DE10106722A1 - Spezielles Hohlfaser-Membranmodul für den Einsatz in stark durch fouling beeinträchtigten Prozessen und seine Herstellung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Hohlfasermembran-Module zur Verwendung als sogenannte "Tauchmodule" in Filtrations- und/oder Dialyse-Verfahren, insbesondere dann, wenn auf Grund des Einsatzes verschmutzter oder zu Ablagerungen führender Flüssigkeiten Beeinträchtigungen durch "fouling"-Effekte erwartet werden, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Hohlfasermembran-Module.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Hohlfasermemb­ ran-Module zur Verwendung als sogenannte "Tauchmo­ dule" in Filtrations- und/oder Dialyse-Verfahren, insbesondere dann, wenn auf Grund des Einsatzes verschmutzter oder zu Ablagerungen führender Flüs­ sigkeiten Beeinträchtigungen durch "fouling"- Effekte erwartet werden, sowie Verfahren zur Her­ stellung solcher Hohlfasermembran-Module.

Durch die erfindungsgemäßen Hohlfasermembran-Module werden die Strömungsverhältnisse im Raum zwischen den Hohlfasern, also im Außenraum der Hohlfasern beeinflusst, nicht jedoch die Strömung im Lumen der Hohlfasern.

In der Industrie werden seit einigen Jahren bei­ spielsweise in der Abwasserreinigung oder in der Biotechnologie synthetische Membranen zur Stoff­ trennung eingesetzt. Dabei spielen insbesondere die Aufarbeitung wässriger Systeme, aber auch die Tren­ nung von Gasen oder Gemischen organischer Flüssig­ keiten eine Rolle. Neben Membranen aus vorwiegend organischen Materialien, beispielsweise Polysulfo­ nen, gibt es auch Membranen, die aus anorganischen Materialien, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Koh­ lenstoff-Fasern und Zirkoniumoxid bestehen, und die mit Temperaturen bis 400°C belastet werden können.

Unter Verwendung von Druck oder Unterdruck können Membranfiltrationsverfahren sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich als Ultrafiltration oder zusammen mit einer Konzentrationsdifferenz als Dia­ filtration angewandt werden. Bei Filtrationsvolumi­ na < 1000 ml werden Filterzellen oft mit Membran­ flachfiltern ausgestattet, während man für größere Volumina Kapillar- oder Hohlfasersysteme verwendet. Von Kapillar- beziehungsweise Rohrmembranen spricht man, wenn der Durchmesser der rohrförmigen Membra­ nen < 1 mm ist, von Hohlfasermembranen, wenn der Durchmesser < 1 mm ist, wobei der Durchmesser einer Dialysemembran typischerweise 0,2 bis 0,5 mm be­ trägt.

Membranen für Filtrations- oder Dialyseverfahren stellen dünne, folienartige, entweder so genannte "dichte" oder poröse Trennschichten dar. Die porö­ sen Trennschichten sind je nach Porengröße nur für bestimmte Molekular- oder Partikelgrößen durchläs­ sig, während die so genannten "dichten" Trenn­ schichten je nach Löslichkeit und Diffusivität der zu trennenden Stoffe im Material der Trennschichten die Stoffe schneller oder langsamer permeieren las­ sen und so zu einer Trennung führen. Membranen ha­ ben oft eine schaumartige Stützstruktur mit 60% bis 80% Hohlraum, welche die eigentliche Trennschicht trägt. Asymmetrisch aufgebaute Membranen bestehen aus einer hochporösen Stützschicht, bei der die Größe der Hohlräume innerhalb der Stützstruktur zu der Seite hin, welche die eigentliche Trennschicht trägt, abnimmt.

Zur Aufarbeitung größerer Lösungs-Volumina werden schlauchförmige Membranbündel aus Hohlfaser (hollow fiber)- oder Kapillarmembranen, die aufgrund einer großen Membranoberfläche einen größeren Durchlauf von Lösungen ermöglichen, direkt in die zu bearbei­ tende Lösung als so genannte Tauchmodule einge­ bracht. Zum Schutz der Membranbündel vor mechani­ schen Beschädigungen, die beispielsweise durch von der Flüssigkeitsströmung hervorgerufene Kräfte be­ wirkt werden können, werden die Membranbündel häu­ fig in einem Gehäuse untergebracht, das den Hohlfa­ sermembranen ausreichenden Schutz und nach außen hin Stabilität verleiht. Das Gehäuse weist dabei Öffnungen auf, die den Austausch von Lösungen zwi­ schen dem Gehäuse-Inneren, also den Hohlfasermemb­ ranen, und dem Medium, in welches das Hohlfaser­ membran-Modul eingetaucht wurde, ermöglichen sol­ len.

Bei der üblicherweise verwendeten Bauart eines Membranmoduls, welches nicht als Tauchmodul be­ zeichnet werden kann, haben die Wände des schützen­ den Gehäuses keine Öffnungen, sind also undurchläs­ sig, und das Gehäuse hat statt dessen zwei An­ schlüsse, nämlich eine Zu- und eine Ableitung, durch welche das zu bearbeitende Medium den Außen­ flächen der Hohlfasern zu- und dann wieder von die­ sen weggeführt wird.

Bei solchen üblicherweise verwendeten Modulen wird eine möglichst hohe Packungsdichte angestrebt, was bedeutet, dass so viel Hohlfasermembranen wie mög­ lich parallel im Gehäuseinneren untergebracht sind und das Gehäuse somit eine hohe Packungsdichte aufweist. Unter dem Begriff "Packungsdichte" wird das Verhältnis des Volumens aller Hohlfasermembranen einschließlich ihres Wandvolumens zum Volumen des Gehäuses, in dem die Hohlfasern angeordnet sind, in Prozent verstanden. Eine hohe Packungsdichte bedeu­ tet daher ein kleines Volumen der zwischen den tu­ bulären Membranfasern gebildeten Hohl- oder Frei­ räume innerhalb des Gehäuses. Eine naturgemäße obe­ re Grenze der Packungsdichte von < 100% ergibt sich dadurch, dass innerhalb des definierten Volumens des Gehäuses nur eine solche Anzahl von tubulären Membranen parallel angeordnet werden kann, die das vorgegebene Volumen nicht ausschöpfen kann. Die Be­ schränkung ergibt sich dadurch, dass bei Berührung der tubulären Membranen Zwischenräume entstehen, die keine tubuläre Form aufweisen, und somit selbst bei idealster Anordnung einen Resthohlraum übrig lassen. Die Packungsdichte wird jedoch noch durch zwei weitere wichtige Faktoren begrenzt. Einerseits muss beim Vergießen der Hohlfaserenden Dichtungsma­ terial zwischen die Hohlfasern eingebracht werden und andererseits sollen die Hohlfasern auch an ih­ rer Außenfläche von den im Einsatz befindlichen Lö­ sungen umströmt werden, damit je nach Betriebsweise des Moduls entweder eine zu filtrierende Lösung in Kontakt mit den Membranen gebracht werden kann oder aber Filtrat abgeführt werden kann. Die Hohlfaser­ bündel müssen an ihren Enden in ein sogenanntes Vergussmaterial eingebettet werden, damit auf diese Weise, ebenso wie bei Rohrbündelwärmeaustauschern, an jedem Ende ein im Folgenden als "Pottung" be­ zeichneter Rohrboden entsteht. Dadurch entstehen zusammen mit dem Gehäuse, in welches das Bündel eingebracht wird, zwei Räume, die durch die Membran getrennt werden. Die so entstandenen, getrennten Räume, können dann jeweils mit einer Zu- und einer Abführungsleitung versehen werden, um in den einen Raum das zu behandelnde Feed zuzuführen und als Re­ tentat daraus abzuführen und aus dem anderen Raum das aus dem Feed gewonnene Filtrat abzuführen.

Die Packungsdichte der üblicherweise verwendeten, herkömmlichen Hohlfasermembran-Module liegt daher bei etwa 25% bis 30%.

Herkömmliche Hohlfasermembran-Module sind vor allem für den Einsatz in partikelfreien Lösungen, das heißt nicht verschmutzten beziehungsweise nicht zu Ablagerungen neigenden Lösungen oder Medien, konzi­ piert. Solche herkömmlichen, dicht gepackten Memb­ ranmodule mit einem perforierten Modulgehäuse wer­ den jedoch häufig ebenfalls bei technischen Prozes­ sen eingesetzt, in denen partikelhaltige Medien, beispielsweise verschmutzte Flüssigkeiten bei der Abwasserbehandlung, eingesetzt. Insbesondere bei solchen partikelhaltigen Medien tritt im Verlauf des Filtrationsprozesses ein sogenanntes "fouling" auf, das heißt auf den Membranflächen bilden sich im Lauf der Zeit zunehmend Ablagerungen, die die Durchlässigkeit der Membranen für die abzutrennen­ den Stoffe immer stärker herabsetzen. Dies kann so weit führen, dass der konvektive Transport inner­ halb des Hohlfasermembran-Moduls, das heißt zwi­ schen den Hohlfäden, vollständig unterbunden wird und die Transportleistung des gesamten Moduls um Größenordnungen abnimmt, da nur noch ein geringer Prozentsatz der im Modul untergebrachten Gesamt­ membranfläche zur Stofftrennung zur Verfügung steht. Werden beispielsweise Bündel von Hohlfasern verwendet, können insbesondere nur noch die am äu­ ßeren Umfang des Bündels angeordneten Hohlfasern am konvektiven Transport des Außenraums teilhaben. Bei den im Inneren des Moduls angeordneten Hohlfasern erfolgen im äußersten Falle nur noch Diffusionpro­ zesse, die jedoch aufgrund der Ablagerungen eben­ falls stark beeinträchtigt werden.

Zur Beseitigung der Ablagerungen von "fouling"- Prozessen werden üblicherweise chemische oder me­ chanische Reinigungsverfahren, wie Rückspülung, me­ chanisches Rütteln, Ultraschall-Verfahren usw. an­ gewendet. Abgesehen davon, dass diese Reinigungs­ verfahren mit einem hohen energetischen Aufwand verbunden sind, bergen sie stets das Risiko einer mechanischen Beschädigung der Hohlfasermembranen in sich. Wenn diese üblichen Maßnahmen nicht mehr an­ wendbar sind, bleibt als einzige Maßnahme eine ge­ eignete Anströmung der Membranoberfläche durch die Feed-Lösung.

Um "fouling"-Prozesse speziell bei Anwendungen in Belebungsbecken in Kläranlagen zu unterbinden, wur­ de ein Filtrationsverfahren (WO 99/29401; Zenon En­ vironmental, Inc., Burlington, Ontario, CA) entwi­ ckelt, bei dem Kapillarmembranen ohne schützendes Gehäuse direkt in das Belebungsbecken eingebracht werden. Um die Fasern von Ablagerungen frei zu hal­ ten, werden sie mit einem gleichmäßigen Strom von Luftblasen überspült. Diese Fasern weisen aller­ dings einen teilweise erheblich größeren Durchmes­ ser auf als die üblicherweise verwendeten Fasern, die einen Durchmesser von weniger als 1 mm aufweisen. Darüber hinaus besitzen sie dicke Stützstruk­ turen. Außerdem lassen sich diese Hohlfasern nur an solchen Stellen im Belebungsbecken einsetzen, an denen die von der Strömung induzierten mechanischen Kräfte sehr klein sind beziehungsweise sehr klein gehalten werden können. Bei dieser speziellen An­ wendung betragen die Abstände zwischen den einzel­ nen Kapillarmembranen bis zu mehreren Millimetern.

Im Stand der Technik sind auch handelsübliche Hohl­ faser-Systeme bekannt, bei denen in einem Gehäuse mehrere einzelne, dicht gepackte Module, beispiels­ weise mit einer Packungsdichte von 20 bis 35%, in paralleler Verschaltung untergebracht sind. Auf diese Weise ergeben sich im Prinzip vereinzelte Stränge, zwischen denen ausreichend Platz vorhanden ist, um eine bessere An- beziehungsweise Durchströ­ mung der Einzelstränge zu gewährleisten und "fouling"-Prozesse zu minimieren. Solche Systeme erfordern jedoch ein technisch sehr aufwendiges Ge­ häuse, dessen Herstellung entsprechend teuer ist.

Darüberhinaus ist bei Flachmembranen umfassenden Wickelmodulen oder Elektrodialyse-Stacks die Ver­ wendung so genannter Spacer bekannt. Die Spacer sollen einerseits für gleichmäßige Abstände zwi­ schen den einzelnen Membranen sorgen und anderer­ seits die Strömung der Lösung in den jeweiligen feed- oder permeatseitigen Kompartimenten des Memb­ ranmoduls gleichmäßig verteilen, um so eine Über­ strömung der gesamten Membran zu bewirken. Bei den verwendeten Spacermaterialien handelt es sich um netzartige Strukturen mit unterschiedlich großen Maschenweiten. Diese herkömmlichen Spacermaterialien führen jedoch zu einem zusätzlichen Druckab­ fall der Flüssigkeitsströmung, der nur durch einen zusätzlichen Energieaufwand ausgeglichen werden kann. Herkömmliche Module mit Spacern erfordern da­ her eine zwangsweise Durchströmung ihres Außen­ raums.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Hohlfasermembran-Modul zur Verfügung zu stel­ len, das zur Verwendung als Tauchmodul in unter­ schiedlichsten Membran-Stofftrennverfahren geeignet ist und bei dem während des Trennverfahrens die Bildung von Ablagerungen auf den Membranoberflä­ chen, die durch zu geringe Anströmung der Membranen verursacht wird, weitestgehend oder vollkommen be­ seitigt ist, bei dem die zu Bündeln angeordneten Hohlfasermembranen gut um- beziehungsweise ange­ strömt werden und bei dem der Stofftransport vom Feed- in den Permeatraum während des gesamten Stofftrennprozesses nahezu konstant bleibt, wobei das Hohlfasermembran-Modul sowohl in partikelfreien Medien oder Lösungen als auch in partikelhaltigen Medien oder Lösungen, insbesondere verschmutzten Medien oder zu Ablagerungen neigenden Medien, ein­ gesetzt werden kann.

Die vorliegende Erfindung löst dieses technische Problem durch die Bereitstellung eines Hohlfaser­ membran-Moduls gemäß Hauptanspruch, das besonders für den Einsatz als Tauchmodul für biotechnische Prozesse konzipiert ist und durch die folgenden we­ sentlichen Merkmale charakterisiert ist:
Das Hohlfasermodul umfasst mindestens ein, vorzugs­ weise mit Öffnungen im Mantel versehenes und vor­ zugsweise zylinderförmiges, Gehäuse und eine Mehr­ zahl von in oder auf dem Gehäuse in einem Packungs­ raum untergebrachten Hohlfasermembranen mit einem gleichen oder unterschiedlichen Querschnitt, welche parallel zueinander, insbesondere unter Ausbildung von Freiräumen angeordnet sind, wobei das Verhält­ nis des Volumens von allen in dem Packungsraum an­ geordneten Hohlfasermembranen einschließlich ihrer Wände zum Volumen des Packungsraumes weniger als 20% beträgt.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff Packungsraum der von dem Gehäuse des Moduls umhüllte Gehäuseinnenraum verstanden, sofern in diesem Hohlfasermembranen angeordnet sind. Sofern Hohlfasermembranen außerhalb des Ge­ häuses angeordnet sind, wird unter dem Begriff Packungsraum der außerhalb des Gehäuses befindliche Raum verstanden, in dem die Hohlfasermembranen an­ geordnet sind und der nach innen hin durch die Au­ ßenfläche des Gehäuses und nach außen hin durch ei­ ne den die Membranhohlfasern enthaltenen Raum um­ hüllende innere Mantelfläche eines zweiten radial außen liegenden Gehäuses oder einer entsprechenden gedachten Umhüllenden beziehungsweise Mantelfläche gebildet wird. Diese Umhüllende kontaktiert in be­ vorzugter Ausführung in dieser Ausführungsform vor­ handene Segmentierelemente an deren peripher lie­ genden Kanten. Diese Mantelfläche oder Umhüllende ist die Innenfläche eines im Querschnitt gesehen ringförmigen Kanals. Der Kanal hat insbesondere ei­ nen kreisringförmigen Querschnitt. In bevorzugter Ausführung ist das innen liegende Gehäuse im Quer­ schnitt kreisrund, wobei der dieses Gehäuse umge­ bende Ringkanal des äußeren Gehäuses oder der ge­ dachten Mantelfläche konzentrisch zum Gehäuse ange­ ordnet ist. Sofern Membranhohlfasern sowohl inner­ halb als auch außerhalb des inneren Gehäuses ange­ ordnet sind, stellt der Packungsraum sowohl den Raum innerhalb als auch außerhalb des inneren Ge­ häuses dar, mithin also den Raum, der von der äuße­ ren Umhüllenden des Gesamtraums des Moduls, also der Innenfläche des Ringkanals umfasst ist.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff Packungsdichte das Verhältnis des Volumens von allen in dem Packungsraum angeordneten Hohlfasermembranen einschließlich des Volumens ih­ rer Wände zu dem Volumen des Packungsraums, ausge­ drückt in Prozent, verstanden.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die Pa­ ckungsdichte des erfindungsgemäßen Hohlfasermem­ bran-Module gering ist und weniger, bevorzugt viel weniger als 20% beträgt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Pa­ ckungsdichte auch durch das Verhältnis der Summe der Querschnitte aller Hohlfasern in dem Packungs­ raum zu dem Querschnitt des Packungsraums beschrie­ ben werden. Die Packungsdichte des erfindungsgemä­ ßen Hohlfasermembran-Modul ist daher wesentlich kleiner als die oder im Stand der Technik bekannten Hohlfasermembran-Module, deren Packungsdichte bei 25% bis 30% liegt. Erfindungsgemäß weisen die Modu­ le einen großen Anteil an Freiräumen, also an Packungsraum, in dem über die gesamte Länge des Mo­ duls keine Hohlfasermembranen angeordnet sind, auf. Darüber hinaus ist der Mantel des Modulgehäuses mit sehr großen Öffnungen versehen, so dass zwischen den im Gehäuseinneren angeordneten Hohlfasern und der Flüssigkeit oder dem Medium, in der/dem das Mo­ dul untergebracht ist, ein ungehinderter Flüssig­ keitsaustausch erfolgen kann, ohne dass die Stabi­ lität des Gehäusemantels beeinträchtigt ist. Be­ dingt durch die geringe Packungsdichte und die, be­ zogen auf die Gesamtfläche des Gehäusemantels, sehr große Fläche der Mantelöffnungen, kann die Strömung der Flüssigkeit oder des Mediums das Modul besser durchströmen und somit die Bildung von Ablagerungen auf den Oberflächen der einzelnen Hohlfasern wirk­ sam verhindern.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wer­ den unter dem Begriff Hohlfaserbündel beziehungs­ weise Hohlfasermembranbündel jeweils in einem durch Segmentierelemente abgegrenzten Kompartiment ange­ ordnete Hohlfasern beziehungsweise Hohlfasermembra­ nen verstanden. Dabei können innerhalb der Anord­ nungen die Hohlfasern untereinander durch verbin­ dende Strukturen zusammengehalten werden, bei­ spielsweise durch radial um die Bündel herumlaufen­ de Elemente, oder sie können auch lose nebeneinan­ der angeordnet sein, erfindungsgemäß jedoch mit ei­ nem Abstand, der eine gute Umströmung der Fasern zulässt.

Hohlfaserbündel erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Modulgehäuses.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Er­ findung ist vorgesehen, dass in oder auf dem mit Öffnungen versehenen Gehäuse mehrere beabstandete Hohlfaserbündel in relativ geringer Packungsdichte angeordnet sind, wobei die einzelnen Hohlfaserbün­ del durch am Gehäuse angebrachte Segmentierelemente räumlich voneinander getrennt sind. Die Längsachse der Segmentierelemente erstreckt sich parallel zur Längsachse des Gehäuses und vorzugsweise über die gesamte Länge des Gehäuses.

In einer Ausgestaltungsform sind die Segmentierele­ mente an der Innenfläche des mit Öffnungen versehe­ nen Gehäusemantels angebracht und ragen somit in den Innenraum des Gehäuses hinein, wobei dadurch im Innenraum des Gehäuses Kompartimente erhalten wer­ den, die mit Hohlfasern gefüllt werden können. In dieser Ausgestaltung sind die Hohlfaserbündel also im Innenraum des Gehäuses angeordnet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Segmentierelemente an der Außenfläche eines ersten, insbesondere Öffnungen im Mantel aufweisen­ den, Gehäusezylinder befestigt. Die vorzugsweise an den Segmentierelementen fixierten Hohlfasermembran- Bündel sind daher auf der Außenseite des Mantels des ersten Gehäusezylinders angeordnet. In dieser Ausgestaltung wird das gesamte Modul aus Stabili­ tätsgründen in einer weiteren bevorzugten Ausges­ taltung der Erfindung in ein zweites zylinderförmi­ ges Gehäuse, das im Querschnitt gesehen kreisförmig ausgebildet sein kann, eingebracht. Das zweite Ge­ häuse bildet gleichsam die Umhüllende des außerhalb des inneren Gehäuses gelegenen Packungsraums und kann zum Beispiel als Käfig ausgestaltet sein. Zu­ sammen mit den Segmentierelementen bilden innerer und äußerer Zylinder in bevorzugter Weise einen segmentierten Ringkanal.

Die bei diesen beiden Ausgestaltungen verwendeten erfindungsgemäßen Segmentierelemente unterscheiden sich sowohl hinsichtlich ihrer Form als auch hin­ sichtlich ihrer Anordnung im oder auf dem Gehäuse von den im Stand der Technik beschriebenen Spacer- Elementen. Die Segmentierelemente bestehen aus ei­ nem Rahmenteil, das eine große freie Durchtritts­ fläche umschließt. Durch die große Durchtrittsflä­ che und auch durch die spezifische Anordnung dieser Elemente im Modul, die eine spezifische Anordnung der Hohlfasermembranbündel in oder auf dem Gehäuse nach sich zieht, wird erreicht, dass im Vergleich zu den im Stand der Technik beschriebenen Modulen das Volumen der Freiräume innerhalb der erfindungs­ gemäßen Module nochmals erheblich vergrößert wird und somit die Packungsdichte in den erfindungsgemä­ ßen Modulen wesentlich verringert wird. Bezogen auf die Gesamtzahl der Hohlfasern aller Bündel eines erfindungsgemäßen Hohlfasermembran-Moduls liegt die Packungsdichte innerhalb des erfindungsgemäßen Mo­ duls unter 10%, insbesondere unter 5%. Durch die spezifische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Segmentierelemente wird ebenfalls der Widerstand gegenüber der Strömung der Lösung oder des Mediums erheblich herabgesetzt, so dass die Strömung die im Modul angeordneten Hohlfasern besser umströmen und somit die Bildung von Ablagerungen auf den Oberflä­ chen der einzelnen Hohlfasern wirksam verhindert werden kann.

Durch die geringe Packungsdichte der erfindungsge­ mäßen Hohlfasermodule innerhalb des Moduls, die Verwendung von erfindungsgemäßen Segmentierelemen­ ten mit sehr großen Durchtrittsflächen in bevorzug­ ten Ausführungsformen und die Verwendung eines Mo­ dulgehäuses mit sehr großen Öffnungen wird er­ reicht, dass innerhalb des Moduls die Feed-Lösung die einzelnen Hohlfasermembranen turbulent über­ strömen kann. Auf diese Weise werden zwar einer­ seits nicht die hohen Membranflächen der bisher im Stand der Technik beschriebenen Hohlfasermodule er­ reicht, aber während des gesamten Trennprozesses verändern sich erfindungsgemäß die Transportkoeffi­ zienten nur wenig, so dass im Gegensatz zu herkömm­ lichen Hohlfasermembran-Modulen die für den Stoff­ austausch entscheidende Größe, nämlich das Produkt aus Membranfläche und Transportkoeffizient, während des gesamten Prozesses nahezu konstant bleibt. Ge­ genüber herkömmlichen Membranmodulen sind daher die Stofftransferraten in dem erfindungsgemäßen Hohlfa­ sermodul am Anfang des Filtrationsprozesses klei­ ner, im zeitlichen Mittel sind sie jedoch wesent­ lich größer als bei herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen im Verlauf der Zeit ein starkes Fouling auftritt.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer Hohlfasermembran oder tubulärer Hohlfa­ sermembran eine technische Membran verstanden, be­ sonders bevorzugt eine dünne, folienartige und po­ röse Trennschicht. Eine derartige poröse Membran kann auch eine homogene schaumartig ausgebildete Stützschicht aufweisen, insbesondere dann, wenn sie besonders dünn ist. Erfindungsgemäß ist der Einsatz von Membranen mit einer homogen ausgebildeten Stützschicht ebenso möglich wie der Einsatz von Membranen mit einer asymmetrischen Stützschicht. Bei dem erfindungsgemäßen Membranmodul handelt es sich in bevorzugter Weise um ein Membranfilter, dessen Membran in besonders bevorzugter Weise bei­ spielsweise aus keramischen oder polymeren Materia­ lien, wie zum Beispiel Cellulose-Derivaten, Polya­ miden, Polyvinylchlorid, Polysulfon und/oder Teflon hergestellt sein kann und aus diesem besteht oder dieses in wesentlichen Teilen enthält, insbesondere zu mehr als 50 Gew.-%. Das zur Herstellung der Membran verwendete Material ist in besonders bevor­ zugter Weise mit Heißdampf sterilisierbar. In be­ vorzugter Weise weisen die Membranen eine Dicke von 50 bis 250 µm auf. Die erfindungsgemäß eingesetzten Membranen sind vorzugsweise als Rohrmembran oder tubuläre Membran ausgeführt.

Die Erfindung sieht in besonders bevorzugter Aus­ führungsform vor, dass die Rohrmembran aus einem polymeren Material besteht. Selbstverständlich kön­ nen auch andere Rohrmembranen eingesetzt werden, beispielsweise eine keramische Rohrmembran, solange sie im wesentlichen tubuläre Formen sowie einen Po­ rendurchmesser aufweisen, der entsprechend des je­ weiligen Anwendungsgebietes eine entsprechende Se­ lektionsgrenze, das heißt Trenngrenze, aufweist, so dass bestimmte Partikel, beispielsweise Bakterien, Viren, Zellen menschlicher, tierischer oder pflanz­ licher Herkunft, Teile davon und/oder hochmolekula­ re Substanzen, zurückgehalten werden, während ande­ re Partikel geringeren Molekulargewichts die Memb­ ran ungehindert passieren können. Es können auch Filtrationshohlfasern, insbesondere Mikrofiltrati­ onshohlfasern, eingesetzt werden. In besonders be­ vorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung liegt der Innendurchmesser der tubulären Memb­ ran in einem Bereich von 0,2 bis 2 mm.

Innerhalb des Modulgehäuses können die einzelnen Hohlfasermembranen in beliebiger Anordnung vorlie­ gen, sofern die Bewegungsfreiheit der einzelnen Hohlfasern in der Strömung soweit eingeschränkt ist, dass es nicht zum Bruch oder zum Zerreißen der Hohlfasern kommt. Die Anordnung wird im wesentli­ chen durch die Materialeigenschaften des zur Her­ stellung der Hohlfasern verwendeten Werkstoffs be­ ziehungsweise den speziellen Verwendungszweck des fertigen Moduls bestimmt. Bestehen die Hohlfasern beispielsweise aus einem relativ flexiblen Material und soll das Hohlfasermodul in Medien bei relativ starker Strömung eingesetzt werden, ist es von Vor­ teil, die Hohlfasern zu einem Bündel beziehungswei­ se Strang zusammenzufassen und dann in dem mit Öff­ nungen versehenen Gehäuse zu integrieren, um so ei­ ne zusätzliche Fixierung und/oder Stabilisierung der Fasern zu erhalten.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung be­ deutet der Begriff "gleicher oder unterschiedlicher Querschnitt", dass die Querschnitte einzelner Hohl­ fasermembranen, das heißt also die durch einen ebe­ nen Schnitt senkrecht zur Längsachse tubulärer Hohlfasern erhaltene Schnittflächen der Hohlfasern, bezüglich der Form und bezüglich der Größe gleich oder unterschiedlich sein können. Beispielsweise können die Querschnitte die Form eines Kreises, die Form einer Ellipse oder eine Übergangsform zwischen Kreis und Ellipse aufweisen.

Im Zusammenhang mit der Erfindung bedeutet der Aus­ druck "Hohlfasern, welche parallel zueinander unter Ausbildung von Freiräumen angeordnet sind", dass die innerhalb oder/und außerhalb des Modulgehäuses befindlichen Hohlfasern in einer solchen Weise pa­ rallel zueinander angeordnet sind, dass nicht nur die Freiräume erhalten werden, die sich im Falle einer theoretisch dichtestmöglichen Packung vorge­ gebener zylinderförmiger Körper in einem größeren Gehäuse definierten Volumens also des Packungsrau­ mes natürlicherweise zwischen diesen Körpern erge­ ben, sondern dass zusätzlicher Freiraum im Packungsraum, zum Beispiel zwischen den Hohlfasern, vorhanden ist. Auch ist zu berücksichtigen, dass es sich insbesondere bei Hohlfasern aus polymeren Ma­ terialien nicht um starre, ideal zylinderförmige Fasern, sondern um flexible, im Kleinen oft stark von der Zylinderform abweichende Gebilde handelt. Insofern bedeutet parallele Anordnung die parallele Ausrichtung der jeweils mittleren Richtung der Hohlfasern.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste und/oder zweite Gehäuse des Moduls vorzugsweise die Form eines Zylinders oder eines so genannten Fil­ terrohres aufweist. Das zylinderförmige Gehäuse bietet in mehrfacher Hinsicht Vorteile. Einerseits können Hohlfasern im Gehäuse so angeordnet werden, dass optimale Bedingungen für ihre Funktion, näm­ lich die Stofftrennung aus Lösungen, gegeben sind. Andererseits bietet es den tubulären Hohlfasern in besonderem Maße Schutz vor mechanischer Beschädi­ gung, insbesondere vor einer zu starken mechani­ schen Belastung durch die Flüssigkeitsströmung, die ansonsten die in einigen Fällen äußerst empfindli­ chen Hohlfasern brechen oder zerreißen könnte. Der Querschnitt der zylinderförmigen Gehäuse kann bei­ spielsweise die Form eines Kreises, einer Ellipse oder eines regelmäßigen Vielecks, beispielsweise eines Sechsecks oder eines Achtecks, aufweisen.

Damit auch ausreichend Flüssigkeit aus der Umgebung durch das erste und/oder zweite Gehäuse hindurch in das Gehäuseinnere strömen kann, ist der Mantel des Gehäusezylinders vorzugsweise mit ausreichend gro­ ßen Öffnungen versehen. Erfindungsgemäß ist insbe­ sondere vorgesehen, dass die einzelnen Öffnungen charakteristische Abmessungen von mehreren Millime­ tern aufweisen. Handelt es sich beispielsweise in der ebenen Projektion dieser Öffnungen um Quadrate, so beträgt deren Seitenlänge in Abhängigkeit vom Durchmesser des Gehäusezylinders vorzugsweise 3 mm bis 20 mm, insbesondere 5 mm bis 15 mm, bevorzugt 7 mm bis 12 mm. Das Verhältnis der Gesamtfläche der Öffnungen zur Zylindermantelfläche liegt vorzugs­ weise nicht über 0,7. Somit ist gewährleistet, dass ausreichend Flüssigkeit durch das Gehäuse in das Innere strömen kann. Andererseits liegt das Ver­ hältnis der Gesamtfläche der Öffnungen zur Zylin­ dermantelfläche vorzugsweise nicht unter 0,2, so dass eine ausreichende mechanische Stabilität des Gehäuses gewährleistet ist. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn durch eine Temperaturerhöhung während des Trennprozesses die üblicherweise zur Herstellung des Modulgehäuses verwendeten Kunststoffe weich werden. Die Wanddicke des Gehäusezy­ linders richtet sich nach der erforderlichen mecha­ nischen Festigkeit und kann, je nach Material, zwi­ schen 0,7 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 4 mm liegen.

Für das erste oder zweite Modulgehäuse können be­ liebige Materialien verwendet werden, sofern diese Materialien dem Modul ausreichende Stabilität ver­ leihen können. Bezüglich der physikalischen Eigen­ schaften kann es sich dabei sowohl um flexible als auch um starre Materialien wie zum Beispiel Edel­ stahl handeln. In besonders bevorzugter Weise ist das zur Herstellung des Modulgehäuses verwendete Material gegen eine Sterilisation mit Heißdampf be­ ständig. Erfindungsgemäß ist die Verwendung von Kunststoffen, insbesondere von Polypropylen, beson­ ders bevorzugt, weil es einerseits als Thermoplast gut zu verarbeiten ist, andererseits auch noch bei 121°C, der üblicherweise bei der Heißdampfsterili­ sation angewandten Temperatur, noch ausreichende mechanische Stabilität aufweist. Erfindungsgemäß kann der Mantel des Modulgehäuses einstückig herge­ stellt werden. Er kann jedoch auch aus mehreren Einzelteilen bestehen, die beispielsweise über Scharniere oder andere Verbindungselemente mitein­ ander verbunden sind. Besteht das Modulgehäuse aus mehreren Einzelteilen, können diese aus dem glei­ chen Material oder aus unterschiedlichen Materia­ lien bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Einzelteile aus dem gleichen Material und weisen auch die gleichen Abmessungen auf.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hohlfasermembran-Modul zu­ sätzlich einen ersten Gehäuse-Anschluß aufweist, der der Zuleitung einer Lösung oder eines Mediums zu dem Faserinnenraum des Hohlfasermembran-Bündel dient und vorzugsweise an einem Ende des Gehäusezy­ linders angebracht ist. Das Hohlfasermembran-Modul ist darüber hinaus in einer vorteilhaften Ausges­ taltung mit einem zweiten Gehäuse-Anschluss ausges­ tattet, der der Ableitung der Lösung oder des Medi­ ums oder einer filtrierten Lösung aus dem Faserin­ nenraum, die nun durch den im Modul stattfindenden Trennprozess in ihrer stofflichen Zusammensetzung verändert ist, dient und vorzugsweise am anderen Ende des Gehäusezylinders angebracht ist. Bei die­ ser Ausführungsform wird der konvektive Stofftrans­ port außerhalb der Fasern von der Strömung der Um­ gebung, in welche das Modul eingetaucht ist, er­ bracht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass diese erfindungsgemäße Ausführungsform des mit den zwei Gehäuseanschlüssen versehenen Hohlfasermembran- Moduls insbesondere in einem Rührkessel-Reaktor verwendet wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem, vorzugs­ weise zylinderförmigen, Gehäuse eine Mehrzahl beabstandeter Hohlfaserbündel in geringer Packungs­ dichte angeordnet ist, wobei die Hohlfaserbündel durch an der Innenfläche des Zylindermantels befes­ tigte Segmentierelemente räumlich voneinander ge­ trennt sind. Die erfindungsgemäßen Segmentierele­ mente ragen also in den Innenraum des Gehäusezylin­ ders hinein und führen zu einer Kompartimentierung des Gehäuseinnenraums, wobei die Hohlfaserbündel in den dadurch erzeugten Kompartimenten angeordnet sind. Durch den Einbau der Segmentierelemente wird dem Hohlfasermembran-Modul zusätzliche Stabilität verliehen.

Die erfindungsgemäßen Segmentierelemente bilden ein vorzugsweise rechteckiges Rahmenteil, das die äuße­ ren Abmessungen der Segmentierelemente festlegt. Das Rahmenteil umschließt eine freie Durchtritts­ fläche. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfin­ dung betrifft der Begriff "Durchtrittsfläche des Rahmenteils", die von dem Rahmenteil umschlossene materialfreie Fläche(n), die einen ungehinderten Durchtritt von Flüssigkeiten zwischen zwei durch das Segmentierelement voneinander getrennten be­ nachbarten Kompartimenten in beiden Richtungen er­ laubt. Die Durchtrittsfläche kann gegebenenfalls durch innerhalb des Rahmenteils angeordnete Stabi­ lisierungselemente, wie Querstreben oder Gitter­ strukturen, unterbrochen sein, die zur Stabilisie­ rung des Rahmenteils und damit des Segmentierungs­ elementes dienen. In Abhängigkeit vom vorgesehenen Einsatzgebiet des Hohlfasermoduls können diese Sta­ bilisierungselemente, bezogen auf die Abmessungen des Rahmenteils beziehungsweise der Durchtrittsflä­ che, unterschiedlich breit sein, wobei die Stabili­ sierungselemente in bevorzugter Weise relativ schmal sind. Ebenso kann der Abstand zwischen den Stabilisierungselementen unterschiedlich sein, wo­ bei erfindungsgemäß relativ große Abstände bevor­ zugt sind.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die vom Rahmenteil umfaßte Durchtrittsfläche, bezogen auf die Gesamt­ fläche der Stabilisierungselemente, das heißt der Querstreben oder der Gitterstruktur, unter 20%, vorzugsweise unter 10%, besonders bevorzugt bei 2% liegt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Segmen­ tierabschnitte aus einem beliebigen Material beste­ hen, sofern dieses ausreichende Stabilitätseigen­ schaften aufweist, so dass über längere Zeiträume hinweg die Abstände zwischen den einzelnen Hohlfa­ sermembranbündeln gewährleistet werden können und dem Hohlfasermembran-Modul zusätzliche Stabilität verliehen wird. Vorzugsweise werden zur Herstellung der Segmentierelemente Materialien verwendet, die gegen eine Sterilisation mit Heißdampf beständig sind. Die Segmentierelemente können aus den glei­ chen Werkstoffen hergestellt werden wie das zur Bildung des Zylinders verwendete Material, können jedoch auch aus anderen Werkstoffen bestehen.

Die innerhalb eines Moduls verwendeten einzelnen Segmentierelemente können bezüglich ihrer Abmessun­ gen gleich oder unterschiedlich sein. In einer be­ vorzugten Ausführungsform besitzen alle Segmentier­ elemente eine Länge, die gleich der Länge des Ge­ häusezylinders ist, und eine Höhe, die zum Beispiel gleich dem Radius des Querschnitts des Gehäusezy­ linders oder kleiner als dieser ist. In einer wei­ teren bevorzugten Ausführungsform sind die Segmen­ tierelemente kürzer als das Gehäuse und sind mit entsprechenden axialen Zwischenräumen über die Län­ ge des Gehäuses verteilt, wobei innerhalb dieser axialen Zwischenräume über den vollen Azimutwinkel innerhalb des Gehäuses kein weiteres Segmentierele­ ment angeordnet ist. In noch einer weiteren bevor­ zugten Ausführungsform sind die Segmentierelemente so lang wie die an den Enden des Gehäuses vorgese­ henen Pottungen und sind an den Gehäuse-Enden ange­ ordnet, so dass diese Pottungen segmentiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Höhe der Segmentierelemente kleiner als der Radius des Querschnitts und die Segmentierabschnitte weisen an der der Innenseite des Gehäusezylinders abgewandten Seite zusätzliche Elemente, insbesondere Abstand­ halter, auf. Diese Abstandhalter sind beispielswei­ se einseitig oder zweiseitig an der Gehäusewandung abgewandten Längskante des Rahmenteils und im rech­ ten Winkel zum Rahmenteil der Segmentierelemente angebrachte Leisten. Die Abstandhalter aller Seg­ mentierelemente bilden um die Längsachse des Gehäu­ sezylinders herum einen Innenzylinder und bewirken eine zusätzliche Fixierung der Segmentierelemente. Die Abstandhalter können in bevorzugter Ausfüh­ rungsform Öffnungen aufweisen.

Die spezifische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Segmentierelemente, ebenso wie ihre spezifische An­ ordnung innerhalb des erfindungsgemäßen Moduls, be­ wirkt, dass das Gesamtvolumen der Freiräume zwi­ schen den Hohlfasern nochmals erheblich vergrößert wird und somit deutlich größer ist als bei den im Stand der Technik beschriebenen Modulen. Das heißt, in solchen erfindungsgemäßen Modulen wird durch den Einbau der erfindungsgemäßen Segmentierelemente die Packungsdichte nochmals erheblich verringert. In den Segmentierelemente enthaltenden erfindungsgemäßen Hohlfasermembran-Modulen liegt die Packungs­ dichte der Hohlfasermembranen, bezogen auf alle Hohlfasern eines Bündels eines erfindungsgemäßen Hohlfasermembran-Moduls, bei höchstens 20%, vor­ zugsweise höchstens 10%, während die Packungsdich­ te, bezogen auf die Gesamtzahl aller Hohlfasern al­ ler Bündel, unter 10%, bevorzugter unter 5% liegt.

Durch den Einbau der erfindungsgemäßen Segmentier­ elemente in die Hohlfasermodule, insbesondere durch die vom Rahmenteil umfaßte relativ große Durch­ trittsfläche, wird im Unterschied zu herkömmlich verwendetem Spacermaterial dafür gesorgt, dass zwi­ schen den einzelnen Kompartimenten des Moduls und damit zwischen den einzelnen Hohlfaserbündeln ein nahezu ungehinderter Flüssigkeitsaustausch gewähr­ leistet ist. Da der Widerstand des Moduls auf Grund dieser Durchtrittsfläche gegenüber der Strömung der Lösung oder des Mediums erheblich herabgesetzt ist, kann die Strömung das Modul besser durchströmen und somit die Bildung von Ablagerungen auf den Oberflä­ chen der einzelnen Hohlfasern wirksamer verhindern. Da gleichzeitig der Druckverlust der Strömung mini­ miert wird, ist darüberhinaus kein zusätzlicher E­ nergieaufwand für die Durchströmung des Moduls er­ forderlich, wie dies bei den im Stand der Technik bekannten Modulen, bei denen herkömmliche Spacer eingesetzt werden, erforderlich ist.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestal­ tung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Segmen­ tierelemente an der Außenfläche eines ersten Gehäu­ sezylinder befestigt sind, dessen Mantel vorzugs­ weise Öffnungen aufweist. Die Hohlfasermembran- Bündel sind dabei in den durch die beabstandeten Segmentierelemente definierten Zwischenräumen oder Kompartimenten auf der Außenseite des Mantels des ersten Gehäusezylinders angeordnet, wobei sie vor­ zugsweise zusätzlich fixiert sind, beispielsweise durch Halteringe. Das gesamte Modul befindet sich in bevorzugter Ausgestaltung innerhalb eines zwei­ ten zylinderförmigen Gehäuses, das vorzugsweise als Käfig ausgeführt ist, die äußere Begrenzung des Pa­ ckungsraums bildet und hauptsächlich der Stabili­ sierung des Hohlfasermembran-Moduls dient.

Selbstverständlich können erfindungsgemäße Membran­ module auch Segmentierelemente innerhalb und außer­ halb des ersten, also inneren, Gehäuses aufweisen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass al­ le Komponenten des erfindungemäßen Hohlfasermemb­ ran-Moduls, das heißt Gehäuse, Hohlfasern und Seg­ mentierelemente, aus solchen Werkstoffen bestehen, die gegen eine Sterilisation mit Heißdampf bestän­ dig sind.

Je nachdem, welche Membran in das Modul eingesetzt wird, das heißt, ob es sich um eine Mikrofiltrati­ ons-, Ultrafiltrations-, Nanofiltrations- oder Dia­ lysemembran handelt, ist das erfindungsgemäße Hohl­ fasermembran-Modul insbesondere zur Verwendung bei der Filtration oder Dialyse von Medien geeignet, die einen starken Fouling-Effekt bewirken. Bei­ spielsweise kann das erfindungsgemäße Hohlfaser­ membran-Modul als sogenanntes Reaktordialyse- Membranmodul in Fermentern für die Entfernung von Stoffwechselprodukten der fermentierten Zellen und/oder für die Zuführung von Nährstoffen verwen­ det werden. Eine weitere Verwendung kann in Bio- Reaktoren erfolgen, im "feed and bleed"-Betrieb, um Flüssigkeit mit Produkten aus dem Reaktor zu ent­ fernen.

Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstel­ lung von den vorgenannten Hohlfasermembran-Modulen, insbesondere solcher Module, die aufgrund der Ver­ wendung von Segmentierelementen mehrere Hohlfaser­ membran-Bündel aufweisen. In einer bevorzugten Aus­ führungsform wird dabei ein in der räumlichen Pro­ jektion flaches, ebenes Material oder Formstück, das den späteren Mantel des ersten beziehungsweise einzigen, vorzugsweise zylinderförmigen Gehäuses bilden soll, mit Segmentierelementen versehen. Die Segmentierelemente können zum Beispiel am ebenen Mantelmaterial mit Hilfe speziell dafür vorgesehe­ ner Elemente, beispielsweise Noppen, aufgesteckt oder angeklipst werden. Anschließend wird das Man­ telmaterial zu einem kreisförmig oder anders ge­ formten, zum Beispiel im Querschnitt rechteckigen Zylinder zusammen- oder aufgerollt. Dabei kann das Mantelmaterial so aufgerollt werden, das sich die Segmentierelemente an der Innenfläche des Zylinders befinden. Das Mantelmaterial kann jedoch auch so aufgerollt werden, dass sich die Segmentierelemente auf der Außenfläche des Zylinders befinden. In ei­ ner Ausführungsform können die Hohlfasern vor dem Aufrollen des Gehäusezylinder in die durch die be­ festigten Segmentierelemente vorgegebenen Zwischen­ räume oder Kompartimente in gewünschter Anordnung und entsprechend der vorgesehenen Packungsdichte eingefüllt werden, wobei die Hohlfasern gegebenen­ falls vor dem Aufrollen fixiert werden können. In diesem Fall wird der Gehäusezylinder nach dem Auf­ rollen anschließend in üblicher Weise an den Zylin­ derenden verschlossen und abgedichtet. In einer an­ deren Ausführungsform können die Hohlfasern jedoch auch nach dem Aufrollen des Gehäusezylinders in die durch die Segmentierabschnitte definierten Kompar­ timente eingefüllt werden. Das Modul kann vorzugs­ weise in einen zweiten Gehäusezylinder eingeführt werden, der in bevorzugter Form als Käfig ausge­ führt ist.

Die Erfindung betrifft also einfach und kostengüns­ tig durchzuführende Verfahren zur Herstellung von Hohlfasermembran-Modulen. Das Verfahren ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Öff­ nungen versehenes, ebenes Formstück, das den späte­ ren Mantel des zylinderförmigen Gehäuses bilden soll, durch Aufrollen in eine Zylinderform gebracht wird und Hohlfasermembranen in und/oder um das Ge­ häuse angeordnet werden. Je nachdem, welche Eigen­ schaften in der räumlichen Projektion das aufzurol­ lende Material aufweist, beispielsweise ob es fle­ xibel oder relativ starr ist, ob es einstückig aus­ gebildet ist und zum Beispiel Einkerbungen, an de­ nen das Material biegbar ist, enthält oder nicht, oder ob es aus mehreren, vorzugsweise bezüglich der Abmessungen identischen Teilen besteht, die zum Beispiel über Scharniere oder ähnliche Elemente miteinander verbunden sind, kann der Querschnitt des dadurch erhaltenen Zylinders kreisförmig oder vieleckig sein. Das Gehäusematerial kann als fle­ xible Matte, flexibles Gitter, Matte mit scharnierähnlichem Teil etc. ausgeführt sein. In den so er­ haltenen Gehäusezylinder können auch danach die vorgesehenen Hohlfasern in gewünschter Anordnung und in gewünschter Packungsdichte eingebracht wer­ den.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass auf dem zur Bildung des Gehäusezylinders verwendeten ebenen Formstück weitere Teile, insbesondere Segmentier­ elemente, angebracht sind oder werden, die geeignet sind, in dem späteren Gehäusezylinder einzelne Hohlfaserbündel räumlich voneinander zu trennen und/oder dem Gehäusezylinder zusätzliche Stabilität zu verleihen. Diese Segmentierelemente können bei­ spielsweise in einem Arbeitsgang mit dem zur Bil­ dung des Gehäusezylinders verwendetem Material zu­ sammen hergestellt worden sein, beispielsweise in einem Spritz- oder Gußverfahren. Das heißt, das zur Zylinderform aufzurollende, mit Segmentierelementen versehene Material kann einstückig ausgebildet sein. Die Segmentierelemente können aber auch sepa­ rat hergestellt worden sein und nachträglich am o­ der im Gehäusemantel an dafür vorgesehenen Elemen­ ten, beispielsweise Noppen, aufgesteckt oder an­ geklipst oder in ähnlicher Weise befestigt werden.

Anschließend wird das Mantelmaterial zu einem Zy­ linder aufgerollt. Dabei kann das Mantelmaterial so aufgerollt werden, das sich die Segmentierelemente an der Innenfläche des Zylinders befinden, so dass ein erfindungsgemäßes Hohlfasermembran-Modul erhal­ ten wird, dessen Gehäuse-Innenraum durch die Seg­ mentierelemente in Kompartimente unterteilt ist.

Das Mantelmaterial kann jedoch auch so aufgerollt werden, dass sich die Segmentierelemente auf der Außenfläche des Zylinders befinden. In diesem Fall besteht jedoch insbesondere auch die Möglichkeit, zunächst das Zylindermaterial zusammenzurollen und dann die Segmentierelemente außen auf den so gebil­ deten Zylinder aufzuklipsen oder in geeigneter Wei­ se zu befestigen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens können die Hohlfasern vor dem Aufrollen des Gehäusezylinders in die durch die befestigten Seg­ mentierelemente vorgegebenen Zwischenräume oder Kompartimente in gewünschter Anordnung und entspre­ chend der vorgesehenen Packungsdichte eingefüllt werden. Vorzugsweise werden die Hohlfasern vor dem Aufrollen des Gehäusezylinders an den Segmentier­ elementen fixiert, wobei insbesondere dünne Netze, Kabelbinder oder ähnliche Elemente verwendet wer­ den. In diesem Fall wird der Gehäusezylinder nach dem Aufrollen anschließend in üblicher Weise an den Zylinderenden verschlossen und abgedichtet, indem die Faserenden auf übliche Weise vergossen werden. In einer anderen Ausführungsform können die Hohlfa­ sern jedoch auch nach dem Aufrollen des Gehäusezy­ lindes in die durch die Segmentierabschnitte defi­ nierten Kompartimente eingefüllt und in geeigneter Weise innerhalb der Kompartimente fixiert werden. Nach Befüllen des so erhaltenen Moduls mit den Hohlfaserbündeln wird der Gehäusezylinder anschlie­ ßend in üblicher Weise an den Zylinderenden ver­ schlossen und abgedichtet, indem die Faserenden auf übliche Weise vergossen werden. Danach wird das mit den Hohlfasermembranbündeln bestückte Modul in einen zweiten Gehäusezylinder eingeführt, der vor­ zugsweise als Käfigs ausgeführt ist, und wird damit stabilisiert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Figuren und Beispiele näher erläutert.

Die Figuren zeigen:

Fig. 1 in schematischer Art und Weise einen Zwi­ schenschritt bei der Herstellung des er­ findungsgemäßen Hohlfasermembran-Moduls,

Fig. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen Hohlfasermembran-Moduls in perspekti­ vischer Ansicht und im Querschnitt sowie eine andere Ausführungsform im Quer­ schnitt,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Hohlfasermembran-Moduls in perspektivischer Ansicht mit verschiede­ nen Ausführungsbeispielen von Segmentier­ elementen,

Fig. 4 die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hohlfasermembran-Moduls aus der Fig. 3, gefüllt mit Hohlfaserbündeln in perspek­ tivischer Ansicht,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Hohlfasermembran-Moduls, welches aus Edelstahldraht ausgeführt wurde, in seiner Abwicklung und im Quer­ schnitt, und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Hohlfasermembran-Moduls, aufbauend auf dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 mit Segmentierelementen, die kür­ zer sind als die Modullänge, in perspek­ tivischer Ansicht.

Gleiche Bezugsziffern verweisen auf bau- oder/und funktionsgleiche Vorrichtungen oder Elemente davon.

Fig. 1a) zeigt in schematischer Form den Gehäuse­ mantel oder die Wandung 1 eines erfindungsgemäßen Hohlfasermembran-Moduls 100, die durch Aufrollen in die beispielsweise in Fig. 2a) dargestellte im Querschnitt sechseckige Form eines Gehäuses 3 ge­ bracht werden kann. An der Wandung 1 sind gleich­ mäßig beabstandete rechteckige Segmentierelemente 5 mit der Länge L_S und der Höhe H_S angebracht. Die Länge L_S der Segmentierelemente entspricht der Län­ ge L_M des Gehäuses 3. Die Höhe H_S entspricht in et­ wa 90 bis 95% der halben Höhe des Gehäuses 3. In dem Gehäusemantel 1 sind gleichmäßig beabstandet und alternierend zu den Segmentierelementen 5 Schwächungslinien 39 ausgebildet, die das Umfalten des Gehäusemantels 1 in die endgültige Form des Ge­ häuses 3 erleichtern und die in der endgültigen Form die Kanten des im Querschnitt sechseckigen Ge­ häuses 3 der Fig. 2 bilden.

In Fig. 1b), c) und d) sind verschiedene Ausfüh­ rungsformen von Segmentierelementen 5 gezeigt. Die Segmentierelemente 5 umfassen jeweils ein recht­ eckiges Rahmenteil 7, das die Durchtrittsfläche 9 umschließt. Die Durchtrittsfläche 9 wird durch die als Stege oder Gitter ausgeführten Stabilisierungs­ elemente 11 in kleinere Einzelflächen unterteilt. Die Segmentierelemente 5 weisen darüber hinaus an einer Längsseite jeweils endständig zwei fortsatz­ artige Befestigungselemente 13 auf, die der Befes­ tigung der Segmentierelemente 5 an der Wandung 1 dienen. Die Befestigungselemente 13 weisen zwei Schenkel 35 und 37 auf, die einen rechten Winkel einschließen. Der Schenkel 35 sitzt an der Längs­ seite des Segmentierelementes 5 an, während der zweite Schenkel 37 vom Segmentierelement 5 weg­ weist.

Fig. 1a) zeigt darüber hinaus in schematischer Form die Anordnung von Hohlfasern 33 zwischen zwei benachbarten Segmentierelementen 5 und Hohlfaser- Bündel 17 in Kompartimenten 21.

Fig. 2a) zeigt in perspektivischer Darstellung die im Querschnitt gesehen sechseckige Form des Ge­ häuses 3. Ausgehend von der Darstellung der Wandung 1 in Fig. 1a) erfolgt das Aufrollen der Wandung 1 zur Herstellung des Moduls 100 so, dass die Segmen­ tierelemente 5 in den Innenraum 18 des Zylinders 3 hineinragen und diesen in die Kompartimente 21 un­ terteilen. Die Höhe H_S der Segmentierelemente 5 entspricht in etwa der halben Höhe des Gehäuses 3 des erfindungsgemäßen Moduls, so dass bei der dar­ gestellten im Querschnitt gesehenen sechseckigen Form mit jeweils zwei parallel zueinander angeord­ neten gegenüberliegenden gleichlangen Seiten 70 die mittig senkrecht auf den Seiten 70 angeordneten Segmentierelemente 5 einander im Zentrum des Gehäu­ ses 3 nahezu berühren. Der Innenraum oder Packungs­ raum 18 des Gehäuses 3, also das Innenvolumen des Gehäuses 3 wird daher nahezu vollständig komparti­ mentiert. Dargestellt sind auch die Befestigungs­ mittel 13 zur Befestigung der Segmentierelemente 5 am Mantel des Gehäuses 3. Der Querschnitt des er­ findungsgemäßen Moduls nach Fig. 2a) ist in Fig. 2c) dargestellt. Zu erkennen ist deutlich, dass die Kanten 41 der von der Gehäuseinnenfläche 22 ab­ gewandten Längsseiten der Segmentierelemente 5 im Zentrum des Packungsraumes 18 nahezu aneinander stoßen und demgemäß voneinander oder nahezu vonein­ ander abgeschlossene Kompartimente 21 bilden. Die Abmessungen der Segmentierungselemente können dabei so bemessen werden, dass sich alle Kanten in der Mitte berühren oder nahezu berühren, wodurch sie dann, wenn nötig, durch geeignete Elemente leicht aneinander fixiert werden können, um die Stabilität des gesamten Moduls zu erhöhen. Die Querschnitte 2b) und 2c) zeigen weitere unterschiedliche Ausfüh­ rungsformen des Moduls 100. Die beiden Ausführungs­ formen unterscheiden sich dadurch, dass in Quer­ schnitt 2b) Segmentierelemente 5 verwendet werden, die an der Innenfläche 22 des Gehäuses 3 abgewand­ ten Kante 41 der von der Innenfläche 22 abgewandten Längsseite der Segmentierelemente 5 angeordnete Ab­ standshalter 29 aufweisen. Die Abstandshalter 29 können als Materialverstärkung der Längsseitenkante 41 des Segmentierelementes 5 ausgeführt sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die zum Zentrum des Packungsraums 18 gewandte Längsseitenkante 41 des Segmentierelementes 5 beidseitig jeweils im rechten Winkel eine Umbiegung, Verstärkung, einen Fortsatz oder ähnliches aufweist. Die Abstandshalter 29 der Segmentierelemente 5 umschließen dabei über die Ge­ samtlänge des Gehäuses 3 einen zweiten Innenraum 31. Im Querschnitt gesehen weisen die Abstandshal­ ter 29 als Verlängerung des Segmentierelementes 5 ein T-förmiges Profil auf, wobei die Schenkel 50, 51 des T im rechten Winkel vom Segmentierelement 5 abstehen, an die Schenkel eines benachbarten Ab­ standshalters 29 stoßen und so einen im Querschnitt gesehen sechseckigen Innenraum 31 bilden. Die Ab­ standshalter 29 können hier nicht dargestellte Öff­ nungen aufweisen. In einigen Kompartimenten 21 sind lose aneinander liegende Hohlfasern 33 dargestellt. Dargestellt ist auch der Freiraum 43 des Packungs­ raums 18.

Die Fig. 3a) zeigt in perspektivischer Darstel­ lung eine weitere Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Hohlfasermembran-Moduls 100. Dargestellt ist ein zylindrisches Gehäuse 3, dessen Mantel 1 von zahlreichen Perforationen beziehungsweise Öff­ nungen 25 durchbrochen ist. Die Segmentierelemente 5 sind auf der nach außen gewandten Fläche des Ge­ häuses 3 angeordnet, zum Beispiel aufgesteckt. Dar­ gestellt sind auch die als Querstege ausgeführten Stabilisierungselemente 11 in den Segmentierelemen­ ten 5. Schließlich zeigt die Fig. 3a) Halteringe 27, die konzentrisch um das Gehäuse 3 und um die radial nach außen weisenden Segmentierelemente 5 sowie diese kontaktierend angeordnet sind und zur Fixierung von hier nicht dargestellten in die Kompartimente 21 einzubringenden Hohlfasermembranen dienen. Dargestellt ist ferner der Packungsraum 18, der nach innen hin durch die Außenfläche des Gehäu­ ses 3 und nach außen hin durch eine gedachte die Segmentierelemente 5 umfassende und an deren Außen­ kanten 60 kontaktierende sowie den Verlauf der Hal­ teringe 27 folgende Mantelfläche 47 gebildet wird. Diese gedachte Mantelfläche 47 ist konzentrisch im Abstand der Höhe HS um das innere Gehäuse 3 ange­ ordnet.

Die Fig. 3b), 3c) und 3d) zeigen verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäß eingesetzter Seg­ mentierelemente 5, wobei sich die Fig. 3b) und 3c) durch die Anzahl der Querstege 11 und die An­ zahl der dadurch gebildeten einzelnen Durchtritts­ flächen 45 unterscheiden. In der Fig. 3d) sind als Matrix oder Gitter ausgeführte Stabilisierungs­ elemente 11 dargestellt.

Die Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht ein ähnliches Hohlfasermembran-Modul wie in Fig. 3a). Dargestellt ist hier, dass in den einzelnen Kompar­ timenten 21 Hohlfasermembran-Bündel 17 angeordnet sind, deren Länge gleich der Länge des Moduls 100 ist. Auch hier definiert sich der Packungsraum 18 als das Volumen, das zwischen der Außenfläche des Gehäuses 3 und der Innenfläche der gedachten die Segmentierelemente 5 umfassenden und an deren Au­ ßenkanten 60 kontaktierenden Mantelfläche 47 gebil­ det wird, deren Verlauf durch den Verlauf der Hal­ teringe 27 vorgegeben ist. Die umhüllende Mantel­ fläche 47 ist die Fläche, die sich ergibt, wenn die nach außen weisenden Längskanten 60 der Segmentierelemente 5 um den Umfang des Moduls 100 herum mit­ einander verbunden werden, so dass die umhüllende Mantelfläche 47 konzentrisch um das innere Gehäuse 3 angeordnet ist.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Moduls, welches aus Edelstahl­ draht ausgeführt wurde. Bei dieser Ausführungsform bilden je ein Segmentierelement und ein Teil der Mantelfläche eine fest miteinander verbundene Ein­ heit, die mit Ösen aneinander gebunden und somit gegeneinander beweglich ist, so dass sie entspre­ chend der schematischen Abb. 1 hintereinander liegend in eine Ebene abgewickelt werden können. Die Fläche des Segmentierelements ist gegen die Mantelfläche um einen Winkel von circa 45 Grad ge­ neigt. Fig. 5.a zeigt eine Abwicklung des Modulge­ häuses, Fig. 5.b zeigt den Querschnitt des zusam­ mengefalteten Moduls, ohne die in die Kompartimente einzulegenden Hohlfasern.

Fig. 6 zeigt eine Variante des in Fig. 2 darge­ stellten Ausführungsbeispiels. Bei dieser Variante sind die Segmentierelemente nur so lang wie die Pottung und sie sind jeweils in der Mitte und an beiden Enden des Moduls angeordnet.

Claims (34)

1. Hohlfasermembran-Modul für Flitrations-, Dia­ filtrations- und Dialyse-Verfahren, umfassend min­ destens ein Gehäuse und eine Mehrzahl von tubulären Hohlfasermembranen mit gleichem oder unterschiedli­ chem Durchmesser, welche in dem und/oder um das Ge­ häuse in einen Packungsraum parallel zueinander an­ geordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Vo­ lumenverhältnis von allen in dem Packungsraum (18) angeordneten Hohlfasermembranen (33) zum Packungs­ raum (18) weniger als 20% beträgt.

2. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (3) eine Zylinderform aufweist.

3. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mantel des Gehäuses (3) mit Öffnungen (25) versehen ist.

4. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 3, wobei die Öffnungen (25) in ebener Projektion Quadrate, Rechtecke, Kreise oder andere symmetrische oder a­ symmetrische Formen sein können.

5. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 4, wobei die Öffnungen (25) Abmessungen von 3 bis 20 mm auf­ weisen.

6. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis der Gesamtfläche der Öffnungen (25) zur Gesamtfläche des Gehäusemantels etwa 0,2 bis etwa 0,9 beträgt.

7. Hohlfasermembran-Modul nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, wobei die Hohlfasermembranen (33) aus einem keramischen und/oder polymeren Material bestehen oder dieses in wesentlichen Anteilen ent­ halten.

8. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 7, wobei die Hohlfasermembranen (33) einschließlich der Stützstruktur eine Dicke von etwa 5 µm bis etwa 300 µm aufweisen.

9. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Hohlfasermembranen (33) einen Innendurch­ messer von maximal 2 mm, insbesondere 0,15 bis 0,8 mm aufweisen.

10. Hohlfasermembran-Modul nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, wobei die Hohlfasermembranen (33) im Modul in Form von mindestens einem Bündel (17) angeordnet sind.

11. Hohlfasermembran-Modul nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, wobei die Hohlfasern in Form von Matten mit einem weiten Faserabstand als Bündel aufgerollt werden, wobei vorzugsweise weniger als 10 Fasern pro cm vorliegen und wobei im Bereich der Pottungen durch das Einwickeln herkömmlichen Spacermaterials die Fasern auf einen der Packungs­ dichte angepassten Abstand gebracht werden.

12. Hohlfasermembran-Modul nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, wobei mindestens zwei Hohlfaser­ membranbündel durch mindestens ein am Mantel des Gehäuses (3) angebrachtes Segmentierelement (5) voneinander getrennt sind.

13. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 12, wobei das mindestens eine Segmentierelement (5) aus einem Rahmenteil (7) mit einer durch das Rahmenteil (7) umfassten freien Durchtrittsfläche (9) besteht.

14. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 13, wobei die freie Durchtrittsfläche (9) des Rahmenteils (7) durch Stabilisierungselemente (11) unterteilt wird.

15. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Gesamtfläche der Stabilisierungsele­ mente (11) bezogen auf die vom Rahmenteil (7) um­ fasste freie Durchtrittsfläche (9) etwa 2% bis etwa 20% beträgt.

16. Hohlfasermembran-Modul nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das mindestens eine Segmentierele­ ment (5) auf der Innenfläche des Gehäuses (3) ange­ bracht ist und dessen Innenraum (18) in Komparti­ mente (21) unterteilt.

17. Hohlfasermembran-Modul nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das mindestens eine Segmentierele­ ment (5) auf der Außenfläche des Gehäuses (3) ange­ bracht ist und den über der Außenfläche des Mantels befindlichen Raum (18) in Kompartimente (21) unter­ teilt.

18. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 17, wobei das Gehäuse (3) mit dem mindestens einen, auf der Außenfläche des Mantels angebrachten Segmentierele­ ment (5) in einem zweiten käfigartigen Gehäuse un­ tergebracht ist.

19. Hohlfasermembran-Modul nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Länge der Segmentierelemente der Länge des Gehäuses entspricht.

20. Hohlfasermembran-Modul nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Segmentierelemente kürzer als das Gehäuse sind und mit entsprechenden axialen Zwischenräumen über die Länge des Gehäuses verteilt sind, wobei innerhalb dieser axialen Zwischenräume über den vollen Azimutwinkel innerhalb des Gehäuses kein weiteres Segmentierelement angeordnet ist.

21. Hohlfasermembran-Modul nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Segmentierelemente so lang sind wie die an den Enden vorgesehenen Pottungen und an den Enden des Gehäuses angeordnet sind, so dass die Pottungen segmentiert werden.

22. Hohlfasermembran-Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei in den durch das mindestens eine Segmentierelement (5) erzeugten Kompartimenten (21) Hohlfasermembranen (33) angeordnet sind.

23. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 22, wobei die in den Kompartimenten (21) angeordneten Hohlfa­ sermembranen (33) an dem mindestens einen Segmen­ tierelement (5) fixiert sind.

24. Hohlfasermembran-Modul nach Anspruch 23, wobei die Packungsdichte aller Hohlfasermembranen (33) kleiner als 20% ist.

25. Hohlfasermembran-Modul nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, das einen Gehäuseanschluß für die Zuleitung einer Flüssigkeit in das Faserinnere der Hohlfasermembranen (33) und einen Gehäuseanschluß für die Ableitung einer Flüssigkeit aus dem Faser­ innern aufweist.

26. Hohlfasermembran-Modul nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, wobei alle Bestandteile aus einem gegen Wasserdampf-Sterilisation bei 121°C beständi­ gen Material hergestellt sind.

27. Verfahren zur Herstellung eines Hohlfasermemb­ ran-Moduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein, vorzugsweise mit Öffnungen versehenes, Formstück durch Zusammenrollen in eine Gehäuse-, insbesondere Zylinderform gebracht wird und die Hohlfasermembranen in einer Packungsdichte von we­ niger als 20% in dem und/oder um das Gehäuse ange­ ordnet werden.

28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei vor oder nach dem Zusammenrollen des Formstücks Segmentierelemen­ te in Abständen auf dem Formstück angebracht wer­ den, oder wobei die Segmentierelemente fester Be­ standteil des zusammenrollbaren Formstücks sind.

29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei das ebene Material so zusammengerollt wird, dass sich die Segmentierelemente nach dem Zusammenrollen des Formstücks auf dessen Innenfläche befinden.

30. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei das Formstück so zusammengerollt wird, dass sich die Segmentierelemente nach dem Zusammenrollen des Zy­ linders auf dessen Außenfläche befinden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, wobei vor dem Zusammenrollen des Formstücks mindes­ tens ein Hohlfasermembran-Bündel auf dem Formstück, gegebenenfalls in dem Kompartiment zwischen zwei benachbarten Segmentierelementen, angeordnet und gegebenenfalls fixiert wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31, wobei nach dem Zusammenrollen des Zylinders mindes­ tens ein Hohlfasermembran-Bündel in dem Gehäuse, gegebenenfalls in dem von zwei benachbarten Segmen­ tierelementen begrenzten Kompartiment, angeordnet und gegebenenfalls fixiert wird.

33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, wobei die Enden der Hohlfasermembranen vergossen werden und das Gehäuse an seinen Enden abgedichtet wird.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 33, wobei das Gehäuse in ein zweites, insbesondere kä­ figartiges, Gehäuse eingeführt wird.