DE69828597T2

DE69828597T2 - Filter mit darin enthaltener filtrationskassette

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Publication number: DE69828597T2
Application number: DE69828597T
Authority: DE
Inventors: Henry B. Cary Kopf
Original assignee: Individual
Current assignee: Ncsrt inc Apex Nc Us
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1998-01-12
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: JP2001507986A; ATE286776T1; EP0980285B1; US5868930A; WO1998030308A1; EP0980285A1; EP0980285A4; DE69828597D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Filtrationskassetten einer Bauart, die Membranfilterblätter umfasst, welche in einer am Umfang verbundenen Mehrschichtanordnung angeordnet sind, wobei sich die Filterblätter mit kleine Löcher aufweisenden (z.B. Sieb oder Netz) Permeatblattelementen und gerippten Retentatkanalelementen abwechseln. Die Erfindung betrifft weiter im Allgemeinen Querstromfilter, die eine Vielzahl von gestapelten Filtrationskassetten einer solchen Bauart umfassen, sowie ein Verfahren zur Herstellung von solchen Filtrationskassetten.
Beschreibung der verwandten Standes der Technik
Stapelplatten-Querstromfilter werden bei einer großen Zahl von Fest-Flüssig-Trennvorgängen verwendet, einschließlich beim Entwässern von Fest-Flüssig-Suspensionen, wie beispielsweise wässrigen Biomassensuspensionen, dem Entsalzen von Proteinen und Entfernen von abgeschiedenen Metaboliten aus Zellkulturen.
Bei solchen Systemen werden die gestapelten Platten, die den Querstromfilter bilden, typischerweise in einem einheitlichen Rahmenaufbau befestigt, wodurch die jeweiligen Platten zueinander ausgerichtet gehalten werden, und zwar in einem so genannten „Platten-und-Rahmen"-Aufbau.
Das Platten-und-Rahmen-Filter verwendet typischerweise eine einheitliche Flüssigkeitszuführleitung, die in Abständen entlang ihrer Länge mit Öffnungen ausgestattet ist und sich durch die gestapelten Platten als Mittel erstreckt, um eine einfließende, Feststoffe enthaltende Flüssigkeit in die Strömungskanäle einzufüh ren, die in dem gestapelten Plattenaufbau zwischen benachbarten Platten begrenzt sind. Die Strömungskanäle in dem Platten-und-Rahmen-Filter enthalten Filterelemente, wie beispielsweise wegwerfbare Filterpapierblätter oder polymere Membranen, mit denen die Feststoffe enthaltende Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird und durch die feststoffarme Flüssigkeit hindurch tritt. Eine einheitliche Flüssigkeitsabführleitung, die in Abständen entlang ihrer Länge Öffnungen aufweist, erstreckt sich entsprechend in Flüssigkeitsstromverbindung mit den jeweiligen Strömungskanälen des gestapelten Plattenaufbaus durch die gestapelten Platten und befördert die feststoffarme Flüssigkeit aus dem Filtersystem heraus.
Mit fortschreitender Filtration bauen sich die filtrierten Feststoffe in den Strömungskanälen des Filters auf den „Flüssigkeitszuführseiten", d.h. den aktiven Filtrationsflächen, der Filterblätter auf. Der Filter wird dann periodisch rückgewaschen oder kann alternativ nach einer vorbestimmten Zeit oder nachdem sich ein vorbestimmtes Feststoffniveau in den Strömungskanälen auf den Filtrationsflächen der Filterblattelemente angesammelt hat, vollständig außer Betrieb gesetzt werden, wonach die Flüssigkeit aus dem System abgelassen wird und die Filterblätter, wenn notwendig, ersetzt werden.
Bei einer Bauart des gegenwärtig vertriebenen gestapelten Filtersystems, das im Handel von Millipore Corporation (Bedford, Massachusetts) als Prostak^® Querstromfilter erhältlich ist, begrenzen die benachbarten Filterplatten einen Strömungskanal. Die Feststoffe enthaltende, einfließende Flüssigkeit wird auf einer Seite der Platte von einer zentralen Stelle in eine sich quer erstreckende Zuführverteilungsleitung befördert, die mit Öffnungen in Abständen entlang der Leitungslänge zum Abzug der die Feststoffe enthaltenden Flüssigkeit versehen ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der benachbarten Platten ist der Strömungskanal in ähnlicher Weise mit einer Flüssigkeitssammelleitung mit Öffnungen entlang der Länge gestaltet, um die feststoffarme Flüssigkeit zu sammeln und dieselbe aus dem zentralen Auslass, der mit der Sammelleitung in Verbindung steht, abzuleiten.
Ein Hauptproblem, das bei Querstromfiltern der oben beschriebenen Bauart angetroffen wird, besteht darin, dass die Flüssigkeitsstromverteilung, wie sie bei spielsweise durch die volumetrische Flüssigkeitsströmungsrate oder die Flüssigkeitsoberflächengeschwindigkeit widergespiegelt wird, in der Querrichtung des Strömungskanals in hohem Maße ungleichförmig ist. Eine solche Fehlverteilung der die Feststoffe enthaltenden Flüssigkeit beruht auf der Tatsache, dass (1) die einfließende Flüssigkeit an einer zentralen Stelle in die Zuführverteilungsleitung eingeführt wird und (2) der Querschnittsbereich des Flüssigkeitseinlasses kleiner als die Summe der Einlass-Querschnittsbereiche der Querstrom-Unterkanäle ist.
Aufgrund des Druckabfalls in der Querrichtung vom mittleren Einlassdurchgang des Filterplattenaufbaus zu den Enden der Zuführverteilungsleitung wird der lokale Längsstrom (Querstrom) der Flüssigkeit von der Einlassseite zur Auslassseite der gestapelten Platten in zunehmend größeren Querabständen vom zentralen Flüssigkeitseinlassdurchgang entsprechend dem Druckabfall, der erfolgt, wenn die Flüssigkeit quer zur den äußeren Enden der Verteilungsleitung ausgerichtet wird, fortschreitend reduziert.
Als Ergebnis gibt es eine bevorzugte Kanalisierung der Flüssigkeit im zentralen Bereich des Strömungskanals von der Einlassseite zur Auslassseite und eine gleichzeitige Unterauslastung der Umfangsbereiche des Filters. Die verfügbare Filteroberfläche wird daher teilweise im Querstrom und teilweise in der Dead-End-Filtration verwendet. Wenn die Feststoffe im zentralen Abschnitt bis zu einem Punkt aufgebaut wurden, bei dem ein Rückwaschprozeß oder eine Reinigung des Filters erforderlich ist, kann nur dieser Abschnitt des Filters, der im Querstrom verwendet wird, gereinigt werden. Die Umfangsbereiche des Filterblatts bleiben verschmutzt und bewirken eine Einschleppung des verschmutzten Materials von einem diskontinuierlichen Verfahren zum nächsten.
Es ist denkbar, dass eine solche quer verlaufende Fehlverteilung der Zuführflüssigkeit in den Querstromfiltern des zuvor erwähnten Typs durch das Vorsehen von Sammelverteilern überwunden werden könnte, um Zuführflüssigkeit an mehreren Einführungspunkten entlang den Seiten der gestapelten Filterplatten in die Filtrationskanäle einzuführen, und zwar mit einer entsprechenden Auslasssammelverteileranordnung auf der gegenüberliegenden Seite der gestapelten Platten. Allerdings würde ein solches Vorsehen unglücklicherweise den Druckabfall des gesamten Systems sowie die Komplexität des Filtersystems signifikant erhöhen, da es notwendig wäre, die mehreren Zuführflüssigkeitsabzweigleitungen, die vom Verteiler in den Filter gehen, sicher abzudichten.
Eine andere Art von gestapeltem, vermarktetem Platten-Querstromfilter verwendet eine sich quer erstreckende Flüssigkeitsverteilungsleitung mit beabstandeten Öffnungen darin, um eine Feststoffe enthaltende Flüssigkeit in den Strömungskanal zwischen benachbarten gestapelten Platten einzuführen; allerdings wird anstelle eines zentralen Einlassdurchgangs zum Leiten der Feststoffe enthaltenden Flüssigkeit zu einer solchen Leitung die Flüssigkeit axial von einer Zuführleitung, die mit einem Querende der Leitung verbunden ist, in die Leitung befördert. Filter dieses Typs sind von Millipore Corporation (Bedford, Massachusetts) unter dem Warenzeichen Pellicon^® erhältlich. Diese Zuführanordnung führt zu einer progressiven Abnahme des Flüssigkeitsdrucks bei steigenden Querabständen im Zuführende der Verteilerleitung, was wiederum zu progressiv quer verminderten Querstromraten der Flüssigkeit im Strömungskanal führt.
In dem Bemühen, die zuvor erwähnten Flüssigkeitströmungs-Fehlverteilungsbesonderheiten von gestapelten Plattenfiltern zu überwinden, sind Filterplatten mit Prallblechelementen gestaltet worden, die getrennte Strömungskanäle begrenzen, und zwar mit der Absicht, eine gleichförmigere Verteilung der die Feststoffe enthaltenden, einfließenden Flüssigkeit über das volle Flächenausmaß der Filterelemente in den Strömungskanälen des Filters zu erzielen.
Eine Filterplatte, die im Handel von Toyo Soda Manufacturing Company, Ltd. (Tokyo, Japan) erhältlich ist, hat einen Aufbau, bei dem eine Feststoffe enthaltende, einströmende Flüssigkeit in den Strömungskanal an einem zentralen Einlassdurchgang entlang der Seite der Platte befördert wird. Eine Wand befindet sich vor dem Flüssigkeitseinlass, die sich vom Boden des Strömungskanals nach oben und quer zu den Enden des Strömungskanals erstreckt, um das einfließende System in zwei nach außen gerichtete Ströme zu teilen. Nach dieser den Strom aufteilenden Wand befindet sich eine sich längs erstreckende Trennwand, wobei die Strom aufteilende Wand und die Trennwand in Draufsicht zusammen einen „T"-Aufbau bilden. Eine Reihe von Prallblech-Trennwänden befindet sich in Längsrichtung von einer Parallele zur Strom aufteilenden Wand beabstandet auf jeder Seite der Trennwand. Die Prallbleche erstrecken sich ein Stück weit auf jeder Seite der Trennwand quer über den Strömungskanal, so dass ein Serpentinen-Strömungsweg für jeden der unterteilten Ströme auf den jeweiligen Seiten der Trennwand gebildet wird. Ein einheitlicher Flüssigkeitsauslassdurchgang ist an der gegenüberliegenden Seite der gestapelten Platten vom Einlassdurchgang vorgesehen, wodurch die jeweiligen Serpentinenströme schließlich verbunden werden und aus den Strömungskanälen des Filters abgeleitet werden.
Obwohl die duale, oben beschriebene Serpentinen-Strömungsweganordnung eine etwas bessere Verteilung des Flüssigkeitsstroms über den Bereichsumfang des Filterpapierelements vorsieht, erzeugen die scharfen Wendungen im Strömungsweg an den Enden der Prallbleche Rand- und Eintrittswirkungen in den Strömungsströmen, die darin einen beträchtlichen toten Raum und eine Umgehung erzeugen. Aufgrund von solchen ungewöhnlichen Strömungsphänomenen wird die Filtrationswirksamkeit der mit Prallblech versehenen Serpentinenströmungsanordnung signifikant verringert.
Ein mikroporöser Filtergegenstand ist im Handel von Millipore Corporation (Redford, Massachusetts) unter dem Warenzeichen MF-Millipore erhältlich, und zwar als Stapelanordnung, die ein oberes Dichtungsblattelement, eine Filtrattrennplatte, ein Filterblatt eines mikroporösen Filtrationsmediums, eine Retentattrennplatte, ein zweites Filterblatt eines mikroporösen Filtrationsmediums, eine Filtrattrennplatte und ein Bodendichtungsblattelement umfasst. Die Filtrattrennplatten und die Retentattrennplatte weisen einen Umfangsrand einschließlich Verteileröffnungen darin auf, die begrenzend einen zentralen Sieb- oder Netz-Strömungskanalbereich einschließt. Im Betrieb wird ein rezirkulierender Flüssigkeitsweg über die Filterblätter durch das Retentatsieb geführt, und zwar im Strömungskanalbereich der Retentattrennplatte, die die beiden Filterblätter kontaktiert. Die Filterblätter trennen die Lösung oder ein anderes zu trennendes Zuführmaterial gemäß der Porositäts-Einstufung der Filterblätter. Das Filtratsieb im Strömungskanalbereich der Filtrattrennplatte führt das Filtrat ab zu den Verteileröffnungen in den Umfangsrändern der Filtrattrennplatten. Das Filtrat strömt dann durch die Verteileröffnungen der Filtrattrennplatten zu einem Filtratsammelmittel, wie beispielsweise einem Gefäß, das außerhalb des Filters vorgesehen ist, das die gestapelte Anordnung von solchen Filtergegenständen umfasst.
Tangentiale Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsmembrankassettensysteme sind von der Filtron Technology Corporation (Northborough, Massachusetts) unter den Warenzeichen Minisette, Centrasette und Maxisette erhältlich und umfassen mehrere Schichten von Membran-Aufbauten, die aus Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationsmembranen bestehen, welche zwischen polymeren Sieb- oder linearen offenen Kanalretentatseparatoren und Siebfiltratseparatoren angeordnet sind. Blockierte Ränder auf den Filtrat- und Retentatsieben führen das Filtrat zu den Sammeldurchgängen auf einem Bodenzellverteiler. Kassetten können in einer gestapelten Anordnung oder Zelle vorgesehen sein, die zwischen Endplatten angebracht ist, die zum Einführen von Zuführmaterial, das in den Kassetten getrennt werden soll, und zum Ableiten oder Entziehen von Filtrat und Retentat mit geeigneten Durchgängen versehen sein kann.
Mein älteres US-Patent 4 882 050, ausgegeben am 19. September 1989, beschreibt eine Filterplatte, die durch eine beträchtlich gleichförmige, quer ausgerichtete Verteilung von Flüssigkeit aus einem einheitlichen Flüssigkeitszuführdurchgang und einen äußerst gleichförmigen Flüssigkeitsquerstrom durch den ganzen, quer verlaufenden Umfang des gebildeten Strömungskanals gekennzeichnet ist, wenn Platten dieses Typs gestapelt werden, um ein Querstromfilter zu bilden.
Die Filterplatte dieses älteren Patents hat eine generell ebene und rechteckige Form mit einer im Wesentlichen flachen Bodenfläche. Eine Oberseite der Platte ist mit einer sich nach oben erstreckenden Wand ausgestattet, die einen Strömungskanal von generell rechteckiger Form begrenzend einschließt. Ein Flüssigkeitseinlassdurchgang ist an einem mittleren Teil einer zweiten Seite des Strömungskanals angeordnet, wobei sich der Flüssigkeitsauslassdurchgang an einem mittleren Teil einer zweiten Seite des Strömungskanals gegenüber der ersten Seite befindet. Der Flüssigkeitseinlassdurchgang wird in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit einer Flüssigkeitszuführmulde verbunden, die sich quer über die erste Seite des Strömungskanals erstreckt, und der Flüssigkeitsauslass durchgang wird in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit einer Flüssigkeitssammelmulde verbunden, die sich quer über die zweite Seite des Strömungskanals erstreckt.
Bei dieser Gestaltung erstrecken sich eine Mehrzahl von beabstandeten Trennwänden vom Boden des Strömungskanals zwischen der Flüssigkeitszuführmulde und der Flüssigkeitssammelmulde nach oben. Diese Trennwände haben eine geringere Höhe als die Wände, die den Strömungskanal begrenzen, und verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander, um eine Reihe von Unterkanälen zu definieren, die sich längs zwischen der Flüssigkeitszuführmulde und der Flüssigkeitssammelmulde erstrecken. Sowohl die Flüssigkeitszuführmulde als auch die Flüssigkeitssammelmulde werden von ihren jeweiligen mittleren Abschnitten zu ihren Umfangsenden fortschreitend tiefer.
Platten gemäß diesem älteren Patent können in gestapelten Paaren verwendet werden, um eingeschlossene Strömungskanäle zu bilden, in denen eine Filtration auf hoch effiziente Weise erfolgen kann. Insbesondere wird eine erste Platte des oben ausführlich beschriebenen Typs mit einer im Aufbau identischen zweiten Platte zusammengepasst, die umgekehrt zur ersten Platte angeordnet ist, so dass die jeweiligen begrenzend eingeschlossenen Wände der ersten und zweiten Platte sich zueinander in anliegendem abdichtenden Kontakt befinden. Bei dieser gestapelten Anordnung wird ein Filterelementträger von generell rechteckiger Form, der annähernd die Dimensionen des Strömungskanals hat, zwischen die benachbarten Platten eingelegt, wobei sich Filterblattelemente zwischen dem Träger und jedem jeweiligen Filterplatten-Paar befinden.
Mein älteres US-Patent 4 867 876 offenbart eine Filterplatte, die zur Verwendung mit Filterelementen geeignet ist, um einen gestapelten Plattenfilter zu bilden. Bei dem gestapelten Plattenfilter werden Paare von solchen Filterplatten mit Filterelementen dazwischen angepasst, um Strömungskanäle zu bilden, wobei die Feststoffe enthaltende Flüssigkeit mit den Filterblattelementen zu deren Filtration kontaktiert werden kann, um eine Feststoffe reduzierte Flüssigkeit und Permeat zu erzeugen.
Die Filterplatte des US-Patents 4 867 876 hat eine generell ebene Form mit einer im Wesentlichen flachen Bodenfläche. Eine Oberseite der Platte ist mit einer ersten sich nach oben erstreckenden Wand vorgesehen, die einen Strömungskanal von generell rechteckiger Form begrenzend einschließt. Der Strömungskanal in diesem bekannten Aufbau ist von einer zweiten sich nach oben erstreckenden Wand begrenzend eingeschlossen, die innen zur ersten begrenzend eingeschlossenen Wand liegt und eine geringere Höhe hat als diese, wobei die zweite Wand im Abstand zur äußeren Wand entlang diagonal entgegengesetzter L-förmiger peripherer Abschnitte des Strömungskanal liegt, wobei jeder dieser L-förmigen peripheren Abschnitte einen Schenkel umfasst, der sich quer über den Strömungskanal bezüglich eines großen Teils seiner Länge und einer Schenkelabmessung des Strömungskanals erstreckt, und an seinem Ende mit einer Öffnung in Verbindung steht, die sich durch die Platte erstreckt, wobei die Abschnitte des Umfangs des Strömungskanals, die diese L-förmigen Abschnitte nicht umfassen, die Stegelemente aufweisen, die sich zwischen der ersten und zweiten begrenzend eingeschlossenen Wand erstrecken.
Ein Flüssigkeitseinlassdurchgang ist auf einer ersten Seite des Strömungskanals in diesem älteren Aufbau angeordnet, wobei sich ein Flüssigkeitsauslassdurchgang auf einer zweiten Seite des Strömungskanals gegenüber der ersten Seite befindet.
Der Flüssigkeitseinlassdurchgang in dieser bekannten Filterplatte ist in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit einer Flüssigkeitszuführmulde verbunden, die innerhalb der zweiten einschließenden Wand liegt und sich quer über die erste Seite des Strömungskanals erstreckt. Der Flüssigkeitsauslassdurchgang ist in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit einer Flüssigkeitssammelmulde verbunden, die innerhalb der zweiten einschließenden Wand liegt und sich quer über die zweite Seite des Strömungskanals erstreckt.
Eine Mehrzahl von beabstandeten Trennwänden erstreckt sich vom Boden des Strömungskanals zwischen der Flüssigkeitszuführmulde und der Flüssigkeitssammelmulde nach oben. Solche Trennwände verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander, um eine Reihe von Unterkanälen zu begrenzen, die sich längs zwi schen der Flüssigkeitszuführmulde und der Flüssigkeitssammelmulde erstrecken. Diese Trennwände haben vorzugsweise eine geringere Höhe als die erste (äußere) Wand, die den Strömungskanal begrenzt, und im Wesentlichen dieselbe Höhe wie die zweite (innere) Wand, die den Strömungskanal begrenzt.
Platten der vorstehenden Bauart können in gestapelten Paaren verwendet werden, um eingeschlossene Strömungskanäle zu bilden, in denen eine Filtration in einer äußerst wirksamen Weise stattfinden kann. Insbesondere kann eine erste Platte dieses Typs, die oben umfassend beschrieben ist, mit einer Platte des Typs zusammengepasst werden, der oben umfassend beschrieben wird, kann mit einer entsprechenden zweiten Platte gepaart werden, die umgekehrt zur ersten Platte angeordnet ist, so dass die jeweiligen ersten begrenzend einschließenden Wände der ersten und zweiten Platte sich zueinander in anliegendem, abdichtendem Kontakt befinden. Bei einer solchen gestapelten Anordnung ist ein Filterelement von generell rechteckiger Form mit ungefähr gleichen Dimensionen wie der Strömungskanal zwischen den benachbarten Platten eingelegt, wobei in geeigneter Weise seine Umfangsränder auf der zweiten einschließenden Wand ruhen. Ein solches Filterelement ist mit einem inneren Strömungsaufbau vorgesehen, wodurch Permeat, das in das Innere des Elements gelangt, zur Ableitung in die zuvor erwähnten L-förmigen peripheren Abschnitte des Strömungskanals zwischen den jeweiligen ersten und zweiten einschließenden Wänden zu den Randabschnitten des Elements befördert wird. In einem veranschaulichenden Aspekt kann das Filterelement einen kleine Öffnungen aufweisenden Träger von generell rechteckiger Form aufweisen, der etwa die gleichen Dimensionen wie der Strömungskanal hat und zwischen den benachbarten Platten eingefügt ist, wobei Filterblattelemente zwischen den mit kleinen Öffnungen versehenen Träger und jeder der jeweiligen Filterplatten vorgesehen sind.
Im Betrieb eines gestapelten Filterplattenaufbaus vom im bekannten US-Patent 4 867 876 offenbarten Typ gelangt eine Flüssigkeit, die über den Flüssigkeitseinlassdurchgang eingeführt wird, in die Flüssigkeitszuführmulde und wird seitlich von dem zugehörigen Abschnitt der Zuführmulde zu den äußeren Enden verteilt. Der Flüssigkeitsstrom wird in die Unterkanäle geführt, um einen längsweisen Flüssigkeitsquerstrom zu erzeugen, der über den gesamten Querumfang des Strömungskanals sehr gleichförmig ist, so dass der volle Bereichsumfang des Filterelements sehr wirksam verwendet wird. Als Ergebnis ist die Feststofffiltrationskapazität des gestapelten Plattenaufbaus beträchtlich erhöht und der Aufbau ist im Vergleich zu verschiedenen bekannten Querstrom-Platten- und Rahmenfiltern vor der Regeneration des Filters zu einem erheblich verlängerten Betrieb in der Lage.
Mein älteres US-Patent 5 049 268 offenbart eine Filterplatte, die in umgekehrt zugewandten Paaren verwendet werden kann, wobei ein Blatthalter Filterblätter aufweist, die an seinen jeweiligen Flächen angeordnet sind und zwischen den zugewandten Filterplatten angebracht sind. Die Filterplatte ist gekennzeichnet durch (a) eine im Allgemeinen rechteckige und im Allgemeinen ebene Form mit Hauptober- und -unterseiten; (b) eine erste Wand, die sich von der Hauptoberseite nach oben erstreckt und einen Strömungskanalbereich von allgemein rechteckiger Form darauf begrenzend einschließt; (c) eine zweite Wand auf der Hauptoberseite, die sich davon nach oben erstreckt, wobei die zweite Wand innerhalb der ersten Wand liegt und eine geringere Höhe als die erste Wand hat und beabstandet zur ersten entlang diagonal entgegengesetzten L-förmigen peripheren Abschnitten des Strömungskanalbereichs ist; (d) wobei jeder L-förmige periphere Abschnitt einen Schenkel umfasst, der sich bezüglich eines Hauptteils von dessen Breite quer über den Strömungskanalbereich erstreckt, sowie einen Schenkel, der sich längs bezüglich eines Teils der Länge des Strömungskanalbereichs erstreckt und an seinem Ende mit einer Öffnung in Verbindung steht, die sich durch die Platte erstreckt, wobei Umfangsabschnitte des Strömungskanalbereichs, die nicht solche L-förmigen Abschnitte umfassen, Stege aufweisen, die sich zwischen der ersten und zweiten Wand erstrecken; (e) eine Einlassdurchgangsöffnung an einem Eckenabschnitt der Filterplatte an einem ersten Ende davon, die sich durch die Platte erstreckt, welche innen liegend in einem polygonförmigen Verteilerbecken auf der Hauptbodenseite der Platte angeordnet ist, wobei das Verteilerbecken durch generell lineare Seitenränder begrenzt ist, die Ecken des Beckens bei jeweiligen Schnittstellen der Seitenränder definieren; (f) eine Einlassmuldenöffnung, die sich durch die Platte und quer über einen Hauptabschnitt der Breite des Strömungskanalsbereichs und entlang eines ersten Seitenrands des Verteilungsbeckens erstreckt, so dass die Flüssigkeitseinlassmuldenöffnung das Verteilungsbecken auf der Hauptunterseite der Platte mit dem Strömungskanalbereich auf der Hauptoberseite der Platte verbindet; (g) eine Auslassdurchgangsöffnung an einem Eckenabschnitt der Platte, diagonal gegenüber der Einlassöffnung, wobei sich die Auslassdurchgangsöffnung durch die Platte erstreckt, die innerhalb eines polygonalförmigen Sammelbecken auf der Hauptoberseite der Platte angeordnet ist, wobei das Sammelbecken durch generell lineare Seitenränder begrenzt ist, die Ecken des Sammelbeckens an jeweiligen Schnittstellen der Seitenränder definieren; (h) eine Auslassmuldenöffnung, die sich durch die Platte und quer über einen Hauptabschnitt der Breite des Strömungskanalbereichs und entlang einem ersten Seitenrand des Sammelbeckens erstreckt, so dass die Auslassmuldenöffnung das Sammelbecken auf der Hauptunterseite der Platte mit dem Strömungskanalbereich auf der Hauptoberseite der Platte verbindet; und (i) eine Mehrzahl von quer beabstandeten Trennwänden, die sich von dem Boden des Strömungskanalbereichs zwischen der Flüssigkeitszuführmulde und der Flüssigkeitssammelmulde nach oben erstrecken, wobei die Trennwände die im Wesentlichen gleiche Höhe wie die zweite Wand haben und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, um eine Reihe von Kanälen zwischen den Trennwänden zu begrenzen, die sich längs zwischen der Flüssigkeitszuführmulde und der Flüssigkeitssammelmulde erstrecken.
In einer speziellen Ausführungsform, die in dem älteren US-Patent 5 049 268 offenbart ist, haben das Flüssigkeitsverteilungsbecken und das Flüssigkeitssammelbecken jeweils eine vierseitige Form, wobei jedes Becken umfasst: die Durchgangsöffnung, die sich an einer ersten Ecke befindet und die Seitenränder, die sich in der ersten Ecke schneiden und einen ersten eingeschlossenen Winkel w von etwa 60° bis etwa 110° dazwischen einschließen; eine zweite Ecke diagonal gegenüber der ersten Ecke, wobei die Seitenränder, die sich in der zweiten Ecke schneiden, einen zweiten eingeschlossenen Winkel x von etwa 45° bis etwa 90° dazwischen einschließen; eine dritte Ecke quer benachbart zur ersten Ecke und längs benachbart zur zweiten Ecke, wobei die Seitenränder, die sich in der dritten Ecke schneiden, einen dritten eingeschlossenen Winkel y von etwa 70° bis etwa 135° dazwischen begrenzen; eine vierte Ecke längs benachbart der ersten Ecke und quer benachbart der dritten Ecke, wobei die Seitenränder, die sich in der vierten Ecke schneiden, einen vierten Winkel z von etwa 60° bis etwa 90° dazwischen begrenzen; und der Seitenrand, der sich quer zwischen der zweiten und vierten Ecke erstreckt, auch die zugehörige Muldenöffnung begrenzt, die sich durch die Platte erstreckt und das Becken mit dem Strömungskanalbereich verbindet.
Die Filterplatte, die in dem älteren US-Patent 5 049 268 offenbart ist, ist sehr effizient beim Bewirken von Massentransfervorgängen, z.B. dem Entwässern von wässrigen Biomassensuspensionen, dem Entsalzen von Proteinen und dem Entfernen von sekretierten Metaboliten aus zellulären Suspensionen. Eine solche Filterplatte kann ohne weiteres als einheitlicher Gegenstand durch Spritzgießen aus einer großen Anzahl von Kunststoffmaterialien, wie beispielsweise Polypropylen, Polysulfon, Polyvinylchlorid usw., gebildet werden, aber aufgrund des relativ komplexen geometrischen Aufbaus der Filterplatte sind spritzgegossene Platten teuer in der Herstellung.
Die EP 0 529 628 A2 beschreibt eine andere Membranfiltrationseinheit, die einen Stapel von Membranen umfasst, die in Paaren so angeordnet sind, dass Permeat entlang/durch die Membranen zu einer Permeatsammelkammer strömen kann. Ein Abstandselement in Form eines Netzes oder eines Gewebes kann zwischen den Membranen von jedem Paar vorgesehen sein oder die Membranen können eine profilierte Oberfläche aufweisen, um Permeatströmungsdurchgänge dazwischen zu bilden, so dass Permeat entlang der Membranen zu einer Permeatsammelkammer fließen kann. Alternativ kann, wenn Membranen mit einem profilierten Aufbau verwendet werden, ein starres Element mit rippenförmigen Vorsprüngen zwischen den profilierten Membranen angeordnet sein, wobei die rippenförmigen Vorsprünge senkrecht zur Permeatströmungsrichtung verlaufen, was durch die entstehende Kraft des Zuführflüssigkeitsdrucks zum Bilden von Zuführflüssigkeits/Konzentratkanäle auf der gegenüberliegenden Seite der Membran dient.
Die US 5 540 492 lehrt noch eine andere Filtrationseinheit mit einer gestapelten Blattanordnung, wobei Abstandsschichten sich mit Membranschichten abwechseln. Die erste und zweite Abstandsschicht umfasst eine Mehrzahl von Kanälen zum Einführen und Trennen von Plasma aus dem Gesamtblut bzw. zum Anrei chern von plasmaarmem Blut. Die Kanäle enden direkt an größeren Kanälen, die sich durch die Abstandsschichten und die Membranschichten erstrecken. Alternativ kann die zweite Abstandsschicht Mittel zum Einführen von Material in das Gesamtblut oder zum Entfernen von Material aus dem Gesamtblut durch die Membranschichten aufweisen.
Demgemäß wäre es auf dem Fachgebiet ein wichtiger Fortschritt, und ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Filtrationsgegenstand eines Typs zur Verfügung zu stellen, der die überlegene Massentransferwirksamkeit und Nützlichkeit der in dem bekannten US-Patent 5 049 268 offenbarten Filterplatte vorsieht, aber viel wirtschaftlicher herzustellen ist als die Filterplatte und der Blatthalter dieses bekannten US-Patents 5 049 268.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filter zur Verfügung zu stellen, das einen Stapel von verbesserten Filtrationsgegenständen dieses Typs umfasst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen verbesserten Filtrationsgegenstands auf einfache, leistungsfähige und wirtschaftliche Weise zur Verfügung zu stellen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der anschließenden Offenbarung und den beigefügten Ansprüchen deutlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Filtrationskassetten einer Bauart, die Membranfilterblätter umfasst, die in einer umfangsmäßig verbundenen Mehrschichtanordnung angeordnet sind, wobei die Filterblätter sich mit Permeatblattelementen und Retentatkanalelementen abwechseln.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Querstromfilter, die eine Vielzahl von gestapelten Filtrationskassetten der üblichen, in dem vorherigen Abschnitt beschriebenen Bauart umfassen, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Filtrationskassetten.
Gemäß einem besonderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Filtrationskassette gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem anderen besonderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Filtrationskassette gemäß Anspruch 1, weiter umfassend eine Mehrschichtanordnung von Blattelementen mit generell rechteckiger und generell ebener Form mit Hauptober- und -unterseiten, wobei die Blattelemente umfassen:
ein erstes Retentatblatt aus geeignetem Material, z.B. Polysulfon, Polyethersulfon, Polycarbonat, Urethan, Silikon oder einem anderen Aufbaumaterial, mit (i) mindestens einer sich längs erstreckenden Rippe oder Trennelement, wobei das/die Trennelement(e), wenn sie in Mehrfachkonfiguration vorgesehen sind, quer voneinander beabstandet sind und im Wesentlichen dieselben Höhe haben und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, um eine einzelne oder eine Reihe von Kanälen zwischen den Trennwänden zu begrenzen, die sich längs zwischen den jeweiligen Einlass- und Auslassbeckenöffnungen von zugehörigen Filterelementen und Permeatblattelementen auf beiden Seiten davon erstrecken, (ii) Filtratdurchlassöffnungen an Seitenabschnitten der Blätter und (iii) das Retentatblatt in Anlage an das erste Filtermaterialblatt an jeweiligen End- und Seitenabschnitten davon, wobei sich die Beckenöffnungen und Filtratdurchlassöffnungen der zugehörigen Blattelemente miteinander decken und die Filtratdurchlassöffnung des Retentatblattelements eingrenzend gegen das erste Filtermaterialblatt gedrückt wird und wobei ein zentraler Abschnitt des ersten Filtermaterialblatts und das Retentatblattelement nicht verbunden sind, um zu ermöglichen, dass Permeat, das mit dem Retentatblattelement in Kontakt gelangt, durch das erste Blattelement des Filtermaterials zum Permeatblattelement strömt;
ein erstes Filtermaterial-Blattelement mit (i) mindestens einer Beckenöffnung einer geeigneten Form, z.B. polygonale, halbkreisförmige, ovale oder Sektorform, an jedem der gegenüberliegenden Endabschnitte des Blattelements, das jeweilige Einlass- und Auslassdurchlässe begrenzt, und (ii) mindestens eine Filtratdurchlassöffnung an den Seitenabschnitten des Blattelements, wobei das erste Blattelement des Filtermaterials mit dem Permeatblattelement an den jeweiligen End- und Seitenabschnitten verbunden ist, wobei die Beckenöffnungen und Filtratdurchlassöffnungen sich miteinander decken und die Beckenöffnungen begrenzend an jeweiligen Endabschnitten des ersten Blattelements des Filtermaterials und dem Permeatblattelement verbunden sind und wobei ein zentraler Abschnitt des ersten Blattelements des Filtermaterials und des Permeatblattelements nicht verbunden sind, so dass ein Zentralabschnitts-Permeatkanal des Permeatblatts begrenzt wird, das mit den Filtratdurchlässen im ersten Blattelement des Filtermaterials und im Permeatblattelement in Verbindung steht;
ein Permeatblattelement mit (i) mehreren Beckenöffnungen von geeigneter Form an jedem der gegenüberliegenden Endabschnitte des Blattelements, das jeweilige Einlass- und Auslassdurchlässe begrenzt, und (ii) Filtratdurchlassöffnungen an den Seitenabschnitten des Blattelements;
ein zweites Filtermaterial-Blattelement mit (i) mindestens einer Beckenöffnung an jedem der gegenüberliegenden Endabschnitte des Blattelements, die jeweilige Einlass- und Auslassdurchlässe begrenzen, und (ii) mindestens eine Filtratdurchlassöffnung an den Seitenabschnitten des Blattelements, wobei das zweite Filtermaterial-Blattelement mit dem Retentatblattelement an den jeweiligen End- und Seitenabschnitten druckversiegelt ist, wobei die Beckenöffnungen und die Filtratdurchlassöffnungen sich miteinander decken und die Filtratdurchlassöffnung des Retentatblattelements mit dem zweiten Filtermaterial-Blattelement druckversiegelt ist, und wobei ein zentraler Abschnitt des zweiten Filtermaterial-Blattelements und das Retentatblattelement nicht verbunden sind, um zu ermöglichen, dass das Permeat, das das Retentatblattelement kontaktiert, durch das zweite Blattelement des Filtermaterials strömt; und
ein zweites Retentatblattelement aus geeignetem Material, z.B. Polysulfon, Polyethersulfon, Polycarbonat, Urethan, Silikon, mit (i) mindestens einer sich längs erstreckenden Rippe oder Trennelement, vorausgesetzt, dass, wenn mehrere Trennelemente verwendet werden, die Trennelemente quer voneinander beabstandet sind, wobei solche Trennelemente im Wesentlichen dieselbe Höhe haben und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, um einen einzelnen Kanal oder eine Reihe von Kanälen zwischen den Trennwänden zu begrenzen, die sich längs zwischen den jeweiligen Einlass- und Auslassbeckenöffnungen der Filterelemente und der Permeatblattelemente auf beiden Seiten davon erstrecken, (ii) Filtratdurchlassöffnungen an den Seitenabschnitten des Blattelements und (iii) das Retentatblatt, das mit dem zweiten Filtermaterialblatt an den jeweiligen End- und Seitenabschnitten davon druckversiegelt ist, wobei die Beckenöffnungen und die Filtratdurchlassöffnungen sich miteinander decken und die Filtratdurchlassöffnung des Retentatblattelements mit dem zweiten Filtermaterial-Blattelement druckversiegelt ist und wobei ein zentraler Abschnitt des ersten Filtermaterial-Blattelements und des Retentatblattelements nicht verbunden sind, um zu ermöglichen, dass das Permeat, das das Retentatblattelement kontaktiert, durch das zweite Filtermaterial-Blattelement zum Permeatblattelement strömt.
Wie nachfolgend verwendet wird der Begriff „Blattelement", der in Bezug auf die verschiedenen Schichten bzw. Blättchen der Kassette verwendet wird – wobei die Kassette der Stapel von generell ebenen Blattelementen ist, die eine betriebsfähige Massentransfereinheit bilden, wenn sie mit Flüssigkeitszufuhr, Retentat- und Filtratströmungsmitteln verbunden sind –, abwechselnd einfach als „Blatt" bezeichnet. Es wird daher davon ausgegangen, dass der Begriff „Blatt" die generell ebenen Elemente der Kassette bezeichnet, wobei die Kassette daher einen Aufbau aus Permeatblättern, Filterblättern und Retentatblättern umfasst, die miteinander derart verbunden sind, dass ermöglicht wird, dass ein Flüssigkeitsstrom durch den/die Strömungskanal/kanäle der Vorrichtung zum Massentransfer getrennt wird, umfassend den Durchlass des Filtrats durch die Filterblätter und die Retention des Retentats auf der Seite des Filterblatts gegenüber der Seite, von der das Filtrat auftaucht. Der Begriff „komprimierbar" in Bezug auf das Retentatblatt oder ein anderes bauliches Merkmal oder Blattelement der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass eine solche Komponente oder ein solches Element komprimierbar durch Anwendung einer Last oder eines Drucks darauf deformiert werden kann.
Die oben beschriebene Filtrationskassette der Erfindung umfasst eine „Basisfolge" von Elementen, die als Folge der Blattelemente definiert ist, die ein Retentatblatt (nachfolgend durch das Symbol „R" bezeichnet), ein Filterblatt (nachfolgend durch das Symbol „F" bezeichnet), ein Permeatblatt (nachfolgend durch das Symbol „P" bezeichnet), ein zweites Filterblatt („F") und ein zweites Retentatblatt („R") ausmachen, wodurch eine Abfolge von Blattelementen R/F/P/F/R zur Verfügung gestellt wird.
Die Basisabfolge der Blattelemente kann zum Aufbau von Filtern verwendet werden, die eine Mehrzahl von Filtrationskassetten umfassen, wobei das Retentatblatt dazu verwendet wird, die oberen und unteren Elemente einer Mehrzahl von Filtrationskassetten einer Abfolge abzudichten, umfassend das Retentatblatt „R", das Filterblatt „F", das Permeatblatt P, das Filterblatt „F", das Retentatblatt „R", das Filterblatt „F", das Permeatblatt P, das Filterblatt „F" und das Retentatblatt „R". Ein veranschaulichendes gestapeltes Kassettenfilter gemäß der Erfindung kann zum Beispiel die Blattfolge R/F/P/F/R/F/P/F/R/F/P/F/R aufweisen und ein erstes Retentatblatt, zwei Basisfolgen der Blättern FPFR in einer wiederholenden Abfolge und ein zweites Retentatblatt umfassen. Bei allen wiederholenden Abfolgen außer einer einzelnen Kassettenbasisfolge wird die folgende Beziehung beobachtet: wenn X die Zahl der Filterblätter F ist, dann ist die Menge 0,5 X – 1 die Zahl der inneren Retentatblätter R, und die Menge 0,5 X ist die Zahl der Permeatblätter P, wobei zwei äußere Retentatblätter verwendet werden, um das obere und untere Ende der dazwischen liegenden Folge abzudichten.
Es ist daher möglich, eine große Zahl von Basisfolgekassetten in einer wiederholenden Abfolge zu verwenden, um einen gestapelten Kassettenfilter des gewünschten Massentransferbereichs vorzusehen. Viele Konfigurationen sind möglich. In einigen Fällen ist es durchführbar, z.B. für Massentransferstudien und Systemquantifizierung, eine einzelne Kassette zu verwenden, die die Basisfolge R/F/P/F/R umfasst, wobei die äußersten Retentatblätter in der Folge an ihren Außenflächen mit einer Endplatte druckversiegelt sind, die das Entfernen von Permeat aus den Filtratdurchlassöffnungen der einzelnen Blattelemente in der Kassette ermöglicht.
Die Blätter des Filtermaterials, das in dem Kassettengegenstand der vorliegenden Erfindung verwendet wird, können jede geeignete Porositäts-Einstufung aufweisen. Wie hier verwendet, ist die Porositäts-Einstufung eines Filtermaterialblatts die kleinste Partikelgröße, die nicht durch die Poren des Filtermaterials hin durch treten kann. Typische Porositäts-Einstufungen sind in Molekulargewicht (MG) und Mikrometereinheiten ausgedrückt, z.B. ist ein 2 μm-Filtermediumsblatt ein Material, das Partikel von weniger als 2 μm Durchmesser durch die Poren des Materials hindurch lässt, während Partikel, die größer als 2 μm sind, nicht durch das Filtermaterial hindurchgehen, und als weiteres Beispiel ist ein Filtermediumsblatt mit 10.000 MG ein Material, das Partikel von weniger als 10.000 MG Durchmesser durch die Poren des Materials hindurch treten lässt, während Partikel, die größer als 10.000 MG sind, nicht durch das Filtermaterial hindurchgelangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kassettengegenstands der Erfindung wird ein Retentatblatt mit einer Mehrzahl von quer beabstandeten, sich längs erstreckenden Rippen oder Trennwänden vorgesehen, die sich nach oben von (dem zentralen Abschnitt) jeder Hauptober- und -unterseite des Retentatblatts erstrecken, wobei diese Rippen oder Trennwände von im Wesentlichen derselben Höhe und im Wesentlichen parallel zueinander sind, um eine Reihe von Kanälen zwischen den Trennwänden zu definieren, die sich längs zwischen den jeweiligen Beckenöffnungen des Retentatblatts auf beiden Seiten davon erstrecken. Die benachbarten Filterblätter können weiter mit den äußeren Enden der Rippen oder Trennwände verbunden sein, und die Rippen oder Trennwände können aus einem geeigneten Material gebildet sein, z.B. aus einem flexiblen, elastischen Klebeverbindungsmittel, wie beispielsweise Urethanen, Epoxy- oder Silikonklebeabdichtmittel, das z.B. in einer „Wulst" in Längsrichtung des Retentatblatts sowohl auf der Hauptober- als auch -unterseite angewendet wird.
Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „verbunden" in Bezug auf benachbarte Blätter in der Mehrschichtkassette, dass die benachbarten Blätter derart aneinander angebracht sind, dass verhindert wird, dass ein Strom des zu verarbeitenden Materials, z.B. das zu trennende Zuführmaterial, sowie Komponentenmaterialien davon (Filtrat oder Permeat sowie Retentat), durch die so gesicherten Bereiche oder zwischen die benachbarten Blätter in den so gesicherten Bereichen strömt. Vorzugsweise wird das Verbinden mit einem geeigneten Kleber oder Abdichtmittel, z.B. einem Urethan-, Epoxy-, Cyanacrylat- oder Silikon-Klebematerial, durchgeführt, der die Zwischenräume in dem verbundenen Blattpaar füllt und ei nes der benachbarten Blätter mit dem anderen in den verbundenen Bereichen klebend verbindet.
Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff „druckverbunden" und „mittels Druck verbunden" auf das Verbinden und auf Verbindungsvorgänge, bei denen der zu verbindende Aufbau einer Drucklast oder -kraft ausreichend lange und für eine ausreichende Frist unterworfen wird, um die Verbindungs-Befestigung des Aufbaus zu bewirken. Die Erfindung kann zum Beispiel mit dem Verbinden von Blättern in der Mehrschichtanordnung miteinander mit Cyanacrylat oder anderen „schnellen" Klebern durchgeführt werden, oder alternativ kann der Kleber oder das Abdichtmittel ein ausgedehntes Härten bei Umgebungstemperatur oder unter anderen geeigneten Härtungsbedingungen erforderlich machen, und es kann vorteilhaft sein, ein solches Härten mit dem Laminataufbau in einer Spannvorrichtung oder einem anderen Aufbau durchzuführen, in dem die Druckverbindung wirksam vollendet wird. Das Druckverbinden von Schichten ist in der Praxis der Erfindung äußerst erwünscht, um eine Dichtheit und eine strukturelle Intaktheit des sich ergebenden Mehrschichtaufbaus der Kassette sicherzustellen.
In einer speziellen Ausführungsform des Kassettengegenstands der Erfindung umfassen das Einlass- und Auslassbecken jeweils zwei vierseitige Öffnungen, wobei jede Beckenöffnung umfasst:
Seitenränder, die sich in einer ersten Ecke der Beckenöffnung schneiden, und einen ersten eingeschlossenen Winkel w von 90° dazwischen begrenzen;
eine zweite Ecke diagonal gegenüber der ersten Ecke, wobei die Seitenränder sich in dieser zweiten Ecke schneiden und einen zweiten eingeschlossenen Winkel x von 90° dazwischen begrenzen;
eine dritte Ecke quer benachbart zur ersten Ecke und längs benachbart zur zweiten Ecke, wobei die Seitenränder sich in der dritten Ecke schneiden und einen dritten eingeschlossenen Winkel y von 90° dazwischen begrenzen;
eine vierte Ecke längs benachbart zur ersten Ecke und quer benachbart zur dritten Ecke, wobei sich die Seitenränder in der vierten Ecke schneiden und einen vierten Winkel z von 90° dazwischen begrenzen.
In einer anderen Ausführungsform des Kassettengegenstands der Erfindung umfasst das Einlass- und Auslassbecken je vier vierseitige Öffnungen, wobei jede Beckenöffnung umfasst:
Seitenränder, die sich in einer ersten Ecke der Beckenöffnung schneiden und einen ersten eingeschlossenen Winkel w von 90° dazwischen begrenzen;
eine zweite Ecke diagonal gegenüber der ersten Ecke, wobei die Seitenränder sich in dieser zweiten Ecke schneiden und einen zweiten eingeschlossenen Winkel x von 90° dazwischen begrenzen;
eine dritte Ecke quer benachbart zur ersten Ecke und längs benachbart zur zweiten Ecke, wobei die Seitenränder sich in der dritten Ecke schneiden und einen dritten eingeschlossenen Winkel y von 90° dazwischen begrenzen;
eine vierte Ecke längs benachbart zur ersten Ecke und quer benachbart zur dritten Ecke, wobei sich die Seitenränder in der vierten Ecke schneiden und einen vierten Winkel z von 90° dazwischen begrenzen.
Jedes Blattelement in der oben ausführlich beschriebenen Kassette kann in geeigneter Weise Filtratdurchlassöffnungen auf den Seitenabschnitten (Rändern) des Blattelements umfassen.
Gemäß einem speziellen Aspekt der Erfindung können die Retentatblätter ein mit kleinen Öffnungen versehenes Material mit einer Größe von etwa 80 bis etwa 300 mesh bilden. Jedes der durchlöcherten Retentatblätter kann zum Beispiel ein gewebtes polymeres Netz umfassen, z.B. aus einem Material, das aus der Gruppe bestehend aus Polyester, Polypropylen, Nylon, Fluorkohlenstoffpolymere, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen, Polyethylen und Polysulfon, und Verbundstoffe, die ein oder mehr solche Materialien umfassen, ausgewählt ist.
Die Retentatblätter können alternativ ein nicht gewebtes Material umfassen, wenn dieses eine geeignete durchlöcherte Beschaffenheit hat, oder alternativ können sie eine gesinterte Metallmatrix oder ein anderes Strukturelement mit gewünschten Porositäts- und Permeabilitätseigenschaften umfassen. Alternativ können die Permeat- und Retentatblätter eine nicht perforierte oder feste starre Beschaffenheit haben.
Die Filterblätter, die in der Filtrationskassette der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können aus jedem geeigneten Material sein, wie beispielsweise einem Material, das aus der Gruppe bestehend aus Cellulose, Polyphenylenoxid, Polysulfon, Cellulosenitrat, Celluloseacetat, regenerierte Cellulose, Polyetheramid, Polyphenylenoxid/Polysulfonmischungen, gemischten Celluloseestern und Polyethersulfon ausgewählt ist.
In einer speziellen Ausführungsform des Kassettengegenstands der Erfindung sind die Einlass- und Auslassbecken der Blattelemente strukturell durch Hochfrequenz(RF)-Schweißen von Urethan oder einem anderen geeigneten Material, wie beispielsweise Ethylvinylacetat, Silicon und EPDM, verstärkt. In einer besonders bevorzugten speziellen Ausführungsform der Erfindung ist ein erster Aufbau, der aus einem ersten Filterblatt, einem Permeatblatt und einem zweiten Filterblatt besteht, mittels Urethan verklebt und dann ausgestanzt, um einen ersten Ausschnitt des Einlass- und Auslassbeckens zu bilden. Die Längsenden des ersten Aufbaus werden dann auf beiden Seiten (Hauptflächen) davon mit einem dünnen Urethanblatt bedeckt, das vollständig das Einlass- und Auslassbecken überlagert. Der erste Aufbau mit den jeweiligen Schichten in der Folge: Urethanblatt, Filterblatt, Permeatblatt, Filterblatt und Urethanblatt wird dann RF-geschweißt, um einen zweiten Aufbau zu bilden. Mittels RF-Schweißen werden die zwei Urethanblätter in dem Einlass- und Auslassbecken verbunden, was zu einer Verkapselung des Einlass- und Auslassbeckens führt. Der zweite Aufbau wird dann ein zweites Mal ausgestanzt, um eine Öffnung an dem Einlass- und Auslassbecken zu erzeugen, das von seinen Dimensionen her kleiner als das erste ausgestanzte ist.
Das sich ergebende neu gebildete Einlass- und Auslassbecken ist jetzt vollständig verkapselt und durch die verschweißten Urethanblätter verstärkt. Dieses spezielle Verfahren ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber bestehenden gestapelten Kassettenelementen, weil es eine Delamination der Ultrafiltrationsmembranen verhindert. Zahlreiche Membrantypen, insbesondere Ultrafiltrationsmembranen und Umkehrosmosemembranen, werden als Haut gegossen (hergestellt), die auf einer Trägerstruktur aufgeschichtet wird. Im Verwendungsfall führt die Turbulenz in Verbindung mit der Flüssigkeit im Einlass- und Auslassbecken zu einer Delamination und einem Versagen der Membrankassette. Das zuvor erwähnte Verkapselungsverfahren verstärkt die ausgesetzte Haut von zweiteiligen Membranstrukturen und dichtet sie ab, wobei die Lebensdauer der Membran und der Kassette stark verlängert wird. Darüber hinaus können das verstärkte Einlass- und Auslassbecken bei höheren Geschwindigkeiten zu verbessertem Betrieb und Reinigung ohne das Auftreten einer Membran-Delamination betrieben werden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein gestapeltes Kassetten-Querflussfilter mit Kassettengegenständen vom oben beschriebenen Typ.
Ein noch anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Filteraufbau einschließlich ein Paar von Endplatten oder Verteilerplatten, zwischen denen die Kassetten zum Betrieb befestigt werden.
Ein noch anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Filtrationskassette, z.B. vom Typ, wie mehrfach oben beschrieben, umfassend Verbindungsabschnitte, die durch ein Klebeverfahren verbunden werden, das aus der Gruppe bestehend aus Heißkleben, Ultraschallverbinden, Hochfrequenzverbinden und Mikrowellenverbinden ausgewählt ist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst die Filtrationskassette ein Permeatblatt von starrer Ausführung.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Filtrationskassette des zuvor erwähnten Aufbaus, wobei der Permeatkanal in Längsrichtung kontinuierlich verläuft.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Filtrationskassette des oben beschriebenen Aufbaus, bei dem die Becken keine scharfen Ecken aufweisen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Filtrationskassette des zuvor beschriebenen Aufbaus, bei dem der Einlass- und Auslassabschnitt der Kassette eine sich quer erstreckende Schweißnaht, die bezüglich eines Beckens innen liegt, aufweist, wobei eine Klebeverbindung eines solchen Endabschnitts bezüglich der Schweißnaht innen liegt.
Ein noch anderer Aspekt der Erfindung betrifft einen gestapelten Kassettenfilter, der eine Filtrationskassette vom zuvor beschriebenen Typ umfasst, wobei ein äußerstes Retentatblatt mit einer starren Endplatte verbunden ist und eine komprimierbare Dichtung zwischen der starren Endplatte und einer Verteilerplatte des Filters angeordnet ist.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung wird aus der anschließenden Offenbarung und den beigefügten Ansprüche deutlicher sichtbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Filteraufbaus, der eine Filtrationskassette gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit komprimierbaren Enddichtungen und Endplatten umfasst.
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Filtrationskassette (nicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung).
3 ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Filtrationskassette, die zwei vierseitenförmige Becken aufweist.
4 ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Filtrationskassette gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die vier vierseitenförmige Becken aufweist.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Filters, umfassend eine Vielzahl von Kassettengegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Draufsicht auf ein Filterblatt eines Typs, der vorteilhaft in der Kassette der 2 verwendet werden kann.
7 ist eine Draufsicht auf ein Retentatblatt eines Typs, der vorteilhaft in der Kassette der 2 verwendet werden kann.
7A ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt eines Retentatblatts gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die vier vierseitenförmige Becken aufweist.
8 ist eine Draufsicht auf eine komprimierbare Enddichtung eines Typs, der vorteilhaft in der Kassette der 2 verwendet werden kann.
8A ist eine Draufsicht auf eine komprimierbare Enddichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die vier vierseitigenförmige Becken aufweist.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines Filters, umfassend eine Vielzahl von Kassetten und komprimierbaren Enddichtungen des in den 1 und 2 gezeigten Typs.
11 ist eine Draufsicht von oben auf eine Filtrationskassette gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
12 ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Kassette, die aus Blattelementen P/F/P gebildet ist, mit zwei vierseitenförmige Becken nach dem ersten Ausstanzen.
12A ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Filtrationskassette, die aus den Blattelementen P/F/P gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht, mit vier vierseitenförmigen Becken nach dem ersten Ausstanzen.
13 ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Kassette, die aus den Blattelementen P/F/P nach dem RF-Schweißen des Verkapselungsmaterials gebildet ist und zwei vierseitenförmige Becken aufweist.
13A ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Filtrationskassette, die aus den Blattelementen P/F/P nach dem RF-Schweißen des Verkapselungsmaterials gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gebildet ist und vier vierseitenförmige Becken aufweist.
14 ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Kassette, die aus den Blattelementen P/F/P nach dem RF-Schweißen des Verkapselungsmaterials gebildet ist, und nach dem zweiten Ausstanzen zwei vierseitenförmige Becken aufweist.
14A ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Filtrationskassette, die aus den Blattelementen P/F/P nach dem RF-Schweißen des Verkapselungsmaterials gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gebildet ist und die nach dem zweiten Ausstanzen vier vierseitenförmige Becken aufweist.
15 ist eine Draufsicht von oben auf eine starre Retentatplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie beispielsweise in der Filtrationskassette der Erfindung verwendet werden kann.
16 ist eine Draufsicht von oben auf eine weitere Ausführungsform der starren Permeatplatte, wie sie beispielsweise in der Filtrationskassette der Erfindung verwendet werden kann.
17 ist eine Draufsicht von oben auf eine komprimierbare, elastische Dichtung, wie sie beispielsweise zwischen einer starren Endplatte und einer Verteilerplatte eines Filteraufbaus verwendet werden kann, der eine Filtrationskassette gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
18 ist eine Explosionsdarstellung eines Filteraufbaus, der eine Filtrationskassette gemäß der Erfindung umfasst und eine Anordnung mit einem harten Gehäuse mit einer komprimierbaren Dichtung zwischen der Endplatte des harten Gehäuses und der Verteilerplatte des Filteraufbaus verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND DESSEN BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der Filterkassettengegenstand der vorliegenden Erfindung ist so angepasst, dass er in Stapelanordnungen verwendet werden kann, um einen gestapelten Kassettenfilteraufbau zu bilden, bei dem die Basisfolge von Retentatblatt (R), Filterblatt (F), Permeatblatt (P), Filterblatt (F) und Retentatblatt (R) in der Abfolge der Blätter im Filteraufbau wie gewünscht wiederholt werden kann, z.B. in einer sich wiederholenden Folge von Retentatblatt (R), Filterblatt (F), Retentatblatt (R), Filterblatt (F), Permeatblatt (P), Filterblatt (F), Retentatblatt (R), Filterblatt (F), Permeatblatt (P), Filterblatt (F), Retentatblatt (R), Filterblatt (F), Retentatblatt (R). Daher wird die Filterkassette eines gewünschten Gesamtmassentransferbereichs ohne weiteres aus einem Stapel von sich wiederholenden Abfolgen gebildet. Bei allen sich wiederholenden Abfolgen, mit Ausnahme der Abfolge einer einzelnen Einheit, wird die nachfolgende Beziehung beobachtet: wenn X die Anzahl der Filterblätter ist, ist 0,5X – 1 die Zahl der inneren Retentatblätter, und 0,5X ist die Zahl der Permeatblätter, wobei zwei äußere Retentatblätter an den äußeren Enden der gestapelten Blattanordnung vorgesehen sind.
Die Filterblätter und die hier verwendeten Retentat- und Permeatblätter können aus allen geeigneten Aufbaumaterialien gebildet werden, einschließlich zum Beispiel Polymere, wie beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyimid, Polyvinylchlorid, Polyester usw.; Nylon, Silikon, Urethan, regenerierte Cellulose, Polycarbonat, Celluloseacetat, Cellulosetri acetat, Cellulosenitrat, gemischt Celluloseester usw.; Keramik, z.B. Oxide von Silizium, Zirconium und/oder Aluminium; Metalle, wie beispielsweise rostfreier Stahl; polymere Fluorkohlenstoffe, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen; und kompatible Legierungen, Gemische und Verbundstoffe von solchen Materialien.
Vorzugsweise sind die Filterblätter und Retentat- und Permeatblätter aus Materialien hergestellt, die so angepasst sind, dass sie hohe Temperaturen und chemische Sterilantien aufnehmen, so das die Innenflächen des Filters zur Regeneration bzw. Wiederverwendung dampfsterilisiert und/oder chemisch desinfiziert werden können, und zwar als Aufbau „an Ort und Stelle" und/oder „in situ". Die Dampfsterilisation kann typischerweise bei Temperaturen in der Größenordnung von etwa 121°C bis etwa 130°C, bei Dampfdrücken von 15–30 psi und bei einer Sterilisationsaussetzungszeit, die typischerweise in der Größenordnung von etwa 15 Minuten bis etwa 2 Stunden oder sogar länger liegt, durchgeführt werden. Alternativ kann der gesamte Kassettenaufbau aus Materialien gebildet werden, die den Kassettengegenstand von seiner Beschaffenheit her wegwerfbar machen.
Die Endplatten, die mit den Kassettengegenständen der Erfindung verwendet werden, um einen einheitlichen Filteraufbau zu bilden, können aus jedem geeigneten Aufbaumaterial gebildet werden, einschließlich zum Beispiel rostfreier Stahl oder ein anderes geeignetes Metall, oder Polymere, wie beispielsweise Polypropylen, Polysulfon und Polyetherimid.
Die 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Querstromfilters 10, der einen Kassettengegenstand 12 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Kassette ist von einem Mehrschichtaufbau, umfassend eine Mehrzahl von Blättern, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, die an ihren End- und Seitenrändern umfangsmäßig miteinander verbunden sind.
Zur leichteren Beschreibung der anschließenden Erörterung werden die jeweiligen Ecken der Kassette, wie in der 1 gezeigt, aufeinander folgend beschriftet, und es wird in der unteren rechten Ecke A, wie gezeigt, begonnen und gegen den Uhrzeigersinn fort gefahren, inklusive die obere rechte Ecke B, die obere linke Ecke C und die untere linke Ecke D.
In der Nachbarschaft dieser aufeinander folgenden Ecken A, B, C und D der Kassette sind Öffnungen 16, 18, 20 bzw. 22 vorgesehen, die sich durch die Kassette erstrecken und zum Befestigen der Kassette an Stangen mit einem Durchmesser verwendet werden, der annähernd den jeweiligen Öffnungen entspricht, aber etwas kleiner ist. In dieser Hinsicht ist davon auszugehen, dass die Öffnung 22 ein größeres Ausmaß (Durchmesser) als die verbleibenden Öffnungen 16, 18 und 20 hat. Der Zweck einer solchen Ungleichheit bei der Größe der Öffnungen ist es, ein „Schlüssel"-Merkmal vorzusehen, wodurch eine passende Ausrichtung der Platte sichergestellt ist, da nur die Öffnung 22 über einen großen Stab von entsprechendem Durchmesser passt, während die Öffnungen 16, 18 und 20 nicht über einen solchen großen Stab passen.
Weitere Merkmale oder Aufbauten können für denselben Zweck verwendet werden, nämlich die Schlüsselung der Kassette für eine bestimmte passende Ausrichtung anstelle der unterschiedlich großen Öffnung 22 bezüglich der verbleibenden Eckenöffnungen 16, 18 und 20 von gleicher Größe. Zum Beispiel kann eine der jeweiligen Eckenöffnungen eine andere Form als die anderen haben, z.B. quadratisch oder dreieckig im Querschnitt und nicht kreisförmig sein. Alternativ kann ein Eckenprofil von einer Ecke der Kassette gekerbt oder in Bezug auf die anderen Ecken anders geformt sein, um eine sofort sichtbar erkennbare Schlüsselung oder Ausrichtungsstruktur des Kassettengegenstands vorzusehen.
Die Filtrationskassette 12 ist an ihren jeweiligen Seitenrändern mit Öffnungen 64, 66, 68 und 80 versehen, die kleiner als die Öffnungen 16, 18 und 20 sind und die dazu dienen, das komprimierbare Retentatblatt an Ort und Stelle zu halten.
Die Filtrationskassette 12 ist an ihren jeweiligen Seitenrändern am Mittelabschnitt der sich längs erstreckenden Kassette auch mit Öffnungen 24A, B, C, D, E und 26A, B, C, D, E versehen, die sich durch die Kassette erstrecken. Diese Öffnungen können zum Abzug von Permeat verwendet werden, das im Filtrationsbetrieb erzeugt wird, wenn die Kassette im veranschaulichten gestapelten Kassettenfilteraufbau eingesetzt wird, und/oder anderweitig zur Aufnahme des Eintritts/Abzugs einer ausgewählten Flüssigkeit, wie beispielsweise Dampf oder ein anderes Sterilantienfluid zum Bewirken einer Reinigung und Regeneration des Filters oder eines sekundären Fluids für den Massentransfer durch Inkontaktbringen mit einem primären Fluiddurchlass durch den Filter.
Dieses Filter 10 umfasst eine Basis, die eine Befestigungsplatte 30 mit senkrecht sich nach oben erstreckenden Stäben 34, 36 und 38 an den jeweiligen Eckbereichen aufweist, wie gezeigt. Jeder der Stäbe 34 und 36 hat denselben Durchmesser, während der vierte Stab 38 einen größeren Durchmesser aufweist, um den Plattenausrichtungs-Schlüsselungsaufbau vorzusehen, der sicherstellt, dass die einzelnen Platten des Filteraufbaus in der richtigen Ausrichtung zusammengebaut werden, da die entsprechenden Stabbefestigungsöffnungen 18 und 20 in der Kassette, z.B. Kassette 12, den gleichen Durchmesser haben, die die Stäbe mit kleinerem Durchmesser aufnehmen, während die dritte Stabbefestigungsöffnung 22 einen größeren Durchmesser hat, um den Stab 38 aufzunehmen. Daher wird durch das Vorsehen eines Stabs mit größerem Durchmesser und das Bilden der Kassette 12 mit entsprechend geformten Öffnungen die geeignete Überlagerung der Kassettenöffnungen mit den passenden Stäben sichergestellt, was zu einer korrekten Ausrichtung der jeweiligen gestapelten Filtrationskassetten in der Anordnung führt.
Dieses Filter 10 umfasst eine Basis, die eine Befestigungsplatte 30 mit sich senkrecht nach oben erstreckenden Stäben 72, 74, 76 und 78 entsprechend den Öffnungen 64, 66, 68 und 70 für die Befestigung und Ausrichtung der komprimierbaren Retentatblätter 14A und 14B aufweist.
Es ist aus dem Vorstehenden zu entnehmen, das jede andere Kassettenausrichtungsüberlagerungsvorrichtung verwendet werden kann, um eine korrekte Positionierung der aufeinander folgenden gestapelten Filtrationskassetten auf der Befestigungsplatte 30 sicherzustellen. Zum Beispiel sind die Kassetten mit ihren aufeinander folgenden Kerben zueinander überlagert ausgerichtet. Alternativ kann die Kassette selbst geprägt, geätzt oder sonst wie mit einer Ausrichtungseinrichtung, z.B. einem erhabenen Vorsprung in der Form eines Pfeils, hergestellt werden, um die richtige Ausrichtung der Filtrationskassetten anzuzeigen, wenn sie auf die Befestigungsplatte 30 gestapelt werden. Obwohl nur eine Filtrations kassette zur Veranschaulichung in der Ausführungsform der 1 gezeigt wird, ist ersichtlich, dass eine oder mehrere Kassetten verwendet werden können, um ein Filter gemäß der vorliegenden Erfindung auszubilden.
Zwischen der Kassette 12 und der Befestigungsplatte 30 wird ein komprimierbares Retentatblatt 14B vorgesehen, das mit Öffnungen ausgestattet ist, um seine Positionierung über den jeweiligen Stäben 34, 36, 38, 72, 74, 76 und 78 aufzunehmen, so dass das komprimierbare Retentatblatt die Bodenfläche der Kassette 12 abdichtet. Die Retentatblätter in der Mehrschichtanordnung können zum Beispiel eine Dicke zwischen 0,125 mm und 6,0 mm haben, und die anderen Blätter in der Anordnung können entsprechend dimensionierte Dicken aufweisen, die für den mit der Kassette durchgeführten Massentransferbetrieb geeignet sind.
In der Explosionsanordnung der 1 wird die Kassette 12 durch ein komprimierbares Retentatblatt 14A überlagert, das mit Öffnungen ausgestattet ist, um seine Positionierung über den jeweiligen Stäben 34, 36, 38, 72, 74, 76 und 78 aufzunehmen, so dass die komprimierbaren Retentatblätter die Oberseite der Kassette 12 abdichten.
In der Explosionsanordnung der 1 wird die Kassette 12 durch eine obere Endplatte 60 überlagert, die mit geeigneten Öffnungen 18, 20, 22, 64, 66, 68 und 70 versehen ist, die die Einführung der Stäbe 34, 36, 38, 72, 74, 76 und 78 da hindurch vorsehen.
In der Explosionsanordnung der 1 wird die Kassette 12 durch eine obere Endplatte 60 überlagert, die wie gezeigt in geeigneter Weise durch mechanische Befestigungsaufbauten 85 eingreift, umfassend eine Unterlegscheibe 86 und eine Kontermutter 88, die die komplementären mit Gewinde versehenen oberen Enden der jeweiligen Stäbe 84A ... 84K und 84L gewindemäßig in Eingriff bringt.
Am oberen linken Eckenabschnitt C der Befestigungsplatte 30, die in der 1 gezeigt ist, ist benachbart dem Stab 36 eine Flüssigkeitsauslassleitung 8 in Strömungsverbindung mit den Öffnungen 50A und 50B vorgesehen, die sich durch die Endplatte 30 erstrecken und mit den vierseitenförmigen Sammelbecken 54A und 54B der Kassette in Verbindung stehen.
Die Verbindungsplatte 30 ist auch an ihren rechten Seitenrändern am distalen Abschnitt der sich längs erstreckenden Platte mit einer Permeatsammelmulde 58 ausgestattet, die sich in Strömungsverbindung mit den Permeatauslassleitungen 62A und 62B befindet. Dies dient zum Abzug von Permeat, das im Filtrationsbetrieb erzeugt wird (und aus der Filtrat- oder Permeatöffnung 26A, B, C, D, E in der Kassette 12 austritt), und/oder anderweitig zum Aufnehmen eines Abzug/Eintritts einer ausgewählten Flüssigkeit, wie beispielsweise Dampf oder ein anderes Sterilantienfluid, oder zum Bewirken einer Reinigung und Regeneration des Filters.
Am unteren rechten Eckabschnitt A der Endplatte 60, die in der 1 gezeigt ist, ist eine Flüssigkeitseinlassleitung 44 in Strömungsverbindung mit den Öffnungen 46A und 46B (nicht gezeigt) vorgesehen, die sich durch die Endplatte 60 erstrecken und mit den vierseitenförmigen Sammelbecken 48A und 48B der Kassette in Verbindung stehen.
Die Endplatte 60 befindet sich auch an ihrem linken Seitenrand am Abschnitt in der Nähe der sich längs erstreckenden Platte mit der Permeatsammelmulde 56 (nicht gezeigt) in Strömungsverbindung mit den Permeatauslassleitungen 52A und 52B. Diese Leitung wird zum Abzug von Permeat verwendet, das im Filtrationsbetrieb erzeugt wird (und aus der Filtrat- oder Permeatöffnung 24A, B, C, D, E in der Kassette 12 austritt), und/oder anderweitig zum Aufnehmen des Abzugs/Eintritts eines ausgewählten Fluids, wie beispielsweise Dampf oder ein anderes Sterilantienfluid, um eine Reinigung und Regeneration des Filters zu bewirken.
Die Kassette 12, die in der 1 gezeigt ist, hat eine vierseitenförmige Zuführverteilungsmulde, in der Flüssigkeit, die in die Zuführflüssigkeitsleitung 44 gelangt, aus den Zuführflüssigkeitsöffnungen 36A und 46B (nicht gezeigt) darin austritt und im Zuführverteilungsbecken 38A und 38B verteilt wird, von wo es längs durch die Kassette 12 in einen Strömungskanal strömt, der zwischen dem Reten tatblatt und benachbarten Filterblättern vorgesehen ist, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. In dem Strömungskanal gelangen die Permeatkomponenten des Zuführmaterials durch die Filterblätter benachbart dem Retentatblatt und strömen in die nächsten benachbarten Permeatkanäle, von wo das Permeat zu den Öffnungen 24A, B, C, D, E und 26A, B, C, D, E strömt. Das Retentat gelangt dann von einem gegenüberliegenden Endabschnitt des zentralen Strömungskanals der Kassette in die Sammelbecken 54A und 54B, von wo das Retentat aus dem Filter durch die Öffnungen 50A und 50B in die Flüssigkeitsleitung 8 geleitet wird.
Es wird anerkannt, dass die Permeatöffnungen 24A, B, C, D, E und 26A, B, C, D, E wie zuvor beschrieben mit einer Strömungsleitung verbunden werden können, einschließlich einem zweiten Massentransfermedium, dass in Massentransferbeziehung zum primären Zuführmaterialstrom geleitet werden soll, der in das Filter in der Leitung 44 gelangt. Durch eine solche Anordnung ist der Massentransfer in der Lage, in beiden Richtungen über die Filterblätter in der Kassette durchgeführt zu werden. Alternativ kann das Filter wie gezeigt mit den Öffnungen 24A, B, C, D, E und 26A, B, C, D, E verwendet werden, die zum Ableiten des Permeats benutzt werden. Es wird festgestellt, dass anstatt von zwei Permeatleitungen 62A und 62B an der Befestigungsplatte 30 und zwei Permeatleitungen 52A und 52B an der Endplatte 60 beide Permeatauslassleitungen auf der Befestigungsplatte 30 oder auf der Endplatte 60 vorgesehen werden können, oder alternativ beide Platten jede Zahl von Permeatabführleitungen haben können, die daran befestigt sind und sich mit den Permeatöffnungen der Kassette(n) in Verbindung befinden.
Die 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Kassette 12, die im Filter der 1 vorgesehen ist und ein komprimierbares Retentatblatt 102, ein Filterblatt 104, ein durchlöchertes Permeatblatt 106, ein Filterblatt 108 und ein komprimierbares Retentatblatt 110 als einzelne Blätter in der Mehrschichtanordnung umfasst.
Wie gezeigt, hat jedes der einzelnen Filterblätter 104, 106 und 108 eine generell vierseitenförmige ausgestanzte Öffnung 114A und 114B an einem Ende und eine ähnliche ausgestanzte Öffnung 112A und 112B an dem gegenüberliegenden Ende, und jedes der Blätter ist mit Eckenöffnungen 16, 18, 20, 22, 64, 66, 68 und 70 versehen.
Wie gezeigt, hat jedes der komprimierbaren Retentatblätter 102 und 110 vierseitenförmige Retentatkanäle 116A und 116B.
Jedes der Blätter ist generell flächengleich in seiner Bereichsausdehnung mit den anderen und bei Zusammenführung in einen einheitlichen Kassettengegenstand sind die ausgestanzten Öffnungen 112A und 112B und 114A und 114B und Retentatkanäle 116A und 116B in jedem der jeweiligen Blattelemente überlagert, wobei dies auch für die Staböffnungen 16, 18, 20, 22, 64, 66, 68 und 70 gilt. Die Blätter sind jeweils an ihre Seite und den Enden mit dem nächsten benachbarten Blatt in der Kassette verbunden und das Retentatblatt 102 ist an seinem Randbereich 120 mit dem entsprechenden peripheren Bereich des Filterblatts 104 verbunden, und in ähnlicher Weise ist das Retentatblatt 110 an seinem Randabschnitt 122 mit dem Filterblatt 108 verbunden. Das Permeatblatt 106 ist an seinem äußeren Umfang 124 an seiner Oberseite mit dem Filterblatt 104 verbunden, und das Permeatblatt ist an seiner Unterseite entlang seinem Randbereich 126 mit dem Filterblatt 108 verbunden.
Auf den Retentatblättern ist eine sich längs erstreckende, quer beabstandete Rippe 128 vorgesehen, die sich von der Einlassbeckenöffnung 112 und 112B zur Sammelbeckenöffnung 114A und 114B erstreckt.
Das Permeatblatt 106 ist in geeigneter Weise mit den benachbarten Filterblättern (108 bzw. 104) derart verbunden, dass ein nicht verbundener zentraler Bereich 130 auf dem Permeatblatt 106 übrig bleibt, der mit den Filtrat- oder Permeatöffnungen 24A, B, C, D, E und 26A, B, C, D, E in Verbindung steht, wodurch im Verwendungsfall Filtrat ohne weiteres aus der Kassette entfernt wird.
Die 3 ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt eines Kassettengegenstands 12, wobei das Sammelbecken aus zwei vierseitenförmigen Becken 54A und 54B gebildet ist.
Die 4 ist eine Draufsicht von oben auf eine Kassette 12 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die vier vierseitenförmige Becken 54A, 54B, 54C und 54D aufweist. In der gestrichelt dargestellten Linie im Becken ist die Flüssigkeitssammelleitung 50A, 50B, 50C und 50D gezeigt, die die Position der Flüssigkeitsabziehleitung bezüglich des Beckenaufbaus angibt. Es ist festzustellen, dass die Einlassverteilungsbecken, die dem in den 3 bzw. 4 gezeigten Auslasssammelbecken entsprechen, im Hinblick auf ihre Form und Komponentenwinkel bezüglich desselben Kassettengegenstands ähnlich konfiguriert sind, obwohl die Verteilungs- und Sammelbecken bei einigen Anwendungen vorteilhaft halbkugelförmig sein oder unterschiedliche Form- und Größenmerkmale aufweisen können.
Obwohl die Vierseitenform der jeweiligen Flüssigkeitsverteilungsbecken 48A und 48B und der Sammelbecken 54A und 54B in der breiten Praxis der vorliegende Erfindung im Hinblick auf die bestimmten Werte der Eckenwinkel von solchen Becken stark variiert werden können, sind die bestimmte Form und Winkel, die in den 3 und 4 gezeigt sind, am meisten bevorzugt, um eine Gleichförmigkeit der Flussweglänge für die Flüssigkeit durch die gesamte Bereichsausdehnung der jeweiligen Becken und Strömungskanalbereich zu erleichtern, d.h. ein generell gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeit, die längs durch den Strömungskanalbereich der Kassette strömt.
In der Filtrationskassette, die in der 4 gezeigt ist, wobei die Verteilungsbecken jeweils vier vierseitige Unterbecken 54A, 54B, 54C und 54D umfassen, umfasst jedes Unterbecken vorteilhaft: Seitenränder, die sich in einer ersten Ecke schneiden und einen ersten eingeschlossenen Winkel a von 90° dazwischen begrenzen; Seitenränder, die sich in einer zweiten Ecke schneiden und einen eingeschlossenen Winkel b von etwa 90° dazwischen begrenzen; eine dritte Ecke quer gegenüber zur ersten Ecke, wobei sich die Seitenränder, die sich in der dritten Ecke schneiden, einen eingeschlossenen Winkel c von 90° dazwischen begrenzen; und eine vierte Ecke quer gegenüber der dritten Ecke, wobei sich die Seitenränder, die sich in der vierten Ecke schneiden, einen eingeschlossenen Winkel von 90° dazwischen begrenzen.
Auf gleiche Weise könnten die Verteilungs- und Sammelbecken bei einigen Anwendungen vorteilhaft halbkugelförmig sein oder unterschiedliche Form- und Größenmerkmale aufweisen.
Die Filterkassette der vorliegenden Erfindung kann auf jede geeignete Weise hergestellt werden, einschließlich durch Gießen, Spritzgießen, dielektrisches Verbinden, Lösungsbinden, Klebbondieren usw., wobei das bestimmte Herstellungsverfahren vom Aufbaumaterial und dem gewünschten Endzweck abhängt. Zum Beispiel ist Polysulfon ein bevorzugtes Aufbaumaterial für die Filterblätter, die sich mit Polysulfonretentatblättern und durchlöcherten Polypropylen-Permeatblättern abwechseln und durch Urethan- oder Cyanacrylatkleber verbunden sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Cyanacrylatkleber Super Bonder #498 von Loctite Corporation, Newington, CT, als Klebemittelmedium zum Aufbau der Kassette verwendet.
In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein zweiteiliges Urethan CONATHAMES #DPST-20256 (Teil A und Teil B) Conap, Inc., Olean, NY, als Kassettenverbindungsmaterial verwendet.
Wenn Polysulfon, Polypropylen und Urethan als Aufbaumaterialien verwendet werden, kann die dielektrische Bindung in geeigneter Weise als Herstellungsverfahren verwendet werden.
Alternativ kann, wenn Polyropylen, Polypropylen und Cyanacrylate als Aufbaumaterialien verwendet werden, eine Nassverklebung in geeigneter Weise als Herstellungsverfahren verwendet werden.
Die 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Filters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die eine Mehrzahl von Kassetten gemäß der Erfindung verwendet, um eine gestapelte Kassettenanordnung zu bilden.
Dieser gestapelte Kassettenfilter 200 umfasst eine Basis 202 einschließlich eine Befestigungsplatte 30 mit sich senkrecht nach oben erstreckenden Stäben 34, 36, 38, 72, 74, 76 und 78 an den jeweiligen Ecken- und Seitenabschnitten, wie gezeigt. Jeder der Stäbe 34 und 36 hat den gleichen Durchmesser, während der dritte Stab 38 von größerem Durchmesser ist, um einen Kassettenausrichtungs-Schlüsselungsaufbau vorzusehen, der sicherstellt, dass die einzelnen Kassetten und komprimierbaren Retentatblätter des Filteraufbaus in der richtigen Ausrichtung zusammengebaut werden, wobei die entsprechenden Stabbefestigungsöffnungen in der Kassette für solche Stäbe in geeigneter Weise dimensioniert sind. Die Stäbe 72, 74, 76 und 78 haben den gleichen Durchmesser, um eine Halterung und Ausrichtung des komprimierbaren Retentatblatts vorzusehen.
Die gestapelten Kassetten 220 bilden eine Stapelkassettenanordnung 222, die zwischen der Platte 30 und der Endplatte 60, wie gezeigt, mit mechanischen Befestigungsmitteln 85 gehalten werden, die an den jeweiligen Gewindestangen vorgesehen sind, um die notwendige Druckwirkung auf die Kassettenanordnung 222 vorzusehen. Die obere Endplatte hat eine Permeatauslassleitung 52A und 52B, und eine entsprechende Permeatabzugsleitung ist an der gegenüberliegenden Seite am Boden der Platte 30, 62A und 62B vorgesehen. Am oberen linken Eckenabschnitt der Befestigungsplatte 30 ist eine Retentatabführleitung 8 vorgesehen und am unteren rechten des Filters ist eine Zuführmaterialeinlassleitung 44 vorgesehen, wie gezeigt.
Die Einlassleitung 44 kann mit einer Quelle an zu trennendem Material verbunden werden, das dann unter geeigneten Temperatur-, Druck- und Strömungsratenbedingungen am Filter 200 zur Trennung darin in Retentat, das in der Leitung 8 abgeführt wird, und Permeat, das in der Leitung 52A und 52B abgeführt wird, (sowie das entsprechende Filtrat oder Permeatleitungen 62A und 62B an dem gegenüberliegenden unteren Abschnitt des Filters) vorgesehen sein kann.
Die 6 ist eine Draufsicht auf ein Filterblatt von dem Typ, der vorteilhaft in der Kassette der 2 verwendet werden kann, wobei alle Teile und Elemente entsprechend der 2 nummeriert sind.
Die 7 ist eine Draufsicht auf ein Retentatblatt eines Typs, der vorteilhaft in der Kassette der 2 verwendet werden kann, wobei alle Teile und Elemente entsprechend der 2 nummeriert sind.
Die 7A ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt eines Retentatblatts gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die vier vierseitenförmige Becken 116A, B, C und D hat und zusätzlich Permeatkanäle 24F–L und 26F–L jenseits des entsprechenden Zwei-Becken-Aufbaus der 7 aufweist, wobei aber alle anderen Elemente der 7A entsprechend der 7 nummeriert sind.
Die 8 ist eine Draufsicht auf eine komprimierbare Enddichtung von dem Typ, der sinnvoll in der Kassette der 2 verwendet werden kann, die sich in Längsrichtung erstreckende Kanäle 80A und B, die durch Rippen 90 getrennt sind, hat, wobei die Permeatöffnungen und Stabbefestigungsöffnungen entsprechend der 2 nummeriert sind.
Die 8A ist eine Draufsicht auf eine komprimierbare Enddichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die vier vierseitenförmige Becken 80A–D, getrennt durch sich in Längsrichtung erstreckende, quer beabstandete Rippen 90A–C, hat, wobei die Permeatöffnungen und Stabbefestigungsöffnungen entsprechend der 8 und der 2 nummeriert sind.
Die 10 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Filters 222, umfassend eine Vielzahl von Kassetten und komprimierbaren Enddichtungen des in den 1 und 2 gezeigten Typs, wobei die entsprechenden Teile und Elemente entsprechend den 1 und 2 nummeriert sind.
Die 11 ist eine perspektivische Ansicht einer Filtrationskassette gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Teile und Elemente entsprechend der 2 nummeriert sind.
Die 12 ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Kassette 302, die aus den Blattelementen P/F/P gebildet ist, die zwei vierseitenförmige Becken 314A, B an einem Endabschnitt des Mehrschichtstapels und zwei vierseitenförmige Becken 312A, B an dem anderen Endabschnitt des Mehrschichtstapels nach dem ersten Ausstanzen hat.
Die 12A ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt einer Filtrationskassette, die aus Blattelementen P/F/P gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gebildet ist, die nach dem ersten Ausstanzen vier vierseitenförmige Becken 314A–D hat.
Die 13 ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt der Kassette der 12, die entsprechend dazu nummeriert ist und nach dem RF-Schweißen des Verkapselungsmaterials 324 aus den Blattelementen P/F/P zusammengesetzt ist.
Die 13A ist eine Draufsicht von oben auf einen Abschnitt der Filtrationskassette der 12A, die entsprechend dazu nummeriert ist und nach dem RF-Schweißen des Verkapselungsmaterials 324 aus den Blattelementen P/F/P gebildet ist.
Die 14 ist eine Draufsicht von oben auf die Kassette der 12 und 13, die entsprechend dazu nummeriert ist und nach dem RF-Schweißen des Verkapselungsmaterials aus den Blattelementen P/F/P gebildet ist und nach dem zweiten Ausstanzen zwei vierseitenförmige Becken aufweist.
Die 14A ist eine Draufsicht von oben auf die Filtrationskassette der 12A und 13A, die entsprechend dazu nummeriert ist und nach dem RF-Schweißen des Verkapselungsmaterials aus den Blattelementen P/F/P gebildet ist und nach dem zweiten Ausstanzen vier vierseitenförmige Becken hat.
Die 15 ist eine Draufsicht von oben auf das starre Permeatblatt 400, das bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung als Komponentenblatt der Filtrationskassette verwendet werden kann. Wie gezeigt, umfasst das Permeatblatt ein Plattenelement 402 von generell rechteckiger Form, das wie veranschaulicht in der senkrechten Richtung länglich ist. Das Permeatblatt hat eine Hauptoberseite 430 und eine gegenüberliegende Hauptunterseite (in der Ansicht der 15 nicht gezeigt).
An den Ecken des Permeatblatts 400 sind Befestigungsöffnungen 406, 408, 410 und 412 vorgesehen. Die Öffnung 406 ist als Schlüsselungsmerkmal des Blatts größer als die verbleibenden Öffnungen 408, 410 und 412. Das Permeatblatt, das eine beträchtliche Dicke in Bezug auf die Filterblätter und die Permeatblätter haben kann, ist an den jeweiligen Enden mit Beckenöffnungen 422 und 424 versehen. Die Beckenöffnungen können einzelne Öffnungen an jedem Ende des Blatts sein oder in der veranschaulichten Ausführungsform können sie mehrere Öffnungen an jedem Ende umfassen. Vorzugsweise sind solche Beckenöffnungen durch das Fehlen von scharfen Ecken gekennzeichnet und können daher mit der gezeigten, gerundeten Randeckenkonformation versehen sein.
Das Permeatblatt ist auch mit Überlagerungsöffnungen 414, 416, 418 und 420 versehen, die gleichermaßen eine Schlüsselungsfunktion vorsehen können, und zwar bezüglich der korrekten Ausrichtung des Permeatblatts und der zugehörigen Blätter der Filtrationskassette wie damit zusammengebaut.
Das in der 15 gezeigte Permeatblatt ist mit einem zentralen Permeatsammelbereich 50 versehen, der durch eine Reihe von in Längsrichtung beabstandeten Stegelementen mit Tälern dazwischen gekennzeichnet ist, so dass sich quer erstreckende Kanäle in dem Blatt vorgesehen sind. Mittels dieses Permeatsammelbereichs kontaktiert Permeat, das an einer solchen Fläche des Permeatblatts durch das Filtrationsblatt hindurch geht, die Stegfläche des Sammelbereichs und wird auf die marginalen, sich längs erstreckenden Permeatmulden 436 und 438 geleitet. Das kanalisierte Permeat strömt durch die linken Durchlässe 432 zu den Permeatabführöffnungen 426, wobei Permeat gleichzeitig und gleichfalls durch die rechten Durchlässe 434 zu den rechten Permeatabführöffnungen 428 strömt.
Auf diese Weise gelangt das Permeat, das durch das Filterblatt an jedem der Hauptober- und -unterseiten des Permeatblatts hindurch gelangt, mit dem Sammelbereich 450 des Blatts in Kontakt und wird in die Längsmulden und jeweiligen Permeatabführöffnungen 426, 428 geführt.
Es wird davon ausgegangen, dass der zentrale Sammelbereich 450 des Permeatblatts in jeder aus einer großen Zahl von strukturellen und geometrischen Anordnungen aufgebaut werden kann, um das Permeat zu den jeweiligen Abführöffnungen des Blatts zu führen.
Die 16 ist eine Draufsicht von oben auf ein Permeatblatt 500 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die entsprechenden Teile und Elemente der 16 sind entsprechend den Teilen und Elementen der 15 nummeriert, indem zu den Bezugszeichen der entsprechenden Teile und Elemente der 15 100 dazugezählt wird.
In der Ausführungsform der 16 sind die Permeatabführöffnungen 526 und 528 auf den jeweiligen linken und rechten Rändern des Permeatblatts jeweils in Längsrichtung kontinuierlich. Ansonsten entspricht das Permeatblatt der 16 dem Aufbau und den Merkmalen des Permeatblatts der 15.
Die sich in Längsrichtung kontinuierlich erstreckenden Permeatöffnungen 526 und 528 werden in der Platte der 16 verwendet, um das Schichten und den Zusammenbau der entsprechenden Filterkassette zu erleichtern. Es ist festgestellt worden, dass die Überlagerung der jeweiligen Filterblätter, Permeatblätter und Retentatblätter häufig schwierig ist, wenn die Filtrationskassette von einer beträchtlichen Länge ist (verlängerte oder Längsausdehnung) und die Permeatplatte eine Reihe von sich in Längsrichtung beabstandeten Permeatöffnungen aufweist, und dass das Vorsehen einer kontinuierlichen Permeatöffnung an jeder der jeweiligen Seiten des länglichen Permeatblatts bei der Herstellung der Filtrationskassette eine einfachere Überlagerung des Filterblatts und der Retentatblätter erlaubt.
Die 17 ist eine Draufsicht von oben auf eine flexible, elastische Dichtung 600, wie sie, wenn sie in einem Filtrationskassettenaufbau verwendet wird, zwischen einer äußeren starren Endplatte und einer Verteilerplatte des Filters, der eine solche Filtrationskassette umfasst, verwendet werden kann. Die Dichtung 600 umfasst einen länglichen Körper 602 mit einer oberen Hauptseite 630 und einer entsprechenden unteren Hauptseite (in der Ansicht der 17 nicht gezeigt) und Befestigungsöffnungen 606, 608, 610 und 612. Die Beckenöffnung 622, 624 ist an den gegenüberliegenden Endabschnitten der Dichtung vorgesehen. Die Dichtung hat auch eine Ausrichtungsöffnung 614, 616, 618 und 620 und in Längsrichtung beabstandete linke Permeatöffnungen 626 und in Längsrichtung beabstandete Permeatöffnungen 628.
Die Dichtung 600 ermöglicht es, dass eine Filtrationskassette mit hartem Gehäuse, d.h. eine Filtrationskassette, die eine äußerste starre Endplatte umfasst, wirksam abdichtend mit einer Verteilerplatte eines Filters, der die Filtrationskassette umfasst, zusammengepasst wird.
Die Dichtung kann zusammengepresst zwischen der Endplatte der Filtrationskassette und der Verteilerplatte des Filters gehalten werden, wie nachfolgend beschrieben.
Die 18 ist eine Explosionsdarstellung eines Filteraufbaus FA, der eine Filtrationskassette FC gemäß der Erfindung umfasst, die eine Anordnung mit einem harten Gehäuse verwendet, wobei komprimierbare Dichtungen G₁, G₂ zwischen den jeweiligen Endplatten EP₁, EP₂ mit hartem Gehäuse und den jeweiligen Verteilerplatten MP₁, MP₂ des Filteraufbaus vorgesehen sind.
Die Filtrationskassette FC weist ein zentrales Permeatblatt P auf, an dessen jeweiligen Flächen die Filterblätter F₁ und F₂ geklebt sind. Außerhalb der Filterblätter in der Kassettenanordnung befinden sich die Retentatblätter R₁ und R₂. Die Retentatblätter R₁ und R₂ können eine starre und feste Form aufweisen und sind jeweils mit den Endplatten EP₁, EP₂ verbunden, um den Aufbau der Filtrationskassette zu vervollständigen. Es wird davon ausgegangen, dass der Filteraufbau FA eine Zahl von folgerichtig angeordneten Filtrationskassetten FC umfassen kann, von denen aus Gründen der Einfachheit und zur Erleichterung der Beschreibung nur eine in der 18 gezeigt ist. Auf diese Weise wird eine Kassette mit hartem Gehäuse gebildet.
Eine Dichtung G₁ ist zwischen der Endplatte EP₁ und der Verteilerplatte MP₁ des Filteraufbaus vorgesehen, wobei eine solche Verteilerplatte einen Auslass O aufweist, durch den das filtrierte Retentat vom Filteraufbau abgeführt werden kann, sowie eine Permeatöffnung PT, von der das gesammelte Permeat aus dem Filteraufbau abgeführt wird. Die Permeatöffnung PT kann doppelt vorgesehen werden, wobei ein Teil hinter der sichtbaren Öffnung PT in der schematischen Darstellung der 18 angeordnet ist, so dass ein getrennter Durchgang an jedem der Ränder des Aufbaus vorgesehen ist, der mit den Permeatsammelmulden der Seitenränder der Filtrationskassette(n) im Filteraufbau in Verbindung steht.
Auf gleiche Weise ist eine Dichtung G₂ zwischen der Endplatte EP₂ und der Verteilerplatte MP₂ des Filteraufbaus vorgesehen, wobei eine solche Verteilerplatte einen Einlass I aufweist, an dem das zu filtrierende Material in den Filteraufbau eingeführt wird.
Bei einem solchen Filteraufbau bewirken die Dichtungen ein Abdichten der Filtrationskassette mit hartem Gehäuse gegenüber den Verteilerplatten des Filteraufbaus, wobei jedes der Blätter EP₁, R₁, F₁, P, F₂, R₂ und EP₂ miteinander verbunden sind, um einen einheitlichen Kassettengegenstand zu bilden.
Es wird davon ausgegangen, dass die Filtrationskassette der vorliegenden Erfindung unterschiedlich hergestellt werden kann, und zwar unter Verwendung von durchlöcherten, z.B. Sieb oder Netz, oder in ihrem Aufbau starren Blättern, wobei die Wahl eines bestimmten Blatttyps für eine gegebene Endanwendung der Erfindung leicht bestimmbar ist.
Wie erwähnt, umfasst die Filtrationskassette der vorliegenden Erfindung ein einheitliches Partikel, das miteinander verbundene Blattelemente aufweist, wobei die Verbindung auf verschiedene Weise bewirkt werden kann, z.B. durch Verfahren, die das Heißkleben, Ultraschallverbinden, Hochfrequenzverbinden, Mikrowellenverbinden, Adhäsionsverbinden usw. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, ein oder mehrere der Blätter mit Abschnitten zu versehen, die Kohlenstofffüllstoff aufweisen, wodurch zusammengepasste Blätter in der Anordnung der Blattelemente miteinander mittels Mikrowellenverbinden Blattelemente miteinander mittels Mikrowellenverbinden verbunden werden können. Zum Beispiel könnte das Retentatblatt mit einem Kohlenstoff-imprägnierten peripheren Abschnitt versehen werden, der in Folge, wenn er zwischen das Filterblatt und das Permeatblatt eingeschoben wird, einer Mikrowellenerwärmung in einer Mikrowelle unterworfen werden kann, um die einzelnen Retentatblätter mit den benachbarten Blättern zu verbinden.
Alternativ können die einzelnen Blattelemente aufgeschichtet werden, wobei Mikrowellenheizbänder auf die zu verbindenden Bereiche aufgebracht werden, wodurch solche Bänder unter Mikrowellenbedingungen erwärmt werden, um eine Verbindung der Blätter zu bewirken, zwischen denen das Band gelegt ist. Mikrowellensuszeptorstreifen, Bänder oder Partikel können zum Beispiel auf oder in den entsprechenden Blättern verwendet werden, so dass eine Fabrikation in einer herkömmlichen Mikrowellenumgebung durchgeführt werden kann.
Demgemäß zieht die Erfindung das Vorsehen von Blattelementen mit Bereichen oder Abschnitten davon in Betracht, die mit entsprechenden Bereichen von benachbarten Blättern unter Aussetzen einer Mikrowellenstrahlung verbindbar sind. Alternativ könnte ein Hochfrequenz- oder Ultraschallverbinden verwendet werden, wobei ein strahlungsempfindliches Material eingesetzt wird, um ein Verbinden der dazugehörenden Blattbereiche zu bewirken.
Wie hier erwähnt, ist es bevorzugt, dass die Einlass- und Auslassbecken der Filtrationskassette keine scharfen Ecken haben, so dass alle sich schneidenden linearen Oberflächen an einer gerundeten oder gekrümmten Ecke zusammenlaufen. Eine solche Konfiguration hilft den hydrodynamischen Charakteristika der Kassette und erleichtert ihre Reinigung, da das Vorhandensein von scharfen Kanten stagnierende Bereiche erzeugen kann, in denen Feststoffe, z.B. Biomasse, Proteine oder andere Feststoffe oder abscheidbare Arten, sich ansammeln können und den sauberen (z.B. sterilen) Charakter der Filtrationskassette nachteilig beeinflussen können.
Es ist aus dem Vorstehenden ersichtlich, dass die jeweiligen Abschnitte von gestapelten Kassetten unterschiedlich in Fluidströmungsverbindung miteinander verbunden sein können, und zwar parallel oder in Reihe, um gestapelte Filterfolgen zu bilden, deren einzelne Abschnitte verwendet werden können, um eine Zahl von Anlagevorgängen an einem einströmenden oder Zuführmaterial durchzuführen, wie beispielsweise Konzentrieren (Entwässern), Waschen, Dialysieren, Entsalzen usw.
Beispiele für die Anwendung einer gestapelten Filterfolge von in Reihe verbundenen Abschnitten werden im nachfolgenden Absatz angegeben.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Filtrationskassetten der Erfindung können vorteilhaft verwendet werden, um verschiedene Massentransfervorgänge, wie beispielsweise Flüssig-Flüssig-Extraktion, Entwässern und Konzentration von Feststoffsuspensionen, Entsalzen von Proteinen, Einführen von Nährmedien für die Biomassezüchtung, Ernten von sekretierten Metaboliten und anderen Produkten für zellulären Suspensionen usw. durchzuführen.
Die Kassettengegenstände der Erfindung sind zum Bilden von gestapelten Kassettenfilteraufbauten besonders nützlich. Bei solchen Zusammenbauten können die jeweiligen Abschnitte von gestapelten Kassetten unterschiedlich in Fluidströmungsverbindung miteinander parallel oder in Reihe verbunden werden, um gestapelte Filterfolgen zu bilden, deren einzelne Abschnitte verwendet werden können, um eine Anzahl von Anlagenvorgängen an einem einströmenden oder Zuführmaterial durchzuführen, wie beispielsweise Konzentration (Entwässern), Waschen, Dialysieren, Entsalzen usw.
Zum Beispiel kann eine gestapelte Filterfolge von in Reihe verbundenen Abschnitten in einem Kultivierungssystem von dem Typ verwendet werden, der in meinem älteren US-Patent 4 885 087 und der US-Serien-Nr. 07/207 655, eingereicht am 21. Juni 1988 (und entsprechende internationale Patentanmeldung Nr. PCT/US89/02011, eingereicht am 10. Mai 1989 für „CULTURE DEVICE AND METHOD") offenbart und beansprucht ist, und zwar bei Anwendungen, wie beispielsweise der Herstellung in vitro von menschlichem Immundefizienzvirus (HIV) auf zellulären oder synthetischen Substraten. Bei einer solchen HIV-Herstellungsanwendung könnte ein erster gestapelter Kassettenabschnitt verwendet werden, um HIV zu konzentrieren, ein zweiter Abschnitt könnte dazu verwendet werden, um Medien dem System zuzuführen oder Medien zu entziehen, alles ohne dass ein Virus abgezogen wird, was sonst ein Risiko für eine immunsuppressive Infektion sein kann. Daher wird eine Viruszüchtanordnung in einem geschlossenen System zur Verfügung gestellt, die nicht nur für die Herstellung von HIV sondern auch für das Züchten oder anderweitige Verarbeiten von Erregern sowie nicht pathogenen bakteriellen, viralen und Hefearten sehr vorteilhaft ist.

Claims

Filtrationskassette, umfassend eine Mehrschichtanordnung von Blattelementen von rechteckiger und ebener Form mit Hauptober- und -unterseiten, wobei die Blattelemente in ihrer Anordnung der Reihe nach ein erstes Retentatblatt (102), ein erstes Filterblatt (104), ein Permeatblatt (106, 400, 500) und ein zweites Filterblatt (108) sowie ein zweites Retentatblatt (110) aufweisen, wobei jedes der Blattelemente in der Anordnung mindestens eine Einlassbeckenöffnung (112A, 112B, 48A, 48B, 662) an einem Ende davon und mindestens eine Auslassbeckenöffnung (114A, 114B, 54A, 54B, 54C, 54D, 624) an einem gegenüberliegenden Ende davon mit mindestens einer Permeatdurchlassöffnung (24A–E, 26A–E, 426, 428, 526, 528, 626, 628) an Längsseiten-Randabschnitten der Blattelemente aufweist, das erste und zweite Retentatblatt (102, 110) jeweils mindestens eine Kanalöffnung (116A–D) darin aufweist, wobei jede Kanalöffnung (116A–D) sich längs zwischen den Einlass- und Auslassbeckenöffnungen der Blätter in der Anordnung erstreckt und über die gesamte Dicke des Retentatblatts (102) offen ist und das erste und zweite Retentatblatt (102, 110) jeweils mit einem benachbarten Filterblatt an Umfangsstirn- und -seitenabschnitten davon verbunden ist, wobei die Beckenöffnungen (112A, 112B, 114A, 114B, 48A, 48B, 662) und die Permeatdurchlassöffnungen (24A–E, 26A–E, 426, 428, 526, 528, 626, 628) sich miteinander decken und so angeordnet sind, dass ein Filtrat durch die Kanalöffnungen (116A–D) des Retentatblatts (102) zwischen den Einlass- und Auslassbeckenöffnungen fließen kann, um einen Permeatstrom durch das Filterblatt (104, 108) zum Permeatblatt (106, 400, 500) zu den Permeatdurchlassöffnungen zu ermöglichen; wobei das Permeatblatt (106, 400, 500) mit einem zentralen Permeatsammlungsbereich (450, 550) mit einer Reihe von längs beabstandeten Stegelementen mit Tälern dazwischen, sich längs erstreckenden Umfangspermeatmulden (436, 438, 536, 538) und linken Durchlässen (432, 532) und rechten Durchlässen (434, 534) zum Kanalisieren des Permeats zu den Permeataustrittsöffnungen (426, 428, 526, 528) vorgesehen ist, wobei sich die längs erstreckenden Permeatmulden (436, 438, 536, 538) mit dem zentralen Permeatsammlungsbereich (450) und den linken Durchlässen (432, 532) und rechten Durchlässen (434, 534) in Fluidverbindung befinden.
Filtrationskassette nach Anspruch 1, wobei das Permeatblatt (106, 400, 300) von starrer Ausführung ist.
Filtrationskassette nach Anspruch 1, wobei die Blattelemente durch eine Verbundtechnik, die aus der Gruppe bestehend aus Heißkleben, Ultraschallverbinden, Hochfrequenzverbinden und Mikrowellenverbinden ausgewählt ist, miteinander verbunden sind.
Filtrationskassette nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Blattelemente der Kassette zumindest teilweise miteinander mikrowellenverbunden sind.
Filtrationskassette nach Anspruch 1, wobei die Einlass- und Auslassbeckenöffnungen (112A, 112B, 114A, 114B, 48A, 48B, 662) keine scharten Ecken aufweisen.
Filtrationskassette nach Anspruch 1, wobei die Filterblätter (104, 108) mit jeweiligen Flächen des Permeatblatts (106, 400, 500) mit einer bezüglich der Beckenöffnungen innen liegenden Schweißnaht und mit einer bezüglich der Schweißnähte innen liegenden Klebebindung verbunden sind.
Filtrationskassette nach Anspruch 6, wobei die Schweißnaht durch Hochfrequenzschweißen oder Ultraschallschweißen gebildet wird.
Filtrationskassette nach Anspruch 7, wobei die Permeatdurchlassöffnungen (24A–E, 26A–E, 246, 428, 526, 528, 626, 628) an Längsseiten-Umfangsabschnitten der Blattelemente in Längsrichtung kontinuierlich verlaufen.
Filtrationskassette nach Anspruch 1, wobei jeweilige Filterblätter (104), Permeatblätter (106, 400, 500) und Retentatblätter (102, 110) miteinander verbunden sind, um die Filtrationskassette zu einer Baueinheit zu machen.
Gestapelter Kassettenfilter mit einem gestapelten Zusammenbau von Filtrationskassetten nach Anspruch 1.
Gestapelter Kassettenfilter nach Anspruch 10, wobei eine ganz außen gelegene Filtrationskassette ein ganz außen gelegenes Retentatblatt (102, 110) von starrem Aufbau umfasst.
Gestapelter Kassettenfilter nach Anspruch 10, wobei eine ganz außen gelegene Filtrationskassette ein Retentatblatt (102, 110) umfasst, das mit einer Endplatte (EP 1, EP 2) verbunden ist, um einen Kassettenaufbau mit hartem Gehäuse vorzusehen, und die Endplatte benachbart einer Verteilerplatte (MP 1, MP 2) des Filters mit einer komprimierbaren Dichtung (G1, G2) zwischen der Endplatte und der Verteilerplatte angeordnet ist.