Technisches Gebiet ^' •

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen mit einer oder mehreren Membranen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 1 ist beispielsweise aus der DE-OS 33 04 956 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist die Membran eine Pervaporationsmembran, d.h. eine Membran, deren Trenn¬ funktion auf unterschiedlichen Löslichkeiten (Sorption) sowie zusätzlich auf unterschiedlichen Diffusionskoeffi¬ zienten der einzelnen Bestandteile des Fluidge isches im Me branmäterial beruht. Das Membranmaterial ist so gewählt, daß sich der abzutrennende Bestandteil des Fluidgemisches im Membranmaterial besser löst als die restlichen Komponenten des Gemisches. Als Membranmateri¬ alien werden beispielsweise Polymere verwendet.

Läßt man auf der einen Seite der Membran das Fluidge¬ misch vorbeiströmen, während man auf der anderen Seite der Membran einen niedrigeren Partialdruc des abzu¬ trennenden Bestandteils als in dem Fluidgemisch auf¬ recht erhält, so reichert sich der abzutrennende Be¬ standteil auf dieser Seite an. Das Permeat, d.h. der abzutrennende Bestandteil verläßt jedoch die Membran im "dampfförmigen Zustand, so daß der Umgebung die zur Umwandlung vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand erforderliche Wärme entzogen werden muß. Hierdurch kühlt sich das Fluidgemisch ab. Die Abkühlung des Flu¬ idgemisches verlangsamt aber die auf Diffusion beruhen-

den Transportvorgänge durch die Membran; unter Umständen können die Transportvorgänge sogar praktisch vollständig zum Erliegen kommen.

Aus diesem Grunde ist in der DE-OS 33 04 956 vorgeschla¬ gen worden, in dem Flüssigkeits- bzw. Fluidgemisch, das auf der einen Seite der Membran vorbeiströmt, eine Heizung vorzusehen, die eine "optimierbare"- gleichmäßige Temperatur innerhalb der Rohmediumkammer einstellt. Unter Rohmediumkammer wird dabei in der DE-OS 33 04 956 der Bereich verstanden, durch den das Fluidgemisch an der Membran vorbeiströmt.

Diese in der DE-OS 33 04 956 vorgeschlagene Heizung des Fluidgemisches hat eine Reihe von Nachteilen:

Durch die in der "Rohmediumkammer" vorgesehene Heizung wird nicht nur das durch die Membran- permeierende ^' Fluid aufgeheizt, sondern das gesamte Fluidgemisch, so daß der Leistungsverbrauch beträchtlich ist. Durch die Aufhei- zung des Fluidgemisches können darüber hinaus tempera¬ turempfindliche Komponenten des Fluidgemisches geschä¬ digt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Membran zur kontinuierlichen Produktentfernung aus einem Bioreaktor genutzt wird. In den Fluidgemischen von Bioreaktoren befinden sich auch die das abzutrennende Produkt erzeugenden Mikroorganismen, die häufig sehr temperaturempfindlich sind und bezüglich der Produkter¬ zeugung ein Temperaturoptimum besitzen. Dabei ist es sehr häufig der Fall, daß man zur Kompensation der von der permeierenden Komponente aufgenommenen Verdampfungs¬ wärme gezwungen ist, das Fluidgemisch über das Tempera¬ turoptimum hinaus aufzuheizen, so daß es zu einer Ver¬ ringerung, ja sogar zu einer Einstellung der Produktion kommen kann.

Darstellung der Erfindung

Die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, mindestens eine beheizbare Membran vorzusehen. Dabei wird unter Membran ein Schichtaufbau verstanden, der zusätzlich zur Trennfunktion auch eine Stützfunktion haben kann. Die erfindungsgemäße Ausbil¬ dung der Membran als beheizbare Membran ermöglicht eine Beheizung, durch die sich nur die Membran und die unmit¬ telbar an der Membran anliegende Fluidschicht bzw. die in der Membran befindlichen Bestandteile erwärmen. Die Temperatur des gesamten Fluidgemisches erhöht sich aufgrund der lokalen Beheizung der Membran sowie der die Membran umgebenden Fluidschicht praktisch nicht, so daß empfindliche Bestandteile des Fluidgemisches, wie Mikro¬ organismen etc. nicht geschädigt werden:

Zum einen wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Membran nur ein kleiner Teil des Fluidgemisches aufge¬ heizt; vor allem, aber kann die der Membran zugeführte Heizleistung so geregelt werden, daß lediglich die der Membran bzw. ihrer Umgebung entzogene "Verdampfungs¬ bzw. Absorptionswärme" wieder zugeführt wird. Durch die lokale Beheizung wird darüber hinaus die benötigte Heizleistung wesentlich reduziert.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke, die Membran beheizbar auszugestalten, ist nicht nur bei Vorrichtungen einsetz¬ bar, die als Trennmembran eine Pervaporationmembran verwenden. Dieser Grundgedanke läßt sich vielmehr auch bei Vorrichtungen verwenden, deren Trennmembran eine Porenmembran, d.h. ein Ultrafiltrationsmembran ist (Anspruch 2). Durch die Heizung der Membran ergibt sich eine Membrandestillation. Zu den Grundlagen der Membran¬ destillation wird auf den Artikel von K. Schneider und

T.J. van Gassei "Membrandestillation" in Chemie-Inge¬ nieur Technik, 1984, S. 514-521 verwiesen. Die erfin¬ dungsgemäß vorgesehene Heizung der Membran hat jedoch gegenüber den bekannten Vorrichtungen bei denen das Fluidgemisch als Ganzes aufg'eheizt wird, die vorstehend erläuterten Vorteile.

In den Ansprüchen 3 und 4 sind vorteilhafte Ausbildungen der zur Membrandestillation verwendeten Porenmembran gekennzeichnet: Die Porenmembran kann entweder aus einem elektrisch leitenden Material, wie Kohlenstoff oder einem Metall, insbesondere einem Sintermetall bestehen, oder es kann bei einer aus einem Isolator bestehenden Porenmembran eine elektrisch leitendene Schicht aufge¬ bracht werden. In jedem Falle kann die Porenmembran entweder mittels direkten Stromdurchgangs oder induktiv geheizt werden (Ansprüche 9 bzw. 10).

Der Trennfaktor der erfindungsgemäß vorgesehenen beheiz¬ ten Membran kann weiter erhöht werden, wenn diese gemäß Anspruch 12 aus einem Material besteht oder auf der dem Fluidgemisch zugewandten Seite mit einem Material be¬ schichtet ist, das von der abzutrennenden Komponente bevorzugt benetzt wird.

Beispielsweise kann die Membran bei der Trennung von Öl und Wasser hydrophil oder hydrophob beschichtet sein, je nachdem ob das Öl oder das Wasser aus dem Wasser/Öl- Gemisch entfernt werden soll. Diese Benetzbarkeit der Membran durch die abzutrennende Komponente bzw. die Nichtbenetzbarkeit der Membran durch die zurückzuhalten¬ den Komponenten verstärkt die selektive Wirkung der Beheizung der Membran, so daß bei hohen Trenngeschwin¬ digkeiten große Trennfaktoren erhalten werden.

Selbstverständlich kann der selektive Teil der Membran - wie bereits ausgeführt - auch eine Pervaporationsmem- bran, d.h. eine Löslichkeitsmembran sein. Um technisch und wirtschaftlich relevante Massenströme durch die permselektive Membran hindurch zu erzeugen, muß der selektive Teil der Membran möglichst dünn sein. Er hat deshalb oft keine ausreichende mechanische Festigkeit, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß Druckdifferen¬ zen bis zu einigen 100 bar auftreten können. Deshalb benötigt der selektive Teil der Membran häufig ein Stützgerät. (Dies kann auch für Porenmembrane gelten. )

Erfindungsgemäß kann das Stützgerüst selbst zur Behei¬ zung der permselektiven Membran (oder der Porenmembran) dienen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Stützge¬ rüst als poröse Metallschicht (allerdings ohne eigentli¬ che Filterwirkung) auszubilden. Eine derartige Metall¬ schicht hat nicht nur den Vorteil besonders hoher Festigkeit, sondern läßt sich auch einfach beheizen.

Verwendet man als Stützgerüst ein Metall vergleichsweise schlechter elektrischer Leitfähigkeit, so eignet sich dieses zur Widerstandsheizung. Eine andere vorteilhafte Ausführung des Erfindungsgedankens besteht in der Anwen¬ dung einer induktiven Heizung.

Die Verwendung eines porösen Stützgerüstes, dessen Poren keine Trennfunktion haben, ermöglicht u.a. folgende vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung: Beschichtet man die Porenwandungen derart, daß sie von der Komponen¬ te bevorzugt benetzt werden, die mittels der nachge¬ schalteten selektiven Membran abgetrennt werden soll, so wird nicht nur die Trennrate erhöht. Da in die Poren der abzutrennende Bestandteil bevorzugt eindringt, und andererseits im wesentlichen nur das Fluidgemisch in den

Poren aufgeheizt wird, wird darüberhinaus auch die über das Stützgerüst eingebrachte Heizleistung besonders effektiv ausgenutzt, während gleichzeitig die Schädigun¬ gen beispielsweise von Mikroorganismen weiter reduziert werden.

Neben der vorstehend näher erläuterten bevorzugten Ausführungsform, bei der das poröse .Stützgerüst aufge¬ heizt wird, ist es ferner auch möglich, eine Mikrowel¬ lenheizung vorzusehen, die beispielsweise eine aus einem Polymer bestehende Pervaporationsmembran direkt auf¬ heizt. Eine weitere Ausführungsform sieht einen Zwei- Schichten-Aufbau des Stützgerüstes, d.h. mit der permse¬ lektiven Schicht einen Drei-Schichten-Aufbau der gesam¬ ten Membran vor. Die beiden Schichten des Stützgerüstes sind z.B. die poröse Metallschicht mit beschränkter Dicke und ein weiteres grobporiges bzw. engmaschiges, gitterartiges Stützgerüst. Dieser Aufbau ist beispiels-' weise bei nicht ausreichender mechanischer Festigkeit der porösen Metallschicht bezüglich des angelegten Unterdrucks erforderlich. Die Beheizung kann entweder in der einen oder anderen oder auch beiden Schichten des Stützgerüstes erfolgen.

Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausfüh¬ rungen lassen sich auch miteinander kombinieren:

So ist es beispielsweise möglich, mehr als eine beheiz¬ bare Membran vorzusehen, um mehr als einen Bestandteil aus einem Fluidgemisch abzutrennen: Beispielsweise kann bei der Trennung von Öl/Wasser-Gemischen die eine Mem¬ bran so beschichtet sein, daß sie bevorzugt von Öl benetzt wird bzw. hydrophob ist, während die andere Membran so beschichtet ist, daß sie hydrophil ist. Ordnet man die beiden Membrane so an, daß sie Begren-

zungswände eines von dem Öl/Wasser-Gemisch durchströmten Kanals bilden, so kann man mit dieser Anordnung errei¬ chen, daß laufend dem Öl/Wasser-Gemisch sowohl Öl als auch Wasser entzogen wird, so daßi die Gesamtkonzentra¬ tion in etwa konstant ist. Eine in etwa konstante Kon¬ zentration von Öl in Wasser bzw. von Wasser in Öl erhöht aber die Trennleistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber einer Vorrichtung, bei der. die Konzentration einer Komponente laufend abnimmt. Die Verwendung einer hydrophoben bzw. hydrophilen Beschichtung ist selbstver¬ ständlich als Beispiel für den allgemeinen Erfindungsge¬ danken zu verstehen, gemäß dem die Poren- oder Pervapo- rationsmembran so beschichtet bzw. mit einem porösen Material kombiniert wird, das von der Komponente bevor¬ zugt benetzt wird, die mit der jeweiligen Membran abge¬ trennt werden soll.

Ferner ist es auch möglich, beispielsweise eine Poren- membran so anzuordnen, daß sie konzentrisch eine Perva- porationsmembran umgibt. Die Porenmembran kann dabei als "Trenn-Vorstufe" eingesetzt werden, wobei sie zusätzlich dazu dient, Bestandteile - wie Mikroorganismen etc. - abzuhalten, die ansonsten einen Belag auf der Pervapora- tionsmembran bilden würden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung mit einer Porenmembran

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung mit einer Pervapora- tionsmembran, und

Fig. 3 eine Variante des in Fig. 2 dargestellten Aus¬ führungsbeispiels, ₄

Fig. 4 eine Anordnung von erfindungsgemäß ausgebildeten Membranen in einer Vorrichtung, bei der mehr als ein Bestandteil aus einem Fluidgemisch abge¬ trennt wird.

Allen in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispie¬ len ist gemeinsam, daß auf der einen Seite 2 (Fluidsei- te) einer Membran 1 mit Trenn- und Stützfunktion ein Fluidgemisch beispielsweise in einem nicht näher darge¬ stellten Kanal an dieser Membran vorbeiströmt, und auf der anderen Seite 3 (Permeatseite) eine nicht näher dargestellte Einrichtung dafür sorgt, daß ein niedrige¬ rer Partialdruck der abzutrennenden Komponente als auf der Seite des Fluidgemisches aufrechterhalten wird. Die Einrichtung, die den niedrigeren Partialdruck aufrecht erhält, kann beispielsweise eine Saugeinrichtung, eine Kühlfalle oder ein Inertgas-Strom sein. Das Fluidgemisch kann beispielsweise eine wässrige Lösung, ein Öl/Was¬ ser-Gemisch oder ein Produkt/ Substrat-Gemisch eines Bioreaktors sein; das Fluidgemisch kann aber auch eine Mischung gasförmiger Komponenten sein.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Membran 1 als selektive Schicht eine Porenmembran, beispielsweise eine Ultrafiltrations- membran 5 aufweist. Die Porenmembran 5 ist auf der Seite 2, auf der sich das Fluidgemisch befindet, aus dem ein Bestandteil abgetrennt worden soll, mit einem Material 4 beschichtet, das bevorzugt von dem abzutrennenden Be¬ standteil benetzt wird. Soll beispielsweise aus einer wassrigen Lösung ein Bestandteil abgetrennt werden, so

kann die Beschichtung 4 der Porenmembran 1 beispielswei¬ se aus einem Polyolβfin oder einem Polyfluorkohlenwas- serstoff., wie Polytetrafluorethylen 0 er Polyvinyliden- fluorid bestehen. Derartige Materialien werden von Wasser weitgehend nicht benetzt (hierzu wird auf den bereits genannten Artikel "Membrandestillation" verwie¬ sen) .

Umgekehrt kann die Beschichtung 4 hydrophil sein, wenn beispielsweise einer wassrigen Lösung Wasser entzogen werden soll.

Die Porenmembran selbst besteht bei dem gezeigten Aus¬ führungsbeispiel aus einem Metall, so daß sie beispiels¬ weise durch direkten Stromdurchgang oder induktiv be¬ heizbar ist.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung, bei dem die Membran- 1 aus einer selektiven Schicht 5 und einem Stützgerüst 6 besteht. Die selektive Schicht 5 ist eine Pervaporationsmembran, die z.B. aus einem Polymer oder einem Silikonkautschuk besteht. Das Stütz¬ gerüst 6 kann beispielsweise ein poröses Metall ohne Trennfunktion sein.

Wie Fig. 3 zeigt, kann zusätzlich zu dem Stützgerüst 6 ein weiteres, beispielsweise aus einem geflochtenen Drahtnetz, einem Metallsieb etc. bestehendes Stützgerüst 7 vorgesehen werden, wenn beispielsweise aufgrund hoher Druckdifferenzen das Stützgerüst 6 alleine nicht für ausreichende mechanische Stabilität sorgen würde. Dieses netz- bzw. gitterartige Stützgerüst ist bevorzugt auf der Permeatseite 3 angeordnet, da es auf dieser Seite den Strom des Fluidgemisches nicht stört.

Die Porenwandungen der porösen Metallschicht 6 sind bei den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispie¬ len ebenfalls mit einem Material t-4 beschichtet, ' das von dem Bestandteil bevorzugt benetzt, wird, der durch die jeweilige selektive Schicht, bei den gezeigten Ausfüh¬ rungsbeispielen die Pervaporationsmembran 5 abgetrennt werden soll. Diese Ausbildung hat eine Reihe von Vorteilen:

- Durch die bevorzugte Benetzung des Poreninneren mit der abzutrennenden Komponente wird die Trennleistung erhöht, da die Konzentration der abzutrennenden Kompo¬ nente im Poreninneren höher als im Fluidgemisch ist.

- Da die Beheizung der Pervaporationsmembran 5 vorzugs¬ weise über die poröse Metallschicht 6 und/oder das Stützgerüst 7 erfolgt, wird im wesentlichen nur das in den Poren befindliche Fluidgemisch aufgeheizt. Hier¬ durch wird nicht nur die erforderliche Heizleistung weiter reduziert, sondern auch eventuelle Schädigungen empfindlicher Substanzen, beispielsweise von Mikroor¬ ganismen weiter verringert.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem mehr als ein Bestandteil aus einem Fluidgemisch abgetrennt werden soll. Hierzu sind zwei Membrane 1 bzw. 1' vorgesehen, die Begrenzungswände eines Kanals 2* bilden, der eine Eintrittsöffnung 8 und eine Austritts¬ öffnung 9 aufweist, und der von dem Fluidgemisch durch¬ strömt wird. Die selektiven Teile Membrane 1 bzw. 1 ' können Pervaporationsmembrane oder Porenmembrane sein. Ferner ist es auch möglich, daß eine Membran eine Perva¬ porationsmembran und die andere Membran eine Porenmem¬ bran ist. Die eine Membran 1 ist dabei so beschichtet, daß sie bevorzugt von der einen abzutrennenden Komponen¬ te benetzt wird, während die andere Membran 1 ' eine Beschichtung 4' aufweist, die so gewählt ist, daß bevor-

zugt von der anderen abzutrennenden Komponente benetzt wird.

Beispielsweise kann, wenn beabsichtigt ist, Öl und Wasser aus einem Öl/Wasser-Gemisch abzuscheiden, die Beschichtung 4 hydrophob und die Beschichtung 4' hydro¬ phil sein. Ferner ist es auch möglich, anstelle einer beschichteten Membran eine unbeschichtete Pervapora¬ tionsmembran zu verwenden, für die die Löslichkeit und Diffusion von Öl besonders groß ist.

Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung hat dann den Vorteil, daß durch die eine Membran der eine Bestandteil, also beispielsweise Öl und durch die andere Membran der andere Bestandteil, also beispielsweise Wasser aus dem Fluidgemisch, d.h. dem Öl/Wasser-Gemisch abgeschieden wird. Hierdurch bleibt die Konzentration im Fluidgemisch im Kanal ^' 2 längs der Membran weitgehend konstant, -so daß sich über die Gesamtmembranlänge ein konstanter Trenn¬ faktor im Gegensatz zu Anordnungen ergibt, bei denen die Konzentration einer Komponente in Strömungsrichtung abnimmt. Außerdem wird das Umschlagen eines Öl/Wasser¬ in ein Wasser/Öl-Gemisch verhindert. Dieses Umschlagen verringert bei den bekannten Anordnungen die Trenn¬ leistung wesentlich.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen beschrieben worden. Im Rahmen des erfindungsge¬ mäßen Grundgedankens, die Membran zu beheizen, sind die verschiedensten Modifikationen möglich. Beispielsweise kann die Beheizbarkeit der Membran in der in der DE-OS 29 26 941 angegebenen Weise erzielt werden. Ferner ist es möglich, zusätzlich weitere nicht beheizte oder beheizte Membranen vorzusehen, die weitere Trennfunktio¬ nen ausüben: Beispielsweise kann einer beheizten Perva-

porationsmembran eine Porenmembran vorgeschaltet werden, die z.B. Mikroorganismen abhält.

Auch ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf die vorstehend dargestellten "linearen Anordnungen" be¬ schränkt. Beispielsweise können auch Anordnungen mit Zylindergeometrie verwendet werden. Bei derartigen Anordnungen kann beispielsweise eine Komponente über die Zylinderachse und die andere über den Zylindermantel abgetrennt werden. Ferner können die erfindungsgemäß vorgesehenen beheizbaren Membrane mit anderen Trennma߬ nahmen kombiniert werden, beispielsweise kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Membran als Tauchrohr eines Hydrozyklons eingesetzt werden. Im übrigen können mit den erfindungsgemäßen beheizbaren Membranen alle bekann¬ ten Geometrien realisiert werden, wie sie z.B. in hin- tereinanderschaltbaren Trennmodulen verwendet werden.