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Dokumentenidentifikation DE3750497T2 20.04.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0269721
Titel ULTRAFILTRATIONSVORRICHTUNG.
Anmelder Niesen, Lawrence J., River Vale, N.J., US
Erfinder Niesen, Lawrence J., River Vale, N.J., US
Vertreter Grießbach, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Haecker, W., Dipl.-Phys.; Böhme, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Beck, J., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Wößner, G., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 70182 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 3750497
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 09.06.1987
EP-Aktenzeichen 879041978
WO-Anmeldetag 09.06.1987
PCT-Aktenzeichen US8701413
WO-Veröffentlichungsnummer 8707525
WO-Veröffentlichungsdatum 17.12.1987
EP-Offenlegungsdatum 08.06.1988
EP date of grant 07.09.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.04.1995
IPC-Hauptklasse B01D 61/18

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auftrennen einer Basisflüssigkeit in eine Permeatfraktion (durchzulassender Anteil) und eine Retentatfraktion (zurückzuhaltender Anteil), umfassend:

eine semipermeable Membran zum Auftrennen der Basisflüssigkeit in die Fraktionen;

einen Strömungspfad für die Basisflüssigkeit auf einer ersten Seite der Membran, und

Strömungskanaleinrichtungen für das Permeat, die auf der gegenüberliegenden Seite der Membran angeordnet sind und an einem Träger zum Tragen der Membran derart vorgesehen sind, daß ein Teil der Basisflüssigkeit, der in den Strömungspfad für die Basisflüssigkeit eintritt und die Permeatfraktion enthält, durch die Membran und in die Kanaleinrichtungen für das Permeat fließt.

Eine Vorrichtung dieses generellen Typs ist in der Internationalen Anmeldung WO-A-82/00102 offenbar. In der bekannten Vorrichtung, die als Membran-Plasmapheresemodul bezeichnet wird, ist eine gefaltete Membran zwischen strukturierten Oberflächen benachbarter Platten angeordnet, welche eine Bluteinlaßöffnung und eine Blutauslaßöffnung definieren, die an den Enden eines ersten Strömungspfades auf einer Seite der Membran angeordnet sind und die ferner angrenzend an ein Ende von separaten zweiten Strömungspfaden, die sich längs der anderen Seite der Membran erstrecken, eine Plasmaauslaßöffnung definieren.

Allgemein betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet der Trennung einer Flüssigkeit in Fraktionen mittels einer durch Druck verursachten Strömung durch semipermeable Membranen, was als Ultrafiltration bekannt ist, und insbesondere eine Vorrichtung, die zur Lösung dieser Aufgabe geeignet ist.

Ultrafiltration ist ein allgemeiner Begriff, der auf das Verfahren der Trennung einer Flüssigkeit in Fraktionen mittels einer durch Druck erzeugten Strömung durch semipermeable Membranen angewandt wird. Durch richtige Auswahl des Membranmaterials ist es möglich, Flüssigkeiten auf der Basis des Molekulargewichts zu trennen und damit ein Permeat von extrem hoher Reinheit zu erhalten. Derartige Prozesse finden breite Anwendung in einer Anzahl von Industrien, wie z. B. zum Trennen von Milch, welche bei der Herstellung von Käse verwendet wird, in Molke und ein Vorkäseprodukt der Milch, und beim Konzentrieren von Antibiotika aus einer Fermentationsbrühe.

Beim Identifizieren der Position der vorliegenden Erfindung bezüglich des Standes der Technik sind zwei Unterscheidungen wesentlich. Erstens unterteilt der Stand der Technik Filtrationsprozesse in Mikrofiltration, Ultrafiltration und Hyperfiltration (oder umgekehrte Osmose). Der Unterschied zwischen diesen Verfahren basiert in erster Linie auf der Porengröße der verwendeten Membranen und dem Druck, bei dem die Systeme arbeiten. Bei der Mikrofiltration wird mit relativ großen Porengrößen (0,02 bis 2,0 um) und niedrigem Druck (21 bis 105 N/cm² (30 bis 150 psi)) gearbeitet. Bei der Hyperfiltration oder der umgekehrten Osmose wird mit Porengrößen von dem Bereich von 5 bis 15 AE bis herab zu dem mikromolekularen oder Ionengrößen-Bereich gearbeitet (Molekulargewichte von 150 und darunter) und bei Drücken in dem Bereich von 141 bis 703 N/cm² (200 bis 1000 psi). Bei der Ultrafiltration wird mit Werten zwischen diesen beiden Prozessen gearbeitet, und zwar bei Molekulargewichtsgrenzen im Bereich von 200 bis 350.000 und Porendurchmessern von etwa 10 bis 1000 AE. Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in erster Linie auf die Ultrafiltration gerichtet ist, würde die Erfindung ebenso gut bei einer Mikrofiltration funktionieren und könnte auch an eine Hyperfiltrationsausrüstung angepaßt werden.

Zweitens umfaßt das Gebiet der Ultrafiltration mehrere Einrichtungen zum Bewirken der Trennung einer Flüssigkeit in Fraktionen. Zunächst sollte beachtet werden, daß die Ultrafiltration nicht in einer zu denjenigen "Filter"-Prozessen analogen Weise arbeitet, bei denen eine Flüssigkeit durch ein Filter geleitet wird, welches quer zum Strömungspfad angeordnet ist, wobei unerwünschte Feststoffe von dem Filter zurückgehalten werden und das Ziel darin besteht, am Ausgang eine geklärte Flüssigkeit zu erhalten. Vielmehr ist es das Ziel der Ultrafiltration, eine Basisflüssigkeit dadurch in zwei Fraktionen zu trennen, daß die Flüssigkeit in Kontakt mit einer semipermeablen Membran gebracht wird. Ein Teil der Flüssigkeit (Permeat genannt) passiert dabei die Membran, während der andere Teil in der Strömung der Basisflüssigkeit verbleibt und als Retentat bezeichnet wird. Somit lassen Ultrafiltrationssysteme eine Basisflüssigkeit über die Filtrationseinrichtungen hinweg laufen und nicht durch diese hindurch. Außerdem kann je nach der speziellen Anwendung die eine oder andere Fraktion das erwünschte Produkt bzw. Ergebnis des Prozesses sein. Beispielsweise ist bei der Käseherstellung das gewünschte Produkt das Retentat (Vorkäse-Flüssigkeit), während bei der Saftherstellung das gewünschte Produkt das Permeat, nämlich ein geklärter Fruchtsaft, ist.

Gemäß dem Stand der Technik wurden verschiedene Verfahren zur Ultrafiltration vorgeschlagen. Die vorliegende Erfindung befaßt sich dabei in erster Linie mit den Verfahren, die als "Platten- und -Rahmen"-Ultrafiltration klassifiziert werden, bei denen eine Reihe von Platten semipermeable Membranen trägt und bei denen die Basisflüssigkeit zur Filtration über diese Membranen geleitet wird. Andere Verfahren umfassen Spiral-Membran-Vorrichtungen, bei denen die Membran um ein perforiertes Sammelrohr herumgelegt ist und bei denen die Basisflüssigkeit in Längsrichtung durch das Rohr geleitet wird. Eine Membran kann auch in rohrförmiger Gestalt bereit gestellt werden, wobei die Basisflüssigkeit durch das Innere des Rohres läuft und das Permeat das Rohr passiert und sich in dem Membrangehäuse sammelt. Alternativ wurden Hohlfasermembranen angeboten, bei denen ein Bündel von hohlen Membranfasern in einem rohrförmigen Gehäuse enthalten ist. Die Basisflüssigkeit wird dabei durch die Kerne (das hohle Innere) der Fasern geleitet, während das Permeat aus den Kanälen gesammelt wird, die die Fasern umgeben. Die Nachteile dieser Verfahren im Vergleich zur vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann auf diesem Gebiet klar.

Die bevorzugten Platten- und -Rahmen-Verfahren hängen natürlich davon ab, daß der Basisflüssigkeit eine große Membranfläche angeboten wird, und es ist gemäß dem Stande der Technik bekannt, Membranträger zu verwenden, wobei das Membranmaterial auf beiden Seiten einer Platte angeordnet ist und die Platten in einem Stapel angeordnet sind. Im allgemeinen ist ein solcher Stapel mit Eingangs- und Ausgangs-Strömungskanälen für die Basisflüssigkeit versehen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Stapels angeordnet sind, derart, daß die Flüssigkeit (zunächst) zu einer Seite einer Platte fließen kann und von dort zwischen die Membranen benachbarter Platten, so daß die Basisflüssigkeit - unter Druck - in engen Kontakt mit der Membranoberfläche gelangen kann, um eine Ultrafiltration zu ermöglichen. Da ein Durchlauf durch das System im allgemeinen nicht ausreicht, um eine vollständige Extraktion der gewünschten Bestandteile zu bewirken, wird das Retentat gewöhnlich mehrmals durch die Ultrafiltrationsvorrichtung umgewälzt. Ferner ist es bekannt, einen Stapel in Unteranordnungen zu unterteilen, wobei jede Unteranordnung einen Eingangs- und Ausgangskanal hat, derart, daß die Flüssigkeit parallel über die Membranen aller Trägerelemente einer Unteranordnung fließt, wobei das Ausgangsprodukt einer Unteranordnung zum Eingang einer nachfolgenden Unteranordnung fließt.

Die bisher verfügbaren Vorrichtungen zeigten eine Anzahl von Problemen. Ultrafiltrationseinrichtungen werden auf der Basis von zwei Kriterien bewertet; dem Konzentrationsverhältnis, welches die maximale Konzentration widerspiegelt, bis zu der die Basisflüssigkeit verarbeitet werden kann (definiert als das Verhältnis des anfänglichen Volumens der Basisflüssigkeit zu dem Restvolumen nach der Verarbeitung), und die Durchflußgeschwindigkeit, die definiert ist als das Volumen des Permeats, welches pro Zeiteinheit durch eine gegebene Membranfläche hindurchtritt, allgemein angegebenen in Gallonen des Permeats pro Quadratfuß der Membran pro Tag (GFD). Diese beiden Faktoren bestimmen die Spezifikationen einer Ultrafiltrationsvorrichtung, die für einen bestimmten Verwendungszweck ausgewählt wurde.

Typischerweise handelt es sich bei der gemäß dem Stande der Technik angebotenen Vorrichtung um die ellipsenförmige Struktur, die in der US-PS 3,872,015 zu sehen ist. Wie offenbart, ist die Vorrichtung der oben diskutierten Vorrichtung ähnlich, wobei jedes plattenförmige Element eine ellipsoide bzw. ellipsenförmige Gestalt hat. Jede Platte hat außerdem zwei Öffnungen, die in Richtung auf die Enden der Hauptachse ausgebildet sind, so daß dann, wenn ein Stapel gebildet wird, in dem Sicherungsbolzen durch die fluchtenden Öffnungen geführt werden, ein Einlaßkanal und ein Auslaßkanal gebildet werden. Gekrümmte Nuten in der Oberfläche der Platte erstrecken sich von einer Öffnung zur anderen. Diese Nuten können generell als Nuten beschrieben werden, welche einen Satz konzentrischer Ellipsen zunehmend kleineren Umfangs bilden. Blockierelemente, die in einer Öffnung der periodisch im Abstand voneinander angeordneten Elemente angeordnet sind, dienen dazu, den Stapel, wie beschrieben, in Unteranordnungen zu unterteilen.

Die Basisflüssigkeit fließt durch den Einlaßkanal einer Unteranordnung und strömt in den Spalt zwischen benachbarten Membranen. Der Fluiddruck der Basisflüssigkeit drückt beide Membranen gegen die betreffenden Plattenoberflächen, so daß die Flüssigkeit in Kanälen fließt, die den Oberflächennuten entsprechen. Unter der Voraussetzung, daß der Fluiddruck am Einlaß aller Kanäle gleich ist und daß der Strömungspfad in den äußeren Kanälen deutlich größer ist als in den inneren Kanälen, würden einen die Grundprinzipien der Fluiddynamik dazu führen, zu erwarten, daß die Strömungsgeschwindigkeit in den inneren Kanälen deutlich höher ist als in den äußeren Kanälen. Diese Erwartung wird im Betrieb realisiert. Wenn die Viskosität des Retentats zunimmt, nimmt die Fluidgeschwindigkeit in den äußeren Kanälen ab und fällt schließlich auf Null ab; an diesem Punkt verstopft sich der Kanal. Die relativ kurzen inneren Kanäle schließen das Strömungsmuster im Endeffekt kurz, und dieser Prozeß setzt sich fort während die Basisflüssigkeit bei wiederholter Umwälzung durch das System noch konzentrierter wird.

Der Inhaber des vorliegenden Patentes hat versucht, dieses Problem dadurch abzuschwächen, daß der zentrale Teil der Platte weggelassen wird, so daß ein ellipsenförmiger Ring verbleibt, und dadurch, daß die Tiefe der äußeren (längeren) Kanäle erhöht wird. Diese Ausgestaltung verbessert das Problem des Verstopfens jedoch auf Kosten einer reduzierten Ausgangsmenge (aufgrund der reduzierten Membranfläche) und höherer Kosten (aufgrund der ineffizienten Produktion des Membranmaterials - das ausgeschnittene Mittelstück kann keiner anderen Verwendung zugeführt werden). Außerdem enthüllt eine Betrachtung dieser Gestaltung, daß die ungleichmäßige Durchflußrate zu einer Unsicherheit führt, welcher der Kanäle als erster verstopft werden wird, da in einigen Fällen ein innerer Kanal verstopft wird und in anderen Fällen ein äußerer Kanal. Die Probleme mit dieser Ausgestaltung ergeben sich direkt daraus, daß Strömungskanäle ungleicher Länge vorgesehen werden, und scheinen für solche Ausgestaltungen ein naturgegebenes Problem zu sein.

Ein anderer Lösungsansatz ist in der US-PS 30,632 Re (Reissue Patent zu US-PS 3,831,763) offenbart. Die Grundstruktur dieser Einrichtung ist der vorstehend diskutierten Struktur ähnlich; in diesem Fall sind die Platten jedoch rechteckig, und zwischen benachbarten Platten sind Verbindungselemente angeordnet, um die Abdichtung zu fördern und den Raum zu definieren, in den die Basisflüssigkeit zwischen den Platten fließt. Jede Platte hat zwei Öffnungen, die Einlaß- und Auslaßkanäle definieren, und Zwischenplatten mit nur einer derartigen Öffnung dienen dazu, den Stapel in Unteranordnungen zu unterteilen. In der Oberfläche auf beiden Seiten einer Platte ist eine Vertiefung ausgebildet, und darin wird ein Packmaterial getragen, um das Sammeln des Permeats zu ermöglichen; Außerdem werden die Membranen auf der Oberseite dieses Materials getragen. Eine Variante dieser Vorrichtung, die vom Patentinhaber angeboten wird, substituiert (das Packmaterial) durch Kanten, die in der Oberfläche der Vertiefung ausgebildet sind und sich über dieselbe erstrecken.

Beim Einsatz dieser Vorrichtung in Bereichen, in denen der Betrieb über einen weiten Bereich von Viskositäten erforderlich ist, haben sich zwei Probleme ergeben. Zunächst begrenzt die Verwendung von Verbindungselementen (typischerweise Dichtungen) am äußeren Umfang jeder Platte den Druck, mit dem die Basisflüssigkeit in die Einlaßkanäle eingeführt werden kann. Natürlich beschränkt diese Beschränkung insgesamt die Durchflußrate und die erhaltene Ausgangsmenge.

Diese Ausgestaltung verhindert außerdem nicht die Abscheidung von Feststoffen aus der Basisflüssigkeit, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Viskosität. Wie bei der zuvor beschriebenen Vorrichtung ergibt sich das Problem aus den Grundprinzipien der Fluiddynamik. Es ist wohl bekannt, daß die Fluidströmung in einem Kanal nicht gleichmäßig ist, sondern von einer Seite des Kanals zur anderen Seite ein Geschwindigkeitsprofil zeigt. Die Geschwindigkeit ist an den Seiten des Kanals am niedrigsten (tatsächlich ist sie im Bereich einer Grenzschicht, die in Kontakt mit der Kanalwand steht, Null) Weiterhin ist die Geschwindigkeitsdifferenz quer zum Kanal mit der Viskosität des Fluids verknüpft (höhere Viskosität erzeugt eine höhere Differenz) sowie mit der Größe des Kanals (breitere Kanäle führen zu einer ausgeprägteren Zone mit deutlich niedrigerer Geschwindigkeit). Diese theoretischen Voraussagen bestätigen sich wiederum in der Praxis. Beim Einsatz in Antibiotika-Anwendungen, in denen das Basisfluid ein hohes Maß an suspendierten Feststoffen enthält, ist die Strömungsgeschwindigkeit der Brühe an den Rändern dieser Einrichtung nicht ausreichend hoch, um eine Ablagerung zu vermeiden, wodurch die Strömung in Richtung auf die Mitte jeder Platte auf eine zunehmend kleinere Fläche begrenzt wird. Die Ausgangsmenge leidet sowohl unter der reduzierten Permeatströmung als auch unter den steigenden Anforderungen an die Reinigung und Auswechselung der Membranen.

Ein gemeinsamer Nachteil dieser drei Vorrichtungen besteht darin, daß sie hinsichtlich der Erzeugung einer gleichmäßigen Strömung über die Oberfläche jeder Platte bei Strömungsraten versagen, die eine wirtschaftlich attraktive Permeat-Rückgewinnung ermöglichen. Mit diesen Problemen befaßt sich die vorliegende Erfindung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultrafiltrationsvorrichtung anzugeben, die über einen weiten Bereich von Viskositäten der Basisflüssigkeit einen verbesserten Betrieb ermöglicht und insbesondere eine verbesserte Membranabstützung für eine Ultrafiltrationsvorrichtung.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art gelöst, die gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Strömungspfad für die Basisflüssigkeit in mehrere dichtend voneinander getrennte Strömungskanäle für die Basisflüssigkeit unterteilt ist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im wesentlichen gleich dimensioniert sind, derart, daß die Fluidgeschwindigkeit der Basisflüssigkeit über der Membran im wesentlichen gleichmäßig ist und daß die Strömungskanäle für die Basisflüssigkeit zum Kanalisieren der Strömung der Basisflüssigkeit derart vorgesehen sind, daß die Basisflüssigkeit im wesentlichen tangential über die Membran fließt.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß durch sie ein Membranträger für eine Ultrafiltrationsvorrichtung geschaffen wird, welcher eine einheitliche Strömung quer zur Oberfläche des Trägers ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Ultrafiltrationsvorrichtung angegeben wird, die hinsichtlich der Turbulenz, die mit dem Übergang von einer Unteranordnung des Stapels zu einer anderen derartigen Unteranordnung verknüpft ist, eine verbesserte Leistung bietet.

Diese und andere Ziele werden gemäß der vorliegenden Erfindung (Vorteile) erreicht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt eine Ultrafiltrationsvorrichtung mehrere Stützrahmen, die so angeordnet sind, daß sie einen Stapel bilden. Jeder Rahmen ist im wesentlichen flach und rechteckig ausgebildet, wobei die beiden Flachseiten identisch ausgebildet sind. Erhöhte Kanten laufen rund um den Umfang einer Fläche jedes Rahmens, um das Fließen der Basisflüssigkeit zwischen benachbarten Rahmen zu gestatten. Zwei Öffnungen sind in der Nähe des Umfangs jedes Rahmens, vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten desselben, ausgebildet. Die Rahmen werden derart gestapelt, daß diese Öffnungen miteinander fluchten, um einen Einlaßkanal und einen Auslaßkanal zu bilden. Zwei Typen von Ringen werden rund um den Umfang jeder Öffnung getragen, wobei Ringe desselben Typs auf einer Rahmenfläche angeordnet sind. Verteilerringe umfassen Verteileröffnungen im Umfang des Ringes zum Lenken des Flüssigkeitsstroms in ausgewählte Richtungen, und Dichtringe haben flache obere Oberflächen. Die Rahmen werden derart gestapelt, daß die Verteilerringe eines Rahmens gegen die Dichtringe des benachbarten Rahmens drücken und in dem Kanal eine Abdichtung bewirken. Von jeder Seite (Fläche) jedes Rahmens wird eine Membran getragen, die über den erhöhten Kanten desselben liegt, so daß die Klemmkraft, die von den Kanten benachbarter Rahmen ausgeübt wird, für den Stapel insgesamt eine Dichtung bildet.

Längsrippen, die von einer Öffnung zur anderen laufen, und vorzugsweise äquidistant angeordnet sind, sind an beiden Flächen jedes Rahmens angeordnet, wobei sich auf beiden Seiten jeder dieser Rippen Längskanäle befinden. In dem Bereich zwischen diesen Kanälen ist eine Anzahl von Querrippen vorgesehen, wobei Querkanäle zwischen benachbarten dieser Rippen liegen. Zur Erzielung eines optimalen Retentatstroms liegt die obere Oberfläche dieser Querrippen unterhalb der oberen Oberfläche der Längsrippen, und zur Erzielung eines optimalen Permeatstroms liegt der Boden der Querkanäle oberhalb des Bodens der Längskanäle. Ein Verbindungskanal, der zumindest dieselbe Tiefe hat wie die Längskanäle, erstreckt sich rings um den Teil der Oberfläche des Trägerelements, in dem die Längs- und Querrippen ausgebildet sind. Ein Permeatabzugsanschluß, die vorzugsweise an der Oberseite des Trägerelements angeordnet ist, kommuniziert mit dem Verbindungskanal und gestattet ein Sammeln des Permeats; dieser Durchlaß ist zur Verbindung mit Fluidverbindungseinrichtungen, wie z. B. Kunststoffschläuchen, geeignet, um das Permeat zu Sammeleinrichtungen zu transportieren. Das Permeat sammelt sich in den Querkanälen, fließt in die Längskanäle und von dort in den Verbindungskanal und tritt durch die Permeatabzugsöffnung aus.

Die Träger(Rahmen) sind zu einem Stapel zusammengebaut, wobei sich an jedem Ende des Stapels Endplatten befinden. Durch die Endplatten wird eine Kompressionskraft auf den Stapel ausgeübt, um die Rahmen in ihrer Position zu halten und die entsprechenden Abdichtungen zu bewirken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stapel in Module unterteilt, wobei jeder Modul eine Anzahl von Rahmen umfaßt, indem in dem Stapel Flansche zur Reduzierung der Turbulenz vorgesehen werden. Diese Einheiten empfangen das Fluid von dem Auslaßkanal eines Moduls und lenken das Fluid zur entgegengesetzten Seite des Stapels, um es in den Einlaßkanal eines nachfolgenden Moduls einzuführen. Nachdem sich herausgestellt hat, daß eine optimale Leistung eintritt, wenn die Fluidströmung über einen Rahmen von unten nach oben gerichtet ist (bezüglich der Schwerkraft) wird der Einlaßkanal jedes Moduls am Boden des Stapels angeordnet, während der Auslaßkanal am oberen Ende vorgesehen wird.

Statt Einrichtungen vorzusehen, um die Strömung in jedem Kanal zu blockieren und das Fluid dazu zu zwingen, in aufeinanderfolgenden Unteranordnungen in entgegengesetzte Richtungen zu fließen, wie dies gemäß dem Stande der Technik gelehrt wird, verwendet die vorliegende Erfindung Flansche zur Reduzierung der Turbulenz zum Unterteilen des Stapels in Unteranordnungen. Diese Komponenten richten den Fluidstrom vom oberen Ende einer Unteranordnung zum Boden der nächst folgenden Unteranordnung, wodurch ein Fluidstrom erzeugt wird, der von unten nach oben durch die Vorrichtung hindurchgeht. Eine solche Strömung führt zu einer verbesserten Leistung, indem die Turbulenz in der Basisflüssigkeit reduziert wird, und zu einer Verbesserung der Permeatabgabe, indem gewährleistet wird, daß sich die Permeat-Abzugsöffnung stets in den Bereichen des niedrigsten Druckes an dem Rahmen befindet. Außerdem verhindert diese Ausgestaltung eine ungleichmäßige Strömung aufgrund von Lufteinschlüssen in dem System.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische (bildhafte) Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Membranträgers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Detail-Querschnitt längs der Ebene II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Detail-Querschnitt längs der Ebene III-III in Fig. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Bereichs IV in Fig. 2;

Fig. 5a und 5b perspektivische Darstellungen des Verteilerrings und des Dichtrings des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1; und

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht der Ultrafiltrationsvorrichtung gemäß der Erfindung.

Allgemein umfaßt die vorliegende Erfindung mehrere Rahmen bzw. Träger, von denen jeder zwei semipermeable Membranen trägt und die in einem Stapel angeordnet sind. Zwischen den Membranen, die von benachbarten Trägern getragen werden, sind Strömungskanäle vorhanden. Der Stapel ist in eine Anzahl von Modulen unterteilt, von denen jeder eine Anzahl von Trägern umfaßt. Eine Basisflüssigkeit wird in den ersten Modul eingeführt, fließt parallel über die Träger dieses Moduls und fließt dann zu nachfolgenden Modulen, wo das parallele Strömungsmuster wiederholt wird. Zwischen den Modulen fließt die Flüssigkeit durch einen Flansch zur Turbulenzreduzierung, welcher die Turbulenz unterdrückt, um die Permatabgabe zu erhöhen. Das Verständnis der Erfindung wird dadurch erleichtert, daß zuerst die einzelnen Rahmen bzw. Träger im Detail betrachtet werden und daß dann die Vorrichtung insgesamt betrachtet wird.

Fig. 1 zeigt einen Stützrahmen bzw. Träger 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie man sieht, ist der Träger im wesentlichen flach und rechteckig und besitzt zwei Flächen 12, 14. Die Diskussion wird hier auf die gezeigte Fläche konzentriert werden, wobei es sich jedoch versteht, daß die beiden Flächen, außer wo dies besonders erwähnt ist, identisch sind. Der Träger ist vorzugsweise aus einem gespritzten bzw. gegossenen Kunststoffmaterial hergestellt, wie der Fachmann erkennen wird. Zur Verwendung in der Antibiotika-Industrie, wo die Freiheit von einer möglichen Kontaminierung wichtig ist, wird es bevorzugt, einen Polysulfon-Kunststoff zu verwenden, der zu einer einstückigen Platte geformt ist. Die Form des Trägers ist nicht kritisch, außer insofern, als sie das Strömungsmuster beeinträchtigt, wie dies unten beschrieben wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel betragen die Trägerabmessungen etwa 53 cm · etwa 38 cm (21'' · etwa 15''). Eine erhöhte Rippe 13 läuft rings um den Umfang einer Trägerfläche, wobei dies den einzigen Punkt der Unähnlichkeit zwischen den Flächen betrifft. Vorzugsweise umfaßt diese Rippe zwei Kanten, die eine abgerundete obere Oberfläche haben. Die Funktion dieser Kanten wird weiter unten erläutert.

Am Umfang des Trägers sind zwei Öffnungen 16 ausgebildet, die vorzugsweise bezüglich der Längsachse des Trägers zentriert sind. Um eine optimale Strömung in vorgegebenen Richtungen zu gewährleisten, wird es, wie unten diskutiert, bevorzugt, diese Öffnungen als abgeflachte Ovale auszubilden, wobei die flache Seite der Mitte des Trägers zugewandt ist. Die Größe der Öffnungen wird in Übereinstimmung mit den hydraulischen Anforderungen der Gesamtgestaltung gewählt.

In jeder Öffnung werden zwei Ringe - einer auf jeder Seite bzw. Fläche - getragen, die in Fig. 5a und 5b gezeigt sind. Ein Verteilerring 18 (Fig. 5a) umfaßt eine Anzahl von Verteileröffnungen 26, die durch vorstehende Zähne 24 definiert werden, die am Umfang des Ringes ausgebildet sind, wie dies weiter unten noch näher erläutert werden wird. Ein Dichtring 19 (Fig. 5b) besitzt eine im wesentlichen flache obere Oberfläche 24. Ein Ring jedes Typs wird in jeder der Öffnungen getragen, die an gegenüberliegenden Enden (des Trägers) angeordnet sind und so angeordnet, daß die Ringe des gleichen Typs von derselben Fläche bzw. Seite des Trägers getragen werden. Beide Typen (von Ringen) werden aus einem relativ weichen Material gefertigt, wie z. B. einem Polypropylen- Kunststoff, und die Gesamtdicke der beiden Ringe ist annähernd gleich dem Abstand zwischen den Oberflächen benachbarter Öffnungen, um für eine Dichtfunktion zu sorgen, wie dies unten erläutert wird. Es können irgendwelche geeigneten Befestigungseinrichtungen verwendet werden; es hat sich jedoch als effektiv erwiesen, rund um den Umfang der Öffnung Montageaussparungen 20 vorzusehen, die von Ansätzen (nicht gezeigt) erfaßt werden können, die von dem Ring abstehen.

Der Fachmann versteht, daß andere Ringkonstruktionen verwendet werden könnten, um identische Funktionen zu realisieren wie mit den hier bevorzugten Einrichtungen. Beispielsweise könnten beide Ringe identische Zähne, ähnlich den Zähnen 25, haben, anstatt nur einen Ring mit solchen Zähnen zu haben.

Es hat sich gezeigt, daß die gewählte Ausgestaltung in Kombination mit einer leichten Herstellung die beste Leistung bietet.

Die Struktur der Trägeroberfläche kann in den verschiedenen Darstellungen gemäß Fig. 1, 2, 3 und 4 gesehen werden. Längsrippen 28 erstrecken sich zwischen den Öffnungen, wobei Paare dieser Rippen Strömungskanäle 30 definieren. Diese Kanäle verlaufen parallel zueinander und haben gleiche Abmessungen, und die Anzahl der Kanäle wird so gewählt, daß sich über die Oberfläche des Trägers eine gleichmäßige Strömung ergibt, wie dies der Fachmann anerkennen wird. Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel hat insgesamt 18 Kanäle und 16 Längsrippen, wobei die äußersten Kanäle Rippen am äußeren Umfang haben und wobei diese Zahl von Kanälen sich als wirksam zur Erzielung einer gleichmäßigen Strömung erwiesen hat. Zwei Längskanäle 32 liegen zu beiden Seiten jeder Längsrippe. Die oberen Oberflächen der Längsrippen sollten relativ flach sein und geringfügig unterhalb der oberen Oberfläche des erhöhten Randes 13 liegen.

Zwischen den Längsrippen und -kanälen befindet sich eine Anzahl von Querrippen 34 und -kanälen 36, die im wesentlichen rechtwinklig zu den Längsrippen und -kanälen verlaufen. Wie dies aus Fig. 2 deutlicher hervorgeht, liegen die Oberseiten der Querrippen 34 geringfügig unter den Oberseiten der Längsrippen 28, und die Böden der Querkanäle 36 liegen über dem Boden der Längskanäle 32. Die relativen Tiefen der Quer- und Längskanäle sind nicht kritisch; es hat sich jedoch gezeigt, daß die gezeigte Anordnung bei der Erzielung des angestrebten Strömungsmusters effektiv ist, wie dies weiter unten detailliert beschrieben werden wird.

Die oben beschriebenen Kombinationen von Rippen und Kanälen könnten durch andere Kombinationen ersetzt werden. Beispielsweise könnte zwischen jedem Paar von Längsrippen ein einziger Längskanal angeordnet werden. Man könnte auch die Querrippen und -kanäle weglassen, indem zwischen den erwähnten Längsrippen eine Anzahl von dazwischen liegenden Längsrippen vorgesehen wird, wobei diese dazwischen liegenden Rippen ihr oberes Ende auf einer niedrigeren Höhe haben als die primären Längsrippen. Alternativ könnte man ein internes Permeat-Drainagesystem verwenden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, und zwar anstelle des oben beschriebenen Permeatströmungssystems. Solche Systeme haben jedoch erhebliche Nachteile, wie z. B. eine Tendenz zum Lecken (besonders schwerwiegend bei Anwendungen mit Nahrungsmitteln und Antibiotika) und eine Begrenzung der Permeatströmungsgeschwindigkeit. Außerdem sind derartige Platten bzw. Träger schwieriger herzustellen und daher teurer als einstückige Ausgestaltungen.

Ein Verbindungskanal 37 umgibt den Teil der Oberfläche, in dem die Rippen und Kanäle ausgebildet sind. Dieser Kanal hat eine Tiefe, die zumindest ebenso groß ist wie die Tiefe der Längskanäle, um einen Fluidstrom aus demselben zu übernehmen. Die Permeatabzugsöffnung 39 schneidet den Verbindungskanal an einem (konstruktiv) bequemen Punkt und sorgt für einen Fluidströmungspfad durch die Seite (Randfläche) des Trägers. Wie gezeigt, steht diese Öffnung nach außen über die Seitenfläche des Trägers vor zur Verbindung mit Einrichtungen zum Sammeln des Permeats, wie z. B. Kunststoffrohren bzw. -schläuchen. Andere Sammeleinrichtungen würden andere Ablaßstrukturen erfordern, wie dies für den Fachmann auf der Hand liegt.

Montagezapfen 40 stehen nach außen von der Seite des Trägers ab und passen den Träger an die Montage an einem geeigneten Träger, wie z. B. einem Gestell (Rack) an. Der Fachmann wird die Verfahren zum Anpassen des Trägers bzw. Rahmens an andere möglicherweise wünschenswerte Montageanordnungen verstehen.

Die Arbeitsweise eines einzigen Trägers ist in Fig. 3 illustriert. Der Träger wird für den Betrieb vorbereitet, indem man eine semipermeable Membran 38 auf den (Haupt-)flächen des Trägers anordnet. Die Wahl eines geeigneten Membranmaterials hängt von der speziellen Anwendung ab, wie dies auf dem vorliegenden Gebiet der Technik wohlbekannt ist. Als nächstes werden Ringe in die Öffnungen eingesetzt, wobei der Verteilerring 18 auf einer Hauptfläche des Rahmens verwendet wird und der Dichtring 19 auf der gegenüberliegenden Fläche. Es ist zu beachten, daß Fig. 3 kleine Zwischenräume zwischen den Ringen, dem Träger und der Membran zeigt; diese Zwischenräume sind zur Verdeutlichung dargestellt, da die Bauteile tatsächlich in engen Kontakt miteinander gelangen.

Die Membran und der Träger wirken zusammen, um das Basisfluid in zwei Fraktionen aufzuteilen. Das Fluid strömt durch die Verteileröffnungen 26 in den Spalt zwischen den Trägern, wobei es dem Pfad gemäß Pfeil A folgt und in Kontakt mit der Membranoberfläche steht. Dabei durchdringt das Permeat die Membran und wird gesammelt und abgeführt. Die Verteileröffnungen sind bezüglich der Strömungskanäle 30 angeordnet und lenken das Fluid zu den Teilen der Membran, die über diesen Kanälen liegen. Außerdem stützen sich die Längsrippen 28 benachbarter Träger aneinander ab (wie dies weiter unten in Verbindung mit der Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung insgesamt beschrieben wird), wodurch der Retentatstrom auf den Bereich innerhalb der Grenzen der Strömungskanäle der Basisflüssigkeit beschränkt wird. Da diese Kanäle relativ schmal sind, ist die Fluidgeschwindigkeit quer zum Kanal und damit über die gesamte (Haupt-)fläche des Trägers relativ gleichmäßig. Der Fluidruck drückt die Membran gegen die Querrippen 34; die oberen Enden der Querrippen liegen tiefer als diejenigen der Längsrippen, und die Membran wird somit gegen die betreffenden oberen Oberflächen und die Seiten der Längsrippen gedrückt.

Das Permeat fließt durch die Membran, um sich in den Querkanälen 36 zu sammeln. Es sollte beachtet werden, daß diese Kanäle (und die Längskanäle 32) unter dem Niveau der Membran liegen, die durch die Längs- und Querrippen getragen wird. Es hat sich gezeigt, daß das Anbringen solcher Kanäle ein Fließen des Permeats zwischen dem Träger und der Unterseite der Membran ermöglicht, ohne daß es in Kontakt mit der Membran steht, was zu einem relativ freien Permeatfluß und einer höheren Permeat-Durchflußrate (bzw. -strömung) führt. Aus den Querkanälen fließt das Permeat in die Längskanäle 32 und von dort zu dem Verbindungskanal 37, der das Permeat aus allen Längskanälen aufnimmt. Der Permeat-Abzugsanschluß 39, der in Fluidverbindung mit dem Verbindungskanal steht, bildet einen Auslaßpunkt, um das Permeat zu geeigneten Sammeleinrichtungen (nicht gezeigt) zu führen.

Wendet man sich nunmehr der Betrachtung der Vorrichtung als Ganzes zu, so wird deutlich, daß die Ultrafiltrationsvorrichtung zusammengebaut wird, indem die Träger derart gestapelt werden, daß die Öffnungen 16 miteinander fluchten, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Das Fluchten der Öffnungen führt zur Bildung von zwei Kanälen in dem Stapel.

Die Träger werden so angeordnet, daß die erhöhten Kanten bzw. Ränder 13 (die nur auf einer Fläche jedes Trägers vorgesehen sind), sich (alle) in dieselbe Richtung erstrecken, und jeder Rand bzw. jede Kante wird in Kontakt mit der zugeordneten flachen Oberfläche der gegenüberliegenden Fläche des benachbarten Trägers gebracht, wobei die äußeren Teile der Membrane eingeklemmt werden, um eine äußere Abdichtung für den Stapel zu bilden. Außerdem gelangt der Verteilerring 18 eines Trägers mit der oberen Oberfläche 24 des Dichtrings 19 des benachbarten Trägers in Kontakt, wodurch die in dem Stapel ausgebildeten Kanäle abgedichtet werden. Zusätzlich werden die Längsrippen auf beiden Flächen jedes Trägers in Kontakt gebracht, um die Membrane weiter einzuklemmen und die Strömungspfade 30 für die Basisflüssigkeit gegeneinander abzudichten. Wie Fig. 6 zeigt, werden an beiden Enden des Stapels Endplatten 41 angeordnet. Diese Platten sollten ausreichend stabil sein, um den Druckkräften zu widerstehen, die erforderlich sind, um eine Abdichtung des Stapels zu bewirken, und sollten außerdem so bemessen sein, daß sie vollständig gegen einen ganzen Träger drücken.

Der Stapel kann in jeder gemäß dem Stand der Technik bekannten geeigneten Weise gehaltert werden. Vorzugsweise ist ein Gestell (nicht gezeigt) vorgesehen, welches Einrichtungen (nicht gezeigt) umfaßt, uni Montagezapfen 40 aufzunehmen oder was immer an Montageeinrichtungen ausgewählt wird. Außerdem erkennt der Fachmann, daß Einrichtungen zum Ausüben einer Druckkraft auf den Stapel vorgesehen sein müssen, wie z. B. ohne weiteres verfügbare hydraulische Preßeinrichtungen.

Wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist es wünschenswert, den Stapel in Module zu unterteilen. Zu diesem Zweck werden in den Stapel in geeigneten Abständen Flansche 46 zur Reduzierung der Turbulenz eingesetzt. Wie oben beschrieben, lehrt der Stand der Technik die Verwendung von Blockiereinrichtungen zum Erreichen dieses Ziels, was zu einem Strömungsmuster führt, bei dem das Fluid in aufeinanderfolgenden Modulen in entgegengesetzte Richtungen wandert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die optimale Leistung erreicht wird, wenn man dafür sorgt, daß das Fluid nach oben über eine Membran fließt (in der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe wie z. B. "oben", "unten", "aufwärts und abwärts", bezogen auf die Richtung der Schwerkraft, verwendet). Daher wird der Stapel gemäß vorliegender Erfindung derart angeordnet, daß die Rahmen bzw. Träger vertikal ausgerichtet sind und daß die Kanäle (des Stapels) an der Oberseite und an der Unterseite des Stapels angeordnet sind. Die am Boden des Stapels angeordneten Kanäle sind dabei Einlaßkanäle 48, während die an der Oberseite des Stapels angeordneten Kanäle Auslaßkanäle 50 sind.

Die relativ rauhe Oberfläche des Inneren des Kanals (die sich aufgrund der gestapelten Träger ergibt) führt naturgemäß zu einer Turbulenz, einer Betriebsbedingung, die bisher durch die abrupte Änderung der Strömungsrichtung am Ende des Kanals verschärft wird. Ferner nimmt die Turbulenz von Kanal zu Kanal zu, so daß beispielsweise das Fluid im vierten Modul eines Stapels eine erheblich größere Turbulenz erfährt als das Fluid in dem ersten Modul. Es wurde beobachtet, daß eine erhöhte Turbulenz zu einem schnellen Verstopfen der Kanäle im Träger führt und zu einer Delamination des Membranmaterials, insbesondere in den Modulen, die in Richtung auf das Ende eines Stapels angeordnet sind. Daher dienen Maßnahmen zur Reduzierung der Turbulenz zur Erhöhung der Leistung. Wie in Fig. 6 gezeigt, umfaßt der Flansch zur Reduzierung der Turbulenz einen Kanal bzw. eine Leitung 42, die durch den Unterteiler hindurchgehend ausgebildet ist und die das Ausgangsprodukt von einem Auslaßkanal 50 aufnimmt und das Fluid dem Einlaßkanal 48 des nachfolgenden Moduls zuführt. Diese Leitung ist so geformt, daß sie bei glatten Seitenwänden an das Profil der Trägeröffnungen angepaßt ist. Entsprechend den Grundprinzipien der Fluiddynamik gestattet ein glatter Kanal stets einen Abbau der Turbulenz zwischen den Modulen. Vorzugsweise ist der Flansch zur Reduzierung der Turbulenz als zweiteilige Einheit ausgebildet, wobei die Innenflächen so geformt bzw. gegossen sind, daß sie die Leitung bilden. Diese Einheit könnte permanent angebracht werden, oder (wie dies bevorzugt wird) eine der Einheiten könnte mit ähnlichen erhöhten Kanten versehen werden wie die Träger, um eine Abdichtung zwischen den Hälften der Einheit zu erzeugen. Die Wahl der Materialien für den Flansch kann vom Fachmann getroffen werden; rostfreier Stahl oder ein Polysulfon-Kunststoff wären für den Bereich von Nahrungsmitteln oder Antibiotika am ehesten zu akzeptieren.

Die Arbeitsweise der Ultrafiltrationsvorrichtung geht wie folgt vor sich: Zum Zwecke der Erläuterung zeigt Fig. 6 einen Stapel, der zwei Module A und B umfaßt, wobei jeder Modul drei Platten (Träger) 12 umfaßt. Die Flüssigkeit, bei der es sich beispielsweise um eine Fermentationsbrühe handeln kann, die bei der Herstellung von Antibiotika verwendet wird, wird in die Vorrichtung über einen Einlaßanschluß 52 eingeführt, der gemäß Fig. 6 in der linken Endplatte 41 mittels geeigneter Mittel (nicht gezeigt) angeordnet ist, und zwar mit einem Druck von etwa 105 N/cm² (150 psi). Diese Flüssigkeit fließt in den Einlaßkanal 48 des Moduls A und von dort durch die oben angesprochenen Verteileröffnungen 26, von denen sie in den Spalt 44 zwischen benachbarten Trägern 12 gelenkt wird, wie dies durch Pfeile a angedeutet ist. Eine solche Strömung tritt natürlich bei jedem Träger in dem Modul parallel auf. Das auf den einzelnen Trägern entstehende Strömungsmuster wurde oben erläutert.

Das Fluid sammelt sich dann in dem Auslaßkanal 50a des Moduls A und fließt durch die Leitung 42 des Flansches zum Reduzieren der Turbulenz in den Einlaßkanal 48b des Moduls B, was durch Pfeile c angedeutet ist. Das parallele Strömungsmuster wiederholt sich, wobei das Fluid den Pfaden gemäß den Pfeilen d folgend in den Zwischenräumen zwischen den Trägern vorrückt. Der Auslaßkanal 50b empfängt die Strömung, welche die Vorrichtung dann durch die Leitung bzw. den Anschluß 54 in der äußersten rechten Endplatte in Fig. 6 verläßt, wie dies durch Pfeile e angedeutet ist.

Es ist wichtig, zu beachten, daß sich das Strömungsmuster der vorliegenden Vorrichtung von der vorbekannten Vorrichtung dadurch erheblich unterscheidet, daß die Strömung in jedem Modul in derselben Richtung fließt, nämlich von unten nach oben. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich der Permeat-Abzugsanschluß stets am Niederdruck- bzw. Auslaßende des Trägers, was den verbesserten Abfluß des Permeats aus dem System fördert. Bei den oben angesprochenen Vorrichtungen gemäß dem Stande der Technik befindet sich natürlich die Hälfte dieser Anschlüsse in Niederdruckbereichen und die (andere) Hälfte in Hochdruckbereichen. Die Erfindung sorgt nicht nur für einen erhöhten Durchfluß, sondern diese Anordnung vermeidet auch "tote Zonen", die aufgrund von Lufteinschlüssen auf der Permeatseite der Membran auftreten.

Es sollte auch beachtet werden, daß man den Stapel in Träger zweier Typen unterteilen könnte - einen Typ mit Längsrippen mit der doppelten Höhe, wie hier offenbart, und der andere Typ mit einem Permeat-Drainagesystem, wie z. B. den Querrippen, den Querkanälen und den Längskanälen, die hier offenbart sind. Obwohl derartige Mittel bzw. Maßnahmen im Rahmen der Erfindung liegen würden, wird es bevorzugt, einen einzigen Trägertyp zu verwenden.

Es sollte ebenfalls beachtet werden, daß die in Fig. 6 gezeigte Vorrichtung lediglich zum Zwecke der Erläuterung konfiguriert ist. Der Fachmann wird die Notwendigkeit für mehr oder weniger Module oder für andere Anzahlen von Trägern innerhalb eines Moduls, bezogen auf die Anwendung und deren Erfordernisse verstehen.

Die Funktionsprüfung einer gemäß der Erfindung konstruierten Ultrafiltrationsvorrichtung bestätigt, daß die hier erläuterten Vorteile in der Praxis in der Tat auftreten. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung wurde mit einer Einheit verglichen, die gemäß den Lehren der US-PS 3,872015, wie oben beschrieben, aufgebaut war. Eine Ausrüstung dieses Typs wird von der dänischen Firma De Danske Sukkerfabriker (DDS) hergestellt. Die verwendete Basisflüssigkeit war eine Penicillinbrühe, und es wurden zwei Vergleichs-Ausgangsergebnisse aufgezeichnet: Der Durchsatz in Gallonen des Permeats pro Quadratfuß des Membranmaterials pro Tag (GFD) und das maximale Konzentrationsverhältnis des Retentats (das Verhältnis des Volumens der anfänglichen Basisflüssigkeit zum Volumen der nach der Verarbeitung verbleibenden Restflüssigkeit). Die beiden Vorrichtungen umfaßten eine identische Anzahl von Trägern bzw. Platten, wobei folgende Ergebnisse erhalten wurden:

Durchsatz (GFD) Maximales Konzentrationsverhältnis vorliegende Erfindung DDS-Vorrichtung Differenz (%)

Man erkennt deutlich, daß die vorliegende Erfindung erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bietet.

Die in Fig. 6 gezeigte Vorrichtung ist lediglich zum Zwecke der Erläuterung ausgebildet. Der Fachmann wird erkennen, daß je nach den Bedürfnissen für spezielle Anwendungen ein Bedarf nach mehr oder weniger Modulen und nach anderen Zahlen von Trägern in jedem Modul bestehen kann und in der Lage sein, eine entsprechende Anpassung vorzunehmen.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum Auftrennen einer Basisflüssigkeit in eine Permeatfraktion (durchzulassender Anteil) und eine Retentatfraktion (zurückzuhaltender Anteil), umfassend:

eine semipermeable Membran (38) zum Auftrennen der Basisflüssigkeit in die Fraktionen;

einen Strömungspfad für die Basisflüssigkeit auf einer ersten Seite der Membran (38), und

Strömungskanaleinrichtungen (32, 36, 37) für das Permeat, die auf der gegenüberliegenden Seite der Membran (38) angeordnet sind und an einem Träger (10) zum Tragen der Membran (38) derart vorgesehen sind, daß ein Teil der Basisflüssigkeit, der in den Strömungspfad für die Basisflüssigkeit eintritt und die Permeatfraktion enthält, durch die Membran (38) und in die Kanaleinrichtungen (32, 36, 37) für das Permeat fließt,

wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Strömungspfad für die Basisflüssigkeit in mehrere dichtend voneinander getrennte Strömungskanäle (30) für die Basisflüssigkeit unterteilt ist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und im wesentlichen gleich dimensioniert sind, derart, daß die Fluidgeschwindigkeit der Basisflüssigkeit über der Membran (38) im wesentlichen gleichmäßig ist und daß die Strömungskanäle (30) für die Basisflüssigkeit zum Kanalisieren der Strömung der Basisflüssigkeit derart vorgesehen sind, daß die Basisflüssigkeit im wesentlichen tangential über die Membran (38) fließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Permeatströmungskanal mehrere Permeatströmungskanäle umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Permeatströmungskanal in dem Träger ausgebildet ist, wobei der Träger eine Platte umfaßt, die eine Stützfläche aufweist, welche geeignet ist, darauf die Membran aufzunehmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Träger erste Rippen umfaßt, die in mindestens einer ersten Richtung orientiert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, welche ferner zweite Rippen umfaßt, die zwischen den ersten Rippen angeordnet sind und die in mindestens einer zweiten Richtung orientiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Membran deformierbar ist und bei der die ersten Rippen die Membran deformieren, um die Strömungskanäle für die Basisflüssigkeit zu bilden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Membran deformierbar ist und bei der die ersten Rippen und die zweiten Rippen die Membran deformieren, um die Strömungskanäle für die Basisflüssigkeit zu bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Permeatströmungskanal mehrere Permeatströmungskanäle umfaßt und bei der die ersten Rippen die Permeatströmungskanäle definieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die ersten Rippen die Permeatströmungskanäle definieren und sich über die Länge der Strömungskanäle erstrecken.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die zweiten Rippen dazwischen zweite Kanäle definieren und die ferner mindestens eine Öffnung umfaßt, die in Fluidverbindung mit den Permeatströmungskanälen steht, um die Permeatfraktion ablaufen zu lassen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die zweiten Rippen gegenüber dem Niveau der ersten Rippen zurückgesetzt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die ersten Rippen Längsrippen umfassen, welche dazwischen mindestens einen Längskanal definieren, wobei die zweiten Rippen Querrippen umfassen, die im wesentlichen rechtwinklig zu dem Längskanal und den Rippen angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Permeat- und die Retentatfraktion in Abhängigkeit vom Molekulargewicht ihrer Bestandteile getrennt werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Träger eine Stützfläche aufweist, die geeignet ist, darauf die Membran aufzunehmen, wobei die Stützfläche eine erste und eine zweite Öffnung umfaßt, die am Umfang der Stützfläche an gegenüberliegenden Enden derselben ausgebildet sind, und wobei die Strömungskanäle für die Basisflüssigkeit in Fluidverbindung mit der ersten und der zweiten Öffnung stehen und zwischen diesen liegen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der mehrere der Träger in einem Stapel vorgesehen sind, wobei jeder Träger eine Stützfläche mit einer darauf befindlichen Membran aufweist und jede Trägerstützfläche die erste und die zweite Öffnung umfaßt, wobei die Öffnungen für eine Fluidverbindung zwischen benachbarten Trägern sorgen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, welche ferner eine Dichtung umfaßt, die zumindest teilweise um die erste und die zweite Öffnung herum vorgesehen ist, um eine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanälen für die Basisflüssigkeit und den Öffnungen zu schaffen, wobei die Dichtungen eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem Träger und der Membran bewirken.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, welche ferner eine Dichtung umfaßt, die zumindest teilweise um die erste und die zweite Öffnung herum angeordnet ist, um eine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanälen für die Basisflüssigkeit und den Öffnungen zu schaffen, wobei die Dichtungen eine fluiddichte Abdichtung zwischen jedem Träger und der darauf angeordneten Membran bewirken.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Dichtung ferner eine fluiddichte Abdichtung zwischen benachbarten Trägern bewirkt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Dichtung zwei Teile umfaßt: einen ersten Teil, der eine Verteilungsdichtung umfaßt, die auf einer ersten Fläche jedes Trägers zumindest teilweise rund um den Umfang einer Öffnung angeordnet ist, um für eine Fluidverbindung zwischen der Öffnung und den Strömungskanälen für die Basisflüssigkeit zu sorgen und um eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem Träger und der auf dem Träger angeordneten Membran zu bewirken, sowie einen zweiten Teil, der ein Dichtungselement umfaßt, welches auf einer Stützfläche eines benachbarten Trägers mindestens teilweise rund um den Umfang der Öffnung angeordnet ist, um eine fluiddichte Abdichtung zwischen der Membran auf dem benachbarten Träger und dem benachbarten Träger zu bewirken, auf dem die Membran abgestützt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Verteilungsdichtung und das Dichtungselement jeweils ringförmige Elemente umfassen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Verteilungsdichtung mindestens eine Verteileröffnung zum Schaffen einer Fluidverbindung zwischen der Öffnung und den Strömungskanälen für die Basisflüssigkeit aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der die erste und die zweite Öffnung sich im wesentlichen über die gesamte von den Strömungskanälen für die Basisflüssigkeit eingenommene Breite erstrecken.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der die erste Öffnung und die zweite Öffnung eine im wesentlichen flache Seite haben, die sich in Richtung auf die Mitte des Trägers erstreckt.







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