Im Bereich der membrantechnischen Behandlung von Flüssigkeiten, Gasen oder Flüssigkeits-Gas-Gemischen haben sich auf weiten Gebieten der Anwendungstechnik Kapillar -Membransysteme etabliert. Andere als Kapillarmodule spielen in Bereichen wie z. B. der Wassertechnik, der Getränketechnik oder auch der Abwasser-Klärtechnik eine eher geringe Rolle. In den Bereichen, in denen die Kapillarmembran ihre vielen Vorteile "ausspielen" kann, wird diese Membrankonfiguration vornehmlich eingesetzt.

Im Rahmen der in dieser Schrift angestellten Betrachtung soll daher ausschließlich auf Kapillarmodule eingegangen werden. Dies hat seinen Grund auch darin, daß in solch großen Anwendungsbereichen wie z. B. der Wassertechnik, der Abwassertechnik, der Getränketechnik, der Biotechnologie und der Gastechnik die Kapillarmembran bereits eine fest integrierte und akzeptierte verfahrenstechnische Komponente ist und in diesen Bereichen ein enormes Wachstumspotential der Membrantechnik liegt.

Im Rahmen dieser Schrift wird Kapillare als ein Sammelbegriff für die in der Praxis gebräuchlichen Begriffe Hohlfaser, Kapillare und Rohr verwendet und deckt Röhrchen/Rohre mit einem Innendurchmesser von ca. 0,1 bis ca. 250 mm ab, wobei meist solche mit ca. 0,3 bis ca. 6 mm verwendet werden. Die Wandung der Röhrchen/Rohre ist stets eine mehr oder weniger permeable Membran, die bei manchen Ausführungsarten durch ein Trägermaterial oder durch Gewebe verstärkt wird.

Kapillarmodule werden im Stand der Technik für die Filtration, die Separation, die Diffusion, die Pervaporation, die Dialyse und andere Trenntechniken eingesetzt. Auch Bioreaktoren werden auf der Basis von Kapillarmodulen eingesetzt.

Die Vorteile eines Kapillarmoduls liegen vor allem in der geringen Verstopfungsgefahr, der Rückspülfähigkeit, der Kompaktheit der Module und in den relativ geringen Herstellkosten.

Im angewandten Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von Modulen hinreichend bekannt. Trotz vieler Vorteile weisen jedoch alle Modulbauformen auch wesentliche Nachteile auf, die deren Anwendbarkeit einschränken und die Wirtschaftlichkeit herabsetzen.

Die ursprüngliche und bislang weitestgehend übliche Form ist die, bei der in ein rohrförmiges Gehäuse ein Bündel von beidseitig offenen Kapillaren eingebracht und an beiden Enden vergaßen wird. Das zu behandelnde Fluid wird unter Druck durch die Kapillaren gepumpt, Permeat tritt durch diese hindurch und wird in den Zwischenräumen der Kapillaren gesammelt und aus dem umgebenden Rohr abgeführt.

Weitergehende Entwicklungen drehen dieses Prinzip um, so daß nun in einem ähnlichen Gehäuse die Kapillaren von außen angeströmt werden und Permeat durch das Lumen der Kapillaren abgeführt wird. Dabei kann die treibende Kraft entweder Druck auf die Außenseite der Kapillaren sein oder ein Unterdruck im Lumen derselben.

Diee beiden Konfigurationen haben wesentliche Nachteile, was die Entwicklung der so genannten getauchten Systeme antrieb. Hierbei werden im Prinzip Kapillarbündel ohne Gehäuse in Fluid eingetaucht. Als treibende Kraft dient meist ein lumenseitig angelegter Unterdruck, aber auch ein außenseitig angelegter Druck (Flüssigkeitsstand im Tauchbecken) oder auch eine Kombination aus beidem.

Zur besseren Darstellung des technischen Standes soll Anhang 1 dienen. Darin werden alle derzeit im Markt in großtechnischem Einsatz befindlichen Module nach ihrem Funktionsprinzip in Gruppen eingeteilt. Es steht Z für Zufuhr, R für Retentatauslaß und P für Permeatauslaß.

In der Modulgruppe A sind Produkte zusammengefasst, bei denen die Fluidzufuhr stirnseitig an einem Ende und die Retentatabfuhr stirnseitig am anderen Ende erfolgt. Die Strömung des zu bearbeitenden Fluids erfolgt im Inneren der Kapillaren. Die Permeatabfuhr erfolgt über einen Anschluß am Modulgehäuse. In der Regel werden mehrere solche Module parallel in so genannten Racks angeordnet. Die Module werden üblicherweise von unten angeströmt. In vielen Anwendungen (wie z. B. der Getränketechnik oder der Öl-Wasser-Trennung) wird diese Modulbauart und -betriebsweise gewählt. Es wird meist mit höher "belasteten" Medien im Cross-Flow-Betrieb gefahren.

In der Modulgruppe B sind Produkte zusammengefasst, die identisch aufgebaut sind wie die der Gruppe A, jedoch im Dead-End-Betrieb gefahren werden. Retentatablauf erfolgt meist nur sporadisch oder in so geringem Maße, daß im Inneren der Kapillaren keine nennenswerte Strömung herscht. In aller Regel werden ebenfalls mehrere solche Module parallel in Racks angeordnet. Auch hier erfolgt die Anströmung meist von unten. Diese Modulbauart und – betriebsweise wird verwendet für relativ wenig belastete Medien (wie z. B. Trinkwasser).

In der Modulgruppe C sind Produkte zusammengefasst, die zwar ähnlich aufgebaut sind wie die der Gruppen A und B, das Prinzip jedoch umgekehrt wird, so daß die Kapillaren von außen nach Innen von Permeat durchströmt werden. Das Zufuhrfluid gelangt stirnseitig an einem Ende des Gehäuses in das Modul, umströmt die Kapillaren von außen und verläßt das Gehäuse über einen Anschluß am Umfang des Gehäuserohres. Permeat tritt am anderen Ende des Gehäuses aus. Auch bei diesem Typ werden mehrere Module parallel in Racks angeordnet. Die Anströmung erfolgt immer von unten. Diese Modulfamilie kann eingesetzt werden für mittelmäßig belastete Medien (wie z. B. Wein oder Kläranlagenablauf).

In der Modulgruppe D sind Produkte zusammengefasst, die identisch aufgebaut sind wie die der Gruppe C, jedoch im Dead-End-Betrieb gefahren werden. Der Aufbau solcher Module erfolgt ebenfalls parallel in so genannten Racks. Die Anströmung erfolgt ebenfalls immer von unten. Die Anwendungen für solche Module liegen in Bereichen wie die der Gruppe B. Bezüglich der Betriebsweise besteht jedoch der Unterschied, daß mit häufigeren retentatseitigen Spülungen und Entleerungen gearbeitet wird.

In der Gruppe E sind Produkte zusammengefasst, die auch als "getauchte" Module bezeichnet werden. Sie werden ohne Außengehäuse in das zu filtrierende Fluid eingetaucht und können nur Dead-End betrieben werden. Solche Module können sowohl für gering belastete (z. B. Trinkwasser) als auch für sehr hoch belastete Medien (z. B. Belebtschlamm) eingesetzt werden, da die Kapillaren durch einen Strom unten eingeblasener und aufsteigender Luftblasen bewegt und "abgereinigt" werden. Die Kapillaren sind senkrecht angeordnet. Die Kapillaren sind ein- oder auch zweiseitig eingegossen.

In der Modulgruppe F sind Produkte zusammengefasst, die ebenfalls in das zu bearbeitende Medium eingetaucht und nur im Dead-End betrieben werden. Die Kapillaren sind hierbei jedoch waagerecht angeordnet. Diese Module sind nur einsetzbar in Fluiden, die von grobem und faserigem Material befreit wurden. Sie werden ebenfalls mit einem aufsteigenden Luftblasenstrom bewegt und "abgereinigt".

Die nachfolgend verwendeten Begriffe sind wie folgt zu verstehen:

Unter Filtratrichtung ist die Strömungsrichtung des Permeats durch die Wand der Kapillare zu verstehen. Dies kann von innen nach außen (filtrierende Schicht dann an der Innenfläche der Kapillare) oder von außen nach innen (filtrierende Schicht dann an der Außenfläche der Kapillare) erfolgen. Es gibt Kapillaren, die beidschichtig aufgebaut sind.

In einigen Modultypen werden Kapillaren in einem Druckgehäuse untergebracht und üblicherweise an beiden Enden eingegossen. Kapillaren können aber auch ohne Druckgehäuse frei im Medium liegen.

Um Permeat durch die Membran und die Kapillarwand zu "drücken" oder zu "ziehen" ist eine "treibende Kraft" erforderlich. Diese kann ein Druck über oder unter Atmosphärendruck sein.

Kapillarmodule können eine Betriesweise im Dead-End- oder im Cross-Flow-Verfahren haben. Beim Dead-End-Betrieb wird die treibende Druckkraft an die Kapillare angelegt, ohne daß diese nennenswert überströmt ist. Beim Cross-Flow-Betrieb erfolgt eine wesentliche Überströmung, die dazu geeignet ist, Ablagerungen auf und eine Deckschicht an der Membranoberfläche abzutragen bzw. gering zu halten.

Unter Raumflächenbedarf wird der Raumbedarf verstanden, den die Membranfläche mehrerer Module im eingebauten Zustand (Rock) einnimmt. Die Dimension hierfür ist m²/m³.

Der Aufwand an Energie entsteht im Wesentlichen entweder durch die für Cross-Flow-Umwälzung notwendigen Pumpen oder durch die Zuführpumpen beim Dead-End-Betrieb oder durch Zuführpumpen und Gaszufuhr bei getauchten Systemen.

Wichtig ist die Sicherstellung einer gleichmäßigen Anströmung der Kapillaren im Modul, damit alle die gleiche Leistung erbringen können, sich nicht unregelmäßig belegen und sich gleich gut reinigen lassen.

Der Grad der Kapillarbeanspruchung ergibt sich zum Einen auf Grund der Anströmung der Kapillaren und zum anderen auf Grund mechanischer Bewegung.

Der durchschnittliche Transmembrandruck (TMP) stellt die bereits angesprochene treibende Kraft dar. Zu beachten ist auch die Spanne zwischen TMP am Moduleintritt und TMP am Modulaustritt.

Strömt das Medium immer in eine gewisse Richtung so besteht die Gefahr, daß sich "gerichtete" Ablagerungen auf der Membran aufbauen und entsprechend in der Rauhigkeit jeder Membran und auf derselben festsetzen. Mit einer periodischen Strömungsumkehr kann diesem Effekt entgegengewirkt werden.

Jede Membrananlage ist von Zeit zu Zeit zu reinigen. Es ist für die dauerhaft gute Funktion einer Anlage wichtig, daß die Reinigung effektiv und leicht möglich ist.

Eine Rückspülung wird so durchgeführt, daß periodisch ein reines Fluid (in der Regel Permeat) von der Permeatseite der Membran auf die Retentatseite gedrückt wird. Dies dient dem Zweck, Ablagerungen auf der Membran "abzuheben" und so die Deckschicht gering und die Leistung hoch zu halten.

Fastflush wird bei Dead-End-betriebenen Modulen angewandt. Man versteht darunter das kurzzeitige volle Öffnen des Retentatauslasses, um den aufkonzentrierten Modulinhalt auszuschieben und einen gewissen Deckschichtabbau zu erzielen.

Der Integritätstest dient dazu, die Unversehrtheit der Kapillaren zu testen. Meist wird ein Druckhaltetest durchgeführt. Ist der Druckhaltetest positiv, bedeutet dies, daß in einer Anordnung von Modulen (meist ein Rack) oder in einem einzelnen Modul eine oder mehrere defekte Kapillaren vorhanden sind.

Wird über den Integritätstest herausgefunden, daß defekte Kapillaren vorhanden sind, so stellt sich die Aufgabe herauszufinden, welche und wo diese sind. Die üblichen Methoden für diese Aufgabe sind der Luftblasentest oder der "Fountain-Test" am einzelnen Modul.

Für eine gute Prozeßführung ist es wichtig, daß die Kapillaren in einem Modul eine gewählte Anordnung haben und auch behalten. Eine zufällige Anordnung oder eine, die sich während des Betriebs verändern kann, ist nicht günstig.

Retentatseitige Totzonen sind Zonen im Kapillarbündel, die in einer oder mehrerer Betriebsweisen ungenügend angeströmt werden.

Dasselbe gilt auch für permeatseitige Totzonen.

Von entscheideneder Bedeutung für die Kosten pro m² Membranfläche eines Moduls ist neben einer kostengünstigen Membranproduktion auch die kostengünstige Herstellung des Moduls selbst. Hier ist wiederum die Automatisierbarkeit der Herstellung entscheidend.

Es ist von entscheidender Bedeutung wie einfach oder schwierig der Betrieb eines Moduls in einer Gesamtanlage ist und wie verfahrenstechnisch einfach oder aufwändig eine Anlage mit Modulen eines bestimmten Typs gebaut werden kann.

In der Tabelle Anhang 2 sind die einzelnen oben charakterisierten Modulgruppen nach dargestellten Kriterien bewertet und charakterisiert. Auf eine Diskussion von Details und einzelner Berechnungen soll im Sinne der Übersichtlichkeit dieser Schrift verzichtet werden. Faßt man die Beurteilungen zum Stand der Technik zusammen und reduziert diese auf die wichtigsten Punkte so ergibt sich folgendes Bild:

Raumflächenbedarf: Alle Systeme haben einen relativ hohen Raumflächenbedarf. Bei Modulen der Gruppen A bis D ensteht dieser durch die Tatsache, daß jedes Modul relativ kurz ist (in großtechnischen Anlagen sind Längen von 1 bis 1,5 m üblich) und eine relativ geringe Membranfläche aufweist (in großtechnischen Anlagen üblicherweise 5 bis 40 m²). Ein solches Modul mit erforderlichen Zwischenabständen parallel in ein Rack eingebaut ergibt nachteilig eine eine große Stellfläche und eine sehr geringe Bauhöhe. Bei den Modulen der Gruppe E und F ergibt sich der ungünstige Raumflächenbedarf durch den Einbau mit Zwischen- und Seitenabstand in relativ niedrige Becken.

An- bzw. Umströmung der filtrierenden Membran: Insbesondere in den Modulgruppen C bis F werden die Kapillaren retentatseitig auf Grund der zufälligen Bündelung der Kapillaren schlecht angeströmt. Permeatseitig trifft dies insbesondere auf die Module der Gruppen A bis D zu. Daraus resultieren eine Reihe von Nachteilen:

• – Unterschiedliche Membranflächenbelastung und somit unterschiedlicher Deckschichtaufbau und unterschiedliche Trenncharakteristik
• – Retentatseitige Totzonen und somit "vergeudete" Membranfläche
• – Häufige Rückspülung einhergehend mit Ausbeute- und Zeitverlust
• – Schlechte Reinigbarkeit
• – Schlechter Rückspüleffekt

Kapillarbeanspruchung: Insbesondere bei getauchten Modulen ermüden die Kapillaren über die Zeit durch die ständige Bewegung bedingt durch die Luftblasenspülung. Bei druckbetriebenen Modulen ist die Zugbeanspruchung der Kapillaren bedingt durch den Druckabfall über die Länge der Kapillare zu beachten. Daraus resultieren folgende Nachteile:

• – Kurze Membranlebensdauer und verringerte Wirtschaftlichkeit
• – Membrandurchbrüche und -abplatzungen, wodurch Mikroorganismen, Schmutzfracht, usw. auf die Permeatseite gelangen
• – Hoher Wartungsaufwand und Produktionseinschränkungen

Transmembrandruck (TMP): Insbesondere bei den druckbetriebenen Modulen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in der Kapillare aber auch bei den mit relativ niedrigem Druck betriebenen Modulen ist die Spanne des TMP hoch mit folgenden Nachteilen:

• – Ungleichmäßige Anlagerung einer Deckschicht entlang der Kapillarlänge
• – Strömungsumkehrschaltungen erforderlich (sofern überhaupt möglich)
• – Häufige Rückspülungen erforderlich (Ausbeute- und Zeitverlust)
• – Häufige Reinigungen erforderlich (Chemikalienkosten und Produktionsverlust)
• – Ungleichmäßiger Effekt der Rückspülung
• – Anlagentechnischer Aufwand

Fast-Flush und Rückspülung: Diese sind bei einigen Modulsystemen nur bedingt oder sogar gar nicht möglich.

Defekte Kapillaren: Ein sehr großer Nachteil bei allen aufgeführten Modulen ist, daß das Auffinden und Reparieren defekter Kapillaren einen großen Wartungsaufwand bedeutet und das Risiko in sich birgt, daß defekte Kapillaren gar nicht erkannt werden können.

Kapillaranordnung: Bei keinem der aufgeführten Modulsysteme im Stand der Technik ist eine geordnete Kapillaranordnung realisiert. Im Effekt ergeben sich daraus eine ganze Reihe von Nachteilen:

• – Totzonen retentatseitig
• – Totzonen permeatseitig
• – Schlechte Anströmung
• – Häufige Rückspülungen
• – Häufige Reinigungen
• – Risiko des mikrobiologischen Wachstums
• – Risiko nicht reversibler Verblockungen
• – Leistungseinschränkungen
• – Verschlechterte Wirtschaftlichkeit

Modulfertigung: Bei nahezu allen Modulsystemen im Stand der Technik ist die Möglichkeit einer vollkommen automatisierten Fertigung als schlecht einzustufen.

Betriebsweise: Bei den meisten Modulsystemen ist eine einfache Betriebsweise nicht möglich, da ein komplizierter Anlagenaufbau erforderlich ist, um viele relativ kleine Module einbauen, fahren, rückspülen, reinigen, auf Integrität testen, usw. usw. zu können.

Die Entwicklung der Module der Gruppen E und F stellte gegenüber der Module der Gruppen A bis D bereits einen wichtigen Schritt dar, jedoch auch nur für die Anwendungen in denen Module der Gruppen E und F überhaupt einsetzbar sind. Aufzuführen sind hier beispielhaft DE29624474 und DE20300546. Schon frühzeitig wurde versucht, aus dem Dilemma der vielen oben aufgeführten Nachteile umfassend herauszukommen. Es kam zur Entwicklung verschiedener rahmen- oder kreiszylindermäßig aufgebauten Module (z. B. DE4230194, DE2650341, EP350853, EP454918, DE19932439, US4176069. DE3750497T2 u.v.m.. Diese Ideen wurden neuerdings noch weiter entwickelt mit DE10242078A1. Alle diese Systeme weisen jedoch immer noch folgende gravierende Nachteile auf, weswegen diese Systeme sich im großtechnischen Einsatz auch nicht im Markt durchgesetzt haben.

• • Ein Kapillardefekt kann über einen Druckhaltetest erkannt werden. Auf Grund der geschlossenen Bauweise des Moduls kann jedoch nicht herausgefunden werden, welche einzelne Kapillare defekt ist. Konsequenterweise muß in einem solchen Fall wegen auch nur einer von Tausenden Kapillaren das ganze Modul ausgetauscht werden. Auch danach ist eine Reparatur einer Kapillare nicht möglich, da das System geschlossen ist. Das an sich weitestgehend intakte Modul muß verworfen werden.
• • Einzelne Module können bei Erkennen eines Kapillardefektes nicht stilgelegt werden. Im Bereich z. B. der Filtration von Wasser, Getränken und biotechnologischen Flüssigkeiten oder der Entkeimung von Gasen ist dies jedoch zur Sicherung der mikrobiologischen Qualität absolut erforderlich, Dies muß auch bei Fortführung der Produktion mit den restlichen Modulen möglich sein.
• • Die außenliegenden Kompartimente müssen voneinander abgegrenzt und gegeneinander abgedichtet werden. Dies ist produktionstechnisch nur sehr aufwändig zu realisieren.
• • Eine Abreinigung der Kapillaren mittels eines Gasblasenstromes ist nur dergestalt möglich, daß der gesamte Aufbau durch den Gasblasenstrom von ganz unten nach ganz oben durchströmt wird, Da die Gasblasen nach oben hin (abnehmender Druck) sich vergrößern, sind einheitliche Verhältnisse über die gesamte Höhe nicht einstellbar. Bei vielen der genannten Systeme ist eine solche Gasblasenführung überhaupt nicht möglich.
• • Insbesondere bei höheren Kapillarlagenstapeln hängen diese auf Grund ihres Eigengewichtes durch und sind nicht stabilisiert. Es kommt zu Zugbeanspruchung an den eingegossenen Enden ähnlich herkömmlichen Modulbauformen.
• • Zwischenlagen zur Strömungsverteilung und Stabilisierung sind nicht vorgesehen.
• • Fluid kann nicht direkt in den Kapillarlagenstapel eingebracht werden. Eine damit verbundene Abreinigung von Kapillaren auf Grund hoher lokaler Strömung kann nicht ausgenutzt werden.
• • Eine Aufkonzentrierung des Restvolumens in der Anlage im großtechnischen Einsatz (der innere Raum wird vollständig durchströmt), ist nicht möglich.
• • Eine separate Zu- und Ableitung verschiedener Fluide in und aus dem Kapillarlagenstapel ist nicht mögich

Aufgabe in der Erfindungsarbeit war es, ein System zu entwickeln, das weder die Nachteile der bisher großtechnisch marktgängigen Modulsysteme als auch die neuerer Entwicklungen nicht aufweist und gleichzeitig keine neuen Nachteile ergibt. Die Vorteile der Erfindung sind nachfolgend zusammengefaßt. Es wird gleichzeitig die Erfindung damit auch erläutert.

Die Erfindung macht sich zunächst Kapillarmembranen aus dem Stand der Technik zu Nutze. Verwendet werden können Membranen aus jeglichem Material, seien es Polymer-, Keramik-, Metall- oder andere Werkstoffe. Ebenso kann jeder auf dem Markt erhältliche Kapillar- oder Rohrmembrandurchmesser Verwendung finden. Es können Membranen mit einer filtrierenden Schicht innen oder außen oder beidseits zum Einsatz kommen.

Im Herstellungsprozeß des erfindungsgemäßen Moduls wird auf jeden Fall zunächst ein viellagiger Kapillarstapel hergestellt wie er prinzipiell bereits 1968 in FR 1547549 und 1973 in FR 7325450 beschrieben wurde. Eine Lage besteht aus parallel verlaufenden einzelnen Kapillaren (Zeichnungen 1A und 1B). Die nächste Lage darunter oder darüber kann ebenso gerichtete Kapillaren aufweisen oder aber auch solche, die in einem Winkel dazu verlaufen. Vorzugsweise liegen die Kapillaren einer Lage im 90 Grad Winkel zu denen einer benachbarten Lage (Zeichnung 1C). Jede Lage kann jedoch auch aus einer Kapillarmatte bestehen. Diese kann aus zwei Lagen von Kapillaren, die in einem Winkel zueinander webartig verarbeitet sind bestehen oder aus einer Lage von Kapillaren, zu denen als Schuß einzelne Fäden quer verlaufen. In unterschiedlichen Lagen (und teilweise auch innerhalb einer einzelnen Lage) können bezüglich Material, Ausführungsart, Trenngrenze und Durchmesser verschiedene Kapillaren verwendet werden. Einzelne Kapillaren einer Lage können durch solide Spannfäden ersetzt sein, um der Anordnung Stabilität zu geben. Die Kapillaren sind in jeder Lage definiert beabstandet. Die Abstände können innerhalb einer Lage, in unterschiedlichen Lagen und/oder in einzelnen Modulen unterschiedlich sein. Die Abstände sind jeweils prozeßbedingt zu definieren. Die Grundform einer Kapillarlage in Draufsicht kann rund, oval, rechteckig oder vieleckig sein. Die mehreckige Form dürfte sich in der Praxis am ehesten durchsetzen aus Gründen einer kostengünstigen Modul- und Anlagenfertigung.

In der Herstellung einer Kapillarlage können Kapillaren von der Rolle, einzeln auf Länge geschnittene Kapillarstücke oder zu Matten verarbeitete Ware von der Rolle oder als vorgestanzte Stücke Verwendung finden.

Den Abmessungen der Grundfläche einer Kapillarlage sind nach unten und oben technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Angestrebt sind Abmessungen von wenigen Zentimetern bis zu 2 Metern Kantenlänge bzw. Durchmesser. Die Höhe des Stapels aus Kapillarlagen kann nur einige wenige Kapillarlagen ausmachen, jedoch auch viele Hundert davon, so daß Stapel von z. B. einem Meter Dicke denkbar sind. Ein Stapel mit Kapillaren von 0,8 mm Außendurchmesser, einem Kapillarabstand von 0,4 mm, einer durchströmten Grundfläche von 1 qm und einer Dicke von 10 cm (125 Kapillarlagen) hat eine aktive Membranfläche von ca. 260 m².

Einzelne Lagen unter oder im Lagenstapel, aber auch z. B. jede zweite Lage, können aus netz-, gitter- oder vliesartigem Material oder aus quer zum Verlauf der Kapillaren verlaufenden Spannfäden bestehen und der Strömungsverteilung und/oder der Stabilisierung des Stapels und/oder der Abstandshaltung zwischen Kapillaren dienen. Eine Schicht aus solch netz-, gitter- oder vliesartigem Material kann erfindungsgemäß auch die oberste Lage darstellen. In einem solchen Fall dient das Material im Wesentlichen als Strömungsverteiler und Vorfilter, um zu verhindern, daß Verunreinigungen in den Stapel eindringen, die zu Verblockungen führen können.

Einzelne Lagen im Stapel können aus an ihren Enden offenen (ggf. mit unterschiedlicher Länge) oder aber geschlossenen und über ihre Länge mit Löchern versehenen, perforierten, geschlitzten nicht permeablen Kapillaren bestehen über die Fluid von außen direkt in den Kapillarstapel eingebracht werden kann. So kann z. B. bei der Filtration von Flüssigkeiten periodisch Spülgas zur Erzeugung von Luftblasen und zur Abreinigung der Oberflächen der Kapillaren eingedrückt werden oder es ist das Einbringen von chemischer Reinigungsflüssigkeit zur Reinigung der Membranoberflächen möglich.

In der Herstellung eines Lagenstapels kann es zur Vermeidung von Verschiebungen der einzelnen Kapillaren sinnvoll sein, dem Stapel Zusammenhalt zu geben, in dem dieser wenigstens in Teilbereichen mit einer verfestigenden Masse (z. B. Stärke, Textilschlichte o. ä.) durchtränkt wird, die nach Herstellung des Modulrahmens oder des Rahmenmoduls wieder ausgewaschen wird.

Ist der Stapel von rechteckiger Form, so wird er Seite für Seite mit Vergußmasse versehen und Aushärtzeit eingeräumt. Es ist auch möglich, daß auf die jeweils zu vergießende Seite eine Form (innen ggf. mit nicht haftendem Belag ausgekleidet) „aufgesteckt" wird, in die dann Vergußmasse eingebracht wird. Dies hat den Vorteil, daß die Vergußstelle genauer definiert und geformt werden kann und daß die linken und rechten Enden des Vergußbereichs abgeschrägt werden können, um so mehr Kontaktfläche zum nächsten daran anschließenden Vergußbereich der nächsten Seite zu schaffen. Dieser Kontaktbereich kann, ebenfalls erfindungsgemäß, vor oder nach dem Vergießen durch Aufbringen geeigneter Materialien verstärkt und verbessert werden, so daß eine absolut schlüssige Verbindung in diesem Bereich entsteht. Dieses Material kann ein saugfähiges Vlies oder ein Netz sein, aber auch stiftförmige Verbindungsteile. Denkbar ist aber auch, daß die jeweilige Fläche vor einer neuen Vergießaktion jeweils mit einer geeigneten haftverbessernden Chemikalie eingestrichen und vorbehandelt wird. Ist der Stapel von runder Form, so erübrigen sich die letztgenannten Aktionen. In diesem Fall wird der runde Stapel in einem Bad aus Vergußmasse gedreht. Sowohl bei der rechteckigen als auch der runden Form kann ein im Stand der Technik üblicher Schleudervorgang Anwendung finden. Sofern erforderlich, können danach die oberen und unteren und ggf. auch die seitlichen Vergußmasseflächen plan geschliffen werden und es werden -ebenfalls wie im Stand der Technik üblich- die Außenseiten an denen die Kapillaren offen liegen sollen bearbeitet z. B. durch abschneiden, absägen, abfräsen, abdrehen usw.

In einer weiteren möglichen Variante der Herstellung des Modulrahmens werden die einzelnen Kapillarlagen nicht vergoßen, sondern erfindungsgemäß miteinander verklebt. Dies kann so erfolgen, daß zunächst ein Flachrahmen mit einer gewissen Höhe aus einem geeigneten Material gelegt wird. Darauf wird eine Klebemasse gestrichen, in die die Kapillaren eingelegt werden. Über die Kapillaren wird nun ein Band gelegt, das in der Breite ungefähr der des untenliegenden Rahmens entspricht. Über das Niederfahren eines Stempels von der Grundfläche des gesamten Kapillarlagenstapels wird die Lage an Kapillaren nun in die auf den Rahmen aufgestrichene Klebemasse eingedrückt. Die Menge an Klebemasse ist so dosiert, daß beim Vorgang des Zusammendrückens der Raum zwischen den Kapillaren ausgefüllt wird. Nachdem der Stempel wieder hochgezogen wurde, wird nunmehr auf das obenliegende Band wieder Klebemasse aufgebracht, Kapillaren werden eingelegt, Band wird aufgelegt und der Stempel drückt wieder alles zusammen. Dies wird bis zum vollständigen Stapel so fortgeführt. Oben auf den Stapel wird als letztes wieder ein Rahmen aufgelegt. Auch bei dieser Art von Modulrahmen werden nun in bekannter Art und Weise die Außenseiten bearbeitet z. B. durch abschneiden, absägen, abfräsen, abdrehen usw.

In den vorgenannten Schritten ist ein Modulrahmen mit einem innen liegenden, von Fluid durchströmbaren Kapillarlagenstapel (siehe Zeichnungen 2) entstanden. Der Rahmen ist oben und unten plan. Bei runden Rahmen sind am gesamten Umfang, bei rechteckigen Rahmen an mindestens einer, aber auch an allen Seiten, die offen liegenden Kapillaren sichtbar wie z. B. die Ansichten Zeichnungen 2 verdeutlichen. Solche Modulrahmen können nunmehr einzeln zu Rahmenmodulen weiterverarbeitet werden oder aber duch gemäß Zeichnung 2D zunächst zu größeren Modulrahmeneinheiten, damit aus diesen dann wiederum Rahmenmodule mit großer Membranfläche entstehen können. Solche Rahmenmodule können dann in verschiedener Art und Weise in einem verfahrenstechnischen Aufbau Verwendung finden.

An einzelne Modulrahmen wird nun gemäß Zeichnung 3A ein Kasten aufgeschoben und mit dem Modulrahmen verklebt oder verschweißt. Es entsteht so ein Raum an der Außenseite eines Modulrahmens. Dies ist auch möglich, in dem ein solcher Kasten gemäß Zeichnung 3B in eine vorher in die Verguß-/Verklebemasse eingeschnittene oder eingefräste Nut eingeschoben und danach verklebt/verschweißt wird. Solcherart Kästen können gemäß Zeichnung 3D auch an einer oder mehrerer Seiten einer gesamten Modulrahmeneinheit angebracht werden.

Eine Besonderheit dieser Kasten besteht darin, daß Ihre außen liegenden Flächen (siehe Zeichnungen 3A, 3B, 3D) wenigstnes teilweise aus einem abnehmbaren und verschließbaren Deckel bestehen kann und dieser fluidicht an seinen Kanten abgedichtet ist. Dieser Deckel kann aus durchsichtigem Material bestehen und ist dann eine Scheibe. In der Seitenansicht 3C ist dargestellt, daß durch die Scheibe auf die offenen Enden der Kapillaren des Modulrahmens gesehen werden kann. Diese Ansicht zeigt exemplarisch auch zwei Prozeßanschlüsse an den außenliegenden Raum. Während eines Integritätstestes, aber auch schon während des laufenden Betriebes, können defekte Kapillaren durch das Fenster visuell erkannt werden. Im Falle eines erkannten Defektes kann die Permeatabfuhr der betreffenden Moduleinheit sofort geschlossen werden. Erfindungsgemäß kann in jeden Permeatraum auch ein Bewegungsmelder eingebaut werden, der im laufenden Betrieb oder während des Integritätstestes aus einzelnen Kapillaren evtuell austretende Fontänen erkennt und einen solchen Defekt meldet.

Eine Reparatur als defekt erkannter Kapillaren erfolgt durch die geöffnete Deckelöffnung und in dem man die Enden der entsprechenden Kapillaren, wie im Stand der Technik üblich, verschließt.

Die Ausführung kann gemäß Zeichnung 3E auch so gestaltet werden, daß einzelne Lagen an Kapillaren nur jeweils an einer Seite des Modulrahmens offen enden und somit auch in unterschiedlichen Kasten. Eine oder mehrere Kapillarlagen können dabei aus so genannten Injektionskapillaren bestehen. Diese enden (wie Zeichnung 3E zeigt) in einem separaten außenliegenden Raum über diesen Fluid direkt in das Permeatpaket eingedrückt werden kann. Dies ist z. B. wünschenswert für die Einbringung von Gas um die Kapillaren mit Gasblasen abzureinigen oder für die Einbringung von Reinigungsflüssigkeit direkt an die Kapillaren oder auch um Fluid gleichmäßig und direkt dem Kapillarstapel zuzuführen.

Ein einzelnes Rahmenmodul oder auch zu einer Moduleinheit übereinander gestapelte und miteinander verbundene Rahmenmodule können mit einem Unter- und einem Oberteil versehen (es entsteht ein Kopf- und ein Bodenrraum) und so betrieben werden. Eine größere Einheit ergibt sich, wenn man gemäß Zeichnung 4A mehrere Moduleinheiten mit Zwischenstücken und einem Unter- und einem Oberteil versieht. In beiden Fällen erlaubt dies das Durchströmen des mit Kapillaren durchsetzten Innenkanals der so geschaffenen Einheit, wobei Fließgeschwindigkeit und Druck je nach Einsatzfall stark unterschiedlich eingestellt werden können.

Einzelne Moduleinheiten sind gegenüber Zwischen-, Unter- und Oberteilen fluiddicht abgedichtet. Dies kann über Verkleben erfolgen. Vorteilhaft ist jedoch die Abdichtung über Dichtungen. Dies kann auch über Klippverbindungen erfolgen. Eine erfindungsgemäße weitere und vorteilhafte Möglichkeit ist das Zusammendrücken der gesamten Anordnung, so daß alle Dichtungen fluiddicht verschließen. Das Zusammendrücken kann manuell über eine über dem Oberteil angebrachte Spindel oder automatisch über eine hydraulische Vorrichtung erfolgen. Möglich ist auch, daß an den Ecken der Anordnung der Module Gewindestangen, die über Ösen mit den Moduleinheiten verbunden sind, angebracht sind, mittels derer die gesamte Anordnung zusammengeschraubt werden kann.

Die Zwischenstücke und die Unter- und Oberteile können, soweit erforderlich, mit prozeß- und meßtechnischen Anschlüssen versehen sein.

Eine wie in Zeichnung 4A dargestellte Einheit kann nun verfahrenstechnisch in einer Prozeßanlage gemäß den Zeichnungen 5 betrieben werden. Dabei sind folgende Fahrweisen einzeln oder in Kombination miteinander möglich.

• a. Filtrationsbetrieb (Version Zeichnung 5A): Fluid wird über die Zufuhrleitung und V1 zugeführt. Der Innenraum der Module wird befüllt. Falls erforderlich zirkuliert die Pumpe P1 je nach Anwendung das Fluid über die Ventile V2 und V3. Damit ist eine Cross-Flow-Geschwindigkeit einstellbar.
• b. Filtrationsbetrieb (Version Zeichnung 5B): Die Zufuhrleitung für Fluid ist über ein Ventil mit der Spülgasleitung verbunden. Fluid wird zugeführt bei geschlossenenm Spülgasventil und dann direkt über die Injektionskapillaren in den Kapillarlagenstapel.
• c. Durch Umkehrung der Förderrichtung von Pumpe P1 ist eine Umkehr der Fließrichtung durch die Modulanordnung erzielbar.
• d. Permeatabzug: Die für den Separationsvorgang erforderliche treibende Kraft kann aufgebracht werden über das Anlegen von Vakuum (Pumpe P2), über das Anlegen von Zufuhrdruck, über den hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule (hoher Kopfraum) oder über eine Kombination aus diesen. Der TMP jedes Einzelmoduls (oder auch einzelner Modulgruppen) ist durch entsprechende Ventile separat regelbar.
• e. Rückspülung: Eine Rückspülung kann erfolgen durch Eindrücken von Permeat über die Pumpe P3 in den Permeatkanal und damit in die Lumenseite der Kapillaren. Jedes Einzelmodul (aber auch einzelne Modulgruppen) sind durch entsprechende Ventile regelbar.
• f. Reinigung: Mittels der Pumpe P4 ist die Reinigung durchzuführen. Es sind dabei folgende Fahrweisen wählbar:
  
  – Zirkulation durch den gesamten Modulaufbau von unten nach oben oder umgekehrt
  
  – Zirkulation über einzelne Modulgruppen von unten nach oben oder umgekehrt
  
  – Zirkulation über jedes einzelne Modul bei voll befülltem Modulaufbau von unten nach oben oder umgekehrt
  
  – Zirkulation über jedes einzelne Modul bei nur bis über das zu reinigende Modul befülltem Modulaufbau von unten nach oben oder umgekehrt

Eine Modulspülung (Fast Flush) der Einheit gemäß Zeichnungen 5 ist möglich durch Erhöhung der Umwälzgeschwindigkeit über Pumpe P1 und durch Hinzuschalten der Pumpe P4. Mit P4 kann auch jedes Modul einzeln einer Spülung unterzogen werden. Dies kann während des laufenden Filtrationsbetriebes geschehen.

Die Spülgaszufuhr in die Einheit gemäß Zeichnungen 5 ist über die entsprechenden Ventile für alle Module, für einzelne Modulgruppen oder für einzelne Module möglich. Dies kann bei laufendem Filtrationsbetrieb, aber auch bei der Reinigung, während der Modulspülung und während der Rückspülung durchgeführt werden. Ratsam ist, die Gasspülung mit Flüssigkeitsumlauf zu kombinieren, so daß ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gasblasen entsteht. Dieser Flüssigkeitsumlauf kann mit der Pumpe P4 erzeugt werden.

Ein Leerdrücken der Einheit gemäß Zeichnungen 5 ist unter Öffnen des obersten Gasventils und eines Ablaßventils möglich.

Der Integritätstest kann in beide Richtungen (out/in und in/out) durchgeführt werden. Durch entsprechende Ventilschaltungen kann Modul für Modul durchgetestet werden. Nach Leerdrücken und Schließen aller Aus- und Einlaßventile kann Gasdruck permeat- oder retentatseitig angelegt und ein Druckabfall über eine Zeit gemessen werden.

Ergibt der Integritätstest, daß ein Kapillardefekt in einem der Module besteht, so wird der Modulraum langsam über das Niveau des betreffenden Moduls befüllt. Zusätzlich kann bei vollem Innenraum auch ein Druck angelegt werden. Durch die Modulfenster (Scheiben) ist ab einer gewissen Flüssigkeitshöhe bzw. einem gewissen Druck zu sehen, wie Flüssigkeit verstärkt aus einer oder mehrerer defekter Kapillaren austritt. Meist wird der vermehrte Flüssigkeitsaustritt bereits während laufender Kontrollen während des Betriebs festzustellen sein. Das entsprechende Modul kann bei Feststellen von Defekten durch entsprechende Ventilschaltung isoliert werden bis die defekten Kapillaren repariert werden können.

Ist die defekte Kapillare identifiziert, so läßt man weiter Flüssigkeit aus der defekten Kapillare austreten. Man öffnet das entsprechende Fenster und kann das Kapillarende nun (wie auch im Stand der Technik üblich) verstopfen.

Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik folgende wesentlichen Vorteile auf:

Der Raumflächenbedarf ist sehr gering. Dies ist bedingt durch die sehr kompakte Bauweise des Moduls und die kompakte Anordnung der Membranen. Als Vorteil kommt hinzu, daß der Grundflächenbedarf extrem niedrig ist wegen des Modulaufbaues in die Höhe. Raumhöhen können daher optimal ausgenutzt werden. Zudem kann die Bauform rechteckig sein, was ebenso Aufstellungsraum spart.

Der Energieaufwand liegt in Höhe der energetisch günstigen getauchten Systeme. Meist wird beim erfindungsgemäßen System keine oder nur eine seltene Gasspülung erforderlich sein. In diesen Fällen wird der Energiebedarf deutlich auch unterhalb des Bedarfs der getauchten Systeme liegen.

Die Anströmung jeder Stelle jeder Kapillare ist absolut identisch. Dies ist bedingt durch die absolut regelmäßige Anordnung der Kapillaren in jeder Schichtebene. Weiterhin begünstigt der turmmäßige Aufbau die Verteilung des Mediums.

Die Fluidzufuhr kann auch direkt in den Kapillarlagenstapel erfolgen. Führt man die gesamte Fluidmenge -entsprechend der Menge an abgezogenem Permeat- innerhalb eines Moduls zu, so wird in diesem eine vorteilhaft hohe Strömung erzeugt, die abreinigend wirkt. Nach einer gewissen Zeit kann ein anderes Modul für die Fkuidzufuhr geschaltet werden.

Bei der Separation von Flüssigkeiten ist oft eine Gasspülung der Membranoberflächen vorteilhaft. Dies kann einfach und sehr effektiv so geschehen, daß Spülgas über die Injektionskapillaren direkt in den Kapillarlagenstapel eingedrückt wird während eine gewisse Flüssigkeitsumwälzung weiter betrieben wird. Eine sehr gute und gleichmäßige Überströmung und Abreinigung aller Kapillaraußenflächen mit Spülgasblasen findet so statt.

Die physische Beanspruchung der Kapillaren ist sehr gering, da diese stabil angeordnet sind. Auf Grund geringer Strömungsgeschwindigkeiten (out/in-Betrieb) ist auch die Zugwirkung des Druckabfalls des strömenden Mediums gering. Ferner bewegen sich die Kapillaren nicht und es kommt nicht zu Materialermüdungen.

Im out/in-Betrieb ist die Spanne des TMP innerhalb eines Moduls verschwindend gering. Selbst zwischen oben und unten in der gesamten Modulanordnung herrscht ein nur geringer Druckunterschied (meist nur der hydrostatische Druck). Zudem kann über eine Einstellung des Permeatdruckes für jedes Modul der optimale TMP eingestellt werden.

Eine Strömungsumkehr ist problemlos jederzeit auch während laufender Produktion möglich.

Eine Reinigung ist leicht und effektiv möglich, da keine Beschränkungen und keine Totzonen bestehen. Jede Kapillare ist gleich gut anström- und reinigbar. Die Umwälzgeschwindigkeit bei der Reinigung kann leicht verändert und angepaßt werden.

Die Rückspülung ist leicht und effektiv möglich. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß das Rückspülmedium aus den bereits bei "Reinigung" genannten Gründen optimal zugeführt werden kann. Dadurch wird jede Kapillare gleichmäßig und gleich gut vom Rückspülmedium durchströmt.

Ein Fast Flush ist ebenfalls leicht und effektiv möglich. Dies kann geschehen durch

• – Erhöhung der Fördermenge der Umwälzpumpe P1
• – Zuschalten einer weiteren Pumpe parallel zu P1

Durch Ändern der Förderrichtung beider Pumpen ist dies sogar in beide Richtungen möglich. Ein lange andauernder Fast-Flush ist ferner einfach dadurch möglich, daß zu separierendes Fluid über eine gewisse Zeit nur über die Injektionskapillaren eines einzelnen Moduls eingebracht wird. Dadurch entsteht innerhalb dieses Moduls eine starke Strömung, die erbreinigend wirkt. Nach einer gewissen Zeit, kann ein anderes Modul geschaltet werden und so fort. Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, in dem durch P4 und Schaltung entsprechender Ventile eine starke Überströmung eines einzelnen Moduls erzeugt wird.

Der Integritätstest ist leicht in beide Richtungen durch die Kapillare möglich und sowohl mit Flüssigkeit als auch mit Gasen durchführbar.

Das Auffinden defekter Kapillaren ist problemlos und vor allem während des Betriebs und ohne Ausbau des Moduls möglich. Dadurch ist optimale Betriebssicherheit gewährt. Wird während des Betriebs eine Kapillare als defekt identifiziert, kann das ensprechende Modul durch Schließen der Permeatventile vorübergehend stillgelegt werden.

Die Kapillaren sind geordnet arrangiert. Sie laufen in einer Schicht absolut parallel. Einzelne Schichten sind zueinander in einem vorher bestimmten Winkel zueinander angeordnet.

Totzonen sind sowohl permeat- wie auch retentatseitig auf Grund der Kapillaranordnung nicht möglich.

Eine Aufkonzentrierung des Restvolumens in der Anlage ist möglich. Es kann das Fluidniveau bis auf das Niveau des untersten Moduls abgesenkt werden.

Die Modulfertigung ist gut automatisierbar.