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Dokumentenidentifikation DE69836703T2 04.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000879635
Titel Vorrichtung zur Bierfiltration
Anmelder Koninklijke Grolsch N.V., Enschede, NL
Erfinder Van Rijn, Cornelis Johannes Maria, 7255 DB Hengelo, NL;
Raspe, Onno Johannes Andreas, 7152 KH Eibergen, NL;
Van Hoof, Stephan Cornelis Johannes Maria, 7207 GG Zutphen, NL
Vertreter Witte, Weller & Partner, 70178 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69836703
Vertragsstaaten BE, DE, DK, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.05.1998
EP-Aktenzeichen 982017287
EP-Offenlegungsdatum 25.11.1998
EP date of grant 27.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.10.2007
IPC-Hauptklasse B01D 71/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C12H 1/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die gegenwärtige Erfindung betrifft eine Filteranordnung zum Entfernen von Hefezellen durch Filtern von Bier umfassend wenigstens eine Filtrationskammer, die ein erstes Teil aufweist, das mit einem Zufluss in Verbindung steht, und mit einem Ausgang für einen Hauptfluss, und mit einem zweiten Teil, das mit einem Ausgang für ein Permeat in Verbindung steht, das von dem Bier gewonnen wird, wobei die beiden genannten Teile der Filtrationskammer voneinander durch einen Filter beabstandet sind. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Filtern von Bier, das durch Fermentierung erhalten wird, das normalerweise in großen Mengen vor dem Abfüllen in Flaschen gefiltert werden muss.

Eine Anzahl von Verfahren zum Filtern von Flüssigkeiten kann in Abhängigkeit von der Art der Einwirkung zwischen der Flüssigkeit zum Filtern und dem Filter unterschieden werden. Eine einfache Art der Filtration ist die Sackgassenfiltration. Die Flüssigkeit zum Filtern wird hierbei vollständig durch das Filter geleitet, wobei die Partikel, die zu groß sind, an dem Filter oder auf dem Filter zurückbleiben. Eine zunehmende Anzahl von Poren in dem Filter wird deshalb allmählich verstopft werden und, falls das Filter nicht regelmäßig gereinigt wird, wird die Partikelschicht letztendlich das Filter zusetzen, während sie zunehmend dicker wird. Ein solches Filtrationsverfahren ist deshalb nur für die Filtration von Flüssigkeiten geeignet, die wesentlich weniger Partikel zum Filtern als die Anzahl der Poren im Filter aufweisen. Die Sackgassenfiltration ist somit nicht, mit Sicherheit nicht im großen Maßstab, zum Filtern von Fermentierungsprodukten geeignet, die normalerweise mit großen Mengen von Hefezellen versetzt sind.

Ein herkömmliches Verfahren zum Filtern von Bierhefezellen bei Lagerbier weist ein Kieselgur-Bett auf, über das die Flüssigkeit zum Filtern geleitet wird. Die Hefezellen in der Flüssigkeit haften an dem Kieselgur an, wodurch die Flüssigkeit zunehmend klarer wird. Allmählich wird das Kieselgur jedoch gesättigt, so dass die Filterwirkung nachlässt. Nach einer gewissen Zeit wird deshalb eine frische Schicht von Kieselgur auf die Oberseite des bestehenden Bettes aufgebracht. Wenn die Schicht von Kieselgur allmählich zu dick wird, wird sie abtransportiert und kann wieder verwendet werden oder nicht. Diese Aspekte machen die Filtration auf der Basis von Kieselgur sehr arbeitsintensiv und teuer.

Ein drittes Filtrationsverfahren ist die sogenannte Querflussfiltration, die auf der Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art beruht. Bei der Querflussfiltration wird ein Hauptfluss der zu filternden Flüssigkeit entlang des Filters geleitet, anstatt hindurchgeleitet zu werden. Infolge einer Druckdifferenz, die auf beiden Seiten des Filters angelegt wird, fließt ein Teil der Flüssigkeit dennoch durch das Filter und kann als sauberes Permeat abgeführt werden. Der verbleibende Teil der zu filternden Flüssigkeit wird wieder mit der noch zu filternden Flüssigkeit gemischt und wird wiederholt über das Filter geleitet. Ein kleiner Teil der ursprünglichen zu filternden Flüssigkeitsmenge wird deshalb zurückbleiben, und hat deshalb eine hohe Konzentration an Verunreinigungen. Ein Vorteil eines solchen Filterverfahrens besteht darin, dass das Filter nicht so schnell wie bei der Sackgassenfiltration zugesetzt wird, da die entlangfließende Flüssigkeit kontinuierlich eine Reinigungswirkung auf der Filteroberfläche ausübt. Sollte das Filter jedoch nach einer gewissen Zeit auch zugesetzt werden, so ist häufig ein kurzer Rückfluss-Impuls durch das Filter ausreichend, um das Filter freizumachen. Es wird hier ein kurzer Flüssigkeitsimpuls in der gegenüberliegenden Richtung durch das Filter auf der Permeatseite des Filters gegeben, so dass die das Filter blockierenden Partikel abgelöst und dann entlang des Hauptflusses weggetragen werden. Da reines Permeat für den Flüssigkeitsimpuls verwendet wird, dass deshalb noch einmal gewonnen werden muss, muss die Verwendung dieser sogenannten Rückspülung auf ein Minimum begrenzt werden.

Ein Beispiel der Querfluss-Bierfiltration ist auf den Seiten 388 bis 389 des deutschsprachigen Handbuches „Technologie, Brauer & Mältzer" von Kunze als auch durch das deutsche Gebrauchsmuster DE 9 010 071 beschrieben. Gemäß dieser bekannten Filteranordnungen wird eine frei aufgehängte Membran aus einem geeigneten Polymer als Filterschicht verwendet. Ein Nachteil einer solchen Filterschicht ist jedoch die relativ große Oberflächenrauhigkeit sowohl auf der Filteroberfläche als auch in den Poren. Hefezellen setzen sich deshalb relativ leicht in dem Filter ab, und eine Rückspülung muss unvermeidlich mit einiger Regelmäßigkeit ausgeführt werden. Um dies zu vermeiden wird eine Filtration in zwei Schritten bei der bekannten Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die letzten Hefezellen nach einer ersten groben Vorfiltration mit Hilfe einer Querfluss-Membranfiltration von der Flüssigkeit entfernt werden. Es ist jedoch offensichtlich, dass dies zusätzlichen Aufwand bedeutet und häufig auch zusätzlichen Platz. Ein weiterer Nachteil von Polymermembranen zur Bierfiltration besteht darin, dass die für solche Membranen geeigneten Polymere häufig nicht den allgemein in einer Brauerei verwendeten Reinigungsmitteln für eine saubere Reinigung der Anlagen nach jedem Filtrationszyklus widerstehen.

Die gegenwärtige Erfindung hat u.a. die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der fermentierte Flüssigkeiten mit einem großen Durchfluss filtriert werden können, und bei der die oben erwähnten Nachteile vermieden werden.

Um die genannte Aufgabe zu erfüllen, ist eine Filteranordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Filter eine Filterschicht mit Poren einer präzise vorbestimmten Größe aufweist, die mit Hilfe von photo-lithographischen Verfahren gebildet sind, dass das Filter, nachdem die Poren darin gebildet sind, auf einem flachen Träger aufgeklebt oder in anderer Weise mit einer Dicke angeordnet ist, die deutlich größer als die Dicke des Filters ist, dass wenigstens eine Öffnung an dem Träger an der Position des Filters angeordnet ist, um die Filterschicht freizulegen, und dass der Träger einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im Wesentlichen gleich demjenigen des Filters ist. Die Erfindung beruht hierbei auf der Erkenntnis, dass flüssige Fermentierungsprodukte, insbesondere Biere und Weine dadurch gekennzeichnet sind, dass die enthaltenen Hefezellen im Wesentlichen die gleiche Größe haben.

Eine Querflussanordnung der Art mit einer Platte und einem Rahmen zur Bierfiltration, z.B. unter Verwendung von Keramikmembranen, ist aus der DE-901 0071-U1 bekannt. Ein Filter der in der Filteranordnung gemäß der Erfindung verwendeten Art ist grundsätzlich aus der internationalen Patentanmeldung WO 95/13860 bekannt. Dieses bekannte Filter weist ein Substrat aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium auf, auf dem eine mit einem Muster versehene Siliziumnitridschicht mit Unterstützung eines sehr präzisen photo-lithographischen Halbleiterverfahrens gebildet wurde. Die genannte Siliziumnitridschicht bildet eine Filterschicht mit sehr präzise bestimmten Poren.

Eine Filteranordnung gemäß der Erfindung hat eine sehr enge Porengrößenverteilung und kann somit optimal an die Hefezellengröße angepasst werden, um so zu verhindern, dass die Hefezellen überhaupt oder kaum die Möglichkeit haben, in die Poren des Filters einzudringen und diese zu blockieren. Ein Rückspülen des Filters kann dadurch auf ein Minimum begrenzt werden, umso mehr deshalb, weil die mit großer Präzision in der Filterschicht angeordneten Poren eine äußerst geringe Oberflächenrauhigkeit haben, was eine Adhäsion von Hefezellen schwierig macht. Viele Materialien können für die Filterschicht gemäß der Erfindung verwendet werden, und insbesondere anorganische Materialien, wie etwa Metalle, Silizium und Siliziumnitrid, die hoch resistent gegenüber üblicherweise in Brauereien verwendete Reinigungsmittel sind. Schließlich wurde unter Verwendung einer Filterschicht gemäß der Erfindung festgestellt, dass ein außerordentlich großer Fluss erhalten werden kann, der im Falle der Bierfiltration ungefähr vierzig Mal größer als bei dem herkömmlichen Filterverfahren auf der Basis von Kieselgur ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann hier mit einer äußerst kompakten Konstruktion angegeben werden und erfordert nur einen sehr geringen Raum.

Eine besondere Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist insbesondere auf die Filtration von Lagerbieren gerichtet, und hat für diesen Zweck das Merkmal, dass die Poren in der Filterschicht zumindest praktisch die gleiche Größe mit einem Maximum von ungefähr 2 Mikrometer haben. Die Hefezellen in Lagerbieren haben eine relativ gleichförmige Größe von ungefähr 3 Mikrometer, so dass die oben erwähnte Porengröße dagegen eine adäquate Barriere bietet.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist grundsätzlich für Flüssigkeiten geeignet, die nach einem Fermentierungsverfahren für Bier oder Wein erhalten werden. Das Permeat muss nicht nur frei von Hefezellen sondern auch frei von Bakterien sein. Für diesen Zweck wird normalerweise nach der Filtration ein Sterilisierungsschritt ausgeführt. Um einen solchen Sterilisierungsschritt zu vermeiden, hat eine bestimmte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Merkmal, dass die Poren in der Filterschicht eine Größe von weniger als 0,5 Mikrometer haben, insbesondere zwischen 0,25 und 0,5 Mikrometer. Infolge der äußerst engen Porengrößenverteilung ist es möglich, mit einem solchen Filter in einem Schritt von der Ausgangsflüssigkeit sowohl die darin verbleibenden Hefezellen als auch Bakterien zu entfernen, die normalerweise größer als 0,5 Mikrometer sind.

Eine weitere Ausführung der Vorrichtung hat gemäß der Erfindung das Merkmal, dass der erste Teil der Filterkammer eine quer zu der Filterfläche gerichtete Höhe zwischen 200 Mikrometer und 2000 Mikrometer hat. Der Druck über der Filterschicht ist vorzugsweise geringer oder gleich ungefähr 5000 Pa. Indem die Höhe des ersten Teils der Filterkammer innerhalb des genannten Bereiches gewählt wird, ist es möglich, wenn eine Hauptflussgeschwindigkeit ausreichend groß ist, eine adäquate Selbstreinigung des Filters zu erreichen, da solch ein optimaler Druck ohne die Gefahr eines unerwünschten Rückflusses von Permeat erreicht werden kann. Eine kleinere Höhe führt zu einem großen Druckabfall, so dass die große Gefahr besteht, dass der Druck des Hauptflusses auf der stromabwärtigen Seite geringer als auf der Permeatseite ist, so dass die Gefahr des Rückflusses von Permeat besteht, was die Effizienz reduziert. Eine größere Höhe führt zu einem geringeren als dem optimalen Fluss der Flüssigkeit über der Filteroberfläche, wodurch kaum oder wenig Permeat erhalten wird und der Wirkungsgrad des Filters deshalb abnimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung das Merkmal, dass die Filterschicht eine Dicke hat, die geringer als der durchschnittliche Porendurchmesser ist. In diesem Fall sind die Poren tatsächlich Öffnungen anstatt von kleinen Kanälen, was die Gefahr der irreversiblen Blockade mit einer Hefezelle begrenzt. Ferner kann der Querwiderstand des Filters so außerordentlich niedrig bleiben, was zu einem außerordentlich hohen Fluss führt, der mit einem Filter gemäß der Erfindung erhalten werden kann.

Eine weitere Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung hat die Eigenschaft, dass die Filterschicht wenigstens auf einer Seite, die dem ersten Teil der Filterkammer zugewandt ist, eine wenigstens in der Praxis ebene Oberfläche mit Höhenvariationen hat, die kleiner als ungefähr 100 Nanometer sind. Solch eine geringe Oberflächenrauhigkeit ist bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung möglich, da der Ausgangspunkt für die Herstellung des Filters wenigstens in der Praxis eine vollständig ebene Filterschicht sein kann, die, falls gewünscht vorher geglättet werden kann, bevor die Poren darin angeordnet werden. Die Adhäsionen von festen Bestandteilen der zu filternden Flüssigkeit kann somit auf ein absolutes Minimum begrenzt werden, wodurch das Filter nicht nur ohne Zwischenreinigung lange benutzt werden kann, sondern auch ein idealer Fluss entlang der Filteroberfläche erzeugt wird, von dem ein reines Permeat bei einem relativ großen Durchfluss extrahiert werden kann.

Um eine zwischenzeitliche Entfernung von Hefezellen, die dennoch daran gefangen wurden, zu ermöglichen, hat eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Merkmal, dass der zweite Teil der Filterkammer einen Einlass zur Zuführung einer sauberen Flüssigkeit hat, der von dem Permeatauslass getrennt sein kann oder nicht. Für ein vollständig kontinuierliches Arbeiten hat diese Ausführung gemäß der Erfindung vorzugsweise das zusätzliche Merkmal, dass der Einlass separat von dem Permeatauslass angeordnet ist. Der genannte Einlass erlaubt die Option der Durchführung einer Rückspülung, wie oben beschrieben. Obwohl es innerhalb des Rahmens der Erfindung liegt, dass der Permeatauslass in dem zweiten Teil der Filtrationskammer für einen Rückflussimpuls verwendet werden kann, liefert diese bevorzugte Ausführung die Option der Durchführung eines Rückflusses zu jedem gewünschten Moment praktisch ohne Unterbrechung des Filtrationsprozesses. Für das Rückspülen kann Permeat verwendet werden, das bereits gesammelt wurde, als auch eine andere geeignete reine, d.h. hefefreie Flüssigkeit, wie z.B. reines Wasser, oder bereits erhaltenes Permeat.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden in der Praxis mit einer bestimmten Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung erreicht, die das Merkmal aufweist, dass die Filterschicht eine Siliziumnitridschicht besitzt, in der die Poren angeordnet sind, und die auf einem Substrat aus Silizium angeordnet ist, in dem Öffnungen lokal auf einer von der Siliziumnitridschicht entfernten Seite angeordnet sind, um die Siliziumnitridschicht von dieser Seite freizulegen. Es hat sich nicht nur gezeigt, dass Silizium und Siliziumnitrid besonders für das Filter bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Hinblick auf die Filtereigenschaften geeignet sind, sondern dass die genannten Materialien auch die besonderen Vorteile von dem Standpunkt der chemischen Beständigkeit und der photo-lithographischen Verarbeitung bieten. Zum Zwecke einer verbesserten mechanischen Festigkeit hat eine weitere besondere Ausführung der Erfindung hier das Merkmal, dass die in der Filterschicht angeordneten Poren über eine Anzahl von separaten Segmenten verteilt sind, wobei benachbarte Segmente voneinander durch geschlossene Zonen getrennt sind, und wobei insbesondere das Filter auf einem ebenen Träger mit einer Dicke angeordnet ist, die deutlich größer als die Dicke des Filters ist und wobei wenigstens eine Öffnung in dem Träger an der Position des Filters angeordnet ist, um eine Unterseite des Filters freizulegen.

Für eine ausreichend große Kapazität, insbesondere bei Großserienanwendungen, wie etwa bei der Herstellung von Bier oder Wein ist eine besondere Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Anordnung einen Stapel von wenigstens zwei Filtern aufweist, die voneinander durch Dichtungen getrennt sind, wobei die Filter paarweise mit ihren Filterschichten einander zugewandt angeordnet sind, und wobei die Dichtungen Öffnungen aufweisen, die mit dem genannten Zufluss und dem Ausgang für den Hauptfluss von fermentierter Flüssigkeit oder für die Ausgabe des genannten Permeates verbunden sind. Bei dieser Vorrichtung ist eine optional große Anzahl von Filtrationskammern parallel in einer außergewöhnlich kompakten Weise in dem Hauptfluss der zu filternden Flüssigkeit verbunden, wodurch die Filterkapazität proportional zunimmt.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf eine Ausführung und eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1A1D einen Querschnitt einer Ausführung eines Filters für die erfindungsgemäße Vorrichtung in aufeinanderfolgenden Schritten der Herstellung;

2A2C Aufsichten des Filters gemäß 1 in einer alternativen Ausführung;

3 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bierfiltration;

4 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß 3 entlang der Linie X-X und

5 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß 3 entlang der Linie Y-Y.

Die Zeichnungen sind im Übrigen rein schematisch und nicht maßstabsgetreu. Insbesondere sind einige Abmessungen besonders zum Zwecke der Klarheit übertrieben. Entsprechende Teile sind soweit möglich in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Eine Ausführung eines Mikrofilters zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den 1A1D in aufeinanderfolgenden Schritten der Herstellung gezeigt. In diesem Fall ist der Ausgangspunkt für die Herstellung gemäß 1A ein Substrat 1 aus Silizium mit einer Dicke von mehreren 100 Mikrometern, in diesem Fall ungefähr von 400 Mikrometer, das auf beiden Seiten mit einer Siliziumnitridschicht 2, 3 mit einer Dicke von ungefähr 1 Mikrometer beschichtet wird. Die Schichten 2, 3 aus Siliziumnitrid können mit einer äußerst hohen Ebenheit unter Verwendung von bekannten Abscheideverfahren, wie etwa CVD erzeugt werden. Die Oberflächenrauhigkeit der Schicht 2, die als Ausgangspunkt für die Bildung der Filterschicht dient, kann somit mit einer äußerst geringen Oberflächenrauhigkeit mit Höhenvariationen realisiert werden, die leicht geringer als 100 Nanometer sein können. Dies ist von besonderem Vorteil in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die auf der Basis der Querflussfiltration betrieben wird.

Das Ganze wird mit eine Photolack 4 beschichtet, der mit Licht oder einer anderen Strahlung einer geeigneten Wellenlänge belichtet wird, während er von einer photolithographischen Maske abgedeckt wird. Die Belichtung erfolgt in diesem Fall mit UV-Licht. Durch nachfolgendes Abspülen des Ganzen mit einem geeigneten Entwickler werden die solchermaßen belichteten Teile des Photolackes 4 aufgelöst, während die maskierten Teile zurückbleiben, was zu der in 1B gezeigten Struktur führt.

Das Ganze wird dann einem geeigneten Ätzmittel für Siliziumnitrid ausgesetzt, wodurch an der Position der nicht beschichteten Teile der Siliziumnitridschicht 2 Poren 7 mit einem Durchmesser von ungefähr 2 Mikrometer geätzt werden. Auf der Unterseite des Substrates der Siliziumnitridschicht ist hier auch gemeinsam damit ein großer Teil seiner Oberfläche geätzt. Es wird somit die Struktur gemäß 1C erhalten. Schließlich wird unter Verwendung der Siliziumnitridschichten 2, 3 als Ätzmaske das Substrat 1 vollständig über seine gesamte Dicke hauptsächlich von der Unterseite her weggeätzt, um die Filterschicht 2 freizulegen, die mittlerweile auf seiner Oberfläche gebildet ist, vergleiche 1D.

Die so erhaltene Struktur ist durch eine große Anzahl von Poren 7 von im Wesentlichen identischer Dimension und Form gekennzeichnet, infolge der großen und ständig zunehmenden Präzision von bekannten lithographischen Verfahren. Auf die oben beschriebene Weise kann ein Filter mit einer extrem schmalen Porengrößenverteilung hergestellt werden, die im Wesentlichen auf eine Verteilung mit einer Abweichung von wenigen Prozent reduziert werden kann.

1D zeigt im Übrigen nur eine einzige Insel, obwohl in der Realität eine große Anzahl von solchen Inseln auf einem Siliziumwafer angeordnet sind, wie in der Aufsicht gemäß 2A gezeigt. Die dort gezeigte Einheit bildet das Filter, das in dem folgenden Beispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet wird, mit der Biere, Weine und andere Fermentierungsprodukte wirksam mit einem äußerst hohen Durchfluss und einer hohen Betriebsdauer zur Entfernung von Heferückständen und anderen möglichen festen Kontaminationen gefiltert werden können. Die 2B und 2C zeigen hier zwei alternative Ausführungen von Inseln in dem Filter, wobei in dem letzteren Fall die Poren in der Siliziumschicht über eine Anzahl von einzelnen Segmenten 8184, in diesem Fall rechteckförmig, verteilt sein können, die voneinander durch geschlossene Zonen 9 in der Siliziumnitridschicht 2 beabstandet sind. Solche eine Unterteilung von Inseln 8 führt in der Praxis zu einer vergrößerten mechanischen Festigkeit, wodurch eine längere Lebensdauer des Filters und auch größere Flüssigkeitsdrücke erreicht werden.

Eine Ausführung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der das oben beschriebene Filter verwendet wird, ist in 3 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die Vorrichtung weist in diesem Fall einen Stapel einer Anzahl von Filter auf, um die Filterkapazität zu vergrößern, und ist für die Filtration von Lagerbier oder Wein im großen Stil geeignet. Hier sind Filter 10 klebemäßig oder in anderer Weise auf einem Träger mit einer Dicke von mehreren Zentimetern zum Zweck der Vergrößerung der mechanischen Stabilität befestigt, was deutlicher in den Querschnitten gemäß 4 und 5 gezeigt ist. Der Träger hat vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Wesentlichen gleich demjenigen des verwendeten Filters ist, was in diesem Fall ein Keramikmaterial empfiehlt. Edelstahl ist jedoch auch vom Standpunkt des Herstellungsverfahrens ein geeignetes Material.

Die einzelnen Filter sind durch flüssigkeitsdichte Dichtungen voneinander getrennt, um bei jedem Filter die unreine Flüssigkeitsseite und die Permeatseite voneinander zu trennen. Zwei Arten von Dichtungen, die hier mit 12 bzw. 13 bezeichnet sind, und die sich in ihrer Form unterscheiden, werden hierbei verwendet. Infolge dieser Dichtungen sind ein Zufluss 21 und ein Auslass 22 eines Hauptflusses der zu filternden Flüssigkeit in einer flüssigkeitsdichten Weise von einem Auslass 23 für ein von dem Hauptfluss erhaltenes Permeat getrennt. Obwohl bei dieser Vorrichtung gemäß diesem Beispiel nur drei gestapelte Filter 10 vorgesehen sind, kann der Stapel ohne Problem auf eine größere Anzahl relativ ausgedehnt werden, um eine größere Filterkapazität mit einer dennoch kompakten Vorrichtung zu erreichen.

Der Stapel aus Filtern und Dichtungen liegt zwischen zwei Endstücken 14 eingeklemmt, auf denen Verbinder 30, 31, 32 für den Zufluss und die Ausgabe des zu filternden Hauptflusses und für die Ausgabe des davon gewonnenen Permeates vorgesehen sind. Die Endstücke sind z.B. aus Stahl oder Plexiglas hergestellt und weisen Bohrungen zur Aufnahme von Durchgangsbolzen 15 auf (vergleiche 4 und 5), mit denen das Ganze fixiert wird.

Die Verbinder sind schematisch in den 4 und 5 gezeigt und weisen Fluid-Universalkupplungen einer geeigneten Größe auf. Zusätzlich ist ein Verbinder 34 vorgesehen, mit Hilfe dessen ein sogenannter Rückspülungsfluss während des Betriebes unabhängig von dem Permeatauslass 23, 33 durchgeführt werden kann, um ein unerwartet blockiertes Filter 10 mit gewonnenem Permeat oder einer anderen reinen Flüssigkeit zu reinigen.

Die Vorrichtung weist eine Anzahl von Filterkammern auf, die parallel zueinander in dem Hauptfluss der zu filternden Flüssigkeit angeordnet sind. Die Zufuhr und der Auslass 21, 22 für den Hauptfluss sind hierbei mit einem ersten Teil 50 der Filterkammern verbunden, die die Filterschichten 2 des Filter miteinander verbindet. Auf der von der Filterschicht 2 entfernten Seite ist ein zweites Teil 52 der Filterkammern vorgesehen, von dem aus das gewonnene Permeat abgeführt wird und von dem aus ein Rückspülungsimpuls durch das Filter über den Einlass 24, der für diesen Zweck vorgesehen ist, gegeben werden kann. Im gegenwärtigen Fall liegen die Filter in Paaren zusammen, wobei ihre Filterschicht einander zugewandt sind, um so die anderen benachbarten Teile der Filterkammern miteinander zu integrieren. Eine Höhe zwischen 200 Mikrometern und 2000 Mikrometer in den ersten Teilen der Filterkammern hat sich in der Praxis als eine ideale Kombination für einen moderaten Druck über dem Filter und einen nicht zu großen Druckabfall zwischen dem Zufluss und dem Ausgang bei einer Fließgeschwindigkeit mit einer adäquaten Reinigungswirkung auf der Filteroberfläche gezeigt. In diesem Fall stellt dies den senkrechten Abstand zwischen den Filterschichten dar, die in Paaren einander zugewandt sind, oder in dem Fall eines Endfilters mit ungerader Anzahl, den senkrechten Abstand zwischen seiner Filterschicht und dem benachbarten Endstück.

Da hier photo-lithographisch hergestellte Filter verwendet werden, die auch als Mikrosiebe bezeichnet werden, ist die hier gezeigte Vorrichtung in der Lage, einen äußerst großen Filterfluss von ungefähr 15.000 Liter pro Stunde pro Quadratmeter Filterfläche bei einem Bar Druckdifferenz über dem Filter zu liefern. Mit derselben Filterfläche kann dadurch eine 100 Mal größere Filterkapazität als bei herkömmlichen Filterbetten auf der Basis von Kieselgur erreicht werden, wodurch es selbst in einer industriellen Umgebung möglich ist, dass eine relativ kompakte Installation ausreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert eine Hefezellenreduktion bei Lagerbier von 800.000 Zellen pro Liter in dem ungefilterten Bier auf weniger als einen Durchschnitt von ungefähr 5 Zellen pro Liter im Permeat.

Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme nur auf eine einzige Ausführung näher beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass zahlreiche Veränderungen und Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind. Die genannten Materialien und Dimensionen können somit durch geeignete alternative Materialien ersetzt werden. Insbesondere die Dimension der Poren in dem Filter kann weiter im Hinblick auf besondere Anwendungsgebiete modifiziert werden. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung infolge der großen Präzision, mit der die Poren gebildet sind, und infolge der äußerst engen Porengrößenverteilung, die sich daraus ergibt, auch als Sterilisationsfilter bei der Bier- oder Weinfiltration angewendet werden, wobei eine Porengröße mit einem Maximum von 0,5 Mikrometer, insbesondere zwischen 0,25 Mikrometer und 0,5 Mikrometer, verwendet wird. In diesem Fall können Hefezellen als auch Bakterien und andere Pathogene aus einer Flüssigkeit in einem Schritt entfernt werden, so dass ein separater Sterilisationsschritt überflüssig ist. Dies ist vorteilhaft bei der oben erwähnten Anwendung auf dem Bereich der Behandlung von Bieren, Weinen und anderen durch Fermentierung erhaltenen Getränken, bei denen Hefezellen vorhanden sind.

Ferner kann das erfindungsgemäße Filter auch auf andere Weise anstatt der Verwendung von Belichtung, Entwicklung und Ätzen einer definierten Porenverteilung unter Verwendung einer Maske erzeugt werden. Es kann somit anstelle einer Maske bei der Entwicklung eines Photolackes ein Interferenzmuster genutzt werden, um darin ultrafeine Poren mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 Mikrometer zu erzeugen, obwohl grundsätzlich eine gröbere Lithographie verwendet wird. Der Ausgangspunkt kann auch ein vollständig anderer Prozess sein, bei dem eine galvanische Form auf photo-lithographische Weise hergestellt wird, auf der eine Metallschicht mit den gewünschten Poren durch Elektroabscheidung abgeschieden wird. Was wichtig bei dem erfindungsgemäßen Filter ist, ist die Tatsache, dass die Poren in der Filterschicht in einer definierten und deshalb kontrollierten Weise gebildet sind, so dass ein hoher Grad an Gleichförmigkeit mit einer zugehörigen engen Porengrößenverteilung erhalten wird.


Anspruch[de]
Filteranordnung zum Filtern von Bier mit wenigstens einer Filtrationskammer, die ein erstes Teil (51) aufweist, das mit einem Zufluss (21) in Verbindung steht, und mit einem Ausgang (22) für einen Hauptfluss von fermentierter Flüssigkeit, und mit einem zweiten Teil (52), das mit einem Ausgang (23) für ein Permeat in Verbindung steht, das von der fermentierten Flüssigkeit gewonnen wird, wobei die beiden genannten Teile der Filtrationskammer voneinander durch ein Filter (1, 2) beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter eine Filterschicht (2) mit Poren (7) einer präzise vorgestimmten Größe aufweist, die mit Hilfe von photolithographischen Verfahren gebildet sind, dass das Filter, nachdem die Poren darin gebildet sind, auf einem flachen Träger (11) mit einer Dicke, die deutlich größer als die Dicke des Filters ist, aufgeklebt oder in anderer Weise angeordnet ist, dass wenigstens eine Öffnung an dem Träger an der Position des Filters angeordnet ist, um die Filterschicht freizulegen, und dass der Träger einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im Wesentlichen gleich demjenigen des Filters ist. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein keramisches Material umfasst. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Stapel von wenigstens zwei Filtern aufweist, die voneinander durch Dichtungen (12, 13) beabstandet ist, dass die Filter paarweise angeordnet sind, mit einander zugewandten Filterschichten, und dass die Dichtungen Öffnungen aufweisen, die mit dem Zufluss und dem Ausgang für den Hauptfluss von fermentierter Flüssigkeit oder dem Ausgang für das Permeat in Verbindung stehen. Filteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel zwischen zwei Endstücken (14) eingespannt ist, an denen Verbinder (31, 32, 33) für die Zufuhr und die Abfuhr des Hauptflusses von fermentierter Flüssigkeit und für die Abfuhr von wiedergewonnenem Permeat vorgesehen sind. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in der Filterschicht wenigstens in der Praxis eine Größe von maximal ungefähr 2 Mikrometer haben. Filteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in der Filterschicht eine Größe haben, die kleiner als 0,5 Mikrometer ist, insbesondere zwischen 0,25 Mikrometer und 0,5 Mikrometer. Filteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil der Filterkammer eine quer zu der Filterfläche gerichtete Höhe zwischen 200 Mikrometer und 2000 Mikrometer hat. Filteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht eine Dicke hat, die kleiner als der durchschnittliche Porendurchmesser ist. Filteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht wenigstens auf einer Seite, die dem ersten Teil der Filterkammer zugewandt ist, eine wenigstens in der Praxis ebene Oberfläche mit Höhenvariationen hat, die kleiner als ungefähr 100 Nanometer sind. Filteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil der Filterkammer einen Einlass (24) zur Zuführung einer sauberen Flüssigkeit hat, die von dem Permeatauslass getrennt sein kann oder nicht. Filteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass getrennt von dem Permeatauslass angeordnet ist. Filteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht eine Siliziumnitridschicht (2) aufweist, in der die Poren angeordnet sind, und die auf einem Substrat (1) aus Silizium angeordnet ist, in dem lokal Öffnungen auf einer Seite vorgesehen ist, die von der Siliziumnitridschicht entfernt ist, um die Siliziumnitridschicht von dieser Seite freizulegen. Filteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in der Siliziumnitridschicht im Wesentlichen den gleichen Durchmesser von maximal ungefähr 2 Mikrometer haben, dass die Siliziumnitridschicht eine Dicke hat, die höchstens gleich dem Porendurchmesser der Poren ist, und dass das Substrat eine Dicke in der Größenordnung von mehreren hundert Mikrometern hat. Filteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in der Filterschicht über eine Anzahl von getrennten Segmenten (8184) angeordnet sind, wobei benachbarte Segmente voneinander durch geschlossene Zonen (9) getrennt sind. Filteranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in im Wesentlichen rechteckförmige Segmente getrennt sind, die voneinander durch geschlossene Bänder getrennt sind.






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