DE102016004114A1 - Crossflow filtration unit - Google Patents
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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.The present invention relates to a crossflow filtration unit for separating a feed liquid into a retentate and a permeate, a corresponding method and the use of the crossflow filtration unit.
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.The present invention relates to a crossflow filtration unit for separating a feed liquid into a retentate and a permeate, a corresponding method and the use of the crossflow filtration unit.
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.In cross-flow filtration, which can also be referred to as cross-flow or tangential flow filtration, a feed liquid to be filtered flows tangentially over the surface of a filter material, which is usually a membrane, becoming different in a retentate (concentrate) and a permeate (filtrate) Compositions split.
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.The retentate flows over the surface of the filter material and can be removed after only a single overflow ("single-pass" operation), but also recycled in the circuit, so that it repeatedly flows over the membrane surface. The permeate flows through the membrane perpendicular to the surface and is then removed. Target substances to be obtained may be contained in the permeate (permeate) and / or in the retentate (retentate).
Crossflow-Filtrationseinheiten werden häufig in Form von Filterkassetten eingesetzt, wie sie beispielsweise in der
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.If a single pass does not suffice for the desired separation task, the crossflow filtration process is usually carried out discontinuously in so-called "batch" operation. The withdrawn retentate is fed again as a feed liquid to the filtration unit until the desired separation efficiency is achieved. Only then is the filtration unit ready for the next charge (batch) of feed liquid to be filtered.
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.Disadvantages of the discontinuous mode of operation include, inter alia, a complicated procedure and a lack of protection of target substances contained in the retentate. In particular, biomolecules such as proteins or nucleic acids can be exposed to unwanted degradation processes by the extended path and flow deflection of the retentate by its return as a feed liquid.
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.In the past, it has been proposed to connect ordinary filter cartridges in series for higher separation efficiency. By such a procedure, however, an increased expenditure on equipment is required. Among other things, it is necessary to compensate for the increased pressure loss caused by the series connection, for example by interposing pumps. This not only leads to increased operating costs and an additional energy expenditure but also to a temperature increase in the retentate, which can have a negative effect on the stability of the target substances contained therein, in particular if these are biomolecules. In addition, a series connection, although basically a continuous procedure allows, however, the distance traveled of the retentate usually can not be reduced and thus the same problems as in the discontinuous operation with recycling of the retentate occur.
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.To circumvent the above problems, prior art single-pass filter cartridges with increased separation efficiency have been proposed. This can be achieved, for example, by providing filter cartridges with an extended flow path (eg meandering, flow deflection). In classic filter cartridges for crossflow filtration, the overflow gap has a length dimension in the range of about 150 mm. However, a disadvantage of such single-pass filter cartridges is the high pressure loss. In addition, the known from the prior art single-pass filter cartridges on a low area performance and lead to long filtration times.
Daher besteht ein Bedarf an Crossflow-Filtrationseinheiten, welche die vorstehenden Probleme umgehen.Therefore, there is a need for crossflow filtration units that circumvent the above problems.
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.It is therefore an object of the present invention to provide a crossflow filtration unit which can be operated with high area performance, short filtration time and low pressure drop. It is another object of the present invention to provide a process for separating a feed liquid into a retentate and a permeate using the crossflow filtration unit.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.This object is achieved by the embodiments characterized in the claims.
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. In particular, the present invention relates to a crossflow filtration unit for separating a feed liquid into a retentate and a permeate, comprising at least an overflow gap, a sheet-like filter material and a Permeatsammelspalt arranged such that the flat filter material delimits the Überströmspalt and the Permeatsammelspalt from each other, wherein the Überströmspalt fluidly connected to at least one inlet for the feed liquid and connected to at least one outlet for the retentate and the permeate collection gap is fluidly connected to at least one outlet for the permeate, the inlet for the feed liquid in a first edge region of the crossflow filtration unit is mounted and the outlet for the retentate in a second edge region of the crossflow filtration unit, which is opposite to the first edge region, and the free volume of the overflow gap in the flow direction from the inlet f for the feed liquid to the outlet for the retentate decreases.
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.With the improved crossflow filtration unit according to the invention, fluids such as liquids, emulsions, suspensions, drinks such as beer, wine, juice, water, milk and whey, beer wort, industrial and wastewater, solutions in the pharmaceutical, medical, cosmetic, Chemical, biotechnology, genetic engineering, environmental protection and laboratory area are used as feed liquid and filtered. They can be used for the recovery of valuable materials, eg separation of macromolecules and biomolecules, depyrogenation and sterilization of solutions, removal of pollutants from fluids, filtration and concentration of biological solutions, separation of microorganisms such as bacteria, yeasts, viruses and cell components , used for the desalting of protein solutions and other biological media.
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.The cross-flow filtration unit according to the invention may be particularly advantageous on account of the method of operation for filtration, diafiltration, concentration (reduction of the solvent or water content), and / or modification of the ion composition (eg buffer exchange) of a solution, preferably a protein solution, be used.
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.As a result of the decreasing free volume in the direction of flow (space available for the retentate, dead or void volume) of the overflow gap and the flatness of the filter material, the crossflow filtration unit has a low pressure loss and a substantially deflection-free flow path of the retentate.
Für die im Überströmspalt befindliche Flüssigkeit können die Begriffe Speiseflüssigkeit und Retentat gleichbedeutend verwendet werden.For the liquid present in the overflow gap, the terms feed liquid and retentate can be used synonymously.
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.The flow direction of the feed liquid / retentate in the filtration unit is defined by the inlet for the feed liquid as the starting point and the opposite outlet for the retentate as the end point. The flow direction of the retentate is largely parallel to the flow path along the flat filter material, that is essentially without deflections. The term "sheet" indicates that the filter material lies substantially in a single plane. Due to the largely straight-line flow path without deflections, loops or the like, the pressure drop in the filtration unit and undesirable effects of non-linear flows on target substances contained in the feed fluid can be minimized.
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.According to a preferred embodiment of the invention, the outlet for the permeate is mounted in the second edge region of the crossflow filtration unit. Particularly preferably, in each case at least one outlet for the permeate is attached both in the first and in the second edge region of the crossflow filtration unit. In a further embodiment of the invention, the outlets for the permeate are mounted alternatively or additionally in the third and / or fourth edge region of the crossflow filtration unit. The third edge region is located in a top view of the crossflow filtration unit from the side of the overflow gap on the left side of the flow direction. The fourth edge region is accordingly on the right side and thus lies opposite the third edge region. By projecting the outlet or outlets above, a particularly high permeate performance can be achieved and constructive advantages can be achieved, for example if the housing of connections (inlet or outlet) is provided for further channels / gaps, such as for diafiltration.
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%.Preferably, the first edge region comprises the outer third of the length of the filtration unit opposite to the direction of flow. Accordingly, the second edge region comprises the outer third of the length of the filtration unit along the flow direction. The same applies to the third and fourth border areas. It is advantageous to make the first to fourth edge areas as small as possible. Therefore, more preferably, the marginal areas include the respective outer 20%, more preferably the respective outer 10%, and most preferably the respective outer 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.Basically, there is no particular restriction with regard to the attachment of the inlets and outlets. For example, the inlets and outlets may be arranged so that the feed liquid already enters the overflow gap in the flow direction and leaves it in the flow direction. Corresponding For example, the outlet for the permeate may be positioned so that the permeate leaves the permeate collection gap in the direction of flow. Preferably, however, the inlets and outlets are arranged so that the feed liquid initially enters the overflow gap perpendicular to the flow direction and leaves it as a retentate perpendicular to the flow direction. Particularly preferably, the inlets and outlets on the side of the overflow gap or the Permeatsammelspaltes, which is opposite to the sheet-like filter material attached. Such attachment of the inlets and outlets facilitates the arrangement of a plurality of filtration units according to the invention to a filter cartridge.
Vorzugsweise weist die Crossflow-Filtrationseinheit mehrere Einlässe für die Speiseflüssigkeit, mehrere Auslässe für das Retentat und mehrere Auslässe für das Permeat auf.Preferably, the crossflow filtration unit has a plurality of feed liquid inlets, a plurality of retentate outlets, and a plurality of permeate outlets.
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.In a preferred embodiment of the invention, the free volume of the permeate collection gap changes in the flow direction. Particularly preferably, the free volume of the permeate collection gap decreases in the flow direction. As a result, for example, the outer dimensions of the filtration cassette can be maintained.
Die Erläuterungen zur Ausgestaltung des Überströmspaltes gelten entsprechend für den Permeatsammelspalt und umgekehrt.The explanations regarding the design of the overflow gap apply correspondingly to the permeate collection gap and vice versa.
„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."Free volume decreasing in the direction of flow" means that a cross-sectional area A 1 through which the retentate flows and which lies in a plane having a normal to the flow direction and a corresponding cross-sectional area A 2 parallel to A 1 is farther away from the inlet for the feed liquid than A 1 , wherein the area A 1 permeable by the retentate is greater than A 2 and there are no correspondingly defined planes A 1 'and A 2 ' for which the area of A 1 'is smaller than that of A 2 '.
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.The decrease in free volume can be continuous (for all A 1 and A 2 , A 1 ≥ A 2 ) or continuous (for all A 1 and A 2 , A 1 > A 2 ). It is also possible that the volume decrease is discontinuous, that is, at least one discontinuous drop or crack in the cross-sectional area occurs along the flow direction.
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.The change in the free volume of the Überströmspaltes in the flow direction is preferably in the range of 20 to 1 to 1.2 to 1, preferably 10 to 1, depending on the filtration task. Here, the "change in the free volume of the overflow gap in the flow direction" is understood to mean the ratio of the cross-sectional area A 1 at the inlet for the feed liquid to the cross-sectional area A 2 at the outlet for the retentate.
In einer Ausgestaltung der Erfindung nimmt/nehmen die Dicke des Überströmspaltes und gegebenenfalls die Dicke des Permeatsammelspaltes in Flussrichtung ab.In one embodiment of the invention, the thickness of the overflow gap and optionally the thickness of the permeate collection gap decreases / decreases in the direction of flow.
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.The Überströmspalt is preferably flat on its side, which faces the flat filter material. In this case, the Überströmspalt is bounded from two sides flat. Preferably, the Überströmspalt is limited by a further, second flat filter material. Accordingly, the permeate collection gap on its side, which faces the sheet-like filter material, is preferably limited in area, optionally by a third flat filter material. According to a preferred embodiment, the flat filter material has a substantially uniform thickness of preferably 50 to 10,000 microns, more preferably 150 to 1000 microns, on. According to one embodiment, as a result of the fact that the areal boundary of the filter material and the further areal boundary of the overflow gap do not run parallel to one another on the side opposite the filter material, the free volume of the overflow gap is wedge-shaped, so that the free volume decreases in the direction of flow. Particularly preferably, the Überströmspalt is bounded on both sides by largely parallel surfaces.
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.Preferably, the crossflow filtration unit has a plurality of stacked arrangements of Überströmspalt, sheet-like filter material, Permeatsammelspalt and flat filter material, so that the stacked arrangements are combined to form a filter cartridge. Suitable arrangements and configurations for filter cartridges are known in the art.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Filtermaterial eine Filtrationsmembran. Als Filtermaterial geeignet ist insbesondere eine poröse Membran im Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsbereich.According to a preferred embodiment of the invention, the filter material is a filtration membrane. Particularly suitable as filter material is a porous membrane in the ultrafiltration and microfiltration range.
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.The ultrafiltration membranes are characterized by pore sizes of less than 0.01 microns, or characterized by molecular weight cut-offs (MWCO) of 5 to 1500 kDa, while the microfiltration membranes pore sizes in the range of 0.01 to 50 microns, preferably 0, 01 to 0.5 microns, or molecular weight cut-off limits of 30 to 1500 kDa.
Die Bestimmung der Molekulargewichtsausschlussgrenze kann gemäß
Die Filtrationsmembranen können beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid, Cellulose und deren Derivaten, Polyethersulfon oder Polysulfon bestehen, wobei vernetztes Cellulosehydrat besonders bevorzugt ist.The filtration membranes may consist, for example, of polyvinylidene fluoride, cellulose and derivatives thereof, polyethersulfone or polysulfone, with crosslinked cellulose hydrate being particularly preferred.
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.The overflow gap and the permeate collection gap are usually kept open by spacers for the respective media. In a preferred embodiment of the invention, a planar spacer is mounted in the overflow gap of the crossflow filtration unit, such that the free volume of the overflow gap decreases in the flow direction.
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.Suitable spacers for crossflow filtration units are known in the art and may also be used in the crossflow filtration unit of the present invention. Preferably, according to the invention, the spacers are modified in such a way that their volume in the direction of flow increases in order to achieve a decrease in the volume of the free volume available for the retentate. Preferred spacers may be textile materials of organic or non-organic materials, such as woven, knitted, nonwoven or extruded nets.
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.Advantageously, the spacer may be a non-planar plate. The non-planar plate may be a plate having at least one non-planar major surface. The main surfaces of a slab are the opposing surfaces with the largest surface area. The at least one non-planar major surface may have unevenness in the form of a corrugated or serrated surface. In addition, the uneven surface may have protruding elements such as cones (stumps), pyramids (stumps), nubs or other geometric figures. The non-planar plate may also be similar to a corrugated sheet in a corrugated or serrated form, with the corrugations or serrations preferably extending parallel to the direction of flow. Suitable materials for the non-planar plate are the same as those listed below for open-meshed matrix spacers.
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
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.In one embodiment, the mesh width of the open-meshed matrix or of the extruded mesh can decrease in the direction of flow in order to achieve a decrease in the free volume along the direction of flow. For example, the mesh size at the inlet for the feed liquid is 5 / cm to 15 / cm, midway between the feed liquid inlet and outlet for the retentate 10 / cm to 30 / cm, and at the outlet for the retentate 20 / cm to 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.Alternatively or additionally, the open-mesh matrix or the extruded mesh can be constructed of intersecting longitudinal and transverse threads and the number and / or thickness of the longitudinal and / or transverse threads in the flow direction increase. The open mesh matrix, or the extruded mesh, preferably consists of an organic polymer such as, for example, polypropylene, polyethylene, polyester, polyvinyl chloride or polyvinylidene fluoride or blends thereof. It is also possible that the open-meshed matrix or the extruded mesh is composed of fibers of different types of polymers.
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 a further preferred embodiment of the invention, several layers of textile materials are arranged one above the other in the overflow gap such that the free channel volume decreases in the direction of flow. This can be achieved, for example, in that the layers arranged one above the other start offset in the direction of flow. The superimposed layers preferably extend to the second edge region. As a result, an increasing volume of the textile materials is used in the overflow gap in the direction of flow, so that the free volume in the flow direction decreases. The textile materials, such as tissue, Knitted fabrics, nonwovens or extruded nets may be made of organic or non-organic materials.
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.In a further preferred embodiment of the invention, the decrease of the free volume along the flow direction is realized in that the width of the overflow gap decreases in the flow direction. The width runs along the flat filter material and perpendicular to the flow direction. Particularly preferably, the width of the entire crossflow filtration unit decreases in the direction of flow. The overflow gap or the crossflow filtration unit is preferably trapezoidal in a plan view along a normal of the plane in which the flat filter material lies. The trapezoidal basic shape of the overflow gap or of the crossflow filtration unit can be unequal in shape, for example at right angles, and is preferably isosceles.
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.According to one embodiment, the height of the overflow gap or of the filtration unit can decrease in the direction of flow and be designed wedge-shaped, for example. The height of the Überströmspaltes or the filtration unit is perpendicular to the flat filter material and perpendicular to the flow direction.
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.There is no particular restriction on the width, length and height of the crossflow filtration unit. The length runs along the flat filter material and parallel to the flow direction. Preferably, the crossflow filtration unit has a length of at least 50 mm, preferably at least 150 mm, more preferably 500 mm, particularly preferably 750 mm or more.
Die hier dargestellten Ausgestaltungen zur Realisierung der Abnahme des freien Volumens des Überströmspaltes sind beliebig miteinander kombinierbar.The embodiments shown here for realizing the decrease in the free volume of the overflow gap can be combined with one another as desired.
Die Form der Crossflow-Filtrationseinheit unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Die Crossflow-Filtrationseinheit kann beispielsweise quaderförmig oder zylinderförmig sein.The shape of the crossflow filtration unit is not particularly limited. The crossflow filtration unit may be, for example, cuboid or cylindrical.
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.
- (A) providing a crossflow filtration unit according to the invention;
- (B) feeding the feed liquid into the inlet for the feed liquid;
- (C) removing the retentate from the outlet for the retentate; and
- (D) discharging the permeate from the outlet for the permeate.
Die Erläuterungen in Bezug auf die Crossflow-Filtrationseinheit und das Trennverfahren sind wechselseitig aufeinander anwendbar.The explanations regarding the crossflow filtration unit and the separation process are mutually applicable.
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.Due to the special structure of the crossflow filtration unit, the process according to the invention permits efficient and target substance-sparing filtration of a large number of different feed liquids with little outlay in terms of equipment in a single pass. Concrete embodiments of the individual process steps basically correspond to the operation of ordinary crossflow filtration units and are known to the person skilled in the art. The pressure drop in the crossflow filtration unit according to the invention is significantly lower than in ordinary single-pass processes / filtration units, so that a gentler or faster process control is possible. In addition, due to the special structure of the filtration unit increases the area performance.
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.Preferably, the process according to the invention is operated continuously, that is to say under constant / continuous addition of the feed liquid, whereby a particularly efficient and economical filtration process can be provided.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 3441249 [0004] DE 3441249 [0004]
- DE 10022259 A1 [0037] DE 10022259 A1 [0037]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- US-Standard ASTM E1343-90 („Standard test method for molecular weight cutoff evaluation of flat sheet ultrafiltration membranes”) [0032] 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] 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] PhD thesis by Melanie Sossna "Structure formation of cellulose ester membranes", University of Hannover 2006, Section 2.5 on pages 10f, especially in Table 2-4 [0032]
Claims (11)
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102016004114A1 (en) |
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| DE3441249A1 (en) | 1983-11-15 | 1985-05-30 | Sartorius GmbH, 3400 Göttingen | Stacked separating element made of layered sheets for treating fluids |
| DE10022259A1 (en) | 2000-05-08 | 2001-11-15 | Sartorius Gmbh | Cross-flow filter cassette used in the pharmaceutical and biotechnology industries has an overflow gap formed from a retentate distance spacer element and retentate distance spacer frames |
-
2016
- 2016-04-05 DE DE102016004114.5A patent/DE102016004114A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Dissertationsschrift von Melanie Sossna „Strukturausbildung von Celluloseestermembranen", Universität Hannover 2006, Abschnitt 2.5 auf Seiten 10f, insbesondere in Tabelle 2–4 |
| US-Standard ASTM E1343-90 („Standard test method for molecular weight cutoff evaluation of flat sheet ultrafiltration membranes") |
| 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") |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |