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Dokumentenidentifikation DE10025476C1 16.08.2001
Titel Vorrichtung zur Crossflow-Filtration
Anmelder Sartorius AG, 37075 Göttingen, DE
Erfinder Grabosch, Matthias Dr., 37120 Bovenden, DE;
Reif, Oscar-Werner Dr., 30173 Hannover, DE;
Grummert, Ulrich, 37242 Bad Sooden-Allendorf, DE;
Schmidt, Hans-Weddo, 37181 Hardegsen, DE
DE-Anmeldedatum 23.05.2000
DE-Aktenzeichen 10025476
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.08.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.08.2001
IPC-Hauptklasse B01D 61/00
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien, bei der das zu filtrierende Medium mit wechselnder Überströmrichtung über Filtermittel geführt und das Filtrat abgeleitet wird.
Eine Crossflow-Filtrationseinheit (1) ist überströmseitig zwischen zwei geschlossenen Behältern (3, 4) für das zu filtrierende Medium angeordnet. Unter Einwirken einer Druckdifferenz wird das Medium abwechselnd von dem einen Behälter (3, 4) in den anderen Behälter (4, 3) befördert. Jeder Behälter (3, 4) ist in einem Druckgefäß (5, 6) untergebracht, das über Anschlüsse (8, 9) für pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Mittel zum steuerbaren Einwirken der Druckdifferenz auf die Behälter (3, 4) verfügt. Erfindungsgemäß sind die Behälter (3, 4) mindestens teilweise flexibel ausgebildet, derart, dass sie beim Einwirken der Druckänderung ihr Volumen ändern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere für den Laborbetrieb im Medizin- und Biotechnologiebereich zur Gewinnung von Werkstoffen und zur Aufkonzentrierung scherempfindlicher biologisch- oder biotechnologisch hergestellter Medien unter schonenden Bedingungen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien, bei der das zu filtrierende Medium mit wechselnder Überströmrichtung über Filtermittel geführt wird und das Filtrat abgeleitet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere im medizinischen Bereich und Biotechnologiebereich zur Gewinnung von Wertstoffen aus biologischen oder biotechnologisch hergestellten flüssigen Medien und zur Aufkonzentrierung scherempfindlicher flüssiger Medien, die zum Beispiel menschliche, tierische- und pflanzliche Zellen enthalten. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Laborbetrieb bestimmt. Sie gewährleistet vorzugsweise eine besonders schonende Behandlung der Medien.

Aus der DE-OS 40 21 123 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Crossflow- Filtrationseinheit im Überströmkreislauf strömungsmäßig zwischen zwei geschlossenen mit Gas beaufschlagbaren Behältern für das zu filtrierende Medium angeordnet ist. Das Medium wird durch Gasdruck abwechselnd von dem einen Behälter unter gleichzeitiger Gasdruckentlastung im anderen Behälter in diesen befördert. Durch Ventilsteuerung und Sensorik läuft in einem geschlossenen Leitungsnetz eine Strömungsumkehr des zu filtrierenden Mediums und Gas in beiden Behältern ab. Die Behälter sind als kompakte Baueinheit in Form eines Tanks mit einer gemeinsamen Trennwand ausgebildet. Bei dieser Vorrichtung wird das Medium der einen Tankhälfte entnommen, über die Filtrationseinheit geleitet und in die andere Tankhälfte zurückgeführt. Es besteht eine Grenzfläche zwischen der flüssigen Phase und der übergelagernden Gasphase.

Nachteilig ist, das ein mit dem Medium nicht reagierendes und keimfreies Gas verwendet werden muß, weil anderenfalls die Medien durch Stoffumwandlung oder Kontamination geschädigt würden. Um zu vermeiden, dass Gas in die Crossflow-Filtrationseinheit gedrückt wird, was zu einer Verminderung der Filtrationsleistung in nachfolgenden Überströmzyklen führen würde, muß ein nicht zu vernachlässigendes Restvolumen (Totvolumen) in dem Tank verbleiben. Das erforderliche Totvolumen führt seinerseits zu einer Leistungsminderung der Vorrichtung und bei der Gewinnung von Wertstoffen werden pro Zeiteinheit keine optimalen Ausbeuten erzielt. Durch Verwendung von Druckgas kann eine die Filtration ungünstig beeinflussende Blasenbildung nicht ausgeschlossen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien mit einfachen Mitteln so weiterzubilden, dass die genannten Nachteile überwunden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien gelöst, bei der das zu filtrierende Medium die Überströmseiten von Filtermitteln einer Crossflow-Filtrationseinheit überströmt und von den Abströmseiten der Filtermittel ein Filtrat gewonnen wird, wobei die Crossflow-Filtrationseinheit überströmseitig zwischen zwei geschlossenen Behältern für das zu filtrierende Medium angeordnet ist, und das Medium unter Einwirken einer Druckdifferenz abwechselnd von dem einen Behälter unter Passage der Überströmseiten der Filtermittel in den anderen Behälter förderbar ist, in dem jeder Behälter in einem Druckgefäß untergebracht ist, das über Anschlüsse für pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Mittel zum steuerbaren Einwirken der Druckdifferenz auf die Behälter verfügt und dass die Behälter mindestens teilweise flexibel ausgebildet sind derart, dass sie beim Einwirken einer Druckänderung ihr Volumen ändern.

Als bevorzugte Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz werden Gase und Flüssigkeiten, wie Luft, Wasser oder Hydraulikflüssigkeiten verwendet.

Vorzugsweise sind die flexiblen Behälter als Beutel ausgebildet, insbesondere als elastische Beutel. Die Behälter können auch lampionförmig mit zylindrischen oder polygonalen Grundflächen ausgebildet sein.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn auch die Druckbehälter als flexible Druckbeutel ausgebildet sind und dabei vorzugsweise ebenfalls als elastische Druckbeutel.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die lampionförmigen Behälter in Druckgefäßen untergebracht, wo sie durch mechanische auf und abbewegbare Mittel zusammengedrückt und/oder expandiert werden können.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verbindet eine Druckleitung mit einer richtungsregelbaren Pumpe für Gase oder Flüssigkeiten die Druckgefäße. Mit Hilfe der Pumpe erfolgt ein Umschalten des Einwirkens der Druckdifferenz zwischen den Gefäßen und auf die Behälter.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen mindestens einem der Behälter und der Filtrationseinheit ein absperrbarer Anschluß liegt. Über ihn kann das zu filtrierende Medium in die Vorrichtung eingelassen und ein Konzentrat nach Beendigung der Filtration aus der Vorrichtung abgelassen werden oder eine Diaflüssigkeit zur Durchführung von Diafiltrationen auf die Seite der zu behandelnden Medien in die Vorrichtung eingeführt werden.

Zumindest ein Teil der Vorrichtung bestehend aus der Crossflow-Filtrationseinheit mit den daran angeschlossenen Behältern ist aus autoklavierbaren Materialien, wie Kunststoffen mit einer Temperaturbeständigkeit von bis zu mindestens 132°C ausgeführt.

Als Filtermittel hat sich die Verwendung von Filtrationsmembranen, insbesondere von Mikrofiltrationsmembranen bewährt. Für die Aufarbeitung biologischer oder biotechnologisch hergestellter flüssiger Medien werden bevorzugt Membranen mit einer geringen Neigung zum Verblocken eingesetzt, die in der Regel geringe Proteinadsorptionseigenschaften haben.

Zur Durchführung der Filtration werden die Behälter mit der zu behandelnden Flüssigkeit befüllt, an die Crossflow-Filtrationseinheit angeschlossen und über ein Entlüftungsventil entlüftet. Als Entlüftungsventil kann ein absperrbarer Anschluss verwendet werden. Durch die flexible Ausgestaltung der Behälter kann die Vorrichtung mit einer variablen Menge an zu behandelndem Medium beschickt werden. Zum Einwirken der Druckdifferenz auf die Behälter für die Beförderung des zu behandelnden Mediums durch die Crossflow- Filtrationseinheit hindurch werden die Behälter abwechselnd von außen durch ein pneumatisches, hydraulisches und oder mechanisches Mittel mit unterschiedlichen Ducken beaufschlagt. Das Einwirken der Druckdifferenz auf die Behälter erfolgt dabei innerhalb von Druckgefäßen, in denen sich die Behälter befinden. Die Überströmrichtung des zu behandelnden Mediums über die Überströmseiten der Filtermittel hinweg weist dabei vom Druckgefäß mit dem höheren Druck zum Druckgefäß mit dem geringeren Druck. Das Medium wird nach Überströmen der Filtermittel in das Gefäß mit dem geringeren Druck geleitet, das sich in einem vorzugsweise entspannten Druckbehälter befindet. Dabei fungiert der Behälter in dem Druckgefäß mit dem höheren Druck als Behälter für Speiseflüssigkeit und der Behälter in dem Druckgefäß mit dem geringeren Druck als Konzentratbehälter.

Nachdem der Konzentratbehälter ganz oder zumindest teilweise mit Medium gefüllt ist, erfolgt ein Umschaltprozess bei dem das pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Mittel in dem Druckbehälter mit dem höheren Druck entspannt und in dem anderen Druckbehälter unter Druck gesetzt wird. Hierdurch wird aus dem Konzentratbehälter ein Behälter für Speiseflüssigkeit und aus dem ersten Behälter für Speiseflüssigkeit wird ein Konzentratbehälter. Die Crossflow-Filtrationseinheit wird nun in entgegengesetzter Richtung überströmt, was für das Filtermittel gleichzeitig mit einem reinigenden Effekt verbunden ist. Das die Filtermittel passierende Filtrat wird über einen Filtratauslass bei Umgebungsdruck oder unter Gegendruck aus der Filtrationseinheit abgeführt.

Im weiteren Filtrationsverlauf wird das Medium, wie soeben beschrieben, bis zum gewünschten Aufarbeitungsziel abwechselnd hin und her gefördert. Zur Diafiltration kann eine Diaflüssigkeit (Waschflüssigkeit) während der Filtration batchweise oder kontinuierlich zugefügt werden.

Die Umschaltung der Förderrichtung lässt sich bei Verwendung von pneumatischen oder hydraulischen Mitteln zur Erzeugung der Druckdifferenz vorzugsweise über einen einzustellenden Zeittakt auf zwei regelbare Drei-Wege-Ventile auslösen. Auch eine Auslösung über Druckmessung an der Hydraulikflüssigkeit oder dem Pneumatikgas oder durch Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch die Filtrationseinheit ist möglich.

In vorteilhafter Weise ist es nicht notwendig, das Medium vollständig aus dem Gefäß für Speiseflüssigkeit in das Konzentratgefäß zu pressen. Bei der nächsten erfolgten Umkehr der Strömungsrichtung vermischt sich das Konzentrat mit dem noch im anderen Gefäß verbliebenem Medium.

Durch Beaufschlagung beider Druckgefäße mit Druck und Öffnen des absperrbaren Anschlusses (Entleerungsventil) lässt sich das System vom verbliebenen Medium (Konzentrat) entleeren.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Fig. 1a bis 1d, 2 und 3 näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1a schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Erfindung im Zustand des Befüllens,

Fig. 1b die Ausführungsform gemäß Fig. 1a in einem Zustand der Filtration,

Fig. 1c die Ausführungsform gemäß Fig. 1a in einem anderen Zustand der Filtration nach Strömungsumkehr,

Fig. 2a schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Diafiltration,

Fig. 2b die Ausführungsform gemäß Fig. 2a im Zustand der Entleerung und

Fig. 3 schematisch eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einer richtungsregelbaren Pumpe.

Gemäß der Fig. 1a ist eine Crossflow-Filtrationseinheit 1 einlassseitig auf der Überströmseite mit einem absperrbaren Anschluss 2 zum Beschicken der Vorrichtung mit zu filtrierendem Medium, zum Entleeren der Vorrichtung von Konzentrat und zur Entgasung (Entlüftung) der Vorrichtung versehen. Die Crossflow-Filtrationseinheit 1 ist überströmseitig zwischen zwei geschlossene Behälter 3, 4 angeordnet, die als flexible und elastische Beutel für die Aufnahme des aufzuarbeitenden Mediums ausgebildet sind. Über diese Behälterbeutel 3, 4 sind Druckbeutel als Druckgefäße 5, 6 für Hydraulikflüssigkeit gestülpt, die in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls aus einem flexiblen, elastischen Material bestehen, das über eine Festigkeit verfügt, die mindestens so hoch ist, wie die der Behälterbeutel. Ein Anschluss 7 an der Crossflow Filtrationseinheit 1 dient zur Entnahme von Filtrat. Die Druckbeutel 5, 6 weisen jeweils einen Anschluss 8, 9 für die Hydraulikflüssigkeit auf, welche beispielsweise aus Wasser mit einem Desinfektionsmittelzusatz besteht. Zur Filtration wird nun gemäß Fig. 1b über ein Dreiwegeventil 10 und den Anschluss 8 die Hydraulikflüssigkeit mit einem Druck von beispielsweise 2 bar in den Druckbeutel 5 gedrückt. Der Druck im Druckbeutel 5 überträgt sich auf das zu filtrierende Medium im Behälterbeutel 3. Hierdurch wird das Medium aus dem Behälterbeutel 3 über die Überströmseiten der Filtermittel der Crossflow- Filtrationseinheit 1 in den Behälterbeutel 4 gepresst. Ein Dreiwegeventil 11, das sich am Anschluss 9 befindet, ist dabei geöffnet. Nach einer einstellbaren vorgegebenen Zeit werden nun gemäß Fig. 1c die Ventile 10 und 11 derart umgeschaltet, dass nun Hydraulikflüssigkeit in den Druckbeutel 6 einströmt und aus dem Druckbeutel 5 entweicht. Dieser Vorgang wird bis zur gewünschten Aufkonzentrierung des Mediums abwechselnd wiederholt.

Zur Durchführung einer Diafiltration wird gemäß Fig. 2a über das Ventil des absperrbaren Anschlusses 2 Waschwasser in das System geben. Wie die Fig. 2b zeigt, wird die Vorrichtung entleert, in dem bei geöffneten Ventilen 10, 11 die Druckbeutel mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck beaufschlagt werden, wobei das Konzentrat über den absperrbaren Anschluss 2 abgeführt wird.

Nach erfolgter Aufkonzentrierung und Diafiltration lässt sich das System an den Anschlüssen 8 und 9 lösen und autoklavieren oder als Wegwerfeinheit entsorgen.

Die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der anstelle der Ventile 10 und 11 direkt aus einem Hydraulikmitteltank über eine richtungsregelbare Pumpe 12 die Hydraulikflüssigkeit wechselweise in einen der Druckbeutel 5, 6 gefördert wird.

Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind folgende Vorteile verbunden:

Das zu behandelnde Medium kommt mit keinerlei Fremdstoffen in Berührung, denn es wird in einem abgeschlossenen System gearbeitet. Mit dem Medium kommen keine bewegten Teile in Berührung, wodurch eine Crosskontaminationsgefahr ausgeschlossen wird. Es sind keine besonderen Anforderungen, wie Sterilität an die pneumatischen, hydraulischen und/oder mechanischen Mittel zur Erzeugung der Druckdifferenz zu stellen, da sie mit dem zu behandelnden Medium nicht in Kontakt kommen. Mit dem zu behandelnden Medium kommen auch keine Sensoren, wie beispielsweise Druckaufnehmer, in Berührung, weil diese bestenfalls an den Druckgefäßen installiert werden. Die erzeugte Druckdifferenz zwischen den beiden Druckgefäßen entspricht dem Druck auf der Überströmseite der Filtrationseinheit. Dadurch kann die Vorrichtung während der gesamten Filtrationsdauer mit dem gleichen Eingangsdruck betrieben werden. Damit sind geringe Scherkräfte auf und ein minimaler Energieeintrag in das Medium verbunden, was für die schonende Behandlung empfindlicher Medien von besonderem Vorteil ist. Die Vorrichtung besitzt ein geringes Totvolumen, weil jeweils eines der beiden Gefäße restlos entleert werden kann und sein Volumen auf Grund der flexiblen Ausgestaltung auf Null oder nahezu Null zusammengedrückt werden kann. Die Vorrichtung kann kompakt und als Wegwerfeinheit (Disposable) ausgeführt werden, die vorzugsweise nur aus den beiden Gefäßen und der Filtrationseinheit besteht. Dadurch lassen sich mit vom Medium kontaktierte Teile ungeöffnet entsorgen. Das ist bei der Arbeit mit gefährlichen Stoffen besonders vorteilhaft. Dieser Teil der Vorrichtung ist auch in einfacher Weise durch Autoklavieren zu sterilisieren. Die Vorrichtung kann außer zur üblichen Crossflow- Filtration ohne Umrüstung auch zur Diafiltration durch bachweise oder kontinuierliche Zugabe von Waschlösung über einen absperrbaren Anschluß verwendet werden.

Diese Vorteile kommen besonders zur Geltung, wenn teure Medien aufbereitet werden und ein geringes Arbeitsvolumen der Vorrichtung erforderlich ist. Liste der Bezugszeichen 1 Crossflow-Filtrationseinheit

2 absperrbarer Anschluss

3 geschlossener Behälter

4 geschlossener Behälter

5 Druckgefäß

6 Druckgefäß

7 Anschluss zur Entnahme von Filtrat

8 Anschluss

9 Anschluss

10 Dreiwegeventil

11 Dreiwegeventil

12 Pumpe


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Crossflow-Filtration flüssiger Medien, bei der das zu behandelnde Medium die Überströmseiten von Filtermitteln einer Crossflow-Filtrationseinheit (1) überströmt und von den Abströmseiten der Filtermittel ein Filtrat gewonnen wird, wobei die Crossflow-Filtrationseinheit (1) überströmseitig zwischen zwei geschlossenen Behältern (3, 4) für das zu behandelnde Medium angeordnet ist, und das Medium unter Einwirken einer Druckdifferenz abwechselnd von dem einen Behälter (3, 4) unter Passage der Überströmseiten der Filtermittel in den anderen Behälter (4, 3) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Behälter (3, 4) in einem Druckgefäß (5, 6) untergebracht ist, das über Anschlüsse (8, 9) für pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Mittel zum steuerbaren Einwirken der Druckdifferenz auf die Behälter (3, 4) verfügt und dass die Behälter (3, 4) mindestens teilweise flexibel ausgebildet sind derart, dass sie beim Einwirken einer Druckänderung ihr Volumen ändern.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckleitung mit einer richtungsregelbaren Pumpe (12) für Gase oder Flüssigkeiten die Druckgefäße (5, 6) verbindet, über die ein Umschalten des Einwirkens der Druckdifferenz auf die Gefäße (3, 4) erfolgt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem der Behälter (3, 4) und der Filtrationseinheit (1) ein absperrbarer Anschluss (2) zum Zuführen des zu filtrierenden Mediums, zum Entleeren der Vorrichtung oder zum Zuführen von Flüssigkeiten für eine Diafiltration vorhanden ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (3, 4) als Beutel ausgebildet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterbeutel (3, 4) elastisch sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die Behälter (3, 4) lampionförmig mit kreisförmigen oder polygonalen Grundflächen ausgebildet sind.
  7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, die Druckbehälter (5, 6) als flexible Druckbeutel ausgebildet sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter (5, 6) elastisch sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lampionförmigen Behälter in Druckbehältern (5, 6) untergebracht sind und darin durch mechanische Mittel auf und abbewegbar sind.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Vorrichtung bestehend aus der Crossflow-Filtrationseinheit (1) mit den daran angeschlossenen Behältern (3, 4) als Wegwerfeinheit ausgebildet ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Vorrichtung bestehend aus der Crossflow-Filtrationseinheit (1) mit den daran angeschlossenen Behältern (3, 4) autoklavierbar ist.






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