PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4418941A1 07.12.1995
Titel Filtrationseinheit
Anmelder Sartorius AG, 37075 Göttingen, DE
Erfinder Endrst, Vaclav, Dr., 65779 Kelkheim, DE
DE-Anmeldedatum 31.05.1994
DE-Aktenzeichen 4418941
Offenlegungstag 07.12.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.12.1995
IPC-Hauptklasse B01D 61/00
IPC-Nebenklasse B01D 61/02   B01D 61/14   
IPC additional class // C12M 1/12,3/06,C12H 1/00,A23L 2/30,C07K 3/12,3/26  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Filtrationseinheit für Crossflow-Filtrationen, die aus wenigen Bauteilen besteht und ein geringes Totvolumen aufweist.
Erfindungsgemäß besitzt das anströmseitige Gehäuseteil der Filtrationseinheit an seiner den Filterelementen zugewandten Seite eine Aussparung zur Aufnahme eines Dichtungselements und davon beabstandet Strömungsführungskanäle, deren Stege an den Filterelementen dicht anliegen, wenn sich das Gehäuse im geschlossenen Zustand befindet.
Durch die erfindungsgemäße Lösung entfällt die Verwendung einer Strömungsführungsplatte als gesondertes Bauelement und die Filtrationseinheit kommt mit einem einzigen Dichtungselement aus. Totzonen sind nicht vorhanden. Aufgrund der geringen Anzahl von Bauelementen, insbesondere Dichtungselementen ist die Filtrationseinheit schnell zu montieren und demontieren, und sie kann einfach gereinigt und sterilisiert werden. Die Filtrationseinheit besitzt praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer.
Die erfindungsgemäße Filtrationseinheit ist für eine verlustarme Crossflow-Filtration flüssiger Medien verwendbar, die wertvolle Stoffe enthalten, schwer filtrierbar sind und meist in geringen Volumina vorliegen. Sie ist für Filtrationen durch Umkehrosmose, Ultrafiltration und Mikrofiltration sowie für Filtrationen mit Membranadsorbern geeignet. Die Filtrationseinheit kann besonders in Laboratorien der Biotechnologie, der gentechnischen Forschung, der Pharmazie, Chemie, Getränke- und Lebensmittelindustrie und ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Filtrationseinheit für Crossflow-Filtrationen, die aus wenigen Bauteilen besteht und ein geringes Totvolumen aufweist.

Die erfindungsgemäße Filtrationseinheit ist für eine verlustarme Crossflow-Filtration flüssiger Medien vorgesehen, die wertvolle Stoffe enthalten, schwer filtrierbar sind und meist in geringen Volumina vorliegen. Sie ist insbesondere für Filtrationen durch Umkehrosmose, Ultrafiltration und Mikrofiltration sowie für Filtrationen mit Membranadsorbern vorgesehen. Mit ihr lassen sich beispielsweise Proteinlösungen filtrieren und Sterilfiltrationen durchführen. Die Filtrationseinheit ist leicht zu säubern und zu sterilisieren. Sie kann einfach und schnell montiert und demontiert werden und besitzt praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer. Die Filtrationseinheit ist besonders für Laboratorien in der Biotechnologie, der gentechnischen Forschung, der Pharmazie, Chemie, Getränke- und Lebensmittelindustrie und des Umweltschutzes geeignet.

Filtrationseinheiten für die Filtration kleiner Volumina, die nach dem Crossflow-Prinzip arbeiten, sind bekannt. In der US-PS 3 556 302 wird eine derartige Filtrationseinheit für die Umkehrosmose, Ultrafiltration und andere Filtrationsprozesse beschrieben. Sie besteht aus einem anströmseitigen Gehäuseteil mit einem Einlaufanschluß für den Feedstrom und einem Konzentratablaufanschluß und einem filtratseitigen Gehäuseteil mit einem Filtratablaufanschluß, zwischen denen sich eine Strömungsführungsplatte mit spiralförmigen Rillen, ein Filterelement (Membran) und eine Filterunterstützung befindet. Die Abdichtung der Gehäuseteile, der Verteilerplatte und des Filterelements gegeneinander erfolgt mittels drei Dichtungsringen und Verschraubung der Gehäuseteile. Der Einlaufanschluß endet unterhalb der Strömungsführungsplatte in einer Einlaßzone für das Fluid.

Nachteilig ist das relativ große Totvolumen, das durch die vorgesehene Einlaßzone für den Feedstrom entsteht, die eine Quelle für Feststoffablagerungen und Verstopfungen darstellt. Weitere Nachteile bestehen in der großen Zahl von Bauelementen, die für die Filtrationseinheit erforderlich sind und deren Herstellung kostspielig machen, sowie die Verwendung mehrerer Dichtungsringe, die zu einem erhöhten Leckrisiko führen. Durch die große Anzahl von Bauelementen und Dichtungsringen wird die rasche Montage und Demontage der Filtrationseinheit erschwert.

Die DE-A1 35 19 060 beschreibt eine Filtrationseinheit analogen Aufbaus, bei der zur Abdichtung insgesamt 5 Dichtungsringe erforderlich sind. Der Einlaufanschluß und der Konzentratablaufanschluß werden aufwendig durch die Strömungsführungsplatte geführt. Das filtratseitige Gehäuseteil ist zusätzlich mit einem Rillensystem zur Filtratsammlung ausgestattet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filtrationseinheit zu schaffen, die mit wenigen Bauteilen auskommt, ein geringes Totvolumen aufweist, leicht zu reinigen, zu sterilisieren und schnell zu montieren ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das anströmseitige Gehäuseteil einer Filtrationseinheit nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 an seiner den Filterelementen zugewandten Seite eine Aussparung zur Aufnahme eines Dichtungselements und davon beabstandet Strömungsführungskanäle besitzt, deren Stege an den Filterelementen dicht anliegen, wenn sich das Gehäuse im geschlossenen Zustand befindet.

Durch die erfindungsgemäße Lösung entfällt die Verwendung einer Strömungsführungsplatte als gesondertes Bauelement und die Filtrationseinheit kommt mit einem einzigen Dichtungselement aus. Totzonen sind nicht vorhanden. Aufgrund der geringen Anzahl von Bauelementen, insbesondere Dichtungselementen ist die Filtrationseinheit schnell zu montieren und demontieren, und sie kann nahezu vollständig entleert, einfach gereinigt und sterilisiert werden. Die Filtrationseinheit kann aus Metall, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, Kunststoff oder aus einer Kombination von Metall und Kunststoff druckfest gefertigt werden.

Die Filtrationseinheit kann bei Bestückung mit entsprechenden Filterelementen für Crossflow-Filtrationen im Umkehrosmose-, Ultra- und Mikrofiltrationsbereich betrieben werden. Als Filterelemente werden Membranen oder Tiefenfilter mit entsprechendem Rückhaltevermögen beziehungsweise mit entsprechenden Porengrößen verwendet. Sie können auch in Kombination angewandt werden.

Aufgrund der kompakten Bauweise und des geringen Totvolumens ist die Filtrationseinheit für die Filtration geringer Volumina und die Abtrennung von Wertstoffen, die nur in geringer Menge vorhanden sind, besonders geeignet. Dazu gehört in erster Linie die Arbeit mit Flüssigkeiten, die in Laboratorien mit biotechnologischen, gentechnischen, medizintechnischen, pharmazeutischen und umweltrelevanten Arbeiten anfallen, wie beispielsweise die Sterilfiltration, die Einkonzentrierung, Einpufferung und die Trennung von proteinhaltigen Lösungen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt eine rotationssymmetrische Filtrationseinheit dar, bei der die Strömungsführungskanäle flachspiralförmig ausgebildet sind und bei der insbesondere nur ein flachspiralförmiger Strömungsführungskanal vorhanden ist. Dadurch wird das zu filtrierende Medium mit so hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche des Filterelementes geführt, daß ein Verblocken durch Überkonzentrationseffekte vermieden wird. Durch das geringe Totvolumen kann die Filtrationseinheit fast vollständig entleert werden. Das ist insbesondere bei Einkonzentrierungsarbeiten von Vorteil.

Bei Bestückung der Filtrationseinheit mit einem oder mehreren Membranadsorbern ist gleichzeitig die Abtrennung eines oder mehrerer adsorbierbarer Stoffe aus dem Filtrat möglich.

Umkehrosmosemembranen sind durch Porengrößen charakterisiert, die Moleküle bis zu einer Größe von etwa 500 Daltons passieren lassen. Ultrafiltrationsmembranen sind durch Porengrößen charakterisiert, die sie zur Rückhaltung von Makromolekülen, etwa im Molmassenbereich zwischen 500 und 1 000 000 Daltons befähigen, während Mikrofiltrationsmembranen wirksame Porengrößen im Bereich zwischen 0,01 und 10 µm aufweisen. Membranadsorber sind solche Membranen, die an ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen, Liganden oder Reaktanden tragen, die zur Wechselwirkung mit mindestens einem Stoff einer mit ihr in Kontakt stehenden flüssigen Phase befähigt sind. Die Bezeichnung Membranadsorber ist als Oberbegriff für verschiedene Membranadsorber-Typen wie Membranionenaustauscher, Ligandenmembranen und aktivierte Membran zu verstehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Filtrationseinheit und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Filtrationsanlage mit der erfindungsgemäßen Filtrationseinheit.

Die Fig. 1 zeigt eine rotationssymmetrische Filtrationseinheit 1. Ihr Gehäuse besteht aus einem filtratseitigen Gehäuseteil 2 mit einem Filtratablaufanschluß 3 und einem Außengewinde 4, aus einem anströmseitigen Gehäuseteil 5 mit einem Einlaufanschluß 6 für den Feedstrom und einem Konzentratablaufanschluß 7 und aus einer beide Gehäuseteile drucksicher verbindenden Überwurfmutter 8 als Verbindungselement. Auch andere dem Fachmann geläufige Verbindungselemente, wie beispielsweise Verschlußklammem, Klemmbügelverschlüsse und andere können verwendet werden. Zwischen den beiden Gehäuseteilen 2 und 5 befindet sich der Filtratseite zugewandt eine Filterunterstützung 9, die vorzugsweise gleichzeitig als Filtratsammler ausgebildet ist, ein oder mehrere Filterelemente 10 und ein als Dichtungsring 11 ausgebildetes Dichtungselement. Die Filterunterstützung 9 kann in eine konzentrisch in das filtratseitige Gehäuseteil 2 eingebrachte Vertiefung, deren Tiefe der Dicke der Filterunterstützung entspricht, eingelassen sein. Das anströmseitige Gehäuseteil 5 besitzt an seiner den Filterelementen zugewandten Seite eine Aussparung 12 zur Aufnahme des Dichtungsrings 11 und davon beabstandet Strömungsführungskanäle 13, deren Stege an den Filterelementen dicht anliegen, wenn die Überwurfmutter 8 zum fluiddichten Verschließen des Gehäuses angezogen ist. Die Tiefe der Aussparung und die Stärke des Dichtungsrings 11 sind für eine fluiddichte Randabdichtung aufeinander abgestimmt. Die Strömungsführungskanäle 13 sind in der rotationssymmetrischen Ausführungsform der Filtrationseinheit als Flachspiralkanal ausgebildet, wobei der Konzentratablaufanschluß 7 vom Zentrum der Spirale abgeht und der Einlaufanschluß 6 für den Feedstrom am peripheren Ende der Spirale einmündet.

Die Fig. 2 zeigt, wie eine Filtration im Laboratoriumsmaßstab mit einer Filtrationsanlage durchgeführt wird, die aus der erfindungsgemäßen Filtrationseinheit 1 , einem Auffanggefäß für Filtrat 14, einem Vorratsgefäß 15 für die zu filtrierende Lösung, einer Pumpe 16 und den Leitungen 17, 18 und 19 besteht. Die sich im Vorratsgefaß 15 befindliche zu filtrierende Lösung wird mittels Schlauchpumpe 16 über die Leitungen 17 und 18 als Feedstrom in die Filtrationseinheit gepumpt, überströmt entlang des Flachspiralkanals 13 das erste der Filterelemente 10 und wird als Konzentrat über die Leitung 19 dem Vorratsgefäß 15 wieder zugeführt. Das Filtrat passiert die Filterelemente 10 und wird im Auffanggefäß 14 gesammelt. Im Falle der Verwendung von Membranadsorbern als Filterelemente 10 werden die in den Membranadsorbern adsorbierten Substanzen gesondert eluiert.


Anspruch[de]
  1. 1. Filtrationseinheit für Crossflow-Filtrationen, bestehend aus einem Gehäuse mit einem filtratseitigen Gehäuseteil, das einen Filtratablaufanschluß besitzt, mit einem anströmseitigen Gehäuseteil, das einen Zulaufanschluß und einen Konzentratablaufanschluß besitzt und mit lösbaren Verschließelementen, wobei zwischen beiden Gehäuseteilen eine als Filtratsammler ausgestaltete Filterunterstützung, Filterelemente und ein Dichtungselement angeordnet sind und das filtratseitige Gehäuseteil so ausgebildet ist, daß es das anströmseitige Gehäuseteil an dessen den Filterelementen zugewandtem Ende peripher umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das anströmseitige Gehäuseteil an seiner den Filterelementen zugewandten Seite eine Aussparung zur Aufhahnie des Dichtungselements und davon beabstandet Strömungsführungskanäle besitzt, deren Stege an den Filterelementen dicht anliegen.
  2. 2. Filtrationseinheit nach Anspruch 1 bestehend aus einem rotationssymmetrischen Gehäuse mit einer Überwurfmutter als Verschließelement und einem Dichtungsring als Dichtungselement dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführungskanäle flachspiralförmig ausgebildet sind.
  3. 3. Filtrationseinheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente aus Membranen oder Tiefenfiltern oder Kombinationen daraus bestehen.
  4. 4. Filtrationseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen Umkehrosmose-, Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationsmembranen sind.
  5. 5. Filtrationseinheit nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen Membranadsorber aus Membranionenaustauschern, Ligandenmembranen oder aktivierten Membranen oder Kombinationen daraus sind.
  6. 6. Filtrationseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Filterelement vorhanden ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com