Die Erfindung betrifR ein rohrfbrmiges Filtermodul, das aus einem Filterelement mit in Falten plissierten Filtern besteht, das sich in einem Gehäuse mit einem rohrförmigen Gehäusemantel befindet und ein Verfahren zur Herstellung des Filtermoduls.

Der Erfindungsgegenstand ist anwendbar zur labormäßigen und industriellen Filtration von Flüssigkeiten und Gasen nach dem statischen oder nach dem Crossflow- Filtrationsregime, insbesondere in der Membranfiltration.

Im Stand der Technik wird eine Vielzahl Filtermodule mit plissierten, rohrformigen Filterelementen beschrieben (vergleiche zum Beispiel : P. Sölkner und J. Rupp, Filtration in the biopharmaceutical industry, herausgegeben von T. H. Meltzer und M. Jornitz, Marcel Dekker Inc., New York, Basel, Hong Kong, 1998, Seiten 145-168). Die Filtermodule werden in Form von Filtercapsulen und von Filterkerzen in entsprechenden Einfach-oder Mehrfachfiltergehäusen zur Filtration von Flüssigkeiten und Gasen verwendet. Beispiele dafür sind Membranfilterkerzen.

Die rohrförmigen Filterelemente des Standes der Technik bestehen aus einem mindestens einlagig aufgebauten, in eine Vielzahl von Falten plissierten rohrförmigen Filter. Im Innern des rohrförmigen Filters befindet sich ein rohrförmiger Stützkern, an dessen Außenseite sich die inneren Stegrücken der Falten des Filters abstützen können. Der Filter ist außen von einem rohrförmigen Schutzmantel umgeben, an dessen Innenseite sich die äußeren Stegrücken der Falten des Filters abstützen können. Filter, Stützkern und Schutzmantel sind an ihren Stirnseiten fluiddicht von Endkappen zu dem patronenartigen Filterelement eingefaßt. Die Endkappen sind mit Adapter ausgestattet,

über die die rohrförmigen Filterlemente in Filtergehäuse zu Filtrationseinheiten angeschlossen werden. Die mehrlagig aufgebauten Filter bestehen beispielsweise aus einer Filtermateriallage oder aus mehreren Filtermateriallagen, wie Membranfilterlagen, deren Oberflächen von Drainagelagen bedeckt sind, wobei die ansromseitigen Drainagelagen gleichzeitig mit Eigenschaften eines Vorfilters ausgestattet sein können.

Die rohrförmigen Filter werden in der Regel aus flachen Bahnmaterialien durch Plissieren und fluiddichtes Zusammenfügen der Längskanten ihrer Endfalten hergestellt.

Um eine große Filterfläche in dem Filtermodul unterzubringen, wird das plissierte Filter eng gepackt um den Stützkern herum angeordnet. Da der äußere Umfang des rohrförmigen Stützkerns kleiner ist als der innere Umfang des rohrformigen Schutzmantels erhält man sternförmige Falten, deren gedachte Mittelachsen (Höhen der gleichschenkligen Dreiecke der Falten) durch die Mittelachse des patronenartigen Filterelments verlaufen. Durch diese Anordnung sind die benachbarten Falten im zum Stützkern benachbarten Bereich eng aneinandergepreßt. Durch die mechanische Beanspruchung kommt es insbesondere bei Verwendung von Membranen zu Defekten in diesem Bereich, wodurch das Filterelement unbrauchbar wird. Darüberhinaus führt das enge Aneinanderpressen der Falten in diesem Bereich zum einen dazu, daß das zu filtrierende Fluid nicht mehr bis zum inneren Stegrücken vordringen kann und somit ein Teil der Filterfläche für eine Filtration nicht oder nur eingeschränkt zur Verfügung steht.

Zum anderen lassen sich derartig plissierte Filter von Ablagerungen im Inneren der Falten nur unzureichend und schwer reinigen, weil beim Rückspulen dieser Berich keine oder nur wenig Reinigungsflüssigkeit von der Filtratseite zur Unfiltratseite passieren läßt oder durch Überströmen der Filteroberfläche auf der Unfiltratseite mit Reinigungsflüssigkeit dieser Faltenbereich nur ungenügend erreicht wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der relativ große durch den Stützkern eingenommene Raum nicht fur die Filtration genutzt werden kann. Einer beliebigen Verringerung des Durchmessers des Stützkerns sind durch die Dicke der Filtermaterial-und Drainagelagen zwangsläufig Grenzen gesetzt. Bei 1 0"-Standardkerzen ( steht für Zoll), die einen äußeren Durchmesser von 70 mm haben, beträgt der Durchmesser des Stutzkerns etwa 40 mm. Derartigen Filtermodule weisen darüberhinaus nicht nur innerhalb des Stützkerns, sondern auch

zwischen dem Filterelement und dem inneren Umfang des Gehäuses ein relativ großes Totvolumen auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein rohrförmiges Filtermodul bereit zu stellen, daß über eine möglichst große und effektiv nutzbare Filterfläche verfugt, ein geringes Totvolumen aufweist und gut zu reinigen ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des rohrformigen Filtermoduls vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs I gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden durch die Kennzeichen der Unteransprüche definiert.

Das erfindungsgemäße rohrformige Filtermodul besteht aus einem Gehäuse, das aus einem rohrförmigen Gehäusemantel mit an den Stirnseiten befindlichen Verschlußkappen und an anströmseitigen und an abströmseitigen Gehäuseräumen adaptierten Anschlüssen für die Zu-und Abführung von Fluiden gebildet ist, und aus einem in dem Gehäuse befindlichen Filterelement mit in Falten plissierten Filtern, die aus mindestens einer Lage flächiger Bahnmaterialien gefertigt sind. Vorzugsweise werden Membranflachfilter eingesetzt, deren Oberflächen mit Vorfiltern und Drainagelagen ausgerüstet sein können.

Das Filterelement ist derart in dem Gehäuse angeordnet, daß sich die parallel zum rohrfbrmigen Gehäusemantel erstreckenden Falten der plissierten Filter mit ihren äußeren auf einer Kreisbahn liegenden Stegrücken an der Innenfläche des Gehäusemantels abstützen. Das Gehäuse ist von dem Filterelement in zwei anströmseitige und in einen abströmseitigen Gehäuseraum getrennt. Das Filterelement besteht aus einem flachen, drainierenden und parallel zur Gehäuselängsachse verlaufenden Stützelement und zwei der Filter, deren Falten sich mit ihren inneren auf einer Geraden liegenden Stegrücken an dem Stützelement abstützen und deren Endfalten an ihren Längskanten fluiddicht mit dem Stützelement verbunden sind. Zur Ausbildung des abströmseitigen Gehäuseraumes sind das drainierende Stützelement und mindestens die zum drainierenden Stützelement weisenden offenen Falten der plissierten Filter an mindestens einer ihrer Stirnseiten geschlossen. Die zum Gehäusemantel hin offenen Falten sind mindestens an einer ihrer

Stirnseiten offen. Diese Stirnseite ist vorzugsweise die anströmseitige oder die zum Einlaß für zu filtrierendes Medium oder die zur ersten Verschlußkappe weisende Stirnseite des Filterelements. Das Stützelement ist mindestens an einer seiner geschlossenen Stirnseiten mit einem durch die Verschlußkappen des Gehäuses hindurchgeführten Anschluß für die Abführung von Filtrat ausgestattet. Die beiden anströmseitigen Gehäuseräume werden im wesentlichen durch die Räume zwischen dem Gehäusemantel und den dazu offenen Falten gebildet.

Durch Verwendung eines drainierenden Stützelementes, welches das Gehäuse in zwei anströmseitige Gehäuseräume trennt, ist es möglich, zwei anströmseitig parallel geschaltete plissierte Filter in dem rohrförmigen Gehäusemantel unterzubringen, deren Falten parallel zueinander verlaufen und ein homogenes Faltenpacket mit gleichen Strömungsverhältnissen über die gesamte Faltenhöhe hinweg ergeben. Anders als bei sternförmig auf den Mittelpunkt eines rohrförmigen Filterelements ausgerichteten Plissierfalten, treten bei dem Erfindungsgegenstand keine für das zu filtrierende Fluid schwer zugänglichen Bereiche auf, in denen sich bevorzugt Ablagerungen auf der Filteroberfläche bilden und zu Verblockungen, insbesondere bei Membranfiltern führen.

Gleichermaßen ist das Filterelement sowohl durch Überströmung der Anströmseite der Falten des Filters mit Reinigungsflüssigkeit (Crossflow-Filtrationsregime) als auch durch Rückspülung mit Reinigungsflüssigkeit von der Filtratseite her durch das Filter hindurch zur Anströmseite hin (Crossflow-und statisches-Filtrationsregime) gut und wirksam zu reinigen. Die Zugänglichkeit der zur rohrförmigen Gehäusewand hin offenen Falten kann zusätzlich durch ein Drainage-oder Abstandshalterelement, welches zum Beispiel aus einem Vlies, Gewebe, Gewirke, Gitternetz oder ähnliches bestehen kann, erhöht werden.

Gleichermaßen können die zum drainiernden Stutzelement hin offenen Falten der Filter durch entsprechende Drainage-oder Abstandshalterelemente offen gehalten und vor einem Kollabieren geschützt werden. Dadurch wird auf der Anströmseite insbesondere in Filtermodulen zur Filtration im Crossflow-Regime für eine gute Überstromung und auf der Abströmseite für eine effektive Abführeng des Filtrats gesorgt. Die plissierten Filter haben sich in dem erfindungsgemaßen Filtermodul als außerst formstabil erwiesen. Die Falten wiesen keinerlei Verschiebungen nach Rückspulungen auf

Durch Verwendung des flachen, drainierenden Stützelements im Erfindungsgegenstand steht ein etwa doppelt so großer Raum für die Unterbringung der Filterfläche zur Verfügung als in rohrförmigen Filterelementen mit Kernrohren, wie sie in Filterkerzen üblich sind. Das trägt zu einer erhöhten Filtrationsleistung der erfindungsgemäßen Filtermodule bei. So beträgt beispielsweise bei einer 10"-Standardfilterkerze die kreisringförmige Grundfläche (Flache des kreisförmigen Querschnitts des rohrförmigen Filterelements minus Fläche des kreisförmigen Querschnitts des Kernrohres) zur Unterbringung des plissierten Filters etwa 15 cm2, während die beiden kreissegmentförmigen Flächen im Erfindungsgegenstand für die Unterbringung der plissierten Filter etwa 30 cm2 betragen, wenn man bei gleichem inneren Durchmesser des rohrförmigen Gehäusemantels ein flaches Stützelement von 4 mm Dicke verwendet.

Durch Verwendung eines Stützelements gemäß der Erfindung anstelle eines üblichen Kernrohres wird eine beträchtliche Senkung des Totvolumens erreicht, im vorstehend genannten Beispile etwa um den Faktor 6. Eine weitere Verringerung des Totvolumens wird dadurch erreicht, daß die äußeren Stegrücken der Filter unmittelbar an der Innenumfangswand des rohrförmigen Gehäusemantels anliegen.

Als drainierende Stützelemente können mit Strömungskanälen versehene Kunstoffplatten, die in Spritzgußtechnik herstellbar sind, oder Sinterplatten, wie sie von Filterfritten bekannt sind, oder vorzugsweise extrudierte Netze aus Kunststoff, deren Kanten umlaufend zum Beispiel durch Versiegelung geschlossen sind, verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Filterelement zur Stabilisierung an den Stirnseiten im peripheren Bereich der Falten und des Stützelementes mit einem dazu kongruenten Kunststoffring mit einem vorzugsweise durch den Mittelpunkt des Kunststoffrings verlaufenden Quersteg verbunden.

Für einen Betrieb des erfindungsgemäßen Filtermoduls im Crossflow-Regime sind die Stirnseiten der zum drainierenden Stützelement weisenden offenen Falten der plissierten Filter geschlossen und die Stirnseiten der zum Gehäusemantel hin offenen Falten der plissierten Filter offen. Die erste Verschlußkappe verfügt in dieser Ausführungsform über den Anschluß für die ZuEuhrung des zu filtrierenden Mediums und die zweite Verschlußkappe über den Anschluß fur die Abführung von Konzentrat. In einer

vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Stirnseite des Filterelements und der ersten Verschlußkappe ein Fluidverteilungsraum und zwischen der Stirnseite des Filterelements und der zweiten Verschlußkappe ein Konzentratsammelraum ausgebildet.

Alternativ können die Innenflächen der Verschlußkappen mit Strömungsleiteinrichtungen, wie mit radialen und axialen Strömungskanälen ausgesattet sein.

Für einen Betrieb des erfindungsgemäßen Filtermoduls im statischen Filtrationsregime sind die Stirnseiten der zum drainierenden Stützelement weisenden offenen Falten der plissierten Filter mindestens an der Seite zur ersten Verschlußkappe hin geschlossen. Die Stirnseiten der zum Gehäusemantel hin offenen Falten der plissierten Filter, die der ersten Verschlußkappe benachbart sind, bleiben offen, und die der zweiten Verschlußkappe benachbart sind, sind geschlossen. Die erste Verschlußkappe verfiigt in dieser Ausführungsform der Erfindung über den Anschluß für die Zuführung des zu filtrierenden Mediums. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind sämtliche Stirnseiten der Falten der plissierten Filter geschlossen. Der Anschluß für die Zuführung des zu filtrierenden Fluids ist am rohrförmigen Gehäusemantel zur Versorgung beider anströmseitiger Gehäuseräume angebracht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befinden sich an der Innenumfangsseite des rohrförmigen Gehäusemantels Stromungskanäle, die mit dem Anschluß für die Zuführung des zu filtrierenden Fluids in kommunizierender Verbindung stehen und an dessen Kanalstege sich die äußeren Stegrücken der Falten der plissierten Filter abstützen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Strömungskanäle helixartig an der Innenumfangsseite des rohrförmigen Gehäusemantels verlaufen.

Das erfindungsgemaße Filtermodul wir durch ein Verfahren hergestellt, daß folgende Schritte umfaßt : A Zuführen mindestens einer Lage eines flächigen Bahnmaterials, vorzugsweise eines Membranfilters zu einer durch Computer gesteuerten Plissiermaschine zur Ausprägung von in Falten plissierten Filtern, wobei bundig zu mindestens einer der Langskanten des Bahnmaterials auf ihrer Unter-und/oder Oberseite ein schmales thermisch aufschmelzbares Dichtband gelegt und mitplissiert wird, dessen

Erweichungstemperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Bahnmaterials liegt, wobei die Plissierhöhen der Falten schrittweise so verändert werden, daß die im Filtermodul anströmseitig liegenden Stegrücken der Falten der inneren Kreisbahn eines rohrförmigen Gehäusemantels folgen, während die abströmseitig liegenden Stegrücken der Falten auf einer Geraden liegen, B Schließen der Stirnseiten der Falten der plissierten Filter, zwischen denen sich das Dichtband befindet durch Anwenden von Druck auf die Plissierung von den beiden Endfalten her und Erhöhen der Temperatur bis zur Erweichung des Dichtbandes und Abkühlen der plissierten Filter zur Ausbildung an den Stirnseiten geschlossener Falten, C Fluiddichtes Verbinden der Langskanten der Endfalten der Filter mit einem drainierenden Stützelement im Randbereich seiner Längsseiten zu einem rohrfbrrmgen Filterelement, D Anbringen mindesens eines Anschlusses für die Abführung von Filtrat an mindestens eine der beiden Stirnseiten des Stützelements, E Einschieben des Filterelementes in einen rohrförmigen Gehäusemantel und F Zusammenfügen des Gehäuses aus dem rohrförmigen Gehäusemantel, Verschlußkappen und Anschlüssen für die Zu-und Abführung von Fluiden.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird zur Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vor dem Schritt D ein Schritt zum Stabilisieren des rohrförmigen Filterelements einseschoben. Das Stabilisieren wird dabei durch Verbinden der Stirnseiten der Falten der Filter in ihrem kreisförmigen peripheren Bereich und der Stirnseiten des Stützelementes mit einem dazu kongruenten Kunststoffring mit einem vorzugsweise durch den Mittelpunkt des Ringes verlaufenden Quersteg, der eine Erweichungstemperatur besitzt, die unter der Erweichungstemperatur des Dichtbandes liegt, wobei das Verbinden durch Erwarmen des Kunststoffrings, Eindrücken der Stirnseite des Filterelements in die erweichte Kunststoffschmelze und Erkaltenlassen durchgeführt.

Die Erfindung wird anhand der Figuren I bis 6b erläutert.

Dabei zeigen die Fig. I eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung für ein nach dem Crossflow-Prinzip arbeitenden Filtermoduls, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Filterelements nach der Erfindung, Fig. 3 schematisch das Einbringen der Stirnseiten des Filterelements in die Schmelze eines Kunststoffringes, Fig. 4 eine Draufsicht auf die Stirnseite eines Filterelements in einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 in einer perspektivischen Darstellung das Anbringen eines Anschlusses an das Filterelement flir die Abführung von Filtrat, Fig. 6a schematisch die Herstellung eines plissierten Filters nach der Erfindung und Fig. 6b schematisch die Versiegelung der Stirnseiten der Falten des plissierten Filters.

Das gemäß der Figur I gezeigte rohrfbrmige Filtermodul (1) einer Ausführungsfbrm der Erfindung besteht aus einem Gehäuse mit einem rohrförmigen Gehäusemantel (2) mit an den Stirnseiten befindlichen Verschlußkappen (nicht dargestellt) und an anströmseitigen und an abströmseitigen Gehäuseräumen adaptierten Anschlüssen für die Zu-und Abführung von Fluiden, von denen der Anschluß für die Abführung von Filtrat (3) dargestellt ist. Das Gehäuse nimmt ein Filterelement (4) auf mit in Falten plissierten Filtern (5,5'), die derart in dem Gehäuse angeordnet sind, daß sich die parallel zum rohrförmigen Gehäusemantel (2) erstreckenden Falten mit ihren äußeren auf einer Kreisbahn liegenden Stegrücken (6,6') an der Innenfläche des Gehäusemantels (2) abstützen. Das Gehäuse ist von dem Filterelement (4) in zwei anströmseitige (7,7') und einen abströmseitigen Gehäuseraum (8) getrennt. Das Filterelement (4) besteht darüberhinaus aus einem flachen, drainierend wirkenden und parallel zur Gehäuselängsachse verlaufenden Stützelement (9), auf dem sich die Falten der beiden Filter (5,5') mit ihren inneren auf einer Geraden liegenden Stegrücken (10., 10') abstützen. Die Endfalten der Filter sind an ihren Längskanten (11,12,11', 12') fluiddicht mit dem Stutzelement (9) verbunden (Fig 4) Zur Ausbildung des abströmseitigen

Gehäuseraumes (8) sind das drainierende Stützelement (9) an den Stirn- (13) und Längsseiten (14) und die zum Stützelement (9) weisenden offenen Falten (15,15') der plissierten Filter (5,5') an ihren Stirnseiten (16,16') geschlossen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Filterelement 4 zur Stabilisierung an den Stirnseiten im peripheren Bereich der Falten und des Stützelementes (9) mit einem dazu kongruenten Kunststoffring (18) mit einem durch den Mittelpunkt des Kunststoffrings verlaufenden Quersteg (19) verbunden (Fig. 2). Der beispielsweise aus Polypropylen bestehende Kunststoffring (18) wird auf einer Heizplatte (20) liegend auf der dem Filterelement 4 zugewandten Seite angeschmolzen, und wie in der Fig. 3 gezeigt, wird die Stirnseite des Filterelementes 4 in die Schmelze eingedrückt und anschließend abgekühlt.

Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, ist beispielsweise mit einem Schweißspiegel (21) über der Filtratöffnung (22) an der Stirnseite des Stiitzelemnts (9) ein Anschluß für die Abführung von Filtrat (3) anschweil3bar.

Zur Crossflow-Filtration überströmt das zu filtrierende Medium in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung die zur rohrformigen Gehäusewand (2) hin offenen Falten (17, 17') der Filtermaterialien, die zum Beispiel aus Membranfiltern bestehen können, und wird an dem Einlaß entgegengesetzten Ende des Filterelements (4) als Konzentrat abgeführt. Ein Teil des Mediums permeiert durch die Membranfilter hindurch und wird in den zum drainierenden Stützelement (9) weisenden offenen Falten (15,15') der plissierten Filter (5,5') als Filtrat gesammelt und über das Stützelement und den Anschluß für die Abführung von Filtrat (3) aus dem abströmseitigen Gehäuseraum (8) abgeführt.

Wie aus der Fig. 6a hervorgeht, wird von einer Rolle (23) eine flächiges Bahnmaterials beispielsweise in Form eines Membranfilters zu einer Plissiermaschine mit Plissiervorrichtungen (24) zur Ausprägung von in Falten plissierten Filtern 5 zugeführt, wobei bündig zu den Längskanten des Bahnmaterials auf ihrer Unterseite von einer Rolle (25) ein schmales thermisch aufschmelzbares Dichtband (26) aus zum Beispiel Polypropylen gelegt und mitplissiert, dessen Erweichungstemperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Bahnmaterials liegt, wobei die Plissierhöhen der Falten schrittweise so verändert wird, daß die im Filtermodul einlaßseitig liegenden Stegrücken der Falten auf der inneren Kreisbahn eines rohrförmigen Gehäusemantets liegen. während

die auslaßseitig liegenden Stegrücken der Falten auf einer Geraden liegen. Die auf die erfordrliche Länge geschnittene Plissierung wird dann zum Schließen der Stirnseiten der Falten des plissierten Filters, zwischen denen sich das Dichtband (26) befindet mit Anwenden von Druck (p) auf die Plissierung von den beiden Endfalten (11,12) her und mit Erhöhen der Temperatur bis zur Erweichung des Dichtbandes (26) und mit Abkühlen der plissierten Filter (5) behandelt (Fig. 6b).

Liste der Bezugszeichen : 1 Filtermodul 2 rohrförmiger Gehäusemantel 3 Anschlul3 fiir die Abführung von Filtrat 4 Filterelement 5,5'in Falten plissierte Filter <BR> <BR> <BR> <BR> 6,6'äußere Stegrücken<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 7,7'anströmseitige Gehäuseräume 8 abströmseitiger Gehäuseraum 9 Stützelement 10,10'innere Stegrücken 11,12,11', 12'Längskanten der Endfalten 13 geschlossene Stirnseiten des Stützelements 9 14 geschlossene Längsseiten des Stützelementes 9 15,15'zum Stützelement 9 weisende offene Falten 16,16'geschlossene Stirnseiten der zum Stützelement 9 weisendenoffenen Falten 17,17'zur rohrförmigen Gehäusewand 2 hin offene Falten 18 Kunststoffring 19 Quersteg des Kunststoffringes 18 <BR> <BR> <BR> <BR> 20 Heizplatte<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 2 I Schweißspiegel 22 Filtratöffnung 23 Rolle eines Membranfilters 24 Plissiervorrichtungen zur Ausprägung von Falten 25 Rolle 26 Dichtband p Druck.