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Dokumentenidentifikation DE19943921C1 11.01.2001
Titel Partikelgängige Vorrichtung zur Durchführung von Stofftrennungen mittels poröser flächiger Adsorptionsmembranen
Anmelder Sartorius AG, 37075 Göttingen, DE
Erfinder Demmer, Wolfgang, Dr., 37079 Göttingen, DE;
Nussbaumer, Dietmar, Dr., 37079 Göttingen, DE
DE-Anmeldedatum 14.09.1999
DE-Aktenzeichen 19943921
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.01.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.01.2001
IPC-Hauptklasse B01D 61/00
IPC-Nebenklasse B01D 63/10   B01D 15/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine partikelgängige Vorrichtung zur Durchführung von Stofftrennungen mittels Permeation von Flüssigkeiten durch mehr als eine Lage poröser flächiger Adsorptionsmembranen. Sie zeichnet sich durch eine hohe Adsorptionskapazität, einen gleichmäßigen Durchbruch der Zielsubstanz und einen einfachen Aufbau aus.
Die Lagen der Adsorptionsmembranen sind von einander beabstandet und mit mindestens einem Loch, vorzugsweise einer Vielzahl von Löchern, zur Passage der Partikel versehen.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind einsetzbar zur Behandlung partikelhaltiger Flüssigkeiten, wie sie z. B. in der Biotechnologie, in der pharmazeutischen, Lebensmittel- und chemischen Industrie oder im Wasser- und Abwasserbereich anfallen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine partikelgängige Vorrichtung zur Durchführung von Stofftrennungen mittels Permeation von Flüssigkeiten durch mehr als eine Lage poröser flächiger Adsorptionsmembranen.

Unter porösen flächigen Adsorptionsmembranen (Membranadsorber) werden mikroporöse Flachmembranen verstanden, die an ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen und/oder Liganden oder Reaktanden tragen, die zur Wechselwirkung mit mindestens einem Stoff einer mit ihm in Kontakt stehenden flüssigen Phase befähigt sind (WO-A1- 92/00805, Sartorius AG). Der Transport der flüssigen Phase durch die Adsorptionsmembranen hindurch erfolgt dabei konvektiv. Die Bezeichnung Adsorptionsmembranen ist als Oberbegriff für verschiedene Arten von Adsorptionsmembranen wie Ionenaustauschermembranen, Ligandenmembranen, Affinitätsmembranen und aktivierte Membranen zu verstehen, die ihrerseits wieder je nach den funktionellen Gruppen, Liganden und Reaktanden in unterschiedliche Adsorptionsmembrantypen eingeteilt werden.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind einsetzbar zur Behandlung partikelhaltiger Flüssigkeiten, wie sie z. B. in der Biotechnologie, in der pharmazeutischen, Lebensmittel- und chemischen Industrie oder im Wasser- und Abwasserbereich anfallen. So werden zum Beispiel biologisch wirksame Substanzen mittels Zellkulturen hergestellt. Zu ihrer Gewinnung müssen die Zellen in der Regel aufgeschlossen und durch Zentrifugieren und/oder Filtrieren abgetrennt werden, damit aus der verbleibenden Flüssigkeit der gewünschte Stoff isoliert werden kann. Zur Vermeidung dieses zusätzlichen Schrittes der Partikelabtrennung beschreiben K. H. Kroner et al. ein Verfahren zur Crossflow-Filtration mit Adsorptions-(Affinitäts-)membranen zur Primärseparation von Proteinen am Beispiel der Isolierung des Enzyms Malat- Dehydrogenase aus E. coli und Bäckerhefe mit Hilfe einer Cibacronblau modifizierten Membran (Bioforum 12, 455-458 (1992)). Dabei wird der partikelbelastete Fluidstrom direkt zur Zelltrümmerableitung tangential über eine Membranlage geströmt, während die im Filtrat befindliche Zielsubstanz bei Passage durch die Membran in dieser gebunden wird. Nach Entfernen der Partikel durch Spülen der Membranen, kann die Zielsubstanz mit geeigneten Lösungen gewonnen werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt in dem ungleichmäßigen Durchbruch der Zielsubstanz durch die eine Membranlage. Dieser Nachteil kann durch eine in der Fig. 12 der DE-PS 197 11 083 dargestellte Crossflow- Filtrationsvorrichtung überwunden werden, jedoch besitzt sie den Nachteil, daß sie kompliziert aufgebaut ist und mit einem hohen Energieeintrag betrieben werden muß, damit einerseits ein hoher Permeatstrom und andererseits eine ausreichende Überströmungsgeschwindigkeit zur Austragung der Partikel mit dem Flüssigkeitsstrom gewährleistet wird. Andernfalls würde die erste Membranlage verblocken und die gesamte Permeation zum Erliegen kommen. Die aus der DE-PS 197 11 083 und der DE- OS 44 32 628 bekannten Dead-End-Filtrationseinheiten weisen dagegen auf Grund der Verwendung mehrerer Lagen poröser Adsorptionsmembranen einen gleichmäßigeren Durchbruch der Zielsubstanz bei hohen Adsorptionskapazitäten auf, die zugeführten Fluide müssen allerdings partikelfrei sein, um ein Verblocken der Filtrationseinheiten zu verhindern.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Durchführung von Stofftrennungen mittels Permeation partikelhaltiger Flüssigkeiten durch poröse Adsorptionsmembranen zu schaffen, die sich durch eine hohe Adsorptionskapazität, einen gleichmäßigen Durchbruch der Zielsubstanz und einen einfachen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß Stofftrennungen mittels Adsorptionsmembranen auch aus stark partikelhaltigen Flüssigkeiten realisiert werden können, wenn die Vorrichtung mehr als eine Lage poröser flächiger Adsorptionsmembranen enthält, welche von einander beabstandet sind und mit mindestens einem Loch, vorzugsweise einer Vielzahl von Löchern, zur Passage der Partikel versehen sind. Im Betrieb wird die erste Lage einer porösen Membran, die mindestens ein Loch enthält, mit einer partikelbelasteten Flüssigkeit, aus der ein darin gelöster Stoff abgetrennt werden soll, unter Druck angeströmt. Ein erster Teil der Flüssigkeit permeiert partikelfrei durch die Poren der ersten Lage der Membran hindurch, wobei der zu gewinnende Stoff im Inneren der Membran adsorbiert wird. Der übrige Teil der Flüssigkeit strömt zusammen mit den Partikeln durch das mindestens eine Loch der ersten Lage hindurch in den von der ersten und der nächsten beabstandeten Lage gebildeten Raum hinein, wo er sich mit dem Permeat, das durch die erste Lage hindurchgetreten ist, vereinigt. Die vereinigten Teile der Flüssigkeit überströmen nunmehr die Oberfläche der zweiten Lage der flächigen Adsorptionsmembran bis ein Teil zusammen mit den Partikeln durch das mindestens eine Loch dieser zweiten Lage hindurchströmen. Dabei ist wiederum ein erster Teil der Flüssigkeit partikelfrei durch die Poren dieser zweiten Lage der Flachmembran hindurch permeiert. Beide Teile der Flüssigkeit sammeln sich in dem von der zweiten und der nächsten beabstandeten Lage gebildeten Raum. Der beschriebene Prozeß wiederholt sich solange, bis die mit Partikeln belastete und mit den Permeaten vereinigte Flüssigkeit die letzte Lage der flächigen Adsorptionsmembran durch das mindestens eine Loch verläßt. Die aus der partikelgängigen Vorrichtung abgeleitete Flüssigkeit ist von dem zu gewinnenden Stoff vollständig oder nahezu vollständig befreit.

Bei einer Vielzahl von Löchern sind diese in einer regulären oder irregulären Anordnung in der Membranlage angebracht. Sie sind von einer derartigen Größe, die eine Passage der in den Flüssigkeiten vorhandenen Partikel gestattet. Ihr Durchmesser beträgt dabei ein Vielfaches der nominellen Porenweite der verwendeten mikroporösen Adsorptionsmembranen. Er sollte jedoch kleiner sein als das 100-Fache des Durchmessers der größten Partikel in den Flüssigkeiten. Für eine optimale Ausnutzung des gesamten Membranvolumens zur Adsorption hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Löcher benachbarter Lagen zu einander versetzt angeordnet sind, insbesondere dann, wenn die Anzahl der Löcher in einer Membranlage gering und/oder ihr Durchmesser groß ist. Das mindestens eine Loch kann einen Flächenanteil von bis zu 20%, vorzugsweise von bis zu 4%, bezogen auf die Fläche einer Lage der Adsorptionsmembranen einnehmen. Die Löcher können in beliebiger Form ausgebildet sein, vorzugsweise weisen sie jedoch die Form eines Schlitzes oder eines Kreises mit einen Durchmesser von 0,01 bis 20 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 2 mm auf. Die benachbarten Lagen der porösen flächigen Adsorptionsmembranen sind mittels Abstandshalter parallel zu einander in einem Abstand im Bereich zwischen 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 bis 1 mm, angeordnet. Als Abstandshalter kommen Stege, Gitter, Gewebe, Gewirke oder Vliese in Betracht, die sich durch eine gute Partikelgängigkeit auszeichnen.

Die flächigen Adsorptionsmembranen sollen einen Porendurchmesser im Bereich zwischen 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise zwischen 3 bis 5 µm besitzen. Adsorptionsmembranen mit geringeren Porendurchmessern weisen eine für praktische Anwendungen zu geringe Permeabilität auf, während bei Adsorptionsmembranen mit größeren Poren die Gefahr einer raschen Verblockung durch das Eindringen kleiner Partikel in die Poren besteht. Als Adsorptionsmembranen werden Flachmembranen eingesetzt, die funktionelle Gruppen und/oder Liganden oder Reaktanden tragen, die zur Wechselwirkung mit mindestens einem Stoff, vorzugsweise dem zu gewinnenden Stoff, aus den Flüssigkeiten befähigt sind.

Die Vorrichtung kann als Flachmodul oder in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Wickelmodul ausgebildet sein, bei der die Lagen zusammen mit den Abstandshaltern zu einem Wickel geformt sind. Besonders bevorzugt ist eine als Zylindermodul ausgeführte Bauform, wie sie in der DE-PS 197 11 083 beschrieben ist.

Die Erfindung soll nun anhand der Fig. 1 bis 4 und der Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigen die

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Variante der Anordung von Löchern in einer Lage einer flächigen Adsorptionsmembran,

Fig. 3 den Verlauf einer typischen Stofftrennung und

Fig. 4 in Explosionsdarstellung eine weitere Ausführungsform der Anordnung der Löcher in benachbarten Lagen der flächigen Adsorptionsmembranen.

Gemäß Fig. 1 besteht die partikelgängige Vorrichtung 1 aus einem Gehäuse 2 mit einem Flüssigkeitseinlaß 3 und einem Flüssigkeitsauslaß 4. In dem Gehäuse 2 sind mehr als eine Lage poröser flächiger Adsorptionsmembranen 5 derart angeordnet, daß bei Betrieb der Vorrichtung 1 die Flüssigkeiten vom Flüssigkeitseinlaß 3 zum Flüssigkeitsauslaß 4 die Lagen 5 nacheinander passieren müssen. Die Lagen der Adsorptionsmembran 5 sind mit Löchern 6 zur Passage von in der Feedflüssigkeit 7 enthaltenen Partikeln 8 versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur wenige Löcher 6 dargestellt. Die Lagen der Adsorptionsmembranen 5 sind in ihrem peripheren Randbereich gegenüber dem Gehäuse 2 mittels einer Dichtung 9 abgedichtet. Die Lagen der Adsorptionsmembran 5 sind von einander beabstandet angeordnet zur Ausbildung eines Raumes 10 für die Sammlung eines durch die Adsorptionsmembranen permeierenden ersten Teils 11 der Flüssigkeit 7 und des übrigen Teils 12 der mit Partikeln belasteten Flüssigkeit, der die Lagen 5 durch die Löcher 6 passiert. Die Beabstandung der Lagen der Adsorptionsmembran 5 wird mittels Abstandshaltern 13 stabilisert, die in Form partikelgängiger Gitter, Gewebe, Gewirke oder Vliese zwischen den Lagen 5 eingebracht sind. Zur besseren Anströmung der ersten Lage 5 und zur besseren Sammlung der Flüssigkeit 7 nach der letzten Lage der Adsorptionsmembranen 5 sind entsprechende Strömungsleiteinrichtungen, beispielsweise in Form der Abstandshalter 13 angeordnet.

Die Explosionsdarstellung der Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung der Löcher 6 in den beabstandeten Lagen der flächigen Adsorptionsmembranen 5, sowie die dazugehörigen Abstandshalter 13. Diese Elemente werden zum Beispiel in ein nicht dargestelltes Gehäuse mit Flüssigkeitsein- und -auslaß randdichtend eingebracht.

Beispiel 1

Zwei Meter eines 6 cm breiten Streifens einer stark basischen Adsorptionsmembran vom Typ SARTOBIND® Q (Sartorius AG) wurde mit Löchern in einer in Fig. 2 dargestellten Anordung versehen. Die Löcher hatten einen Abstand von ca. 1,8 cm und einen Durchmesser von 3,5 mm. Der Anteil der Löcher an der frontalen Membranfläche war ca. 1,8%. Dieses Membranband wurde zusammen mit einem 6 cm breiten Gewebeband aus Polypropylen zu einem Zylindermodul gemäß der DE-PS 197 11 083 verarbeitet.

Über den Zylindermodul wurde mittels einer Schlauchpumpe 1 Liter einer partikelbelasteten Flüssigkeit (Feedlösung) aus kommerziell erhältlichem Rinderserumalbumin (RSA) der Fa. Kräber, Hamburg und luftgetrockneter Bäckerhefe in einem Puffer der Zusammensetzung 0,01 M Tris(Hydroylmethyl)aminomethan (TRIS) eingestellt mit konzentrierter Salzsäure auf einen pH-Wert von 8,3 mit einer Geschwindigkeit von 0,6 l/min gefördert. Die den Zylindermodul verlassende Flüssigkeit wurde durch ein Durchflußphotometer der Fa. Wedgewood, San Carlos, USA geleitet und die Absorption der Lösung bei 280 nm bestimmt und kontinuierlich aufgezeichnet. Nach Passage des Liters Flüssigkeit wurde mit dem Puffer gewaschen bis die Absorption bei 280 nm wieder den Wert 0 erreicht hatte. Dann wurde zunächst mit einer Lösung von 0,25 M Natriumchlorid in dem Puffer das RSA vom Zylindermodul eluiert und schließlich mit 1 M Natriumchlorid in dem Puffer die gebundene Hefe entfernt. Es fand während der gesamten Prozedur keine signifikante Erhöhung des Druckes statt. Danach stand der Zylindermodul für einen weiteren Zyklus zur Verfügung. Der Versuch wurde wiederholt.

Fig. 3 zeigt den Verlauf eines typischen Versuchs. Es findet ein sofortiger Durchbruch der Hefepartikel durch den Zylindermodul statt, was am steilen Anstieg der Kurve zu Beginn zu erkennen ist. Nach dem Ausspülen aller UV-absorbierenden Partikel wurde das RSA mit 0,25 M NaCl im Puffer eluiert (erster großer Peak), dann wurde mit 1 M NaCl im Puffer noch im Zylindermodul zurückgehaltene Hefe desorbiert (zweiter Peak). Die dynamische Bindungskapazität (Erreichen von 10% der Konzentration der zugeführten RSA-Lösung im Ablauf) betrug 0,38 mg/cm2 Membranfläche. Die statische Bindekapazität war 0,5 mg/cm2 Membranfläche.

Es wurden die folgenden Ergebnisse erzielt: 1. Lauf



2. Lauf



Beispiel 2

In einem weiteren Versuch wurden 10 g luftgetrocknete kommerziell erhältliche Bächerhefe in 1 l des in Beispiel 1 beschriebenen Puffers suspendiert und diese Suspension im Kreislauf über den Zylindermodul gemäß Beispiel 1 geführt. Der durchschnittliche Eingangsdruck betrug 0,1 bar und änderte sich nicht signifikant während der 30 minütigen Versuchsdauer. Danach wurden der Suspension 1 g RSA zugegeben und dieses Gemisch über den Zylindermodul geführt. Nach Freispülen, wie oben in Beispiel 1 beschrieben, wurde das RSA mit 0,25 M NaCl im Puffer eluiert. Es wurden 0,41 g RSA wiedergefunden. Damit hatte die dynamische Bindungskapazität um 48% abgenommen.

Der Zylindermodul wurde mit 1 M NaCl im Puffer gespült, dann mit 1 M NaOH beaufschlagt und 10 min stehen gelassen, anschließend wurde mit 1 M NaOH und danach mit 1 M NaCl im Puffer, danach nur mit Puffer gespült.

Der Zylindermodul wurde erneut mit RSA beladen.

Es wurden die folgenden Ergebnisse erzielt: 1. Lauf



Die statische Bindungskapazität betrug noch 90% des Wertes aus dem 1. Lauf des Beispiels 1.


Anspruch[de]
  1. 1. Partikelgängige Vorrichtung zur Durchführung von Stofftrennungen mittels Permeation von Flüssigkeiten durch mehr als eine Lage poröser flächiger Adsorptionmembranen, welche von einander beabstandet und mit mindestens einem Loch zur Passage der Partikel versehenen sind, wobei die Vorrichtung über einen der ersten Lage benachbarten Flüssigkeitseinlaß und über einen der letzten Lage benachbarten Flüssigkeitsauslaß verfügt und die beabstandeten Lagen der Flachmembranen in ihren peripheren Randbereichen für die Flüssigkeiten undurchlässig sind derart, daß die zu behandelnde Flüssigkeit vom Flüssigkeitseinlaß zum Flüssigkeitsauslaß die Lagen nacheinander passieren muß, wobei in jeder Membranlage jeweils ein erster Teil der zu behandelnden Flüssigkeit partikelfrei durch die Poren der flächigen Adsorptionsmembran und der restliche Teil der zu behandelnden Flüssigkeit mit den Partikeln durch das zumindest eine Loch der Membran strömt und beide Teilströme auf der nächsten Membranlage wieder vereinigt werden.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 bei der das mindestens eine Loch benachbarter Lagen zu einander versetzt angeordnet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 bei der das mindestens eine Loch einen Flächenanteil von bis zu 20%, vorzugsweise von bis zu 4%, bezogen auf die Fläche der Lage der Flachmembranen einnimmt.
  4. 4. Vorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche bei der das mindestens eine Loch kreisförmig ausgebildet ist und einen Durchmesser von 0,01 bis 20 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 2 mm aufweist.
  5. 5. Vorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche bei der die benachbarten Lagen der porösen Flachmembranen mittels Abstandshalter parallel zu einander einen Abstand im Bereich zwischen 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 bis 1 mm, einnehemen.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5 bei der die Abstandshalter aus Stegen, Gittern, Geweben, Gewirken oder Vliesen bestehen.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bei der die Flachmembranen einen Porendurchmesser im Bereich zwischen 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise zwischen 3 bis 5 µm besitzen.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bei der die Flachmembranen funktionelle Gruppen und/oder Liganden oder Reaktanden tragen, die zur Wechselwirkung mit mindestens einem Stoff aus den Flüssigkeiten befähigt sind.
  9. 9. Vorrichtung nach einen der vorstehenden Ansprüche, bei der die Lagen zu einem Wickel geformt sind und die Vorrichtung als Wickelmodul ausgebildet ist.






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