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Dokumentenidentifikation DE10000196A1 12.07.2001
Titel Verbesserte Crossflow-Filtrationseinheit
Anmelder Sartorius AG, 37075 Göttingen, DE
Erfinder Mackenstedt, Ina, Dr., 30167 Hannover, DE;
Schmidt, Hans-Weddo, 37181 Hardegsen, DE;
Grummert, Ulrich, 37242 Bad Sooden-Allendorf, DE
DE-Anmeldedatum 05.01.2000
DE-Aktenzeichen 10000196
Offenlegungstag 12.07.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2001
IPC-Hauptklasse B01D 29/05
IPC-Nebenklasse B01D 63/08   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine verbesserte Crossflow-Filtrationseinheit zur Trennung von Stoffen durch Crossflow-Filtration flüssiger Medien und Gewinnung der Zielsubstanzen im Filtrat und/oder im Konzentrat. Sie zeichnet sich durch eine verbesserte Filtrationsleistung und eine hohe Produktausbeute aus.
Die erfindungsgemäße Crossflow-Filtrationseinheit weist ein Filtermaterial auf, das aus zwei aufeinander liegenden mikroporösen Membranlagen besteht, wobei die einem Filtratsammelspalt zugewandte Membranlage eine mittlere Porengröße im Bereich einer Ausschlußgrenze von 1000 Dalton bis 1,2 µm aufweist, welche die Konzentratstoffe von einer Passage durch diese Membranlage ausschließt und wobei die einem Überströmspalt zugewandte Membranlage mindestens eine um den Faktor 1,3 größere mittlere Porengröße besitzt.
Mit der Crossflow-Filtrationseinheit können Flüssigkeiten, Emulsionen, Suspensionen, Getränke, Wasser und Lösungen im Pharma-, Medizin-, Kosmetik-, Chemie-, Biotechnologie-, Gentechnik-, Umweltschutz- und Laborbereich filtriert werden zur Wertstoffgewinnung, Stofftrennung, Entpyrogenisierung, Sterilisierung, Abtrennung von Schadstoffen, Mikrooranismen oder von Zellbestandteilen, Entsalzung und Aufkonzentrierung von Proteinlösungen und anderen biologischen Medien.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Crossflow-Filtrationseinheit zur Trennung von Stoffen durch Crossflow-Filtration flüssiger Medien und Gewinnung der Zielsubstanzen im Filtrat und/oder im Konzentrat.

Mit den erfindungsgemäßen, verbesserten Crossflow-Filtrationseinheiten können Fluide wie Flüssigkeiten, Emulsionen, Suspensionen, Getränke, wie Bier, Wein, Saft, Wasser, und Milch, Molke, Bierwürze, Brauch- und Abwasser, Lösungen im Pharma-, Medizin-, Kosmetik-, Chemie-, Biotechnologie-, Gentechnik-, Umweltschutz- und Laborbereich filtriert werden. Sie können zur Wertstoffgewinnung, Stofftrennung beispielweise von Makromolekülen und Biomolekülen, zur Entpyrogenisierung und Sterilisierung von Lösungen, zur Abtrennung von Schadstoffen aus den Fluiden, für die Filtration und Aufkonzentrierung biologischer Lösungen, für die Abtrennung von Mikroorganismen, wie Bakterien, Hefen, Viren und von Zellbestandteilen, für die Entsalzung von Proteinlösungen und anderen biologischen Medien verwendet werden.

Bei der Crossflow-Filtration überströmt eine zu filtrierende Speiseflüssigkeit tangential die Oberfläche eines Filtermaterials und wird dabei in ein Konzentrat und ein Filtrat aufgespalten. Als Filtermaterial wird in der Regel eine mikroporöse Membran im Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsbereich verwendet.

Die Ultrafiltrationsmembranen sind durch mittlere Porengrößen beziehungsweise Ausschlußgrenzen charakterisiert, die sie zur Rückhaltung von Makromolekülen, etwa im Molmassenbereich zwischen 500 und 1.000.000 Dalton befähigen, während die Mikrofiltrationsmembranen mittlere Porengrößen im Bereich zwischen 0,01 und 10 µm aufweisen. Die Begriffe "mittlere Porengröße", "Ausschlußgrenze" und ihre Ermittlung wird in Übereinstimmung mit den Ausführungen von E. A. Schezermann im Kapitel 4.3.3 "Membranen" im Handbuch der industriellen Fest/Flüssig-Filtration, herausgegeben von H. Gasper, Hüthig Buch Verlag Heidelberg 1990, Seiten 250 bis 262 benutzt.

Das Konzentrat wird an der überströmten Oberfläche der Membran abgeführt und kann im Kreislauf wieder zurückgeführt werden, so daß es die Membranoberfläche wiederholt überströmt. Das die Membran senkrecht zur Oberfläche durchströmende Filtrat wird von der Unterseite der Membran abgeführt. Zu gewinnende Zielsubstanzen können im Filtrat (Filtratstoffe) und/oder im Konzentrat (Konzentratstoffe) enthalten sein. Crossflow- Filtrationseinheiten werden häufig in Form von Filterkassetten eingesetzt, wie sie beispielsweise in der DE-PS 34 41 249 beschrieben sind. Sie bestehen aus einer Vielzahl benachbarter Filterzellen, die in der Regel aus alternierend angeordneten, flächigen Zuschnitten von einem Konzentratabstandshalter zur Ausbildung eines Überströmspalts für die zu filtrierende Speiseflüssigkeit, einer ersten Membranlage, einem Filtratabstandshalter zur Ausbildung eines Filtratsammelspalts und einer zweiten Membranlage bestehen. Jeder Überströmspalt ist mit einem Einlaß für die zu filtrierende Speiseflüssigkeit und mit einem Auslaß für das Konzentrat kommunizierend verbunden und jeder Filtratsammelspalt ist mit einem Auslaß für das Filtrat kommunizierend verbunden.

Bei der Überströmung der Membranoberfläche sollen die Konzentratstoffe, die auf Grund ihrer Größe von der Passage durch die Poren der Membran hindurch ausgeschlossen werden, von der Oberfläche fortgespült werden, damit sie die Membranporen für eine Permeierung des Filtrats und der Filtratstoffe nicht verstopfen. Trotzdem bildet sich auf der überströmten Membranoberfläche auf verschiedene Weise eine Deckschicht aus, durch die in der Regel die Filtrationsleistung, die Ausbeute an. Zielsubstanzen und die Standzeit der Crossflow-Filtrationseinheit beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine verbeserte Crossflow- Filtrationseinheit vorzuschlagen, die sich durch eine verbesserte Filtrationsleistung und eine hohe Produktausbeute auszeichnet.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gelöst.

Die erfindungsgemäße verbessere Crossflow-Filtrationseinheit dient der Trennung von Stoffen einer Speiseflüssigkeit in Filtratstoffe eines Filtrats und in Konzentratstoffe eines Konzentrats. Sie besteht aus mehreren Abfolgen aus einem flächigen Filtermaterial, einem Filtratsammelspalt, einem weiteren flächigen Filtermaterial und einem Überströmspalt derart, daß die Filtermaterialien mit ihrer Rückfläche den Filtratsammelspalt und mit ihrer Vorderfläche den Überströmspalt begrenzen und jeder Filtratsammelspalt mit mindestens einem Auslaß für Filtrat und jeder Überströmspalt mit einem Einlaß für zu filtrierende Speiseflüssigkeit und mit einem Auslaß für das Konzentrat ausgestattet ist.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß mit der erfindungsgemäßen Crossflow- Filtrationseinheit bei der Crossflow-Filtration deutlich höhere Filtratflüsse und höhere Produktausbeuten erzielt werden, wenn das Filtermaterial aus zwei aufeinander liegenden mikroporösen Membranlagen besteht, wobei die dem Filtratsammelspalt zugewandte Membranlage eine mittlere Porengröße im Bereich einer Ausschlußgrenze von 1000 Dalton bis 1,2 µm aufweist, welche die Konzentratstoffe von einer Passage durch diese Membranlage ausschließt und wobei die dem Überströmspalt zugewandte Membranlage mindestens eine um den Faktor 1,3, größere mittlere Porengröße besitzt, vorzugsweise um einen Faktor im Bereich von 1,3 bis 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor im Bereich von 1,5 bis 3.

Unterscheiden sich die Membranlagen durch einen geringeren unter 1,3 liegenden Faktor, sind wirtschaftlich nur noch unbedeutende oder überhaupt keine Effekte mehr festzustellen. Unterscheiden sie sich im Mikrofiltrationsbereich durch einen über 5 liegenden Faktor nimmt die Verblockung der Membran mit dem größeren mittleren Porendurchmesser, insbesondere bei partikelhaltigen Speiseflüssigkeiten rasch zu, sodaß die Filtration vorzeitig zum Erliegen kommt.

Die Überström- und Filtratsammelspalte werden vorteilhafterweise durch Abstandshalter, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, offen gehalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Crossflow-Filtrationseinheit als Filterkassette ausgebildet, deren Membranlagen aus Mikrofiltrationsmembranen bestehen. Besonders bevorzugt ist eine Filterkassette, bei der die den Filtratsammelspalten zugewandten Membranlagen eine mittlere Porengröße besitzen, die ausgewählt ist aus dem Bereich von 0,1 bis 1,2 µm.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Filtrationseinheit nur eine Abfolge aus einem Überströmspalt, einem flächigen Filtermaterial aus den beiden Membranlagen mit den unterschiedlichen mittleren Porengrößen und einem Filtratsammelspalt derart, daß das Filtermaterial mit seiner Rückfläche den Filtratsammelspalt und mit seiner Vorderfläche den Überströmspalt begrenzt.

Die Erfindung soll nun anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Zur Aufzeigung der Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Crossflow- Filtrationseinheit wurde eine hefehaltige Zellsuspension (Pichia) mit einer Zellkonzentration von 6 × 106 Hefezellen (Konzentratstoffe) pro ml, die ein Zielprotein der Molmasse 70.000 Dalton (Filtratstoff) in einer Konzentration von 127 mg/l enthält, im Crossflow-Regim (Kreislauf des Konzentrats) filtriert. Während der Filtration wurde die Filtrationseinheit bei einem konstanten Transmembrandruck von 0,64 bar betrieben (Transmembrandruck = (Eingangsdruck + Ausgangsdruck)/2 - Filtratdruck). Die Druckwerte betrugen 0,9 bar am Eingang für Speiseflüssigkeit, 0,4 bar am Ausgang für Konzentrat und 0,1 bar am Ausgang für Filtrat.

Für die Ausführungsbeispiele wurden Crossflow-Module mit unterschiedlich großen Filtrationsflächen gefertigt. Um die Ergebnisse vergleichen und auf die Bauform zurück führen zu können, wurde die Flächenbelastung konstant gehalten. Unter Flächenbelastung soll das vorgelegte zu filtrierende Volumen der Zellsuspension pro überströmter Membranfläche verstanden werden.

Beispiel 1

Als erfindungsgemäße Crossflow-Filtrationseinheit wird eine Filterkassette mit einer überströmbaren Membranfläche von 0,4 m2 verwendet, die 13 Überströmspalte und 12 Filtratsammelspalte besitzt. Die den Filtratsammelspalten benachbarten Membranlagen bestehen aus einer Celluloseacetat-Membran mit einer mittleren Porengröße von 0,2 µm und die den Überströmspalten benachbarten Membranlagen bestehen aus einer Celluloseacetat-Membran mit einer mittleren Porengröße von 0,45 µm.

7,3 l der Zellsuspension wurden bis auf ein Endvolumen an Konzentrat von 1 l aufkonzentriert. Der durchschnittliche Filtratfluß betrug 0,875 l/min×m2. Die Filtration war nach 18 Minuten beendet. Im Filtrat wurde eine Konzentration an Zielprotein von 106,6 mg/l gefunden. Im Konzentrat wuden 238 mg/l Zielprotein ermittelt. Die Ausbeute an Zielprotein im Filtrat betrug somit 72%.

Beispiel 2 (Vergleichsversuch)

Als Crossflow-Filtrationseinheit wird eine Filterkassette des Standes der Technik (Sartocon® der Firma Sartorius AG) verwendet mit einer überströmbaren Membranfläche von 0,7 m2, die 17 Überströmspalte und 16 Filtratsammelspalte besitzt. Die den Filtratsammelspalten benachbarten Membranlagen bestehen aus einer einzigen Celluloseacetat-Membran mit einer mittleren Porengröße von 0,2 µm.

12,7 l der Zellsuspension wurden bis auf ein Endvolumen an Konzentrat von 1 l aufkonzentriert. Der durchschnittliche Filtratfluß betrug 0,328 l/min×m2. Die Filtration war nach 51 Minuten beendet. Im Filtrat wurde eine Konzentration an Zielprotein von 81,3 mg/l gefunden. Im Konzentrat wuden 621 mg/l Zielprotein ermittelt. Die Ausbeute an Zielprotein im Filtrat betrug somit 59%.

Mit dem erfindungsgemäßen Modul erfolgt eine Erhöhung der Ausbeute an Zielprotein im Filtrat um 13% und eine Erhöhung des Filtratflusses um den Faktor 2,7.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß beim Einsatz der erfindungsgemäß verbesserten Crossflow-Filtrationseinheit gleichzeitig eine Vor- und Endfiltration durchgeführt wird, wozu üblicherweise zwei Filtrationsschritte durchgeführt werden. Beim Einsaz der erfindungsgemäß verbesserten Crossflow-Filtrationseinheit sinken die Prozeßkosten der Filtration deutlich.


Anspruch[de]
  1. 1. Verbessere Crossflow-Filtrationseinheit zur Trennung von Stoffen einer Speiseflüssigkeit in Filtratstoffe eines Filtrats und in Konzentratstoffe eines Konzentrats bestehend aus mehreren Abfolgen aus einem flächigen Filtermaterial, einem Filtratsammelspalt, einem weiteren flächigen Filtermaterial und einem Überströmspalt derart, daß die Filtermaterialien mit ihrer Rückfläche den Filtratsammelspalt und mit ihrer Vorderfläche den Überströmspalt begrenzen und der Filtratsammelspalt mit mindestens einem Auslaß für Filtrat und der Überströmspalt mit einem Einlaß für zu filtrierende Speiseflüssigkeit und mit einem Auslaß für das Konzentrat ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus zwei aufeinander liegenden porösen Membranlagen besteht, wobei die dem Filtratsammelspalt zugewandte Membranlage eine mittlere Porengröße im Bereich einer Ausschlußgrenze von 1000 Dalton bis 1,2 µm aufweist und welche die Konzentratstoffe von einer Passage durch diese Membranlage ausschließt und wobei die dem Überströmspalt zugewandte Membranlage mindestens eine um den Faktor 1,3 größere mittlere Porengröße, vorzugsweise eine um den Faktor 1,3 bis 5 größere mittlere Porengröße, besitzt.
  2. 2. Verbesserte Crossflow-Filtrationseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Crossflow-Filtrationseinheit als Filterkassette ausgebildet ist und die Membranlagen aus Mikrofiltrationsmembranen bestehen.
  3. 3. Verbesserte Crossflow-Filtrationseinheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Filtratsammelspalten zugewandten Membranlagen eine mittlere Porengröße besitzen, die aus dem Bereich von 0,1 bis 1,2 µm ausgewählt ist.
  4. 4. Verbesserte Crossflow-Filtrationseinheit nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtrationseinheit aus einer Abfolge aus einem Überströmspalt, einem flächigen Filtermaterial und einem Filtratsammelspalt besteht derart, daß das Filtermaterial mit seiner Rückfläche den Filtratsammelspalt und mit seiner Vorderfläche den Überströmspalt begrenzt.






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