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Dokumentenidentifikation DE3877837T2 19.05.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0295566
Titel Kleinfiltergerät mit Tangentialströmung.
Anmelder Millipore Corp., Bedford, Mass., US
Erfinder Pacheco, John F., Billerica Massachusetts 01821, US;
Rising, Donald B., Stow Massachusetts 01775, US
Vertreter Feiler, L., Dr.rer.nat.; Hänzel, W., Dipl.-Ing.; Kottmann, D., Dipl.-Ing, Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Aktenzeichen 3877837
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 08.06.1988
EP-Aktenzeichen 881091433
EP-Offenlegungsdatum 21.12.1988
EP date of grant 27.01.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse B01D 61/18
IPC-Nebenklasse B01D 63/08   B01D 65/08   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Membranfilter, insbesondere auf die Filterung bzw. Filtration kleiner Probenvolumina unter Einsatz von Tangentialströmungstechniken

Hintergrund der Erfindung

Das Filtern flüssiger Proben, entweder zum Reinigen der Probenflüssigkeit durch Entfernen von korpuskularen oder molekularen Schmutzstoffen oder zum Konzentrieren bzw. Einengen der Probe zur Laboranalyse, ist eine gut entwickelte Technik. Tangentialströmungssysteme sind für diese Anwendungen gut geeignet, weil diese Systeme im allgemeinen größere Ströme und höheren Durchsätze erlauben als entsprechende sackkanalartige (mit geschlossenem Ende) Membran-Filtersysteme Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "Tangentialströmung" auf eine Strömung bzw. einen Strom, der im wesentlichen parallel zur Oberfläche eines Membranfilters verläuft, und ein Tangentialströmungssystem ist ein System, in dem ein großer Anteil der flüssigen Probe im Gegensatz zu einem viel kleineren Anteil, der durch die Membran fließt, ständig in einer im wesentlichen zur Membranoberfläche parallelen Richtung fließt. In Tangentialfiltersystemen können entweder Membranen mit Mikroporen, Ultrafiltrations-Membranen oder Umkehrosmose- Membranen eingesetzt werden, deren Porengrößen so sind, daß sie Stoffe entsprechend der Molekulargröße trennen. Die Tangentialströmung von Flüssigkeit über die Oberfläche der Membran nimmt ständig die Partikel oder Moleküle mit, welche die Membran aus dem durch die Membran hindurchgetretenen Teil des Fluidstromes zurückgehalten hat, und verhindert dadurch eine Konzentration, Polarisation und/oder ein Verschmutzen bzw. Verstopfen, was zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit in der Qualität der Trennung und der Stromes führt.

Anwendungen, die eine Filtration oder Ultrafiltration kleiner Probenvolumina beeinhalten, weisen insbesondere dann Schwierigkeiten auf, wenn diese Proben eine beträchtliche Menge an Material enthalten, das von der Membran zurückgehalten werden soll. Wie hier verwendet, bezieht sich "kleines Volumen" auf flüssige Proben von 100 ml oder weniger. Da die betroffenen Volumina bei diesen Anwendungen so klein sind, müssen auch die hergestellten Vorrichtungen mit den Membranen zum Filtern der Probe klein sein. Zusätzlich erfordern Pumpen und zugehörige Leitungsverbindungen konventioneller Tangentialströmungssysteme ein erhöhtes Vorlauf bzw. Grundvolumen, das im Verhältnis zum zu filternden Gesamtvolumen einer Probe beträchtlich sein kann. Deshalb ist es schwierig, Tangentialströmungen in diesen kleinen Vorrichtungen zu erzeugen, obwohl es aus den oben genannten Gründen wünschenswert ist, Tangentialströmungstechniken zum Filtern kleiner Volumina einzusetzen. Entsprechend erfolgt die Filtration kleiner Probenvolumina normalerweise mit Sackkanal-Techniken (mit geschlossenem Ende) mit den genannten typischen Nachteilen des Verschmutzens und Verstopfens.

Um diese Unzulänglichkeiten zu beseitigen, wurden beim Stand der Technik Versuche unternommen, Tangentialströmung in kleinen Ultrafiltrations-Vorrichtungen zu simulieren. Beispielsweise wurden in bestimmten Labor-Filtrationsanwendungen Umrührstäbe verwendet. Diese sind jedoch nicht wirkungsvoll, wenn das Probenvolumen weniger als einige Milliliter beträgt, und bieten in jedem Fall nicht die Mitnahmewirkung der Tangentialströmungssysteme. Es ist zu beachten, daß die Mitnahmegeschwindigkeit bei typischen Anwendungen im Zentrum des Umrührstabes Null und an dessen Enden maximal ist. Wird der Stab schnell genug gedreht, um in der Nähe seines Mittelpunktes eine ausreichende Mitnahmewirkung zu erzeugen, kann das zu einer zu großen Mitnahmegeschwindigkeit an den Enden des Umrührstabes führen. Das kann die Probe beschädigen und Verwirbelung am Mittelpunkt verursachen, wodurch Luft in die Probe eingebracht wird.

Ein neuerer Versuch war die Verwendung von Zentrifugal- Ultrafiltrationsmembranvorrichtungen wie der im Handel von Amicon Corporation als Modell MPS-1 angebotene Typ. Bei diesen Vorrichtungen wird die Probe in einer rohrförmigen Patrone bzw. Kartusche mit einer in dem Rohr unter einem Winkel von etwa 45º zu einem durch Drehung der Zentrifuge erzeugten Zentrifugalkraftvektor fest angebrachten Membran eingebracht. Dieses ist ein Versuch, eine Mitnahmewirkung über die Membranoberfläche zu erzeugen, um eine Tangentialströmung zu simulieren; in dieser Vorrichtung verläuft die Strömung jedoch wie in einem Sackkanal und nicht wirklich parallel zur Membran.

Ein weiterer Versuch, eine Tangentialströmung in einer Kleinfiltervorrichtung zu erzeugen, ist in der US-PS-4,343,705 beschrieben. Dieses Gerät umfaßt zwei Behälter, zwischen denen sich ein durch eine mikroporöse Membran begrenzter Strömungskanal befindet, und verwendet abwechselnd unmittelbar auf die Flüssigkeitsoberflächen in den Behältern aufgebrachten Gasdruck, um die Probe vorwärts und rückwärts über die Oberfläche der Membran zu bewegen. Eine solche Anordnung setzt jedoch die Probe einer Verunreinigung durch das unmittelbare Aufbringen des Druckgases aus und erfordert, daß das verbleibende Probenvolumen verhältnismäßig groß ist, um Probleme in Zusammenhang mit dem Einbringen von Luft in die Probe zu verhindern. Darüberhinaus tritt wegen der Notwendigkeit zu häufigen Umkehrungen der Strömung eine Tangentialströmung nur während eines Teils der Zeit auf, in der die Probe in Kontakt mit der Membran steht.

Somit ist ersichtlich, daß keiner der vorstehenden Versuche beim Stand der Technik eine wirkliche Tangentialströmung in dem Sinne erzeugt, daß der Großteil der Flüssigkeitsprobe in paralleler Weise kontinuierlich über die Membranoberfläche geführt wird, wobei nur ein kleiner Teil als gereinigtes Permeat durch die Membran hindurchtritt. Es besteht daher immer noch ein Bedürfnis nach einer für kleine Probenvolumina geeigneten Membranfiltervorrichtung, die eine wirkliche Tangentialströmung in entsprechend kleinen Membranvorrichtungen erzeugen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung überwindet die mit Membranfiltervorrichtungen nach dem Stand der Technik verbundenen bisherigen Nachteile und Einschränkungen, indem ein unabhängiges Membranfiltersystem mit Tangentialströmung bereitgestellt wird. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist das System aus zwei Gehäuseabschnitten aufgebaut und umfaßt in einen der Abschnitte integrierte Beschickungs- bzw. Zuführ- und Permeatbehälter. Ein Strömungskanal erstreckt sich zwischen den beiden Gehäuseabschnitten und ist an einer Seite neben den Zuführ- und Permeatbehältern durch einen Membranfilter begrenzt. Der Flüssigkeitstransport vom Zuführ- zum Permeatbehälter erfolgt durch die Membran hindurch. Eine Tangentialströmung wird durch eine deformierbare Pumpenkammer erzeugt, deren entsprechende Reaktions- bzw. Gegenwirkoberfläche in das Gehäuse der Filtervorrichtung integriert ist. Der Gesamtaufbau der Filtervorrichtung ist so ausgeführt, daß die Vorrichtung eine Tangentialströmung aufrecht erhalten kann.

Weiterhin beeinhaltet die Membranfiltervorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine Ultrafiltrationsmembran (UF) und wird für Probenflüssigkeit mit einem Volumen von 100 ml oder weniger eingesetzt. Die Filtervorrichtung umfaßt ein Gehäuse mit ersten und zweiten Abschnitten und einem Strömungskanal, der sich zwischen diesen beiden Abschnitten erstreckt. Ein UF-Membranfilter ist parallel zu dem Strömungskanal mit einem Gehäuseabschnitt dicht verbunden bzw. versiegelt. Der erste Gehäuseabschnitt beeinhaltet auch getrennte Behälter: einen Einlaß- oder Zuführbehälter zum Aufnehmen einer zu trennenden Flüssigkeit, und einen Auslaß- oder Permeatbehälter zum Aufsammeln von gereinigtem Permeat oder von Streckmittel bzw. Verdünner, wenn die Vorrichtung als ein Konzentrator eingesetzt wird. Eine Pumpenkammer, die eine Länge eines deformierbaren Kunststoffschlauches umfaßt, erstreckt sich von einem Auslaß im zweiten Gehäuseabschnitt, der in Strömungs- bzw. Fluidverbindung mit dem Zuführbehälter steht, und endet an einem Einlaß, der in Strömungs- bzw. Fluidverbindung mit dem Strömungskanal steht. Diese Anordnung bietet somit über den Strömungskanal eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlaßbehälter und der Membran. Die Pumpenkammer ist angrenzend an eine gekrümmte Kontur der Unterseite des zweiten Gehäuseabschnittes angeordnet, die als eine Reaktions- bzw. Gegenwirkungsfläche oder ein "Pumpenschuh" ("pump shoe") wirkt, gegen die der Schlauch während des Pumpens eingeschlossen wird. Im Betrieb wird der Einlaßbehälter mit der Flüssigkeitsprobe gefüllt, die Probe gelangt in die Pumpenkammer und wird dann durch die Wirkung einer peristaltischen Pumpe (Schlauchquetschpumpe), deren Rollen so ausgelegt sind, daß sie entlang der gekrümmten Unterseite des zweiten Gehäuseabschnittes laufen und somit die Pumpenkammer abschließen bzw. abdrücken, um die Pumpwirkung zu erzeugen, an der Membran entlang befördert. Ein Teil des Probenstromes tritt als gereinigtes Permeat durch die Membran hindurch, während der Rest für einen Wiederumlauf zum Einlaßbehälter zurückkehrt. Die Rückwirkung des Srömungskanals erzeugt einen Druck in diesem Kanal, der die treibende Kraft für die Strömung durch die Membran hindurch bereitstellt.

Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgeführten Filtervorrichtung als ein Bestandteil eines Pumpensystems,

Fig. 2 eine geschnittene Seiten- bzw. Endansicht der Ausführungsform von Fig. 1 und

Fig. 3 bis 6 andere Ausführungsformen der Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die Fig. 1 und 2 im Schnitt zeigen eine für Filtration kleiner Volumina geeignete Membranfiltervorrichtung 10, die ein oberes Gehäuse(teil) 12 beeinhaltet, welches aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist und eine langgestreckte Grundfläche bzw. Basis 14 aufweist, wobei sich ein Paar Flüssigkeitsbehälter, durch querverlaufende Wandelemente 15, 16 und 17 festgelegt, vertikal von der Grundfläche erstreckt. Der äußerste linke Behälter (gesehen in Fig. 1) dient als ein Einlaß- oder Zuführbehälter 18 für die zu filternde Probe, während der rechte Behälter ein Auslaß oder Permeatbehälter 20 zum Sammeln des Permeats ist. Die Filtervorrichtung beinhaltet auch ein unteres Kunststoffgehäuse(teil) 22, das so ausgelegt ist, daß es mit dem oberen Gehäuse(teil) zusammenpaßt und mit diesem dicht verbunden bzw. versiegelt wird.

Zwischen den beiden Gehäuseteilen und dicht angebracht an der Unterseite des oberen Gehäuses 12 erstreckt sich ein Ultrafiltrations(UF)-Membranfilter 30 entlang im wesentlichen der gesamten Länge und Breite der beiden Gehäuse(teile). Dieser Membranfilter kann irgend einer aus einer großen Vielfalt im Handel angebotener Membranen sein, wie beispielsweise der von Millipore Corporation unter der Bezeichnung PLGC angebotene Typ. Obwohl eine UF-Membran hier beschrieben ist, kann auch ein mikroporöser oder ein Umkehrosmose-Membranfilter mit gleichermaßen zufriedenstellenden Ergebnissen substituiert werden. Eine Öffnung 21 eines relativ großen Durchmessers an der Unterseite des Zuführbehälters 18 stellt eine Strömungsverbindung zum unteren Kunststoffgehäuse 22 her, während eine Öffnung 23 im oberen Gehäuse eine Strömungsverbindung zwischen der Filtrations- bzw. Filterseite der Membran und dem Permeatbehälter 20 herstellt. Eine Mischöffnung 27 befindet sich unmittelbar hinter der stromabseitigen Kante des Membranfilters, um eine weitere Strömungsverbindungsstrecke mit dem Zuführbehälter bereitzustellen.

Insbesondere mit Bezug auf Fig. 2 bildet die Unterseite bzw. der Boden des oberen Gehäuses 12, an dem der UF-Membranfilter 30 angebracht bzw. angeklebt ist, einen stufenförmigen, erhöhten Vorsprung 25, der eine Lippe oder Kante 26 festlegt, die sich um den gesamten Umfang der Unterseite des Gehäuses 12 erstreckt. Diese Gestaltung erleichtert die Verbindung des oberen Gehäuses 12 mit dem unteren Gehäuse 22, das eine durchgehende Ausnehmung bzw. Vertiefung 50 einschließt, deren Maße so gewählt sind, daß ein Zusammenpassen mit dem Vorsprung 25 (siehe auch Fig. 1) gewährleistet ist. Die Ausnehmung 50 umfaßt eine(n) im allgemeinen rechteckige(n) innere(n) Rinne bzw. Einschnitt 52, die (der) am Einlaß (d.h. am weitesten von der Öffnung 21 entfernt) 0,01 Inch und am Auslaß (d.h. am nächsten an der Öffnung 21) 0,005 Inch hoch ist. Die Rinne besitzt eine gleichmäßige Breite (0,08 Inch) und erstreckt sich in Längsrichtung zwischen der Gehäuse- Strömungsverbindungsöffnung 21 und einer weiteren Öffnung 56 im unteren Gehäuse(teil) 22. Die Rinne bildet damit einen Strömungskanal festgelegter Breite und Höhe, der sich verjüngt bzw. schräg verläuft, so daß er am Auslaß kleiner ist als am Einlaß. Zur Verdeutlichung wurde der Grad der Schräge bzw. Verjüngung des Strömungskanals in Fig. 1 übertrieben dargestellt.

Die Öffnung 21 erstreckt sich vom Gehäuse 22 bis zu einem Leitungs- bzw. Schlauchanschluß 55. Ein Leitungsanschluß 59 für die Öffnung 56 am Ende der Strömumgskanalrinne 52 ist in ähnlicher Weise am gegenüberliegenden Ende des unteren Gehäuses 22 angeordnet. Ein bogenförmiges Stützelement 60 erstreckt sich von der Unterseite des unteren Gehäuses und über spannt beinahe die gesamte Länge zwischen den Leitungsanschlüssen 55, 59. Ein deformierbarer Kunststoffschlauch 64 ist mit jedem der Leitungsanschlüsse verbunden, um eine flüssigkeitsdichte Strecke zu bilden, und liegt in der Umgebung der gekrümmten Unterseitenfläche 62 des Stützelements 60. Der Schlauch wirkt als eine Pumpenkammer für die Flüssigkeitsprobe und wird mittels eines Paars Halteausnehmungen 66, 67, die an jedem Ende des Stützelements 60 angeordnet sind, in Position nahe der Unterseitenfläche 62 gehalten. Wie gerade erläutert wird, ist diese gekrümmte Oberfläche, die integral mit dem unteren Gehäuse 22 ist, eine Reaktions- bzw. Gegenwirkfläche für den Pumpenkammerschlauch, um die Menge des Abschlusses zu steuern und die Pumpwirkung für das Filtersystem zu erzeugen.

Es ist ersichtlich, daß der obige Aufbau eine Strömungsverbindungsstrecke zwischen den Zuführ- und Permeatbehältern 18, 20 wie folgt festlegt. In den Zuführbehälter eingebrachte Probenflüssigkeit fließt durch die Öffnung 21 zum Pumpenkammerschlauch 64. Von dort verläuft die Strömungsstrecke durch die Öffnung 56 zum Strömungskanal 52, der sich unmittelbar angrenzend an der Oberfläche des Membranfilters 30 befindet. Der Teil der Probenflüssigkeit, der durch den Membranfilter hindurch tritt, (das Filtrat) steht mit der Öffnung 23 und schließlich dem Permeatbehälter in Verbindung. Der Rest der Probenflüssigkeit, der nicht durch den Membranfilter hindurch getreten ist, (das Retentat) fließt weiterhin entlang dem Kanal 52 und kehrt durch einen Kanalauslaß 53 neben der Öffnung 21 zur Unterseite des Zuführbehälters zurück.

Um ein Vermischen von Zugeführtem bzw. Beschickung und Retentat zu fördern, ist die Öffnung 27 in einem Hochgeschwindigkeitsbereich des das Retentat führenden Abschnittes des Strömungskanals 52 angeordnet. Dieser Bereich (unmittelbar hinter der Kante des Membranfilters 30) weist eine vergrößerte Querschnittsfläche auf, die eine Zone niedrigeren Drucks erzeugt, die ein Durchsaugen von Beschickung aus dem Zuführbehälter 18 durch die Öffnung 27 in den Retentatstrom erlaubt. Selbstverständlich ist es auch ersichtlich, daß es mit kleinen Änderungen möglich ist, am wirkungsvollsten durch Einschränken oder Verringern der Querschnittsfläche in der Umgebung der Öffnung, auch ein Vermischen zu fördern, indem die Strömung umgekehrt wird und daher etwas oder das ganze Retentat durch die Öffnung 27 in den Zuführbehälter ausläuft.

Beim Betrieb als Filtervorrichtung in schubweiser bzw. Chargen- Verarbeitung wird eine Flüssigkeitsprobe dem Zuführbehälter 18 zugeführt, der dann durch einen (nicht dargestellten) passenden Deckel abgedeckt werden kann. Die Flüssigkeit fließt im Behälter herab durch die Öffnung 21, um den Pumpenkammerschlauch 64 teilweise zu füllen. Nachdem die Flüssigkeitsprobe eingefüllt worden ist, wird die Filtervorrichtung in einem (nicht dargestellten) Halter positioniert, der einen Anschluß für eine peristaltische Pumpe aufweist, deren Rollen 70 in Fig. 1 dargestellt sind. Die Rollen sind mit der Filtervorrichtung so ausgerichtet, daß sie einen an der gekrümmten Oberfläche 62 des unteren Gehäuses 22 anliegenden Bogen ablaufen. Der Schlauch wird durch die Rollen gegen die Oberfläche 62 eingeklemmt bzw. eingequetscht und die daraus resultierende Abdrückung des Schlauchs erzeugt eine Pumpkraft, die die Probe durch die Pumpenkammer drückt. Die Flüssigkeitsprobe fließt dann durch die Öffnung 56 zum Strömungskanal 52.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Verbindung der schnellen Bewegung der Rollen zum Erzeugen einer Strömung entlang einer langgestreckten, engen Strömungsstrecke einen ausreichenden Gegendruck zum Drücken der Flüssigkeit durch den Membranfilter 30 erzeugt. Die gereinigte Permeatflüssigkeit aus dem Membranfilter gelangt durch die Öffnung 23 und sammelt sich im Permeatbehälter 20. Das mit durch die Mischöffnung 27 eingesaugter Beschickung vermischte Retentat kehrt über den Kanalauslaß 53 zum Zuführbehälter zurück. Es ist zu beachten, daß ein bedeutender Vorteil dieser Ausführungsform darin besteht, daß eine Filtrations-Druckbeaufschlagung ohne das Erfordernis zusätzlicher Bauteile wie Kolben oder ähnlichen Druckerzeugern erreicht wird. Darüberhinaus verändert der Einsatz eines sich verjüngenden Strömungskanals den Filtrationsdruck entlang der Länge der Membran und macht damit die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchsatz durch den Membranfilter entlang der gesamten Länge der Membran in Strömungsrichtung gleichmäßiger.

Beim Betrieb in einer Dauerumlaufbetriebsart können während der Konzentration von Stapel- bzw. Chargenproben Belüftungsprobleme auftreten, wenn der Zuführbehälter 18 leer laufen sollte. Das kann verhindert werden, indem das Sammel- bzw. Aufnahmevolumen des Permeatbehälters 20 kleiner gemacht wird als das des Zuführbehälters und somit etwas von dem gesammelten Permeat wieder in den Zuführbehälter zurückgeführt werden kann. Bei dieser Ausführungsform wird dieses Merkmal dadurch erreicht, indem der Permeatbehälter unmittelbar neben dem Zuführbehälter angeordnet und die Höhe des Wandelements 16 verringert wird, um Permeat in den Zuführbehälter überströmen zu lassen.

Gemäß Fig. 2 ist das Breitenprofil der Filtervorrichtung 10 relativ schmal. Diese Kompaktheit erlaubt eine Anordnung einer Anzahl von Filtervorrichtungen nebeneinander in der Weise, daß mehrere Vorrichtungen mit einem einzigen Satz länglicher Rollen einer peristaltischen Pumpe zusammenwirken können. Auf diese Weise können mehrere Proben gleichzeitig verarbeitet werden, während sie unabhängig voneinander gestartet oder gestoppt werden können. Selbstverständlich ist es gleichermaßen möglich, falls erforderlich, einen getrennten Rollensatz für jede Vorrichtung vorzusehen.

Andere Ausführungsformen

Die Fig. 3 bis 6 zeigen andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen gleiche Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher Bauteile wie die, die unter Bezug auf die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurden, verwendet sind.

Obwohl die Erfindung insbesondere bei Anwendungen sinnvoll einsetzbar ist, die integrale Zuführ- und Permeatbehälter benötigen, ist sie nicht darauf beschränkt, wie das aus der Beschreibung der Ausführungsform von Fig. 3 geschlossen werden kann. Bei dieser anderen Ausführungsform wurden die Behälter 18, 20 mit relativ großem Volumen durch Anschlußstücke 18A, 20A ersetzt. Das ermöglicht ein direktes Einführen bzw. Einspritzen der Probe in die Filtervorrichtung über eine Spritze oder eine Verbindung mit getrennten, entfernt angeordneten Behältern oder einem Prozessstrom, was eine kontinuierliche Zufuhr von Beschickungsflüssigkeit und Abfuhr von Permeat erlaubt.

Bei genauerer Betrachtung der kontinuierlichen Zufuhr von Proben und Abfuhr bzw. Entfernung von Permeat kann die Grundkonfiguration gemäß Fig. 3 mit nur geringfügigen Modifikationen, wie im folgenden beschrieben, für mehrere unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden:

(1) Sind gemäß Fig. 3 nur die Anschlußstücke 18A und 20A angebaut (die gestrichelten Linien verdeutlichen den "Phantom"- Charakter des Anschlußstückes 19A), ist das Anschlußstück 18A mit einer Zufuhr-Versorgungsquelle verbunden und dient als ein Zuführ- bzw. Beschickungsanschluß. Das Anschlußstück 20A ist der Permeatanschluß, der mit einer Überwachungseinrichtung verbunden werden kann, und das Retentat wird innerhalb der Filtervorrichtung vollständig zurückgeführt bzw. umgepumpt. Eine solche Vorrichtung wäre nur sinnvoll, wenn die Konzentration des zurückgehaltenen Stoffes gering ist.

(2) Bei Anwendungen, bei denen das Retentat den wichtigen Stoff enthält, kann der Beschickungsanschluß mit einer Verdünnerquelle verbunden werden; die Filtervorrichtung arbeitet dann in einer Durchfiltrationsbetriebsart. In diesem Fall könnte das Permeat mit einem Abfall verbunden werden.

(3) Es ist auch möglich, ein Anschlußstück 19A in die Vorrichtung gemäß Fig. 3 einzubauen, welches als ein Retentatanschluß dient. Um eine Anhäufung der Konzentration des Retentats zu vermeiden, wird ein Teil des Retentats vom Anschluß 19A abgeschieden bzw. entnommen; ansonsten entspricht der Betrieb dieser Vorrichtung dem zuvor bei (1) Beschriebenen.

Diese Konfiguration erlaubt einen Betrieb bei niedrigen Beschickungs-Zufuhrmengen oder -geschwindigkeiten

(4) Bei einer Abwandlung der zuvor bei (3) dargestellten Vorrichtung ist der Rückflußkanal zwischen den Anschlußstücken 18A und 19A vollständig blockiert, wodurch das gesamte Retentat zum Austritt am Anschluß 19A gezwungen wird. Dadurch wird ein Ein-Passage-Betrieb erzeugt, der für eine wirkungsvolle Tangentialströmungsfiltration relativ hohe Beschickungs- Zufuhrmengen oder -geschwindigkeiten benötigt.

Es ist zu beachten, daß der Betrieb der Abwandlungen dieser Ausführungsform in allen anderen Aspekten denen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 entspricht.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die oberen und unteren Gehäuse(teile) 12, 22 beide gekrümmt sind, um die Sperrigkeit der Vorrichtung zu verringern. Wie bei der bevorzugten Ausführungsform ist der (nicht dargestellte) Membranfilter zwischen diese zwei Gehäuse(teile) und angrenzend an den im unteren Gehäuse(teil) ausgebildeten Strömungskanal eingefügt. Bei dieser Ausführungsform ist eine deformierbare Folie 40 dicht an der äußeren Begrenzung der Unterseite bzw. des Bodens des unteren Gehäuse(teil)s 22 angebracht. Eine Flüssigkeitsprobe wird in den Zuführbehälter 18 eingebracht und sammelt sich unter der Folie, die somit als eine Pumpenkammer dient. Weiterhin ist ein federgespannter Kolben 74 in den Zuführbehälter eingesetzt, um einen positiven Systemdruck zu erzeugen, der die Probenflüssigkeit durch den Membranfilter drückt. Ist die Probenflüssigkeit in die Vorrichtung eingebracht und wird der Kolben betätigt, wölbt sich der ungehinderte Bereich der Folie 40 mit der eingefüllten Flüssigkeit. Wird die Folie in Berührung mit einer Pumpe (beispielsweise einer Rolle einer peristaltischen Pumpe) gebracht, beginnt die Probe zu fließen und der Betrieb der Vorrichtung 10 dieser Ausführungsform ist der selbe wie der im Hinblick auf die bevorzugte Ausführungsform Beschriebene.

Die Fig. 5 zeigt eine andere mögliche Ausführungsform, bei der das obere Gehäuse(teil) 12 wie zuvor integrierte Zuführ- und Permeatbehälter 18, 20 einschließt; das untere Gehäuse(teil) 22 ist jedoch eine deformierbare, flexible Folie 42. Die Unterseite des oberen Gehäuse(teil)s beinhaltet ein Paar länglicher Abstandhalter 71, 72, die sich in Längsrichtung in der Umgebung der Zuführ- und Permeatbehälter erstrecken. Der Membranfilter 30 ist zwischen die zwei Abstandhalter an dem oberen Gehäuse(teil) angebracht bzw. angeklebt. Im Betrieb fluchtet und bedeckt eine steife bzw. feste Stützplatte (nicht dargestellt) mit der bzw. die Folie 42 im Membranfilter/Abstandhalter-Abschnitt und zwängt bzw. spannt diese ein, um einen Strömungskanal 80 einer definierten Breite und Höhe zu erzeugen. Der Kolben 74 verbessert wiederum den Systembetrieb, um einen positiven Druck für die Filtration zu erzeugen. Äußere Rollen (nicht dargestellt) sind so ausgerichtet, daß sie den uneingespannten Abschnitt der Folie berühren, der unter der Wirkung des Kolbens gewölbt wird und im Bereich 63 als eine Pumpenkammer dient. Die Rollen drücken die "aufgeblähte" Folie gegen das obere Gehäuse(teil), um eine Tangentialströmung im Kanal zu erzeugen. Das Permeat strömt dann durch den Membranfilter und sammelt sich im Permeatbehälter.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist. In diesem Fall ist der Aufbau und der Betrieb identisch mit der Vorrichtung der Fig. 5, mit der Ausnahme, daß die Folie 42, die das untere Gehäuse(teil) bildet, so gewölbt ist, daß sie eine Tasche 82 bildet, und eine Pumpenkammer 64 und der Zuführbehälter 18 durch ein Anschlußstück 18A ersetzt sind. Die Tasche dient als Behälter für die Probenflüssigkeit vor der Filtrations- /Konzentrationsbearbeitung und wird durch das Anschlußstück 18A gefüllt, das dann (mit einer Kappe bzw. einem Deckel) abgedeckt wird. Um den Systemdruck für die Filtration zu erzeugen, wird die Tasche auf irgend eine geeignete Weise leicht gedrückt, während die (nicht dargestellten) Rollen einer peristaltischen Pumpe den Pumpenkammer-Abschnitt der Folie unterstützen, um die erforderliche Strömung zu erzeugen.

Obwohl mehrere Ausführungsformen der Erfindung vorstehend genau beschrieben wurden, werden Abwandlungen für den Fachmann ersichtlich sein. Es ist beispielsweise auch möglich, ob der Betrieb in einer Chargen- oder kontinuierlichen Betriebsart erfolgt, Verdünner zu der Beschickung derart zuzusetzen, daß die Filtervorrichtung eine Fluidreinigung durch Durchfiltration erreicht. Weiterhin kann der Strömungskanal so geändert werden, daß er entlang des größten Teils seiner Länge eine gleichmäßige Höhe und Breite mit einer in der Nähe des Auslasses ausgebildeten Begrenzung aufweist. Diese Ausgestaltung würde eine(n) noch gleichmäßigere(n) Strömungsgeschwindigkeit bzw. - durchsatz durch die Membran entlang ihrer gesamten Länge bewirken. Als bevorzugter Pumpmechanismus wurde durchgehend eine peristaltische Pumpe vom Rollentyp beschrieben; es könnte jedoch jede geeignete Pumpe, wie beispielsweise eine Pumpe vom Fingertyp, verwendet werden.

Entsprechend soll die Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.


Anspruch[de]

1. Filtersystem, insbesondere für kleine Probenvolumina,

mit einem Gehäuse, das erste und zweite Abschnitte (12, 22) aufweist,

mit einem Strömungskanal (52), der sich der Länge nach zwischen einem Bereich der ersten und zweiten Abschnitte (12, 22) erstreckt,

mit einem Membranfilter (30), der zwischen den ersten und zweiten Abschnitten (12, 22) angeordnet ist und einen Rand des Strömungskanals (52) bildet,

mit einem Permeatdurchlaß (23), der sich auf der stromab liegenden Seite des Membranfilters (30) befindet,

mit einer Einrichtung (18) zum Zuführen von Probenflüssigkeit zu dem ersten Abschnitt (12), die sich in Strömungsverbindung mit dem zweiten Abschnitt (22) befindet,

dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Flüssigkeitstransporteinrichtung in Strömungsverbindung mit der Zuführeinrichtung (18) und dem Strömungskanal (52) befindet und

daß die Flüssigkeitstransporteinrichtung eine deformierbare Kammereinrichtung (64), die ein Flüssigkeitsvolumen aufnehmen und hindurchpumpen kann, und eine an die Kammereinrichtung angrenzende starre Oberfläche (62) zum Steuern des Ausmaßes der Deformation, wenn die Flüssigkeit durch die Kammereinrichtung gepumpt wird, aufweist, wobei die starre Oberfläche (62) in einen der Abschnitte (12, 22) integriert ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Zuführeinrichtung eine erste, in den ersten Abschnitt integrierte Behältereinrichtung einschließt und weiterhin eine zweite, in den ersten Abschnitt integrierte Behältereinrichtung aufweist, die mit der Filtratseite des Membranfilters in Strömungsverbindung steht.

3. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Strömungskanal eine Einrichtung zum Ändern der Durchflußrate durch den Membranfilter längs dessen Länge aufweist.

4. Gerät nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zur Änderung der Durchflußrate einen sich verjüngenden Strömungskanal aufweist, bei dem mindestens eine seiner Abmessungen am Auslaß kleiner ist als am Einlaß.

5. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Membranfilter an einem der Abschnitte dicht angebracht ist.

6. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die deformierbare Kammereinrichtung ein flexibler Schlauch ist.

7. Gerät nach Anspruch 6, bei dem die starre Oberfläche eine gekrümmte Kontur des zweiten Abschnitts ist und der Schlauch in einer an der gekrümmten Kontur anliegenden Stellung gehalten ist.

8. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die deformierbare Kammereinrichtung eine deformierbarer Folie ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, bei dem die Folie als Tasche ausgebildet ist.

10. Gerät nach Anspruch 2, bei dem die erste Behältereinrichtung ein Zuführbehälter zum Aufnehmen der zu filternden Probe und die zweite Behältereinrichtung ein Permeatbehälter ist, und eine Einrichtung aufweist, die es ermöglicht, daß überschüssiges Permeat zurück in den Zuführbehälter fließt.

11. Gerät nach Anspruch 10, bei dem der Zuführ- und der Permeatbehälter direkt aneinandergrenzen und durch ein Wandelement getrennt sind, dessen Höhe reduziert ist, damit überschüssiges Permeat zurück in den Zuführbehälter überfließen kann.

12. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der zweite Gehäuseabschnitt eine deformierbare Folie ist.

13. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Zuführeinrichtung von einem Anschlußstück umfaßt wird und ein zweites Anschlußstück zur Entnahme des Permeats beinhaltet.

14. Gerät nach Anspruch 13, das ein drittes Anschlußstück zur Entnahme des Retentats aufweist.

15. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Membranfilter ein mikroporiger Filter ist.

16. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Membranfilter ein Ultrafilter ist.

17. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Membranfilter eine umgekehrt osmotische Membrane ist.

18. Gerät nach Anspruch 13, das eine Einrichtung zum Verhindern des Zurückströmens des Retentats zu der Zuführeinrichtung aufweist.

19. Gerät nach Anspruch 8, bei dem die Folie durch einen mittels eines Kolbens erzeugten inneren Druck aufgebläht ist.

20. Gerät nach Anspruch 8, bei dem die Folie durch einen inneren Druck aufgebläht ist, der durch Abdichten der Zuführeinrichtung und Aufbringen eines äußeren Druckes auf einen Teil der Folie erzeugt wird.

21. Gerät nach Anspruch 1, das eine mit der Flüssigkeitstransporteinrichtung zusammenwirkende Pumpeinrichtung aufweist.

22. Gerät nach Anspruch 21, bei dem die Pumpeinrichtung eine peristaltische Rollenpumpe ist, wobei die Rollen die deformierbare Kammereinrichtung berühren.

23. Gerät nach Anspruch 2, das eine Zuführbehältermischeinrichtung aufweist.

24. Gerät nach Anspruch 23, bei dem die Mischeinrichtung eine Öffnung in dem ersten Behälter aufweist, die mit dem Strömungskanal verbunden ist.







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