HOHLFASERSTAPEMODUL

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kapillar- bzw. Hohlfasermodul zur Filtration und Separation von Flüssigkeiten im Dead- End- und / oder Cross- Flow- Betrieb, dessen Anordnung in einem verfahrenstechnischen Gesamtsystem und Betriebsweise desselben mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Stand der Technik

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

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

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

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

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

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

Die ursprüngliche und bislang weitestgehend übliche Form ist die, bei der in ein rohrförmiges Gehäuse ein Bündel von beidseitig offenen Kapillaren eingebracht und an beiden Enden vergossen wird. Das zu behandelnde Fluid wird unter Druck durch die

Kapillaren gepumpt, das Permeat tritt durch die Kapillaren hindurch und wird in den

Zwischenräumen gesammelt und aus dem umgebenden Rohr abgeführt.

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

Die beiden genannten Konfigurationen weisen wesentliche Nachteile auf, was die Entwicklung der so genannten getauchten Systeme antrieb. Hierbei werden im Prinzip Kapillarbündel ohne Gehäuse in Flüssigkeit eingetaucht. Als treibende Kraft dient meist ein innenseitig angelegter Unterdruck, oder auch ein außenseitig angelegter Druck (Flüssigkeitsstand im Tauchbecken) oder auch eine Kombination aus bei- dem.

Zur besseren Darstellung des Stands der Technik soll Fig. 6 dienen. Darin wer- den alle derzeit im Markt in großtechnischem Einsatz befindlichen Module nach ihrem Funktionsprinzip in Gruppen eingeteilt. Es steht Z für Zufuhr, R für Retentatauslaß und P für Permeatauslaß.

In der Modulgruppe A sind Produkte zusammengefasst, bei denen die Fluidzu- fuhr stirnseitig an einem Ende und die Retentatabfuhr stirnseitig am anderen Ende er- folgt. Die Strömung des zu bearbeitenden Fluids erfolgt im Inneren der Kapillaren. Die

Permeatabfuhr erfolgt über einen Anschluss am Modulgehäuse. In der Regel werden

mehrere solche Module parallel in so genannten Racks angeordnet. Die Module werden üblicherweise von unten angeströmt. In vielen Anwendungen (wie z. B. der Getränketechnik oder der öl- Wasser- Trennung) wird diese Modulbauart und -betriebsweise gewählt. Es wird meist mit höher "belasteten" Medien im Cross- Flow- Betrieb gefahren.

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

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

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

Gruppe E umfasst Produkte, die auch als "getauchte" Module bezeichnet wer- den. Sie werden ohne Außengehäuse in die zu filtrierende Flüssigkeit (Fluid) eingetaucht und können nur im Dead- End- Verfahren betrieben werden. Solche Module können sowohl für gering belastete (z. B. Trinkwasser) als auch für sehr hoch belastete

Medien (z. B. Belebtschlamm) verwendet werden, da die Kapillaren durch einen Strom unten eingeblasener und aufsteigender Luftblasen bewegt und "abgereinigt" werden. Die Kapillaren sind senkrecht angeordnet und ein- oder auch zweiseitig eingegossen.

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

Die nachfolgend verwendeten Begriffe sind wie folgt zu verstehen: Die Filtratrichtung bezeichnet die Strömungsrichtung des Permeats durch die Wand der Kapillare. Dies kann von innen nach außen erfolgen, wobei sich die filtrierende Schicht dann an der Innenfläche der Kapillare befindet. Die Filtratrichtung kann auch von außen nach innen erfolgen, hierbei ist die filtrierende Schicht an der Außenfläche der Kapillare zu finden. Weiterhin gibt es Kapillaren, die beidschichtig aufgebaut sind.

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

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

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

Unter Raumflächenbedarf wird der Raumbedarf verstanden, den die Membranfläche mehrerer Module im eingebauten Zustand (Rack) einnimmt. Der Raumflächenbedarf wird in m ² /m ³ angegeben.

Der Aufwand an Energie entsteht im Wesentlichen entweder durch die für Cross- Flow- Umwälzung notwendigen Pumpen oder durch die Zuführpumpen beim

Dead- End- Betrieb oder durch Zuführpumpen und Gaszufuhr bei getauchten Systemen.

Wichtig ist die Sicherstellung einer gleichmäßigen Anströmung der Kapillaren im Modul, damit alle die gleiche Leistung erbringen können, sich nicht unregelmäßig belegen und sich gleich gut reinigen lassen. Der Grad der Kapillarbeanspruchung ergibt sich zum Einen auf Grund der Anströmung der Kapillaren und zum Anderen auf Grund mechanischer Bewegung.

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

Strömt das Medium immer in eine gewisse Richtung so besteht die Gefahr, dass sich "gerichtete" Ablagerungen auf der Membran aufbauen und entsprechend in der Rauhigkeit jeder Membran und auf derselben festsetzen. Mit einer periodischen Strömungsumkehr kann diesem Effekt entgegengewirkt werden. Jede Membrananlage ist von Zeit zu Zeit zu reinigen. Es ist für die dauerhaft gute Funktion einer Anlage wichtig, dass die Reinigung effektiv und leicht möglich ist.

Eine Rückspülung wird so durchgeführt, dass periodisch ein reines Fluid (in der Regel Permeat) von der Permeatseite der Membran auf die Retentatseite gedrückt wird. Dies dient dem Zweck, Ablagerungen auf der Membran "abzuheben" und so die Deckschicht gering und die Leistung hoch zu halten. Bei Dead- End- betriebenen Modulen wird häufig ein sogenanntes Fastflush- Verfahren angewandt. Man versteht darunter das kurzzeitige volle öffnen des Retentatauslasses, um den aufkonzentrierten Modulinhalt auszuschieben und einen gewissen Deckschichtabbau zu erzielen.

Die Unversehrtheit der Kapillaren wird mittels eines Integritätstests getestet. Meist wird ein Druckhaltetest durchgeführt. Ist der Druckhaltetest positiv, bedeutet dies, dass in einer Anordnung von Modulen (meist ein Rack) oder in einem einzelnen Modul eine oder mehrere defekte Kapillaren vorhanden sind. Wird über den Integritätstest herausgefunden, dass defekte Kapillaren vorhanden sind, so stellt sich die Aufgabe herauszufinden, welche und wo diese sind. Die üblichen Methoden für diese Aufgabe sind der Luftblasentest oder der "Fountain-Test" am einzelnen Modul.

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

Retentatseitige Totzonen sind Zonen im Kapillarbündel, die in einer oder mehrerer Betriebsweisen ungenügend angeströmt werden. Dasselbe gilt auch für permeat- seitige Totzonen.

Von entscheidender Bedeutung für die Kosten pro m ² Membranfläche eines Moduls ist neben einer kostengünstigen Membranproduktion auch die kostengünstige Herstellung des Moduls selbst. Hier ist wiederum die Automatisierbarkeit der Herstellung entscheidend.

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

In der folgenden Tabelle sind die einzelnen oben charakterisierten Modulgruppen nach dargestellten Kriterien bewertet und charakterisiert.

Fasst man die Beurteilungen zum Stand der Technik zusammen und reduziert diese auf die wichtigsten Punkte so ergibt sich folgendes Bild: Alle Systeme haben einen relativ hohen Raumflächenbedarf. Bei Modulen der Gruppen A bis D entsteht dieser durch die Tatsache, dass jedes Modul relativ kurz ist (in großtechnischen AnIa- gen sind Längen von 1 bis 1 ,5 m üblich) und eine relativ geringe Membranfläche aufweist (in großtechnischen Anlagen üblicherweise 5 bis 60 m ² ). Werden solche Module mit erforderlichen Zwischenabständen parallel in ein Rack eingebaut, so ergibt sich nachteilig eine große Stellfläche und eine sehr geringe Bauhöhe. Bei den Modulen der Gruppe E und F ergibt sich der ungünstige Raumflächenbedarf durch den Einbau in relativ niedrige Becken mit Zwischen- und Seitenabstand zwischen den Modulen und den Becken.

An- bzw. Umströmung der filtrierenden Membran: Insbesondere in den Modulgruppen C bis F werden die Kapillaren retentatseitig auf Grund der zufälligen Bündelung der Kapillaren schlecht angeströmt. Permeatseitig trifft dies insbesondere auf die Module der Gruppen A bis D zu. Dies führt zu einer Reihe von Nachteilen. Die Membranflächen werden unterschiedlich belastet. Dadurch ergibt sich ein unterschiedlicher Deckschichtaufbau, was wiederum eine unterschiedliche Trenncharakteristik bewirkt. Die retentatseitige Totzonen stellen "vergeudete" Membranfläche dar. Die Reinigung der Kapillaren ist erschwert. Zur Reinigung der Kapillaren ist eine häufige Rückspülung nötig, was zu Ausbeute- und Zeitverlusten führt.

Ein weiterer Nachteil ist die hohe Kapillarbeanspruchung. Insbesondere bei getauchten Modulen ermüden die Kapillaren über die Zeit durch die ständige Bewegung bedingt durch die Luftblasenspülung. Bei druckbetriebenen Modulen ist die Zugbeanspruchung der Kapillaren bedingt durch den Druckabfall über die Länge der Kapillare zu beachten. Dies führt zu kurzer Membranlebensdauer und verringerter Wirtschaftlichkeit. Weiterhin besteht die Gefahr von Membrandurchbrüche und -abplatzungen,

wodurch Mikroorganismen, Schmutzfracht, usw. auf die Permeatseite gelangen und das Permeat verunreinigen können. Die genannten Nachteile bedingen einen hohen Wartungsaufwand und führen während der Wartungszeit zu Produktionseinschränkungen.

Insbesondere bei den druckbetriebenen Modulen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in der Kapillare aber auch bei den mit relativ niedrigem Druck betriebenen Modulen ist die Spanne des Transmembrandrucks (TMP) hoch, wodurch es zu einer ungleichmäßige Anlagerung einer Deckschicht entlang der Kapillarlänge kommt. Um dies zu verhindern, sind häufige Strömungsumkehrschaltungen (sofern dies über- haupt möglich ist) und häufige Rückspülungen erforderlich, was wiederum zu einem Ausbeute- und Zeitverlust führt. Die Rückspülung führt häufig nur zu ungleichmäßigen Effekten, so dass die Kapillaren weiterhin häufig gereinigt werden müssen. Dadurch entstehen Kosten an Reinigungschemikalien, außerdem entsteht in dieser Zeit ein Produktionsverlust. Die genannten Nachteile führen zu einem hohen anlagentechnischern Aufwand.

Das Fast- Flush- Verfahren und Rückspülung sind bei einigen Modulsystemen nur bedingt oder sogar gar nicht möglich. Ein sehr großer Nachteil bei allen aufgeführten Modulen besteht weiterhin darin, dass das Auffinden und Reparieren defekter Kapillaren einen großen Wartungsaufwand bedeutet und das Risiko in sich birgt, dass defekte Kapillaren gar nicht erkannt werden können.

Bei keinem der im Stand der Technik aufgeführten Modulsysteme ist eine geordnete Kapillaranordnung realisiert. Daraus ergibt sich eine ganze Reihe von Nachteilen. Die Anordnungen weisen sowohl retentatseitig als auch permeatseitig Totzonen auf. Aufgrund der schlechten Anströmung der Kapillaren müssen häufig Rückspülun- gen und / oder Reinigungen durchgeführt werden. Weiterhin besteht das Risiko mikro- biellen Wachstums und nicht reversibler Verblockungen in den Totzonen. Alle diese Nachteile führen zu Leistungseinschränkungen und einer Verschlechterung der Wirtschaftlichkeit.

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

Die Entwicklung der Module der Gruppen E und F stellte gegenüber den Modulen der Gruppen A bis D bereits einen wichtigen Schritt dar, jedoch auch nur für die Anwendungen in denen Module der Gruppen E und F überhaupt einsetzbar sind. Aufzuführen sind hier beispielhaft DE29624474, DE20300546 und JP11147028. In diesen und ähnlichen Schriften ist die Idee der getauchten Kapillarmembranen dokumentiert. Schon frühzeitig wurde auch versucht, die vielen oben aufgeführten Nachteile umfassend zu beseitigen. Mit diesem Ziel wurden verschiedene rahmen- und zylinderförmig aufgebaute Module entwickelt. Beispielsweise wurden in DE1642811 Kapillaren in Platten integriert. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt DE69516173. Ein weiteres Beispiel ist zu finden in DE2650341 worin bereits die Idee gestapelter Hohlfaser- (Kapillar-) lagen dokumentiert ist, deren Enden am Umfang des Moduls liegen. Auch in DE4230194 ist ein mit Kapillaren gefüllter Modulinnenraum beschrieben. Die Kapillaren enden hierbei in außenliegenden Räumen. Das Modul ist jedoch nicht „stapelbar" und daher für groß- industriellen Einsatz nicht geeignet. Eine ähnliche Erfindung ist US 4176069 mit gleich gearteten Nachteilen. In EP350853 sieht man ebenfalls übereinander geschichtete Kapillarlagen, jedoch in einem runden oder mehreckigen Rahmen, der in einem Gesamtgehäuse steckt. Die Anordnung ist innen nicht durchströmbar und ein TMP (Transmembrandruck) ist nicht regelbar. So ähnlich sind auch US5182019 und EP0560720 gestaltet. Die Durchströmbarkeit ist hier zwar gegeben, jedoch gibt es nur einen außen liegenden Raum. Eine individuelle Einstellung des TMP ist hier nicht möglich. In an sich ähnlicher Art und Weise ist dies auch bei EP454918 festzustellen. DE19932439 besitzt nur einen umgebenden äußeren Raum. Die Erfindung ist für Filtrationseinsatz nicht geeignet. In DE3750497 ist ein Kapillarmodul in Platten-Rahmen- Ausführung beschrieben. Dieses kann jedoch nur mit parallel verlaufenden Kapillaren hergestellt werden und nur mit maximal zwei außen liegenden Räumen. Alle diese Systeme weisen immer noch gravierende Nachteile auf, weswegen sie sich außer im Falle der getauchten Membrantechnik im großtechnischen Einsatz und im Markt nicht durchgesetzt haben.

DE10393754 stellt eine Weiterentwicklung der in o. g. Schriften angeführten I- deen dar. Die außen liegenden Räume sind hierbei jedoch nicht zur Einstellung eines vorteilhaften TMP vorgesehen. Der Permeatabgang ist nur auf einer bzw. zwei Seiten und die kreuzweise Legung von Kapillaren innerhalb eines Rahmens ist gar nicht geplant. Ferner sind die Kapillaren nicht von außen zur Inspektion und Reparatur zugänglich. Die Erfindung sieht kein direktes Einbringen von Fluid in das Kapillarpaket vor.

Einzelne Modulrahmen können nicht zu einer Moduleinheit zusammengefaßt und mit einem äußeren Raum pro Seite betrieben werden. Aus all diesen und anderen Gründen ist sie daher als Konkurrenz zu gängigen kleintechnischen Flachmembrankassetten konzipiert und nicht für den großtechnischen Einsatz in einem verfahrenstechni- sehen Gesamtsystem

Ein Kapillardefekt kann über einen Druckhaltetest erkannt werden. Auf Grund der geschlossenen Bauweise der oben beschriebenen Module kann jedoch nicht herausgefunden werden, welche einzelne Kapillare defekt ist. Konsequenterweise muss in einem solchen Fall, auch wenn nur eine von Tausenden Kapillaren defekt ist, das ganze Modul ausgetauscht werden. Auch danach ist eine Reparatur einer Kapillare nicht möglich, da das System geschlossen ist. Das an sich weitestgehend intakte Modul muss verworfen werden.

Weiterhin ist es nicht möglich einzelne Module bei Erkennen eines Kapillardefektes stillzulegen. Im Bereich der Filtration von Wasser, Getränken und biotechnologi- sehen Flüssigkeiten oder der Entkeimung von Gasen ist dies jedoch zur Sicherung der mikrobiologischen Qualität absolut erforderlich und muss auch bei Fortführung der Produktion mit den restlichen Modulen möglich sein.

Eine Abreinigung der Kapillaren mittels eines Gasblasenstromes ist bei den bekannten Modulen nur dergestalt möglich, dass der gesamte Aufbau durch den Gasbla- senstrom von ganz unten nach ganz oben durchströmt wird. Hierbei ist es jedoch nicht möglich, einheitliche Verhältnisse über die gesamte Höhe einzustellen, da sich die Gasblasen nach oben hin aufgrund des abnehmenden Drucks vergrößern. Insbesondere bei höheren Kapillarlagenstapeln, bei denen mehrere Lagen übereinander angeordnet sind, hängen diese auf Grund ihres Eigengewichtes durch und sind nicht stabili- siert. Dies führt zu einer Zugbeanspruchung der Kapillaren vor allem an den eingegossenen Enden.

Des Weiteren ist festzustellen, dass Fluid nicht direkt in den Kapillarlagenstapel eingebracht werden kann. Eine dadurch erzeugte Abreinigung von Kapillaren aufgrund hoher lokaler Strömung findet nicht statt. Entsprechend ist auch eine separate Zu- und Ableitung von Fluiden in den oder aus dem Kapillarlagenstapel nicht möglich.

Ferner ist in einer großtechnischen Anlage keine Aufkonzentrierung des zu behandelnden Fluids auf eine kleine Restmenge (entsprechend einer hohen Ausbeute) möglich.

Beschreibung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Kapillar- bzw. Hohlfasermodul zur Filtration und Separation von Flüssigkeiten im Dead- End. oder Cross- Flow- Verfahren zu entwickeln, das weder die Nachteile der bisher großtechnisch marktgängigen Modulsysteme als auch die neuerer Entwicklungen aufweist und gleichzeitig keine neuen Nachteile ergibt. Das erfindungsgemäße Kapillar- bzw. Hohlfasermodul soll einfacher zu reinigen sein, dies wird unter anderem durch erleichtertes Einbringen von Flüssigkeiten und / oder Gasen erreicht. Weiterhin soll ein vereinfachtes Auffinden und Reparieren defekter Kapillaren möglich sein, die Rückspülung soll effektiver wirken, das Separationsergebnis soll genauer sein und undefinierbare Totzonen im Faserbündel, die die Reinigung erschweren und die Verkeimung erleichtern, sollen vermieden werden.

Diese Ziele der Erfindung werden mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei der Erfindung werden aus dem Stand der Technik bekannte Kapillarmembranen verwendet. Die Membranen können aus jeglichem bekannten Material, bei- spielsweise Polymer-, Keramik-, Metall- oder andere Werkstoffe, bestehen. Ebenso kann jeder auf dem Markt erhältliche Kapillar- oder Rohrmembrandurchmesser Verwendung finden. Es können Membranen mit einer filtrierenden Schicht innen oder außen oder beidseits zum Einsatz kommen.

Das erfindungsgemäßen Modul besteht aus einem viellagigen Kapillarstapel, wie er prinzipiell bereits in FR 15 47 549 und in FR 73 25 450 beschrieben worden ist. Eine Lage besteht aus parallel verlaufenden einzelnen Kapillaren. Die darunter oder darüber liegende Lage kann ebenso gerichtete Kapillaren aufweisen oder aber auch solche, die in einem Winkel dazu verlaufen. Vorzugsweise liegen die Kapillaren einer Lage im 90 Grad Winkel zu denen einer benachbarten Lage.

In dem Modul werden mehrere Kapillarlagen so an allen Seiten eingefasst, dass ein Rahmen mit dazwischen verlaufenden Kapillaren entsteht. Dies geschieht in einer

solchen Art und Weise, dass mindestens an einer der eingefassten Seiten die Kapillaren aller oder einzelner Lagen nach außen hin offen enden. Alternativ werden die Kapillaren nur an ihren beiden Enden eingefasst. Die beiden verbleibenden Seiten werden in diesem Fall durch eine Wand aus Blech oder Kunststoff oder ähnlichem gebildet und sind fluiddicht mit den beiden anderen Wänden verbunden. Die Wände aus z. B. Blech können auch gewellt ausgeführt sein, so dass sie sich der Form der Kapillaren anpassen.

Ist der Stapel von rechteckiger Form, so wird er Seite für Seite mit Vergussmasse versehen und ausgehärtet. Diese Vergussmasse kann sowohl aus bisher QbIi- chen Kunstharzen bestehen, als auch aus Keramikmaterial oder anderen organischen oder anorganischen Materialien. Es ist möglich, dass auf die jeweils zu vergießende Seite eine Form (innen ggf. mit nicht haftendem Belag ausgekleidet) „aufgesteckt" wird, in die dann Vergussmasse eingebracht wird. Dies hat den Vorteil, dass die Vergussstelle genauer definiert und geformt werden kann und dass die linken und rechten En- den des Vergussbereichs abgeschrägt werden können, um so mehr Kontaktfläche zum nächsten daran anschließenden Vergussbereich der nächsten Seite zu schaffen. Dieser Kontaktbereich kann, ebenfalls erfindungsgemäß, vor oder nach dem Vergießen durch Aufbringen geeigneter Materialien verstärkt und verbessert werden, so dass eine absolut schlüssige Verbindung in diesem Bereich entsteht. Ein geeignetes Material stellt saugfähiges Vlies oder Netz dar, es sind aber auch stiftförmige Verbindungsteile denkbar. Weiterhin ist es auch möglich, dass die jeweilige Fläche vor einer neuen Vergießaktion jeweils mit einer geeigneten haftverbessernden Chemikalie eingestrichen und vorbehandelt wird.

Ist der Stapel von runder Form, so sind die oben genannten Schritte nicht not- wendig. In diesem Fall wird der runde Stapel in einem Bad aus Vergussmasse gedreht. Sowohl bei der rechteckigen als auch der runden Form kann ein üblicher Schleudervorgang Anwendung finden.

Sofern erforderlich, können danach die oberen und unteren und ggf. auch die seitlichen Vergussmasseflächen plan geschliffen werden und die Außenseiten, an de- nen die Kapillaren offen liegen, bearbeitet werden. Dies kann beispielsweise durch abschneiden, absägen, abfräsen, abdrehen usw. geschehen.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Herstellungsvariante des Modulrahmens werden die einzelnen Kapillarlagen nicht vergossen, sondern miteinander verklebt. Dies kann so erfolgen, dass zunächst ein Flachrahmen mit einer gewissen Höhe aus einem geeigneten Material gelegt wird. Darauf wird eine Klebemasse gestrichen, in die die Kapillaren eingelegt werden. über die Kapillaren wird nun ein Band gelegt, das in seiner Breite ungefähr der Breite des untenliegenden Rahmens entspricht. Durch das Niederfahren eines Stempels mit derselben Grundfläche wie der gesamte Kapillarla- genstapel wird die Lage an Kapillaren nun in die auf den Rahmen aufgestrichene Klebemasse eingedrückt. Die Menge an Klebemasse ist hierbei so dosiert, dass beim Vor- gang des Zusammendrückens der Raum zwischen den Kapillaren ausgefüllt wird. Nachdem der Stempel wieder hochgezogen wurde, wird nunmehr auf das oben liegende Band wieder Klebemasse aufgebracht, Kapillaren werden eingelegt, Band wird aufgelegt und der Stempel drückt wieder alles zusammen. Dies wird bis zum vollständigen Stapel so fortgeführt. Oben auf den Stapel wird als letztes wieder ein Rahmen aufge- legt. Auch bei dieser Art von Modulrahmen werden die Außenseiten nun in bekannter Art und Weise, z. B. durch abschneiden, absägen, abfräsen, abdrehen usw., bearbeitet.

Aufgrund der oben genannten Verfahrensschritte wird ein Modulrahmen mit einem innen liegenden, von Fluid durchströmbaren Kapillarlagenstapel hergestellt. Der Rahmen ist oben und unten plan. Bei runden Rahmen sind am gesamten Umfang, bei rechteckigen Rahmen an mindestens einer, aber auch an allen Seiten, die offen liegenden Kapillaren sichtbar. Solche Modulrahmen können nunmehr einzeln zu Moduleinheiten weiterverarbeitet werden und / oder zu größeren Gesamtmoduleinheiten mit großer Membranfläche zusammengesetzt werden.

Damit die Kapillaren zur Wartung der Module leicht zugänglich sind, enthalten die erfindungsgemäßen Module so genannte außen liegende Kästen. Und zwar wird an einzelne Modulrahmen ein Kasten aufgeschoben und mit dem Modulrahmen fluid- dicht verklebt oder verschweißt. Somit entsteht ein Permeat- Raum an jeder Außenseite eines Modulrahmens. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, einen solchen Kasten in eine vorher in die Verguss- / Verklebmasse eingeschnittene oder eingefräste Nut einzuschieben, die danach verklebt bzw. verschweißt wird. Solcherart Kästen können an einer oder mehrerer Seiten einer gesamten Modulrahmeneinheit angebracht werden. Die Kästen können verschiedene Formen

aufweisen, zur Verbesserung der Durchströmung, der Reinigung und zur Verminderung des internen Volumens werden Kästen mit nicht parallelen Flächen und nicht rechtwinkligen Ecken und Kanten bevorzugt.

Eine Besonderheit dieser außen liegenden Kästen besteht darin, dass Ihre au- ßen liegenden Flächen wenigstens teilweise aus einem abnehmbaren und verschließbaren Deckel bestehen können und dieser flüssigkeitsdicht an seinen Kanten abgedichtet ist. Dieser Deckel kann vorzugsweise aus durchsichtigem Material bestehen. Durch diesen als Scheibe ausgebildeten Deckel kann auf die offenen Enden der Kapillaren des Modulrahmens gesehen werden kann. Während eines Integritätstestes, aber auch schon während des laufenden Betriebes, können defekte Kapillaren durch das Fenster visuell erkannt werden. Im Falle eines erkannten Defektes kann die Permea- tabfuhr der betreffenden Moduleinheit sofort geschlossen werden. Erfindungsgemäß kann in diese Permeaträume je ein Bewegungsmelder eingebaut werden, der im laufenden Betrieb oder während des Integritätstestes aus einzelnen defekten Kapillaren eventuell austretende Fontänen erkennt und einen solchen Defekt meldet. Die Reparatur einer als defekt erkannten Kapillare erfolgt durch die geöffnete Deckelöffnung, in dem man die Enden der entsprechenden Kapillaren verschließt.

Weiterhin können diese Permeaträume auch prozesstechnische Anschlüssen enthalten, durch die Flüssigkeit von außen oder von anderen äußeren Kompartiment- kästen / Permeaträumen zu und abgeführt werden kann. Zudem können messtechnische Anschlüsse vorgesehen werden, die der Erfassung prozess- und verfahrenstechnischer Daten dienen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Modul so gestaltet werden, dass einzelne Kapillarlagen nur jeweils an einer Seite des Modulrahmens und somit auch in unterschiedlichen Kästen offen enden. Eine oder mehrere Kapillarlagen können dabei durch so genannte Injektionskapillaren ersetzt werden. Darunter versteht man offene (ggf. von unterschiedlicher Länge) oder aber geschlossene und über ihre Länge mit Löchern versehene, perforierte, geschlitzte nicht permeable Kapillaren, über die Flüssigkeit von außen direkt in den Kapillarstapel eingebracht werden kann. So kann z. B. bei der Filtration von Flüssigkeiten periodisch Spülgas zur Erzeugung von Luftblasen und zur Abreinigung der Oberflächen der Kapillaren eingedrückt werden oder es ist das Einbringen von chemischer Reinigungsflüssigkeit zur Reinigung der Membranoberflächen möglich. Diese Injektionsröhrchen enden in einem separaten

außenliegenden Raum. über diesen kann Flüssigkeit direkt in das Permeatpaket eingedrückt werden. Dies ist z. B. wünschenswert für die Einbringung von Gas, um die Kapillaren mit Gasblasen abzureinigen oder für die Einbringung von Reinigungsflüssigkeit direkt an die Kapillaren. Aufgrund dieser Anordnung kann Flüssigkeit gleichmäßig und direkt dem Kapillarstapel zugeführt werden. Diese Möglichkeit ist z. B. auch nutzbar für die Einbringung von Nährflüssigkeit in den Kapillarstapel, wenn die Erfindung als Membranreaktor verwendet wird.

Die im Modul verwendeten nichtpermeablen Injektionskapillaren und die permeablen Kapillaren können unterschiedliche Innen- und / oder Außendurchmesser aufweisen. Die nichtpermeablen Injektionskapillaren können unterschiedliche Längen aufweisen und aus Kunststoff, Keramik, Metall oder jedem anderen Material bestehen.

Die Kapillarlagen können aus einzeln liegenden Kapillaren oder Kapillarbündeln oder aus verwobenen oder anderweitig hergestellten Kapillarmatten bestehen. Eine Kapillarmatte kann aus zwei Lagen von Kapillaren, die in einem Winkel zueinander webartig verarbeitet sind, bestehen oder aber aus einer Lage von Kapillaren, zu denen als Schuss einzelne Fäden quer verlaufen. Bei der Herstellung des Membranmoduls können beispielsweise zwei oder mehrere endlose Kapillarmattenbahnen verwendet werden, die in einem Winkel zueinander alternierend ineinander gefaltet werden.

In unterschiedlichen Lagen (und teilweise auch innerhalb einer einzelnen Lage) können bezüglich Material, Ausführungsart, Trenngrenze und Durchmesser verschiedene Kapillaren verwendet werden. Um der Anordnung Stabilität zu geben, können einzelne Kapillaren einer Lage durch solide Spannfäden oder Spannmatten ersetzt werden.

Die Abstände zwischen den Kapillaren sind in jeder Lage definiert. Die Abstän- de können abhängig vom Verwendungszweck innerhalb einer Lage, in unterschiedlichen Lagen und / oder in einzelnen Modulen unterschiedlich ausgestaltet sein. Die Grundform einer Kapillarlage in Draufsicht kann rund, oval, rechteckig oder vieleckig sein. Aus Gründen einer kostengünstigen Modul- und Anlagenfertigung wird die rechteckige Form bevorzugt.

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

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

Einzelne Lagen unter oder im Lagenstapel, aber auch z. B. jede zweite Lage, können aus netz-, gitter- oder vliesartigem Material oder aus quer zum Verlauf der Kapillaren verlaufenden Spannfäden bestehen und der Strömungsverteilung und / oder der Stabilisierung des Stapels und / oder der Abstandshaltung zwischen Kapillaren dienen. Eine Schicht aus netz-, gitter- oder vliesartigem Material kann erfindungsgemäß auch die oberste Lage darstellen. In einem solchen Fall dient das Material im We- sentlichen als Strömungsverteiler und Vorfilter, um zu verhindern, dass Verunreinigungen in den Stapel eindringen, die zu Verblockungen führen können. Weiterhin können zur Stabilisierung des Kapillarpaketes auch Lagen aus soliden Bändern, Garnen, Fasern, Drähten, u. ä. integriert werden. Weiterhin können zur Stabilisierung des Kapillarpaketes innerhalb einer Kapillarlage einzelne Kapillaren durch Drähte, Garne Fäden etc. ersetzt werden.

Die erfindungsgemäßen Module können mithilfe von Zwischenwänden räumlich unterteilt werden. Dafür werden quer zur Verlaufsrichtung der Kapillaren und jeweils zwischen den rahmenförmigen Seiten des Moduls eine oder mehrere Zwischenwände eingefügt, die das Innere eines Modulrahmens in zwei oder mehrere Strömungsseg- mente einteilen. Die verwendeten Zwischensegmente können aus Blech, Lochblech oder einem anderen gegossenen Material bestehen.

Werden mindestens zwei Einzelrahmenmodule über- (vertikal / stehend) oder nebeneinander (horizontal / liegend) angeordnet und miteinander verbunden, so erhält man eine so genannte Moduleinheit. Die Verbindung zwischen deren Einzelmodulen kann reversibel oder auch fest erfolgen, wobei die Verbindung fluiddicht sein muss. Mindestens zwei Moduleinheiten können wiederum über Zwischenstücke fluiddicht zu einer Gesamtmoduleinheit zusammengesetzt werden.

Ein einzelnes Rahmenmodul oder auch zu einer Moduleinheit übereinander miteinander verbundene Rahmenmodule können mit einem Unter- und einem Oberteil versehen und so betrieben werden. Hierbei entsteht ein so genannter Kopf- und Bodenraum. Eine größere Einheit ergibt sich, wenn man mehrere Moduleinheiten mit Zwi- schenstücken und einem Unter- und einem Oberteil versieht. In beiden Fällen erlaubt dies das Durchströmen des mit Kapillaren gefüllten Innenkanals der so geschaffenen Einheit, wobei Fließgeschwindigkeit und Druck je nach Einsatzfall stark unterschiedlich eingestellt werden können.

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

Die Zwischenstücke und die Unter- und Oberteile können, soweit erfor- derlich, prozesstechnische Anschlüsse zur Zu- und Abfuhr von Flüssigkeiten und messtechnische Anschlüsse zur prozess- und verfahrenstechnischen Datenerfassung aufweisen. Das Zwischenstück und / oder das Unterteil und / oder das Oberteil stellen hierbei einen fest integrierter Bestandteil einer Moduleinheit bzw. einer Gesamtmoduleinheit dar. Bei dem Oberteil und / oder dem Unterteil kann es sich um eine Ab- schlussplatte, einen Rahmen, eine Wanne oder um ein Behälterteil handeln.

Im Oberteil oder über jedem Modul kann ein Verrieselungssystem angebracht werden, über das die Kapillaren mit Flüssigkeit beaufschlagt werden können. Weiterhin kann über mindestens einem Rahmenmodul eine grob filtrierende Schicht angebracht sein, die als Vor- und Sicherheitsfilter dient. Diese filtrierende Schicht kann über eine entsprechende Vorrichtung so bewegt bzw. durchgezogen werden, dass sie mit den sich auf ihr ablagernden Feststoffen weggezogen werden kann. Die abgelagerten

Feststoffe werden entfernt, so dass die erneut unbelegte Filterschicht wieder über den Modulen zu liegen kommt.

Innerhalb der oben beschriebenen Gesamtmoduleinheit ist es auch möglich, dass mindestens zwei Kompartimentkästen über die aussenliegenden Kästen so mit- einander verbunden werden, dass sie im Cross- Flow- Betrieb oder im Dead- End- Betrieb bei Permeatflussrichtung von innen nach außen durch die Kapillare betrieben werden können. Das Retentat fließt bei dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung im Lumen der Hohlfaser, das Permeat fließt in die Räume ab, die mit Kapillaren durchsetzt sind. Durch eine Erhöhung des Kopfraumes über dem obersten Modul wird die hydrostatische Säule so erhöht, dass deren Druck als treibende Kraft für die Filtration ausreicht. Weiterhin kann der Zufuhrdruck zur Modulanordnung so gesteigert werden, dass der Druck im Inneren der Modulanordnung zur Filtration ausreicht. In der oben beschriebenen Gesamtmoduleinheit kann der Transmembrandruck (TMP) durch entsprechende Drosselung der Permeatventile so eingestellt werden, dass jedes Modul der Anordnung in etwa mit dem gleichen TMP beaufschlagt wird.

In der oben beschriebenen Gesamtmoduleinheit kann die zu filtrierende Flüssigkeit in alle oder aber nur in ausgewählte Module eingebracht werden. Bei der Gesamtmoduleinheit können Rückspülung, Spülung und Reinigung mit Gas, Flüssigkeit oder einem Gemisch aus beiden einfach durchgeführt werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass diese Vorgänge gleichzeitig oder überlappend stattfinden können.

Die Gesamtmoduleinheit kann so betrieben werden, dass die Strömungsrichtung des Permeats sowohl out- in (lumenseitiges Saugen oder retentatseitiges Drücken) als auch in- out (lumenseitiges Drücken oder retentatseitiges Saugen) ist. Die Gesamtmoduleinheit kann retentat als auch permeatseitig unter Druck stehen, so dass es zu keiner Ausgasung bzw. Gasentbindung einer zu filtrierenden Flüssigkeit kommen kann. Weiterhin kann die Gesamtmoduleinheit als Membranreaktor verwendet werden, wobei mindestens über eine Modulseite Nährstoffe zugeführt und/oder Metaboliten abgezogen werden.

Der Austausch einzelner Rahmenmodule oder Moduleinheiten innerhalb einer Gesamtmoduleinheit kann einfach und problemlos erfolgen. Der über dem zu tauschenden Modul befindliche Teil der Anordnung bestehend aus Membranmodulen, Zwischenstücken und Oberteil, welche über Gewindestangen oder ähnlichem verbun-

den sind, wird so weit angehoben, dass das darunter befindliche Membranmodul einfach aus der Anordnung genommen werden kann.

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

Die Gesamtmoduleinheiten können in verschiedener Art und Weise in einem verfahrenstechnischen Aufbau Verwendung finden. Bei den erfindungsgemäßen Mo- dulsystemen können folgende Verfahrensschritte gezielt gesteuert werden: Filtrationsbetrieb, Permeatabzug, Rückspülung, Reinigung, Modulspülung (Fast Flush) und Gasspülung.

Weiterhin ist ein einfacher Integritätstest möglich, bei dem defekte Kapillaren gezielt identifiziert werden können. Ergibt der Integritätstest, dass ein Kapillardefekt in einem der Module besteht, so wird der Modulinnenraum langsam über das Niveau des betreffenden Moduls befüllt. Auch kann bei vollem Innenraum ein Druck angelegt werden. Durch die Modulfenster der außen liegenden Kästen ist ab einer gewissen Flüssigkeitshöhe bzw. einem gewissen Druck zu sehen, wie Flüssigkeit verstärkt aus einer oder mehrerer defekter Kapillaren austritt. Meist wird der vermehrte Flüssigkeitsaustritt bereits während laufender Kontrollen während des Betriebs festzustellen sein. Das entsprechende Modul kann bei Feststellen von Defekten durch entsprechende Ventilschaltung isoliert werden bis die defekten Kapillaren repariert werden können.

Ist die defekte Kapillare identifiziert, so lässt man weiter Flüssigkeit aus der defekten Kapillare austreten. Man öffnet das entsprechende Fenster des außen liegen- den Kastens und kann das offene Ende der Kapillar nun verstopfen und die entsprechende Kapillare somit stilllegen.

Weitere Details hierzu finden sich in der Figurenbeschreibung zu den Figuren 5a und 5b.

Die Erfindung weist somit gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vor- teile auf. Bedingt durch die sehr kompakte Bauweise des Moduls und die kompakte

Anordnung der Membranen ist der Raumflächenbedarf für die erfindungsgemäßen

Modulanordnungen sehr gering. Da der Modulaufbau in die Höhe erfolgt, ist der Grundflächenbedarf extrem niedrig und Raumhöhen können optimal ausgenutzt werden. Bei Verwendung von Modulen mit rechteckiger Bauform kann ebenso Aufstellungsraum gespart werden.

Der Energieaufwand für die erfindungsgemäßen Module liegt bei häufiger Gasspülung in etwa in der Höhe der energetisch günstigen getauchten Systeme. Beim dem erfindungsgemäßen System wird jedoch keine oder nur eine seltene Gasspülung erforderlich, so dass der Energiebedarf deutlich unterhalb des Bedarfs der getauchten Systeme liegt.

Aufgrund der absolut regelmäßigen Anordnung der Kapillaren in jeder Schichtebene ist die Anströmung an jeder Stelle jeder Kapillare absolut identisch. Weiterhin begünstigt der turmartige Aufbau die Verteilung des Mediums.

Die Flüssigkeitszufuhr kann direkt in den Kapillarlagenstapel erfolgen. Führt man die gesamte Flüssigkeitsmenge, entsprechend der Menge an abgezogenem Per- meat, innerhalb eines Moduls zu, so wird in diesem eine vorteilhaft hohe Strömung erzeugt, die abreinigend wirkt. Nach einer gewissen Zeit kann ein anderes Modul für die Flüssigkeitszufuhr geschaltet und somit gleichzeitig „gereinigt" werden.

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

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

Im out / in- Betrieb ist die Spanne des Transmembrandrucks (TMP) innerhalb eines Moduls verschwindend gering. In der gesamten Modulanordnung herrscht zwischen oben und unten nur ein geringer Druckunterschied, dabei handelt es sich meist

nur um den hydrostatischen Druck. über eine Einstellung des Permeatdruckes kann für jedes Modul der optimale Transmembrandruck eingestellt werden.

Im erfindungsgemäßen Modul ist eine Strömungsumkehr problemlos jederzeit , auch während laufender Produktion, möglich. Eine Reinigung ist leicht und effektiv möglich, da keine Beschränkungen und keine Totzonen bestehen. Jede Kapillare ist gleich gut anström- und reinigbar. Die Umwälzgeschwindigkeit bei der Reinigung kann leicht verändert und angepasst werden.

Weiterhin ist die Rückspülung leicht und effektiv möglich. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass das Rückspülmedium aus den bereits bei "Reinigung" genannten Gründen optimal zugeführt werden kann. Jede Kapillare wird gleichmäßig und gleich gut vom Rückspülmedium angeströmt. Durch Erhöhung der Fördermenge kann das Modul schnell und einfach im Fast- Flush- Verfahren betrieben werden. Durch ändern der Förderrichtung ist dies sogar in beide Richtungen möglich.

Der Integritätstest ist leicht in beide Richtungen durch die Kapillare möglich und sowohl mit Flüssigkeit als auch mit Gasen durchführbar. Das Auffinden defekter Kapillaren ist problemlos und vor allem während des Betriebs und ohne Ausbau des Moduls möglich. Dadurch wird eine optimale Betriebssicherheit gewährt. Wird während des Betriebs eine Kapillare als defekt identifiziert, kann das entsprechende Modul durch Schließen der Permeatventile vorübergehend stillgelegt werden.

Die Kapillaren sind definiert angeordnet. Innerhalb einer Schicht verlaufen sie absolut parallel. Einzelne Schichten sind zueinander in einem vorher bestimmten Winkel angeordnet. Aufgrund der erfindungsgemäßen Kapillaranordnung ist das Entstehen von Totzonen sowohl permeat- wie auch retentatseitig nicht möglich.

Das Restvolumen kann in der Anlage aufkonzentriert werden. Das Flüssigkeits- niveau kann hierfür bis auf das Niveau des untersten Moduls abgesenkt werden.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Module besteht darin, dass die Modulfertigung gut automatisierbar ist.

Bei den im Stand der Technik beschriebenen Modulen sind zudem keine Zwischenlagen zur Strömungsverteilung und Stabilisierung vorgesehen. Weiterhin kann das Fluid nicht direkt in den Kapillarlagenstapel eingebracht werden. Eine damit verbundene Abreinigung von Kapillaren auf Grund hoher lokaler Strömung kann nicht

ausgenutzt werden. Eine Aufkonzentrierung des Restvolumens in der Anlage im großtechnischen Einsatz, sowie eine separate Zu- und Ableitung verschiedener Fluide in und aus dem Kapillarlagenstapel ist ebenfalls nicht möglich.

Fiqurenbeschreibunq

Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt. Gleiche Bauteile weisen dabei grundsätzlich gleiche Bezugszeichen auf und werden teilweise nicht mehrfach erläutert.

Fig. 1a zeigt einen einlagigen Kapillarenverlauf in Nord- Süd- Richtung;

Fig. 1 b zeigt einen einlagigen Kapillarenverlauf in West- Ost- Richtung;

Fig. 1c zeigt den Kapillarenverlauf bei zwei Kapillarlagen, die im 90°

Winkel zueinander angeordnet sind;

Fig. 2a zeigt das Prinzipschema eines Modulrahmens;

Fig. 2b zeigt die Seitenansicht eines Modulrahmens;

Fig. 2c zeigt die Draufsicht auf einen Modulrahmen;

Fig. 2d zeigt eine Rahmeneinheit bestehend aus mehreren übereinander angeordneten Modulrahmen;

Fig. 3a zeigt als Kästen ausgebildete Permeaträume, die auf die Modul- rahmen aufgesteckt werden;

Fig. 3b zeigt als Kästen ausgebildete Permeaträume, die in die Modulrahmen eingeschoben werden;

Fig. 3c zeigt eine Seitenansicht eines Modulrahmens mit aufgestecktem

Permeatraumkasten;

Fig. 3d zeigt eine Rahmeneinheit bestehend aus drei übereinander angeordneten Modulrahmen mit eingeschobenen Permeatraumkasten;

Fig. 3e zeigt eine Draufsicht auf einen Modulrahmen, der an allen 4 Seiten Permeaträume in Form eingeschobener Kästen aufweist;

Fig. 4 zeigt eine Systemanordnung bestehend aus drei übereinander angeordneten Rahmeneinheiten mit eingeschobenen Permeat- raumkästen und

Fig. 5a/b stellen beispielhafte Möglichkeiten für den Anlagenaufbau dar.

Eine mögliche Ausgestaltung eines Kapillar- bzw. Hohlfasermoduls mit erfindungsgemäßen auf- bzw. einsteckbaren außen liegenden kastenförmigen Per- meaträumen wird anhand von Figur 3e illustriert.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt.

Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Fig. 1 stellt die Anordnung einzelner Kapillaren 10 zueinander dar. Innerhalb ei- ner Lage verlaufen die einzelnen Kapillaren 10 parallel zueinander, wobei die Kapillaren 10 in Fig. 1a in Nord- Süd- Richtung und die Kapillaren 10 in Fig. 1 b in West- Ost- Richtung ausgerichtet sind. Die nächste Kapillarlage 12 darunter oder darüber kann ebenso gerichtete Kapillaren 10 aufweisen oder aber auch solche, die in einem Winkel dazu verlaufen. Vorzugsweise liegen die Kapillaren 10 einer Lage 12, wie in Fig. 1c dargestellt, im 90 Grad Winkel zu denen einer benachbarten Lage 12. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jede Lage auch aus einer Kapillarmatte bestehen. Diese kann aus zwei Lagen von Kapillaren 10, die in einem Winkel zueinander webartig verarbeitet sind bestehen oder aus einer Lage von Kapillaren 10, zu denen als Schuss einzelne Fäden quer verlaufen.

Fig. 2a bis 2d zeigen einen Modulrahmen 5 mit einem innen liegenden, von

Flüssigkeit durchströmbaren Kapillarlagenstapel. Wie im Prinzipschema in Fig. 2a dargestellt, sind die Kapillaren in ihrem Endbereich 14 mit dem Modulrahmen vergossen oder verklebt, wobei die Enden 15 offen bleiben (Fig. 2b). Der Rahmen ist oben und unten eben. Bei runden Rahmen sind am gesamten Umfang, bei rechteckigen Rahmen an mindestens einer oder aber an allen Seiten die offen liegenden Kapillarenden 15 sichtbar. Fig. 2c zeigt eine Draufsicht auf einen Modulrahmen, der mehrere Kapillar-

schichten 12 enthält, die im 90° Winkel zueinander angeordnet sind. Der Permea- taustritt erfolgt an den mit dem Rahmen vergossenen, offenen Kapillarenden 15. Bezugszeichen 30 zeigt beispielhaft einen Permeataustritt aus Kapillaren der Lage X, während Bezugszeichen 32 beispielhaft einen Permeataustritt aus Kapillaren der Lage X-1 zeigt. Weiterhin sind in dem Modul noch Injektionskapillaren 20 zwischen die einzelnen Kapillarlagen 12 integriert. Bei den Injektionskapillaren 20 handelt es sich um nichtpermeable Kapillaren oder Röhrchen, die nur an einem Ende im Rahmen einge- fasst sind und am anderen Ende innerhalb des Rahmens und der Kapillarschichten offen enden. Die Injektionsröhrchen 20 können dabei gleich lang sein oder unter- schiedliche Längen aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Injektionskapillaren 20 grob offenporig, perforiert oder geschlitzt und beiden- dig im Rahmen eingefasst. Die Injektionsröhrchen 20 dienen dem Einbringen der von Fluid. In einem Membranreaktor, der aus vielen übereinander angeordneten erfindungsgemäßen Modulen besteht, können mithilfe dieser Injektionskapillaren in den unterschiedlichen Zwischenschichten verschiedene Flüssigkeiten eingebracht werden. Weiterhin gewährleisten die Injektionsröhrchen 20 ein einfaches Spülen der Module mit Flüssigkeit und / oder Gas. Auch kann eine zu filtrierende Flüssigkeit direkt in den Kapillarstapel eingebracht werden.

Solche Modulrahmen können nunmehr einzeln zu Rahmenmodulen weiterver- arbeitet werden oder aber auch gemäß Fig. 2d zu größeren Modulrahmeneinheiten zusammengefasst werden, damit aus diesen dann wiederum Einheiten mit großer Membranfläche entstehen können. Solche Rahmenmodule können dann in verschiedener Art und Weise in einem verfahrenstechnischen Aufbau Verwendung finden.

An einzelne Modulrahmen wird nun gemäß Fig. 3a ein außen liegender Kasten 40a aufgeschoben und mit dem Modulrahmen verklebt oder verschweißt. Es entsteht so ein Raum an der Außenseite eines Modulrahmens. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein solcher Kasten 40b gemäß Fig. 3b in eine vorher in die Verguss-/Verklebmasse eingeschnittene oder eingefräste Nut eingeschoben und danach verklebt/verschweißt wird. Solcherart Kästen können gemäß Fig. 3d auch an einer oder mehrerer Seiten einer gesamten Modulrahmeneinheit angebracht werden.

Eine Besonderheit dieser Kästen 40a und 40b besteht darin, dass Ihre außen liegenden Flächen (siehe Fig. 3a, 3b, 3d) wenigstens teilweise aus einem abnehmbaren und verschließbaren Deckel 42 bestehen kann und dieser fluiddicht an seinen Kan-

ten abgedichtet ist. Dieser Deckel 42 kann aus durchsichtigem Material bestehen. Die Seitenansicht 3c zeigt, dass durch diesen abnehmbaren, durchsichtigen Deckel 42 die offenen Enden 15 der Kapillaren 10 sichtbar sind. Fig. 3c zeigt exemplarisch auch zwei Prozessanschlüsse 48 an den außen liegenden Raum 40a oder 40b. Während eines Integritätstestes, aber auch schon während des laufenden Betriebes, können defekte Kapillaren 10 durch das Fenster visuell erkannt werden. Im Falle eines erkannten Defektes kann die Permeatabfuhr der betreffenden Moduleinheit 5 sofort geschlossen werden. Erfindungsgemäß kann in jeden Permeatraum 40a / 40b auch ein Bewegungsmelder eingebaut werden, der im laufenden Betrieb oder während des Integri- tätstestes aus einzelnen Kapillaren eventuell austretende Fontänen erkennt und einen solchen Defekt meldet. Die Reparatur einer als defekt erkannten Kapillare erfolgt durch die geöffnete Deckelöffnung 42, in dem man die Enden der entsprechenden Kapillaren verschließt.

Die Ausführung kann gemäß Fig. 3e auch so gestaltet werden, dass einzelne Lagen an Kapillaren nur jeweils an einer Seite des Modulrahmens offen enden und somit auch in unterschiedlichen Kästen. Eine oder mehrere Kapillarlagen 12 können dabei aus so genannten Injektionskapillaren 20 bestehen. Diese enden in einem separaten außen liegenden Raum 40a oder 40b über den Fluid direkt in das Permeatpaket eingedrückt werden kann. Dies ist z. B. wünschenswert für die Einbringung von Gas um die Kapillaren 10 mit Gasblasen abzureinigen oder für die Einbringung von Reinigungsflüssigkeit direkt an die Kapillaren 10 oder auch um Fluid gleichmäßig und direkt dem Kapillarstapel zuzuführen.

Ein einzelnes Rahmenmodul 5 oder auch zu einer Moduleinheit 6 übereinander gestapelte und miteinander verbundene Rahmenmodule können mit einem Unter- und einem Oberteil versehen (es entsteht ein Kopf- und ein Bodenraum) und so betrieben werden. Eine größere Einheit 8 ergibt sich, wenn man gemäß Fig. 4a mehrere übereinander gestapelte Moduleinheiten 6 mit Zwischenstücken 50 und einem Unterteil 52 und einem Oberteil 54 versieht. In beiden Fällen erlaubt dies das Durchströmen des mit Kapillaren 10 durchsetzten Innenkanals der so geschaffenen Einheit 8, wobei Fließgeschwindigkeit und Druck je nach Einsatzfall stark unterschiedlich eingestellt werden können.

Einzelne Moduleinheiten sind gegenüber Zwischen- 50, Unter- 52 und Oberteilen 54 fluiddicht abgedichtet. Dies kann über Verkleben erfolgen. Vorteilhaft ist jedoch

die Abdichtung über Dichtungen oder über Klippverbindungen. Eine erfindungsgemäße weitere und vorteilhafte Möglichkeit ist das Zusammendrücken der gesamten Anordnung, so dass alle Dichtungen fluiddicht verschließen. Das Zusammendrücken kann manuell über eine über dem Oberteil 54 angebrachte Spindel oder automatisch über eine hydraulische Vorrichtung erfolgen. Möglich ist auch, dass an den Ecken der Anordnung der Module Gewindestangen angebracht sind, die über ösen mit den Moduleinheiten 5 verbunden sind, mittels derer die gesamte Anordnung 8 zusammengeschraubt werden kann.

Die Zwischenstücke 50 und die Unter- 52 und Oberteile 54 können, soweit er- forderlich, mit prozess- und messtechnischen Anschlüssen versehen sein.

Eine gemäß Fig. 4a dargestellte Einheit kann nun verfahrenstechnisch in einer Prozessanlage gemäß Fig. 5a oder 5b betrieben werden. Dabei sind folgende Fahrweisen einzeln oder in Kombination miteinander möglich.

Filtrationsbetrieb gemäß Fig. 5a: Fluid wird über die Zufuhrleitung und V1 zuge- führt. Der Innenraum der Module wird befüllt. Falls erforderlich zirkuliert die Pumpe P1 je nach Anwendung das Fluid über die Ventile V2 und V3. Damit ist eine Cross- Flow- Geschwindigkeit einstellbar.

Filtrationsbetrieb gemäß Fig. 5b: Die Zufuhrleitung für das Fluid ist über ein Ventil mit der Spülgasleitung verbunden. Fluid wird bei geschlossenem Spülgasventil zugeführt und dann direkt über die Injektionskapillaren 20 in den Kapillarlagenstapel 12 eingebracht.

Strömungsumkehr: Durch Umkehrung der Förderrichtung von Pumpe P1 ist eine Umkehr der Fließrichtung durch die Modulanordnung erzielbar.

Permeatabzug: Die für den Separationsvorgang erforderliche treibende Kraft kann aufgebracht werden über das Anlegen von Vakuum (Pumpe P2), über das Anlegen von Zufuhrdruck, über den hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule (hoher Kopfraum) oder über eine Kombination aus diesen. Der Transmembrandruck (TMP) jedes Einzelmoduls 5 (oder auch einzelner Modulgruppen 6) ist durch entsprechende Ventile separat regelbar.

Rückspülung: Eine Rückspülung kann erfolgen durch Eindrücken von Permeat über die Pumpe P3 in die Permeatverrohrung und damit in die Innenseite der Kapilla-

ren 10. Jedes Einzelmodul 5 (aber auch einzelne Modulgruppen 6) ist durch entsprechende Ventile regelbar.

Reinigung: Mittels der Pumpe P4 ist die Reinigung durchzuführen. Dabei sind verschiedene Fahrweisen möglich: Zirkulation durch den gesamten Modulaufbau 8 von unten nach oben oder umgekehrt; Zirkulation über einzelne Modulgruppen 6 von unten nach oben oder umgekehrt; Zirkulation über jedes einzelne Modul 5 bei voll befülltem Modulaufbau 8 von unten nach oben oder umgekehrt; Zirkulation über jedes einzelne Modul 5 bei nur bis über das zu reinigende Modul 5 befülltem Modulaufbau 8 von unten nach oben oder umgekehrt.

Eine Modulspülung (Fast Flush) der Einheit gemäß Fig. 5a oder 5b ist durch eine Erhöhung der Umwälzgeschwindigkeit über Pumpe P1 und durch Hinzuschalten der Pumpe P4 möglich. Mit P4 kann auch jedes Modul einzeln einer Spülung unterzogen werden. Dies kann während des laufenden Filtrationsbetriebes und auch in beide Fließrichtungen geschehen. Der Abreinigungseffekt der Kapillaren ist ferner dadurch zu erzielen, dass die gesamte Zufuhr an zu separierendem Fluid nur über die Injektionskapillaren 20 einer einzelnen Moduleinheit 6 eingebracht wird. Dadurch entsteht innerhalb der Kapillarstapel dieser einzelnen Moduleinheit 6 eine starke Strömung, die zu einem gewissen Maße abreinigend wirkt. Nach einer gewissen Zeit kann eine andere Moduleinheit 6 geschaltet werden usw. Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, in dem durch P4 und Schaltung entsprechender Ventile eine starke überströmung der Kapillaren einer einzelnen Moduleinheit 6 erzeugt wird.

Die Spülgaszufuhr in die Einheit 8 gemäß Fig. 5a oder 5b ist über die entsprechenden Ventile für alle Module, für einzelne Modulgruppen 6 oder für einzelne Module 5 möglich. Dies kann bei laufendem Filtrationsbetrieb, aber auch bei der Reinigung, während der Modulspülung und während der Rückspülung durchgeführt werden. Ratsam ist, die Gasspülung mit Flüssigkeitsumlauf zu kombinieren, so dass ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gasblasen entsteht. Dieser Flüssigkeitsumlauf kann mit der Pumpe P4 erzeugt werden.

Ein Leerdrücken der Einheit gemäß Fig. 5a und 5b ist unter öffnen des obers- ten Gasventils und eines Ablassventils möglich.

Der Integritätstest kann in beide Richtungen (out / in und in / out) durchgeführt werden. Durch entsprechende Ventilschaltungen kann Modul für Modul durchgetestet

werden. Nach Leerdrücken und Schließen aller Aus- und Einlassventile kann Gasdruck permeat- oder retentatseitig angelegt und ein Druckabfall über eine Zeit gemessen werden.

Ergibt der Integritätstest, dass ein Kapillardefekt in einer der Moduleinheiten 6 besteht, so wird der Modulraum 8 langsam über das Niveau der betreffenden Einheit 6 befüllt. Zusätzlich kann bei vollem Innenraum auch ein Druck angelegt werden. Durch die Modulfenster 42 ist ab einer gewissen Flüssigkeitshöhe bzw. einem gewissen

Druck zu sehen, wie Flüssigkeit verstärkt aus einer oder mehrerer defekter Kapillaren

10 austritt. Meist wird der vermehrte Flüssigkeitsaustritt bereits während laufender Kontrollen während des Betriebs festzustellen sein. Das entsprechende Modul 6 kann bei Feststellen von Defekten durch entsprechende Ventilschaltung isoliert werden, bis die defekten Kapillaren 10 repariert werden können.

Ist die defekte Kapillare 10 identifiziert, so lässt man weiter Flüssigkeit aus der defekten Kapillare 10 austreten. Man öffnet das entsprechende Fenster 42 und kann das Kapillarende 15 nun verstopfen.

Ein Fast Flush ist ebenfalls leicht und effektiv möglich. Dies kann geschehen durch Erhöhung der Fördermenge der Umwälzpumpe P1 oder Zuschalten einer weiteren Pumpe parallel zu P1. Durch ändern der Förderrichtung beider Pumpen ist dies sogar in beide Richtungen möglich. Ein lange andauernder Fast- Flush ist femer ein- fach dadurch möglich, dass die zu separierende Flüssigkeit über eine gewisse Zeit nur über die Injektionskapillaren 20 eines einzelnen Moduls 5 eingebracht wird. Dadurch entsteht innerhalb dieses Moduls 5 eine starke Strömung, die abreinigend wirkt. Nach einer gewissen Zeit, kann ein anderes Modul 5 geschaltet werden und so fort. Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, in dem durch P4 und Schaltung entsprechender Ven- tile eine starke überströmung eines einzelnen Moduls 5 erzeugt wird.