DE102016004114A1

DE102016004114A1 - Crossflow-Filtrationseinheit

Info

Publication number: DE102016004114A1
Application number: DE102016004114.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Leuthold; Ulrich Grummert
Original assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Crossflow-Filtrationseinheit zur Trennung einer Speiseflüssigkeit in ein Retentat und ein Permeat, ein entsprechendes Verfahren sowie die Verwendung der Crossflow-Filtrationseinheit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Crossflow-Filtrationseinheit zur Trennung einer Speiseflüssigkeit in ein Retentat und ein Permeat, ein entsprechendes Verfahren sowie die Verwendung der Crossflow-Filtrationseinheit.
Bei der Crossflow-Filtration, welche auch als Querstrom- oder Tangentialstromfiltration bezeichnet werden kann, überströmt eine zu filtrierende Speiseflüssigkeit tangential die Oberfläche eines Filtermaterials, welches üblicherweise eine Membran ist, und wird dabei in ein Retentat (Konzentrat) und ein Permeat (Filtrat) unterschiedlicher Zusammensetzungen aufgespalten.
Das Retentat überströmt die Oberfläche des Filtermaterials und kann nach lediglich einmaligem Überströmen entnommen werden („Single-Pass”-Betrieb), aber auch im Kreislauf wieder zurückgeführt werden, so dass es die Membranoberfläche wiederholt überströmt. Das Permeat durchströmt die Membran senkrecht zur Oberfläche und wird danach abgeführt. Zu gewinnende Zielsubstanzen können im Permeat (Permeatstoffe) und/oder im Retentat (Retentatstoffe) enthalten sein.
Crossflow-Filtrationseinheiten werden häufig in Form von Filterkassetten eingesetzt, wie sie beispielsweise in der DE-PS 34 41 249 beschrieben sind. Filterkassetten umfassen mehrere benachbarte Crossflow-Filtrationseinheiten (Filterzellen), die in der Regel aus wiederholten Anordnungen eines Überströmspalts für die zu filtrierende Speiseflüssigkeit bzw. das Retentat, einer flächigen Membranlage und einem Permeatsammelspalt bestehen. Der Permeatsammelspalt der vorstehenden Filterzelle wird durch eine weitere flächige Membranlage von dem Überströmspalt der nächsten Filterzelle abgegrenzt. Jeder Überströmspalt ist mit einem Einlass für die zu filtrierende Speiseflüssigkeit und mit einem Auslass für das Retentat fluidleitend (kommunizierend) verbunden und jeder Permeatsammelspalt ist mit mindestens einem Auslass für das Permeat fluidleitend verbunden.
Sofern ein einziger Durchgang (Single Pass) für die gewünschte Trennaufgabe nicht ausreicht, wird das Crossflow-Fitrationsverfahren üblicherweise diskontinuierlich im sogenannten „Batch”-Betrieb gefahren. Dabei wird das entnommene Retentat so lange als Speiseflüssigkeit erneut der Filtrationseinheit zugeführt, bis die gewünschte Trennleistung erzielt wird. Erst danach steht die Filtrationseinheit für die nächste Charge (Batch) von zu filtrierender Speiseflüssigkeit bereit.
Nachteilig an der diskontinuierlichen Betriebsweise sind unter anderem eine aufwändige Verfahrensführung sowie eine mangelnde Schonung von im Retentat enthaltenen Zielsubstanzen. Insbesondere Biomoleküle wie Proteine oder Nucleinsäuren können durch die verlängerte Wegstrecke und Strömungsumlenkung des Retentatstromes durch dessen Rückführung als Speiseflüssigkeit unerwünschten Abbauprozessen ausgesetzt sein.
In der Vergangenheit wurde vorgeschlagen, gewöhnliche Filterkassetten in Reihe zu schalten, um eine höhere Trennleistung zu erzielen. Durch eine derartige Verfahrensführung wird jedoch ein erhöhter apparativer Aufwand erforderlich. Es ist unter anderem notwendig, den durch die Serienschaltung bedingten erhöhten Druckverlust beispielsweise durch Zwischenschalten von Pumpen auszugleichen. Dies führt nicht nur zu erhöhten Betriebskosten und einem energetischen Mehraufwand sondern auch zu einer Temperaturerhöhung im Retentat, was sich negativ auf die Stabilität der darin enthaltenen Zielsubstanzen auswirken kann, insbesondere dann, wenn es sich dabei um Biomoleküle handelt. Hinzu kommt, dass eine Serienschaltung zwar grundsätzlich eine kontinuierliche Verfahrensweise ermöglicht, jedoch die zurückgelegte Wegstrecke des Retentats in der Regel nicht vermindert werden kann und so die gleichen Probleme wie bei der diskontinuierlichen Betriebsweise mit Rückführung des Retentats auftreten.
Zur Umgehung der vorstehenden Probleme wurden im Stand der Technik Single-Pass-Filterkassetten mit erhöhter Trennleistung vorgeschlagen. Dies kann beispielsweise durch Bereitstellen von Filterkassetten mit verlängertem Strömungsweg (z. B. Mäanderung, Strömungsumlenkung) erreicht werden. In klassischen Filterkassetten zur Crossflow-Filtration weist der Überströmspalt eine Längendimension im Bereich von etwa 150 mm auf. Nachteilig an derartigen Single-Pass-Filterkassetten ist allerdings der hohe Druckverlust. Zudem weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Single-Pass-Filterkassetten eine geringe Flächenleistung auf und führen zu langen Filtrationszeiten.
Daher besteht ein Bedarf an Crossflow-Filtrationseinheiten, welche die vorstehenden Probleme umgehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Crossflow-Filtrationseinheit bereitzustellen, die mit hoher Flächenleistung, kurzer Filtrationszeit und einem niedrigen Druckverlust betrieben werden kann. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Trennung einer Speiseflüssigkeit in ein Retentat und ein Permeat unter Verwendung der Crossflow-Filtrationseinheit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Crossflow-Filtrationseinheit zur Trennung einer Speiseflüssigkeit in ein Retentat und ein Permeat, mindestens umfassend einen Überströmspalt, ein flächiges Filtermaterial und einen Permeatsammelspalt, derart angeordnet, dass das flächige Filtermaterial den Überströmspalt und den Permeatsammelspalt voneinander abgrenzt, wobei der Überströmspalt fluidleitend mit mindestens einem Einlass für die Speiseflüssigkeit und mit mindestens einem Auslass für das Retentat verbunden ist und der Permeatsammelspalt fluidleitend mit mindestens einem Auslass für das Permeat verbunden ist, der Einlass für die Speiseflüssigkeit in einem ersten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht ist und der Auslass für das Retentat in einem zweiten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit, welcher dem ersten Randbereich gegenüberliegt, angebracht ist, und das freie Volumen des Überströmspaltes in der Flussrichtung vom Einlass für die Speiseflüssigkeit zum Auslass für das Retentat abnimmt.
Mit der erfindungsgemäßen, verbesserten Crossflow-Filtrationseinheit können Fluide wie Flüssigkeiten, Emulsionen, Suspensionen, Getränke, wie Bier, Wein, Saft, Wasser, Milch und Molke, Bierwürze, Brauch- und Abwasser, Lösungen im Pharma-, Medizin-, Kosmetik-, Chemie-, Biotechnologie-, Gentechnik-, Umweltschutz- und Laborbereich als Speiseflüssigkeit eingesetzt und filtriert werden. Sie können zur Wertstoffgewinnung, Stofftrennung beispielweise von Makromolekülen und Biomolekülen, zur Entpyrogenisierung und Sterilisierung von Lösungen, zur Abtrennung von Schadstoffen aus den Fluiden, für die Filtration und Aufkonzentrierung biologischer Lösungen, für die Abtrennung von Mikroorganismen, wie Bakterien, Hefen, Viren und von Zellbestandteilen, für die Entsalzung von Proteinlösungen und anderen biologischen Medien verwendet werden.
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Crossflow-Filtrationseinheit aufgrund der die Zielsubstanz schonenden Betriebsweise zur Filtration, Diafiltration, Aufkonzentrierung (Reduktion des Lösemittel- bzw. Wassergehaltes), und/oder Änderung der Ionenzusammensetzung (z. B. Pufferaustausch) einer Lösung, vorzugsweise einer Proteinlösung, verwendet werden.
Durch das in Flussrichtung abnehmende freie Volumen (für das Retentat zur Verfügung stehender Raum, Tot- oder Leervolumen) des Überströmspaltes und die Flächigkeit des Filtermaterials, weist die Crossflow-Filtrationseinheit einen niedrigen Druckverlust und einen im Wesentlichen umlenkungsfreien Strömungsweg des Retentats auf.
Für die im Überströmspalt befindliche Flüssigkeit können die Begriffe Speiseflüssigkeit und Retentat gleichbedeutend verwendet werden.
Die Flussrichtung der Speiseflüssigkeit/des Retentats in der Filtrationseinheit ist durch den Einlass für die Speiseflüssigkeit als Startpunkt und den gegenüberliegenden Auslass für das Retentat als Endpunkt definiert. Die Flussrichtung des Retentats erfolgt weitgehend parallel zum Strömungsweg entlang des flächigen Filtermaterials, das heißt im Wesentlichen ohne Umlenkungen. Der Begriff „flächig” zeigt an, dass das Filtermaterial im Wesentlichen in einer einzigen Ebene liegt. Durch den weitgehend geradlinigen Strömungsverlauf ohne Umlenkungen, Schleifen oder ähnlichem können der Druckabfall in der Filtrationseinheit sowie unerwünschte Einwirkungen nicht geradliniger Strömungen auf in der Speiseflüssigkeit enthaltene Zielsubstanzen minimiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Auslass für das Permeat im zweiten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht. Besonders bevorzugt ist sowohl im ersten als auch im zweiten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit jeweils mindestens ein Auslass für das Permeat angebracht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Auslässe für das Permeat alternativ oder ergänzend im dritten und/oder vierten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht. Der dritte Randbereich befindet sich bei einer Draufsicht auf die Crossflow-Filtrationseinheit von der Seite des Überströmspaltes auf der linken Seite der Flussrichtung. Der vierte Randbereich befindet sich entsprechend auf der rechten Seite und liegt somit dem dritten Randbereich gegenüber. Durch vorstehende Anordnung des Auslasses oder der Auslässe können eine besonders hohe Permeatleistung erzielt und konstruktionstechnische Vorteile erreicht werden, zum Beispiel wenn die Unterbringung von Anschlüssen (Einlass beziehungsweise Auslass) für weitere Kanäle/Spalte, wie für eine Diafiltration, vorgesehen ist.
Vorzugsweise umfasst der erste Randbereich das äußere Drittel der Länge der Filtrationseinheit entgegen der Flussrichtung. Entsprechend umfasst der zweite Randbereich das äußere Drittel der Länge der Filtrationseinheit entlang der Flussrichtung. Entsprechendes gilt für die dritten und vierten Randbereiche. Es ist von Vorteil, die ersten bis vierten Randbereiche so klein wie möglich zu gestalten. Daher umfassen die Randbereiche besonders bevorzugt die jeweiligen äußeren 20%, noch mehr bevorzugt die jeweiligen äußeren 10% und am meisten bevorzugt die jeweiligen äußeren 3%.
Grundsätzlich besteht hinsichtlich der Anbringung der Ein- und Auslässe keine besondere Einschränkung. Zum Beispiel können die Ein- und Auslässe so angebracht sein, dass die Speiseflüssigkeit bereits in Flussrichtung in den Überströmspalt eintritt und ihn in Flussrichtung verlässt. Entsprechend kann der Auslass für das Permeat so angebracht sein, dass das Permeat den Permeatsammelspalt in Flussrichtung verlässt. Vorzugsweise sind die Ein- und Auslässe jedoch so angebracht, dass die Speiseflüssigkeit zunächst senkrecht zur Flussrichtung in den Überströmspalt eintritt und diesen senkrecht zur Flussrichtung als Retentat verlässt. Besonders bevorzugt sind die Ein- und Auslässe auf der Seite des Überströmspaltes bzw. des Permeatsammelspaltes, welcher dem flächigen Filtermaterial gegenüberliegt, angebracht. Eine derartige Anbringung der Ein- und Auslässe erleichtert die Anordnung einer Mehrzahl der erfindungsgemäßen Filtrationseinheiten zu einer Filterkassette.
Vorzugsweise weist die Crossflow-Filtrationseinheit mehrere Einlässe für die Speiseflüssigkeit, mehrere Auslässe für das Retentat und mehrere Auslässe für das Permeat auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ändert sich das freie Volumen des Permeatsammelspaltes in der Flussrichtung. Besonders bevorzugt nimmt das freie Volumen des Permeatsammelspaltes in der Flussrichtung ab. Dadurch können beispielsweise die äußeren Dimensionen der Filtrationskassette beibehalten werden.
Die Erläuterungen zur Ausgestaltung des Überströmspaltes gelten entsprechend für den Permeatsammelspalt und umgekehrt.
„In Flussrichtung abnehmendes freies Volumen” bedeutet, dass eine Querschnittsfläche A₁, welche von dem Retentat durchströmt werden kann und die in einer Ebene liegt, welche eine parallel zur Flussrichtung verlaufende Normale aufweist, und eine entsprechende Querschnittsfläche A₂, die parallel zu A₁ ist und weiter vom Einlass für die Speiseflüssigkeit entfernt ist als A₁, wobei der von dem Retentat durchströmbare Flächeninhalt A₁ größer ist als A₂, existieren und keine entsprechend definierten Ebenen A₁' und A₂' existieren, für die der Flächeninhalt von A₁' kleiner als der von A₂' ist.
Die Abnahme des freien Volumens kann stetig (für alle A₁ und A₂ gilt A₁ ≥ A₂) oder kontinuierlich (für alle A₁ und A₂ gilt A₁ > A₂) sein. Es ist auch möglich, dass die Volumenabnahme diskontinuierlich ist, das heißt, dass entlang der Flussrichtung mindestens ein unstetiger Abfall oder Sprung in der Querschnittsfläche auftritt.
Die Änderung des freien Volumens des Überströmspaltes in Flussrichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 20 zu 1 bis 1,2 zu 1, bevorzugt bei 10 zu 1, abhängig von der Filtrationsaufgabe. Dabei wird unter der „Änderung des freien Volumens des Überströmspaltes in Flussrichtung” das Verhältnis der Querschnittsfläche A₁ am Einlass für die Speiseflüssigkeit zur Querschnittsfläche A₂ am Auslass für das Retentat verstanden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung nimmt/nehmen die Dicke des Überströmspaltes und gegebenenfalls die Dicke des Permeatsammelspaltes in Flussrichtung ab.
Der Überströmspalt ist vorzugsweise an seiner Seite, die dem flächigen Filtermaterial gegenübersteht, flächig begrenzt. In diesem Fall wird der Überströmspalt von zwei Seiten flächig begrenzt. Vorzugsweise wird der Überströmspalt durch ein weiteres, zweites flächiges Filtermaterial begrenzt. Entsprechend ist auch der Permeatsammelspalt an seiner Seite, die dem flächigen Filtermaterial gegenübersteht, vorzugsweise flächig begrenzt, gegebenenfalls durch ein drittes flächiges Filtermaterial. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das flächige Filtermaterial eine weitgehend einheitliche Dicke von vorzugsweise 50 bis 10000 μm, insbesondere bevorzugt 150 bis 1000 μm, auf. Gemäß einer Ausführungsform kann dadurch, dass die flächige Begrenzung durch das Filtermaterial und die weitere flächige Begrenzung des Überströmspaltes an der dem Filtermaterial gegenüberstehenden Seite nicht parallel zueinander verlaufen, das freie Volumen des Überströmspaltes keilförmig ausgestaltet werden, so dass in Flussrichtung das freie Volumen abnimmt. Besonders bevorzugt ist der Überströmspalt beidseitig von weitgehend parallelen Flächen begrenzt.
Vorzugsweise weist die Crossflow-Filtrationseinheit eine Mehrzahl übereinandergestapelter Anordnungen von Überströmspalt, flächigem Filtermaterial, Permeatsammelspalt und flächigem Filtermaterial auf, sodass die gestapelten Anordnungen zu einer Filterkassette zusammengefasst sind. Geeignete Anordnungen und Ausgestaltungen für Filterkassetten sind im Stand der Technik bekannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Filtermaterial eine Filtrationsmembran. Als Filtermaterial geeignet ist insbesondere eine poröse Membran im Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsbereich.
Die Ultrafiltrationsmembranen sind durch Porengrößen von kleiner als 0,01 μm gekennzeichnet, beziehungsweise durch Molekulargewichtsausschlussgrenzen (molecular weight cut-off, MWCO) von 5 bis 1500 kDa charakterisiert, während die Mikrofiltrationsmembranen Porengrößen im Bereich von 0,01 bis 50 μm, vorzugsweise 0,01 bis 0,5 μm, beziehungsweise Molekulargewichtsausschlussgrenzen von 30 bis 1500 kDa aufweisen.
Die Bestimmung der Molekulargewichtsausschlussgrenze kann gemäß US-Standard ASTM E1343-90 („Standard test method for molecular weight cutoff evaluation of flat sheet ultrafiltration membranes") erfolgen. Die Bestimmung der Porengröße, welche auch als „größter Porendurchmesser” oder „d_P” und im Englischen als „maximum pore size” bezeichnet wird, kann gemäß US-Standard ASTM F316-03 TEST METHOD A („Standard test methods for pore size characteristics of membrane filters by bubble point and mean flow pore test") erfolgen. Grundlegende Verfahren zur Charakterisierung von Membranen sind in der Dissertationsschrift von Melanie Sossna „Strukturausbildung von Celluloseestermembranen", Universität Hannover 2006, Abschnitt 2.5 auf Seiten 10f, insbesondere in Tabelle 2–4, beschrieben.
Die Filtrationsmembranen können beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid, Cellulose und deren Derivaten, Polyethersulfon oder Polysulfon bestehen, wobei vernetztes Cellulosehydrat besonders bevorzugt ist.
Der Überströmspalt und der Permeatsammelspalt werden üblicherweise durch Abstandshalter für die entsprechenden Medien offengehalten. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Überströmspalt der Crossflow-Filtrationseinheit ein flächiger Abstandshalter angebracht, derart, dass das freie Volumen des Überströmspaltes in Flussrichtung abnimmt.
Geeignete Abstandshalter für Crossflow-Filtrationseinheiten sind im Stand der Technik bekannt und können auch in der erfindungsgemäßen Crossflow-Filtrationseinheit verwendet werden. Vorzugsweise sind die Abstandshalter erfindungsgemäß so modifiziert, dass ihr Volumen in Flussrichtung zunimmt, um eine Volumenabnahme des für das Retentat zur Verfügung stehenden freien Volumens zu erzielen. Bevorzugte Abstandshalter können textile Materialien aus organischen oder nicht-organischen Werkstoffen sein, wie Gewebe, Gewirke, Vliese oder extrudierte Netze.
Vorteilhaft kann der Abstandshalter eine nicht ebene Platte sein. Die nicht ebene Platte kann eine Platte sein, die zumindest eine nicht ebene Hauptoberfläche aufweist. Die Hauptoberflächen einer Platte sind die sich gegenüberstehenden Oberflächen mit dem größten Flächeninhalt. Die zumindest eine nicht ebene Hauptoberfläche kann Unebenheiten in Form einer gewellten oder gezackten Oberfläche aufweisen. Daneben kann die unebene Oberfläche vorstehende Elemente wie Kegel(stümpfe), Pyramiden(stümpfe), Noppen oder andere geometrische Figuren aufweisen. Die nicht ebene Platte kann auch ähnlich einem Wellblech in gewellter oder gezackter Form vorliegen, wobei sich die Wellen oder Zacken vorzugsweise parallel zur Flussrichtung erstrecken. Geeignete Materialien für die nicht ebene Platte sind die gleichen wie nachstehend für Abstandshalter in Form einer offenmaschigen Matrix aufgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Abstandshalter aus einer offenmaschigen Matrix oder aus einem extrudierten Netz. Derartige Abstandshalter sind im Stand der Technik bekannt und wurden beispielsweise in der Veröffentlichung der deutschen Patentanmeldung DE 100 22 259 A1 beschrieben. Wie bereits vorstehend erwähnt, sind die Abstandshalter erfindungsgemäß vorzugsweise so abgewandelt, dass ihr Volumen in Flussrichtung zunimmt, um eine Volumenabnahme des für das Retentat zur Verfügung stehenden freien Volumens zu erzielen. Grundsätzlich können in der erfindungsgemäßen Crossflow-Filtrationseinheit auch gewöhnliche Abstandshalter verbaut werden, beispielsweise im Permeatsammelspalt oder in beiden Spalten der nachstehenden Filtrationseinheit mit in Flussrichtung abnehmender Breite.
In einer Ausgestaltung kann die Maschenweite der offenmaschigen Matrix beziehungsweise des extrudierten Netzes in Flussrichtung abnehmen, um eine Abnahme des freien Volumens entlang der Flussrichtung zu erzielen. Beispielsweise beträgt die Maschenzahl am Einlass für die Speiseflüssigkeit 5/cm bis 15/cm, in der Mitte zwischen dem Einlass für die Speiseflüssigkeit und dem Auslass für das Retentat 10/cm bis 30/cm und am Auslass für das Retentat 20/cm bis 40/cm.
Alternativ oder ergänzend dazu kann die offenmaschige Matrix beziehungsweise das extrudierte Netz aus sich kreuzenden Längs- und Querfäden aufgebaut sein und die Anzahl und/oder Dicke der Längs- und/oder Querfäden in Flussrichtung zunehmen. Die offenmaschige Matrix beziehungweise das extrudierte Netz besteht vorzugsweise aus einem organischen Polymer wie beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polyester, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenfluorid oder Blends daraus. Ferner ist möglich, dass die offenmaschige Matrix beziehungsweise das extrudierte Netz aus Fasern verschiedenartiger Polymere aufgebaut ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind im Überströmspalt mehrere Lagen textiler Materialien derart übereinander angeordnet, dass das freie Kanalvolumen in Flussrichtung abnimmt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die übereinander angeordneten Lagen in Flussrichtung versetzt beginnen. Die übereinander angeordneten Lagen erstrecken sich vorzugsweise bis zum zweiten Randbereich. Dadurch wird im Überströmspalt in Flussrichtung ein zunehmendes Volumen von den textilen Materialien in Anspruch genommen, sodass das freie Volumen in Flussrichtung abnimmt. Die textilen Materialien, wie Gewebe, Gewirke, Vliese oder extrudierte Netze, können aus organischen oder nicht-organischen Werkstoffen bestehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Abnahme des freien Volumens entlang der Flussrichtung dadurch realisiert, dass die Breite des Überströmspaltes in Flussrichtung abnimmt. Die Breite verläuft entlang des flächigen Filtermaterials und senkrecht zur Flussrichtung. Besonders bevorzugt nimmt die Breite der gesamten Crossflow-Filtrationseinheit in Flussrichtung ab. Vorzugsweise ist der Überströmspalt bzw. die Crossflow-Filtrationseinheit in einer Draufsicht entlang einer Normalen der Ebene, in der das flächige Filtermaterial liegt, trapezförmig. Die Trapez-Grundform des Überströmspaltes bzw. der Crossflow-Filtrationseinheit kann ungleichschenklig, beispielsweise rechtwinklig, sein und ist vorzugsweise gleichschenklig.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Höhe des Überströmspaltes bzw. der Filtrationseinheit in Flussrichtung abnehmen und beispielsweise keilförmig ausgestaltet sein. Die Höhe des Überströmspaltes bzw. der Filtrationseinheit verläuft senkrecht zum flächigen Filtermaterial und senkrecht zur Flussrichtung.
Hinsichtlich der Breite, Länge und Höhe der Crossflow-Filtrationseinheit besteht keine besondere Einschränkung. Die Länge verläuft entlang des flächigen Filtermaterials und parallel zur Flussrichtung. Vorzugsweise weist die Crossflow-Filtrationseinheit eine Länge von mindestens 50 mm, bevorzugt mindestens 150 mm, besonders bevorzugt 500 mm, insbesondere bevorzugt 750 mm oder mehr, auf.
Die hier dargestellten Ausgestaltungen zur Realisierung der Abnahme des freien Volumens des Überströmspaltes sind beliebig miteinander kombinierbar.
Die Form der Crossflow-Filtrationseinheit unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Die Crossflow-Filtrationseinheit kann beispielsweise quaderförmig oder zylinderförmig sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Trennung einer Speiseflüssigkeit in ein Retentat und ein Permeat, umfassend die Schritte

(A) Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Crossflow-Filtrationseinheit;
(B) Zuführen der Speiseflüssigkeit in den Einlass für die Speiseflüssigkeit;
(C) Abführen des Retentats aus dem Auslass für das Retentat; und
(D) Abführen des Permeats aus dem Auslass für das Permeat.

Die Erläuterungen in Bezug auf die Crossflow-Filtrationseinheit und das Trennverfahren sind wechselseitig aufeinander anwendbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch die besondere Struktur der Crossflow-Filtrationseinheit die effiziente und die Zielsubstanz schonende Filtration einer Vielzahl unterschiedlicher Speiseflüssigkeiten unter geringem apparativem Aufwand in einem Durchgang (Single-Pass). Konkrete Ausgestaltungen der einzelnen Verfahrensschritte entsprechen grundsätzlich der Betriebsweise gewöhnlicher Crossflow-Fitrationseinheiten und sind dem Fachmann bekannt. Der Druckabfall in der erfindungsgemäßen Crossflow-Filtrationseinheit ist deutlich geringer als in gewöhnlichen Single-Pass Verfahren/Filtrationseinheiten, so dass eine schonendere beziehungsweise schnellere Verfahrensführung möglich ist. Zudem steigt durch den besonderen Aufbau der Filtrationseinheit die Flächenleistung an.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich betrieben, das heißt unter konstanter/kontinuierlicher Zugabe der Speiseflüssigkeit, wodurch ein besonders effizientes und wirtschaftliches Filtrationsverfahren bereitgestellt werden kann.
1 zeigt beispielhaft schematisch eine Crossflow-Filtrationseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem langen asymmetrischen Strömungsweg im Überströmspalt, d. h. das freie Volumen des Überströmspaltes in der Flussrichtung vom Einlass für die Speiseflüssigkeit zum Auslass für das Retentat nimmt ab. Die Crossflow-Filtrationseinheit weist Einlässe für die Speiseflüssigkeit (1), Auslässe für das Retentat (2), und einen Abstandshalter (3) auf. Der nach rechts weisende Pfeil zeigt die Flussrichtung (4) an.
2 zeigt beispielhaft einen Überströmspalt mit einer offenmaschigen Matrix mit abnehmender Maschenweite. Die drei stilisierten Lupen zeigen vergrößerte Ausschnitte (5) der offenmaschigen Matrix mit abnehmender Maschenweite an. In der in 2 dargestellten Ausführungsform beträgt die Maschenzahl am Einlass für die Speiseflüssigkeit 14/cm, in der Mitte zwischen dem Einlass für die Speiseflüssigkeit und dem Auslass für das Retentat 18/cm und am Auslass für das Retentat 22/cm.
3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Crossflow-Filtrationseinheit mit Trapez-Grundform, wobei die Breite des Überströmspaltes am Einlass für die Speiseflüssigkeit (6) größer als die Breite des Überströmspaltes am Auslass für das Retentat (7) ist und kontinuierlich in Flussrichtung, angezeigt durch den nach rechts weisenden Pfeil, abnimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3441249 [0004]
DE 10022259 A1 [0037]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

US-Standard ASTM E1343-90 („Standard test method for molecular weight cutoff evaluation of flat sheet ultrafiltration membranes”) [0032]
US-Standard ASTM F316-03 TEST METHOD A („Standard test methods for pore size characteristics of membrane filters by bubble point and mean flow pore test”) [0032]
Dissertationsschrift von Melanie Sossna „Strukturausbildung von Celluloseestermembranen”, Universität Hannover 2006, Abschnitt 2.5 auf Seiten 10f, insbesondere in Tabelle 2–4 [0032]

Claims

Crossflow-Filtrationseinheit zur Trennung einer Speiseflüssigkeit in ein Retentat und ein Permeat, mindestens umfassend einen Überströmspalt, ein flächiges Filtermaterial und einen Permeatsammelspalt, derart angeordnet, dass das flächige Filtermaterial den Überströmspalt und den Permeatsammelspalt voneinander abgrenzt, wobei der Überströmspalt fluidleitend mit mindestens einem Einlass für die Speiseflüssigkeit und mit mindestens einem Auslass für das Retentat verbunden ist und der Permeatsammelspalt fluidleitend mit mindestens einem Auslass für das Permeat verbunden ist, der Einlass für die Speiseflüssigkeit in einem ersten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht ist und der Auslass für das Retentat in einem zweiten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit, welcher dem ersten Randbereich gegenüberliegt, angebracht ist, und das freie Volumen des Überströmspaltes in der Flussrichtung vom Einlass für die Speiseflüssigkeit zum Auslass für das Retentat abnimmt.
Crossflow-Filtrationseinheit nach Anspruch 1, wobei die Auslässe für das Permeat im ersten und zweiten und/oder im dritten und vierten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht sind.
Crossflow-Filtrationseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Überströmspalt mehrere Lagen textiler Materialien übereinander angeordnet sind, derart, dass das freie Volumen des Überströmspaltes in Flussrichtung abnimmt.
Crossflow-Filtrationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Überströmspalt ein flächiger Abstandshalter angebracht ist, derart, dass das freie Volumen des Überströmspaltes in Flussrichtung abnimmt.
Crossflow-Filtrationseinheit nach Anspruch 4, wobei der Abstandshalter eine nicht ebene Platte ist.
Crossflow-Filtrationseinheit nach Anspruch 4, wobei der Abstandshalter aus einer offenmaschigen Matrix oder aus einem extrudierten Netz besteht, wobei die offenmaschige Matrix beziehungsweise das extrudierte Netz aus sich kreuzenden Längs- und Querfäden aufgebaut ist.
Crossflow-Filtrationseinheit nach Anspruch 6, wobei die Maschenweite der offenmaschigen Matrix beziehungsweise des extrudierten Netzes in Flussrichtung abnimmt und/oder die Anzahl und/oder die Dicke der Längs- und/oder Querfäden in Flussrichtung zunimmt.
Crossflow-Filtrationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Breite des Überströmspaltes in Flussrichtung abnimmt.
Crossflow-Filtrationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Crossflow-Filtrationseinheit eine Mehrzahl übereinandergestapelter Anordnungen von Überströmspalt, flächigem Filtermaterial, Permeatsammelspalt und flächigem Filtermaterial aufweist, sodass die gestapelten Anordnungen zu einer Filterkassette zusammengefasst sind.
Verfahren zur Trennung einer Speiseflüssigkeit in ein Retentat und ein Permeat, umfassend die Schritte (A) Bereitstellen einer Crossflow-Filtrationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9; (B) Zuführen der Speiseflüssigkeit in den Einlass für die Speiseflüssigkeit; (C) Abführen des Retentats aus dem Auslass für das Retentat; und (D) Abführen des Permeats aus dem Auslass für das Permeat.
Verwendung der Crossflow-Filtrationseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Filtration, Diafiltration, Aufkonzentrierung und/oder Änderung der Ionenzusammensetzung einer Lösung.