Teile Polyvinylpyrrolidon und 2 Teile Wasser, gelöst in 70 Teilen N-Methylpyrrolidon, wird mit einer Flüssigkeitsdicke von 180 µm auf eine Glasplatte mittels einer Beschichtungseinrichtung zum Gießen gegossen und die Oberfläche des Flüssigkeitsfilms wird der Luft mit einer Rate von 2 m/s für die Zeiträume von 1 s, 2 s und 3 s ausgesetzt, wobei die Luft eine Temperatur von 25°C und 45% RH aufweist. Sofort danach wird jeder Film in ein mit Wasser gefülltes Koagulationsbad eingetaucht, um jede Membran herzustellen. Bei einer Temperatur von 25°C werden für diese drei Filtermembranen folgende Werte für den Reinwasser-Filtrat-Flux erhalten:

0,5·10-4 m3/m2/s/atm, 1,0·10-4 m3/m2/s/atm und 1,5·10-4 m3/m2/s/atm.

Der verwendete Filter besitzt eine wirksame Membranfläche von 100 cm2. Die experimentellen Bedingungen sind derart, daß die Druckdifferenz 0,5·105 Pa, die Flüssigkeitstemperatur 2°C, der Rückwasch-Flux 5·10-3 m3/m2/s und die Rückwasch-Zeit 4 s betragen, wobei als Rückwasch-Flüssigkeit sterilisiertes Wasser verwendet wird. Fig. 9 zeigt einen Vergleich der Gesamtmengen der durchgelassenen oder durchgetretenen Lösungen nach 4-stündiger Filtration. Es ist ersichtlich, daß bei einem Übersteigen des Reinwasser-Filtrat-Flux der Filtermembran von 1·10-4 m3/m2/s/atm die Rückgewinnung des Filtrat-Flux durch Rückwaschen verbessert ist und eine beträchtlich hohe Menge an durchgelassener oder durchgetretener Lösung erhalten wird.

Beispiel 5

In im Handel erhältlichem Bier werden 20 ppm Gerbsäure gelöst und Protein wird zur Bildung einer Suspension agglomeriert. Die Suspension wird durch eine anisotrope zusammengesetzte Membran mit einer nominalen Porengröße von 2,0 µm mittels Dead-End-Filtration mit periodischem Rückwaschen gemäß der Erfindung filtriert. Diese anisotrope zusammengesetzte Membran wird aus nicht gewebtem Polypropylen Stoff mit einem Gewicht von 1 g/m2 und einer Dicke von 0,2 mm hergestellt und eine Membran wird durch Vergießen der Lösung gemäß Beispiel 2 in eine Membran unter den Bedingungen gemäß Beispiel 2 erhalten. Bei der Filtration ist die nicht gewebte Stoffseite als Suspensionsseite angeordnet. Der verwendete Filter besitzt eine wirksame Membranfläche von 100 cm2. Die experimentellen Bedingungen sind derart, daß die Druckdifferenz 0,5·105 Pa, die Temperatur der Lösung 2°C, die Filtrationszeit 60 s, der Rückwasch-Flux 5·10-3 m3/m2/s und die Rückwasch-Zeit 4 s betragen, wobei sterilisiertes Wasser als Rückwasch-Flüssigkeit verwendet wird. Fig. 10 zeigt die Änderung der Gesamtmenge der durchgelassenen oder durchgetretenen Flüssigkeit mit der Zeit zusammen mit den Ergebnissen, die unter Verwendung der Filtermembran (33) mit den größeren Poren auf der Filtriergutseite gemäß Beispiel 2 erhalten werden. Falls die durch Integration der porösen Membran mit dem nicht gewebten Stoff erhaltene zusammengesetzte Membran (32) eingesetzt wird, läßt sich die Menge der durchgelassenen Flüssigkeit weiterhin erhöhen.

Beispiel 6

15 Teile Polysulfon (P 3500, hergestellt durch Amoco Co.), 70 Teile N-Methyl-2-pyrrolidon, 2 Teile Wasser und 15 Teile Polyvinylpyrrolidon werden zur Herstellung einer Lösung gleichförmig gelöst. Die Lösung wird in solch einer Menge gegossen, daß sich eine Dicke von 180 µm ergibt. Der Film wird Luft mit einer Temperatur von 25°C und 60% RH für einen Zeitraum von 6 s ausgesetzt und in Wasser mit einer Temperatur von 15°C zum Erhalt einer anisotropen Mikrofiltermembran, die in ihrem Inneren eine dichte Schicht aufweist, eingetaucht. Die Porengröße der Membran wird gemäß ASTM-F316 gemessen. Die durchschnittliche Porengröße ergibt sich zu 1,4 µm. Es wird eine SEM-Querschnittsaufnahme der Membran gefertigt. Die durchschnittliche Porengröße der Schicht mit minimaler Porengröße wird mit der Schicht mit maximaler Porengröße auf der Oberfläche der Membran verglichen, und es ergibt sich ein anisotropes Verhältnis von ungefähr 1 : 8 (diese Membran wird als Membran B bezeichnet). Es wird dieselbe Lösung wie vorstehend beschrieben gegossen. Der gegossene Film wird an Luft mit einer Temperatur von 25°C und 60% RH für einen Zeitraum von 5 s ausgesetzt und in Wasser mit einer Temperatur von 45°C zum Erhalt einer anisotropen Mikrofiltermembran mit einer dichten Schicht in ihrem Inneren eingetaucht. Die Porengröße der Membran wird gemäß ASTM-F316 gemessen. Die Durchschnittsporengröße beträgt 1,5 µm. Es wird eine SEM-Querschnittsaufnahme angefertigt. Die durchschnittliche Porengroße der Schicht mit einer Minimumporengröße wird verglichen mit derjenigen einer Schicht mit Maximumporengröße auf der Oberfläche der Membran und es wird ein Anisotropie-Verhältnis von ungefähr 1 : 15 gefunden (diese Membran wird als Membran C bezeichnet).

Hefeweizenbier (Oberdorfer, Deutschland) wird analysiert und es ergibt sich, daß die Gesamtmenge der suspendierten Stoffe 0,27 g/l, die Hefezahl 5·103/l, der agglomerierte Polysaccharidgehalt 35 mg/l, der agglomerierte Proteingehalt 70 mg/l und die Hefegröße ungefähr 5 µm beträgt. Dieses Bier wird als zu filtrierende Massenlösung verwendet und durch jede der wie vorstehend angegeben hergestellten Membranen und eine NP-Membran einer homogenen Struktur filtriert (Durchschnittsporengröße: 1,4 µm, bezeichnet als Membran A, hergestellt durch Pall Co.), unter solchen Bedingungen, daß der Filtrat-Flux 50 l/m2·min, 20 l/m2·min und 5 l/m2·min beträgt. Die Kurve für die Zunahme des Filtrationsdrucks wird gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 11 dargestellt. Die Bezeichnungen für Fig. 11 sind in folgender Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2


Beispiel 7

Das gleiche wie in Beispiel 6 beschriebene Hefeweizenbier wird durch die gemäß Beispiel 6 hergestellte Membran filtriert, wobei das Rückwaschen unter nachfolgenden Bedingungen wiederholt wird. Fig. 12 zeigt die Ergebnisse, die erhalten werden bei Durchführung der Filtration bei einem Filtrat-Flux von 10 l/m2·min für einen Zeitraum von 3 s in Intervallen von 8 Minuten während das Rückwaschen durchgeführt wird, sowie die Ergebnisse, die erhalten werden bei Durchführung der Filtration bei einem Filtrat- Flux von 20 l/m2·min für einen Zeitraum von 3 s in 4-minütigen Intervallen während rückgewaschen wird. Das Rückwaschen wird unter Verwendung von Wasser mit einem Flux von 200 l/m2·min durchgeführt.

Aus den obigen Ergebnissen ergibt sich, daß das anisotrope Verhältnis der Porengröße der Membran und der Filtrat-Flux einen großen Einfluß auf die Zunahmerate des Filtrationsdruckes besitzen und eine große Menge an Flüssigkeit filtrierbar ist, falls ein periodisches Rückwaschen angewendet wird.

Beispiel 8

Fünf Membranen mit einer durchschnittlichen Porengröße der Schicht mit der Minimumporengröße von 0,4 µm und den durchschnittlichen Porengrößen der Schichten mit Maximumporengröße auf der Oberfläche der Membranen im Bereich von 2 µm bis 30 µm werden auf gleiche Weise wie in Beispiel 6 hergestellt. Die gleiche E. Coli-Kulturflüssigkeit wie in Beispiel 1 wird als zu filtrierende Massenlösung verwendet. Die Zeit für die Zunahme des Filtrationsdruckes wird gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 13 dargestellt. Zum Vergleich wird zur selben Zeit eine isotrope Membran (Polyvinylidenfluorid, 0,4 µm, hergestellt durch Millipoa Corporation, Bedford, Massachusetts) vermessen.

Aus Fig. 13 ergibt sich, daß die Zunahmerate des Filtrationsdruckes der anisotropen Membranen mit einer durchschnittlichen Porengröße von 2 µm für die Schicht mit Maximumporengröße langsamer ist als die Zunahme des Filtrationsdruckes der isotropen Membran. Die Membranen mit einer durchschnittlichen Porengröße von 4 µm und 8 µm für die Schicht mit Maximumporengröße sind insbesondere für die Verwendung bei der Filtration von E. Coli mit einem Durchmesser von 0,6 µm und einer Länge von 1 bis 2 µm geeignet. Die Filtration ist auch wirksam durchführbar, wenn die Dead-End-Filtration während dem periodischem Rückwaschen durchgeführt wird.

Erfindungsgemäß läßt sich ein hoher Filtrat-Flux durch die Membran bei einem Dead-End-Filtrationssystem mit periodischem Rückwaschen erhalten und die Trennung, Rückgewinnung, Reinigung und Konzentrierung der suspendierten Komponenten aus Flüssigkeiten, die verschiedene suspendierte Materialien enthalten, ist wirksam und ökonomisch durchführbar. Es ergibt sich ein kontinuierliches Betriebsverfahren mit gleichzeitiger Verkleinerung der zu verwendenden Einrichtungen. Weiterhin läßt sich unter Verwendung der Membranselektivität das gewünschte Material kontinuierlich und selektiv abtrennen. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar bei Bioreaktoren für Hefe und Zellen und zeigt im Vergleich zu herkömmlichen Techniken Vorteile, wie einfache Handhabung und Durchführung.


Anspruch[de]
  1. 1. Filtrationssystem vom Dead-End-Typ, bei dem ein Filtriergut umfassend eine suspendierte Stoffe enthaltende Flüssigkeit durch eine Mikrofiltermembran filtriert wird, um die Flüssigkeit von den suspendierten Stoffen zu trennen und ein Rückwaschen periodisch unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, daß der Druck auf der Filtermembranseite für die durchgelassene Flüssigkeit höher ist als der Druck auf der Filtermembranseite für das Filtriergut und die Rückwaschflüssigkeit zusammen mit den von der Filtermembran entfernten suspendierten Stoffen aus dem Filtrationssystem nach außen abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrationssystem eine Filtermembran (16) mit einer anisotropen Struktur aufweist, wobei die Porendurchmesser der Filtermembran kontinuierlich oder diskontinuierlich in Dickenrichtung der Filtermembran (16) verändert sind und die Porendurchmesser auf der einen Filtermembranseite unterschiedlich zu denjenigen auf der anderen Filtermembranseite sind.
  2. 2. Filtrationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Porengröße der Filtermembranseite mit größeren Poren wenigstens das 2-fache, jedoch nicht mehr als das 500-fache der durchschnittlichen Porengröße der dichtesten Schicht im Innern der Filtermembran (16) beträgt.
  3. 3. Filtrationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran (16) derart angeordnet ist, daß die Membranseite mit größerer Porenfläche die Filtriergutseite ist.
  4. 4. Filtrationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtrat-Flux der Filtermembran (16) für reines Wasser bei einer Temperatur von 25°C wenigstens 1·10-4 m3/m2/s/atm beträgt.
  5. 5. Filtrationssystem vom Dead-End-Typ, bei dem ein Filtriergut, umfassend eine suspendierte Stoffe enthaltende Flüssigkeit durch eine Mikrofiltermembran zur Trennung der Flüssigkeit von suspendierten Stoffen gefiltert wird, das Rückwaschen unter solchen Bedingungen periodisch durchgeführt wird, daß der Druck auf der Filtermembranseite für die durchgelassene Flüssigkeit höher ist als der Druck auf der Filtermembranseite für das Filtriergut und die Rückwaschflüssigkeit zusammen mit den suspendierten und von der Filtermembran (16) entfernten Stoffen aus dem Filtrationssystem nach außen abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrationssystem eine Filtermembran (16) mit zusammengesetzter Struktur besitzt, die gebildet ist durch Integration einer Mikrofiltermembran mit einem nicht gewebten Stoff oder einem Material mit Netzwerkstruktur.
  6. 6. Filtrationssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht gewebte Stoffseite oder Materialseite der Filtermembran (16) mit Netzstruktur als Filtriergutseite angeordnet ist.
  7. 7. Filtrationssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filtrat-Flux für reines Wasser der Filtermembran (16) bei einer Temperatur von 25°C wenigstens 1·10-4 m3/m2/s/atm beträgt.
  8. 8. Dead-End-Filtrationsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß (1) eine Mikrofiltermembran (16) mit Anisotropie der Porengröße in Dickenrichtung der Membran verwendet wird, wobei die Porengröße der Membranoberfläche die zuerst in Kontakt mit dem zu filtrierenden Filtriergut gebracht wird, das 2- bis 20-fache Volumen der durchschnittlichen Partikelgröße der suspendierten Partikel im Filtriergut aufweist und die Porengröße der dichtesten Schicht der Membran nicht größer als das 0,8-fache der Partikelgröße der zu entfernenden Partikel ist, und daß (2) Rückwaschen periodisch unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, daß der Druck auf der Filtermembranseite für die durchgelassene Flüssigkeit höher ist als auf der Filtermembranseite für das Filtriergut, wenn die Filtermembran (16) verstopft ist und daß die Rückwaschflüssigkeit zusammen mit den von der Filtermembran (16) entfernten suspendierten Stoffen aus dem Filtrationssystem nach außen abgegeben wird.
  9. 9. Filtrationsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Porengröße der Membranoberfläche, die zuerst in Berührung mit dem zu filtrierenden Filtriergut gebracht wird, 4 bis 30 µm, die Porengröße der dichtesten Schicht der Filtermembran (16) 0,3 bis 3 µm beträgt und daß das zu filtrierende Filtriergut eine fermentierte alkoholische Suspension ist.
  10. 10. Filtrationsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die fermentierte alkoholische Suspension Bier ist und mit einem Fluß oder Flux von nicht mehr als 20 l/m2·min filtriert wird.






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