DE4028379A1 - Filtrationsmodul und filtrationsvorrichtung zur trennung und filtration von fluiden im crossflow-verfahren, sowie verfahren zur herstellung des filtrationsmoduls - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtrationsmodul zur Crossflow-Filtration mit mindestens zwei aufeinandergestapelten, jeweils durch einen Abstandhalter getrennten, mehrlagigen Filtereinheiten, die im Randbereich mittels einer ringförmig ausgebildeten Dichtmasse leckdicht miteinander verbunden sind, sowie mit mindestens einem Unfiltratkanal und mindestens einem die Filtereinheiten verbindenden Filtratkanal.

Die Erfindung betrifft ferner eine Filtrationsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Filtrationsmoduls für die Crossflow-Filtration.

Membranfiltermodule werden häufig zur Ultrafiltration, Mikrofiltration oder Umkehrosmose in Crossflow-Betriebsweise im Getränke-, Pharma- oder Chemiebereich eingesetzt.

Unter Crossflow-Filtration versteht man ein Filtrationsverfahren, bei dem das Unfiltrat tangential zur Filterfläche (Membran) möglichst turbulent entlang gefördert wird, um die aktive Membranschicht immer wieder freizuspülen und einer Deckschichtbildung entgegenzuwirken, damit die Poren der Membranen nicht vorzeitig verstopfen. Dabei werden Feststoffe und Makromoleküle, die die Membran nicht passieren können, mit der tangentialen Strömung mitgerissen und im Kreislauf aufkonzentriert. Damit erhält man ein Retentat, bzw. Unfiltrat. Ein kleiner Teil der zirkulierenden Flüssigkeit durchdringt als Permeat oder Filtrat die Membran.

Ein Filtrationsmodul bzw. eine Filtrationsvorrichtung der oben angesprochenen Gattung sind z. B. aus der DE-OS 29 20 253 und der DE-OS 34 42 249 bekannt.

In der DE-OS 29 20 253 werden als Abstandhalter zwischen Filtereinheiten Zwischenschichten aus flachem inkompressiblem drainierendem Gewebe verwendet. Filtrat- und Unfiltratkanäle werden durch Bohrungen innerhalb der entlang ihres gesamten Umfangs mit einem Dichtmittel verschlossenen Randbereiche der Filtereinheiten definiert.

Bei einer solchen Ausgestaltung der Filtereinheiten ist es unter anderem unvorteilhaft, daß man beim Abdichten der einzelnen Filtereinheiten im Bereich der Filtrat- bzw. Unfiltratkanäle auf der Ober- bzw. Unterseite der Randbereiche der Filtereinheiten besondere Sorgfalt auf die exakte Anordnung der alternierend von Dichtmasse umgebenen oder freien Bereiche verwenden muß.

Genauso muß man beim Stapeln mehrerer Filtereinheiten im Wechsel mit Zwischengitterschichten die Öffnungen im Gittergewebe, die zu denjenigen Öffnungen in den Filtereinheiten korrespondieren, die nicht oben bzw. unten von Dichtmasse umgeben sind, durch Einbringen von zusätzlichen Dichtungen aufwendig abdichten.

Will man mehrere Filtereinheiten mit Gewebezwischenschichten zu einem Modul zusammenfassen, so ist es nötig, wenn sämtliche Offnungen in den Zwischenschichtgittern und den Filtereinheiten fluchten, die Stapelanordnung entlang ihrer Umfangskanten in einem aufwendigen Verfahren extra am äußeren Rand z. B. mit einem Leim auf Polyurethan-Basis oder mit Silikon zu verkleben und dadurch abzudichten.

Der hohe, sehr oft manuell betriebene Arbeitsaufwand, verursacht hohe Kosten bei der Herstellung von Modulen dieser Art.

Weiterhin bietet zwar die Wahl eines flachen Gitterwerks für die Abstandhalterschicht den Vorteil, daß eine Vielzahl von handelsüblichen Gitterwerken vorhanden ist und diese sich den geometrischen Bedürfnissen durch Stanzung leicht anpassen lassen, dafür erkauft man sich jedoch den Nachteil, daß die Gefahr der mechanischen Beschädigung der empfindlichen Membranstrukturen durch gestanzte Gitterdurchbrechungen relativ hoch ist.

Außerdem besteht insbesondere bei Verwendung eines feinmaschigen Gewebes als Abstandhalter die Möglichkeit, daß unter Betriebsbedingungen eine Vielzahl von Gitterpunkten auf dem Trennmedium aufliegen und somit die Wirksamkeit der gesamten Anordnung nicht unerheblich geschmälert wird.

Die DE-OS 34 41 249 versucht diesen Nachteil zu überwinden, indem die im Bereich der Verteilerschächte liegenden und in der Ebene der Gitterstruktur offenzuhaltenden Gitterbereiche durch im wesentlichen inkompressible dünne Druckverteilungs- und Schutzscheiben für das Trennmedium überbrückt sind. Diese sind je nach Erfordernissen als Ringscheibe, Streifen, Maske oder Rahmen ausgebildet.

Allerdings müssen diese Scheiben wiederum nachteilig in einem zusätzlichen Arbeitschritt eingebracht werden, um dann die für diese Art von Filtereinheiten typische relativ große Anzahl von Durchbrechungen in den einzelnen Schichten zu überbrücken und abzudichten.

Eine zweite Gruppe von Druckschriften umfaßt die Deutschen Gebrauchsmuster G 89 05 810 und G 82 31 757, sowie die DE-OS 31 27 548.

In der G 89 05 810 werden Stapel von an ihren Außenkanten strömungsmitteldicht abgeschlossenen Membrankissen im Wechsel mit Abstandhaltern angeordnet. Da die Module bei relativ hohen Drücken, wie sie bei der Umkehrosmose benötigt werden, eingesetzt werden sollen, sind die Abstandhalter als Scheibenkörper, z. B. aus einem geeigneten Kunststoff von hoher Festigkeit ausgebildet. Um Beschädigungen der Membran der Filtereinheiten zu vermeiden sind die Abstandelemente sehr aufwendig mit einer Mehrzahl von erhaben von der Oberfläche wegstehenden Vorsprüngen versehen, auf denen die Membrankissen mit nur äußerst kleiner Berührungsfläche aufliegen. Dadurch wird zwar eine hohe wirksame Fläche erzielt, doch die Praxis hat gezeigt, daß gerade diese Art von Auflagenpunkten zu Rissen oder Beschädigungen der empfindlichen Membranen führen können. Außerdem ist bei den niedrigen Drücken im Ultra- und Mikrofiltrationsbereich mit diesen Dichtungen keine hundertprozentige Abdichtung gewährleistet. Dazu werden Drücke von bis zu 30 bar benötigt.

Neben den extra im Abstandhalter anzubringenden Durchtrittsöffnungen für das Strömungsmedium gestaltet sich weiterhin die Ausbildung des Filtratkanals äußerst aufwendig, da dieser durch die Mündung der Innenräume der Membrankissen in einen zentralen Spannbolzen ausgebildet wird, wobei dieser gleichzeitig den Stapel fixiert und auch durch entsprechende zentrale Löcher in allen Stapelelementen, die in jedem Teil separat angebracht werden müssen, hindurchgeht. Dies kann wiederum nur durch den Einsatz aufwendiger Zusatzdichtungen verwirklicht werden.

Auch die G 82 31 757 schlägt als Abstandhalter für Stapel von Filtereinheiten eine Trennplatte vor, die aber im wesentlichen alle Nachteile im Bezug auf die vorliegende Erfindung beibehält, wie oben für die G 89 05 810 ausgeführt.

Zusätzlich erwächst jedoch aus der speziellen Konstruktion der Trennplatte neben dem Nachteil der hohen Herstellungskosten der weitere Nachteil, daß nicht akzeptable Toleranzen in der Dicke der meist im Spritzgußverfahren herzustellenden Kunststoffplatten auftreten, sodaß eine zuverlässige und exakte Abdichtung im Bereich der Filtrat- bzw. Unfiltratkanäle nicht immer gegeben ist.

Im Falle der DE-OS 31 27 548 sind als Abstandhalter inkompressible Trägerplatten mit Kanalrillen und Durchbrechungen im Wechsel mit Membranfiltereinheiten, die randseitig abgedichtet sind, zu einem Stapel vormontiert und in kommunizierende Dichtungsrillen und Kanäle wird ein fließfähiges Dichtungsmittel eingepreßt, welches in dem zusammengepreßten Stapel aushärtet und ihn damit zu einer stabilen Kassette fest verbindet.

Insgesamt ist der Nachteil eines Moduls solcher Bauart auch wiederum die aufwendige Abstandhalterplatte. Weiterhin unvorteilhaft ist die Abdichtung mit einzuspritzendem Dichtungsmaterial, da sich dieses durch die Rillen und Kanäle ungleichmäßig verteilt und somit Undichtigkeiten zu Ausschuß führen.

Die so fertiggestellten Kassetten sind insgesamt inkompressibel und werden zusätzlich nachteilig mit einer Vielzahl von Spannbolzen, die mit Hilfe von Drehmomentschlüsseln angezogen werden müssen, zwischen Gehäuseplatten mit Hauptanschlüssen eingespannt. Zwischen mehreren Kassetten werden Maskendichtungen aus Silikon oder Polyurethan verwendet, die jedoch die Fertigungstoleranzen der Gehäuseplatten nicht ausgleichen können und nur bedingt in der Lage sind, den von den Spannbolzen ausgehenden Preßdruck der beiden Gehäuseplatten an die einzelnen Module abzugeben.

In einer dritten Gruppe von Druckschriften, DE-OS 33 17 517 und DE-PS 35 07 908, handelt es sich um ähnliche Trennvorrichtungen, wobei die vorgefertigten Membrankissen durch einen Abstandhalter getrennt, aufeinandergestapelt werden.

Die Abdichtung der Filtrat- und Unfiltratkanäle erfolgt durch Kunststoffdichtungen, die um zwei durchlässige im Filtratkanal verlaufende Stangen gelegt werden. Der gesamte Stapel wird in ein externes Kunststoffgehäuse gelegt und durch Schrauben befestigt. Das so gefertigte Modul wird nochmals extra in ein Edelstahlrohr eingebracht. Abgesehen von Dichtungsproblemen, die beim Zusammendrücken der Stapel durch zwei Stangen im Filtratkanal auftreten, werden hierdurch die Membrankissen an den Seiten auseinandergeschoben, was zu ungleichmäßiger Strömungsführung führt. Die so gestapelten Membrankissen reißen beim Auftreten von pulsierendem Gegendruck, z. B. bei der Pulsation durch Pumpen, an den seitlichen Verschweißungsstellen.

Gegenüber dem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mittel ein zu Filtrationsvorrichtungen stapelbares Filtrationsmodul gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß man zu seiner Abdichtung weniger Dichtelemente benötigt und daß man es einfacher in einem weitgehend automatisierbaren Verfahren herstellen kann, wobei Beschädigungen der Filtereinheiten im Betrieb vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Modul gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dichtmassenring an mindestens einem Randabschnitt der Filtereinheiten unter Ausbildung eines Unfiltratkanals beabstandet zur Filtereinheit angeordnet ist, daß die Lagen der Filtereinheiten mindestens in den Randabschnitten, die nicht in den Dichtmassenring eingebettet sind, leckdicht verschweißt sind und daß der Dichtmassenring in den Randabschnitten der Filtereinheiten, die in die Dichtmasse eingebettet sind, in einer solchen Breite ausgebildet ist, daß er den Filtratkanal vollständig aufnimmt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Moduls sind in den Unteransprüchen 2 bis 26 beansprucht.

Mindestens ein solches Modul ist in einem der äußeren Form der Module entsprechenden Gehäuse anordnungsfähig und ergibt eine Filtrationsvorrichtung.

Bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung sind in den Unteransprüchen 28 bis 32 unter Schutz gestellt.

Die verfahrensmäßige Lösung der Aufgabe beinhaltet folgende Schritte:

• a) Stapeln einer Mehrzahl von Abstandhaltern im Wechsel mit Filtereinheiten;
• b) Ausrichten und Fixieren der Stapelanordnung in einer Gehäuseform, so daß die Filtereinheiten im wesentlichen deckungsgleich übereinanderliegen;
• c) Hinzufügen einer vorbestimmten Menge Dichtmasse in das formgebende Gehäuse, um einen Ring aus Dichtmasse von geeigneter Wandstärke und Ringbreite zu erzeugen;
• d) Zentrifugieren des Gehäuses mit Stapelanordnung und viskoser Dichtmasse, solange bis die Dichtmasse vorgehärtet ist;
• e) Restaushärtenlassen der Dichtmasse; und
• f) Anbringen von mindestens einer Bohrung senkrecht zur Stapelebene und durch das Dichtmaterial hindurch zur Ausbildung mindestens eines Filtratkanals.

Die Unteransprüche 35 bis 38 geben besonders vorteilhafte Verfahrensmodifikationen wieder.

Die für die Module verwendeten Filtereinheiten können folgende Schichtstruktur aufweisen: Membran, Schutzfolie, Drainagegewebe, Schutzfolie und Membran.

Zur Herstellung von funktionsfähigen Membran- oder Filtervlieseinheiten müssen diese abgedichtet sein. Im einfachsten Fall geschieht dies, indem man z. B. alle fünf bzw. alle vorhandenen Schichten einer Filtereinheit entlang der gesamten Umfangslinie nach einem herkömmlichen Verfahren verschweißt oder heiß verklebt. Man erhält dadurch funktionsfähige Membranfiltereinheiten, die je nach verwendeter Membran ein Filtrat in ihrem Inneren insbesondere am Drainagegewebe sammeln.

Weiterhin ist es auch möglich die Filtereinheiten nur in Teilbereichen ihres Umfangs ganz oder nur Schichtenweise zu verschweißen, z. B. nur im Bereich der nicht in den Dichtmassenring eingebetteten Bereiche in allen Schichten und/oder teilweise in den in den Dichtmassenring eingebetteten Umfangsbereichen, um dann die Abdichtung in diesen nicht gänzlich verschweißten Bereichen durch Dichtmasse des Dichtmassenrings zu gestatten. Hierbei kann als nützlicher Nebeneffekt z. B. eine besonders weiche Auflage der Membranschichten auf den inneren Filterschichten, z. B. der Schutzfolie erreicht werden, da durch nicht verschweißte Öffnungen eingedrungene Dichtmasse diese Polsterwirkung zeigt. Hierbei kann es unter Umständen angezeigt sein, zusätzliche Maßnahmen zum Schutz der Drainagegewebe, etwa durch U-förmig um die Drainagefolie herum anzubringende Schutzfolien, zu ergreifen.

Prinzipiell sind für die äußere Form der Filtereinheiten je nach Problemstellung alle Geometrien zulässig. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Auswahl der Filtereinheitengeometrie unter den Aspekten der Optimierung der wirksamen Oberfläche der Membranfilter sowie der Strömungsverhältnisse zu treffen.

Die in den Dichtmassenring eingebetteten Bereiche der Filtereinheiten können aus Stabilitätsgründen nicht beliebig klein gemacht werden, außerdem soll der Dichtmassenring auch noch den Filtratkanal aufnehmen.

Die Bereiche, die in einer Crossflow-Betriebsweise gar nicht oder nur teilweise überströmt werden, lassen sich im Zusammenspiel von Filtereinheitengeometrie sowie Zahl, Größe, Gestalt und Anordnung der Filtratkanäle und der Unfiltratkanäle in Verbindung mit der Geometrie des inneren Randes des Dichtmassenringes steuern.

Aus ökonomischen Erwägungen sollte man weiterhin bei der Auswahl der Filtereinheitengeometrie berücksichtigen, daß möglichst verschnittfreie Zuschnitte der Filtermaterialien verwendet werden können. Besonders bevorzugte sind alle rechteckigen, quadratischen, sowie bogenförmige Geometrien, wobei insbesondere letztere eine hervorragende Optimierung der Strömungstechnik und der Wirkfläche der Membranen erlauben.

Die erfindungsgemäß verwendeten Abstandhalter, bzw. Spacer bestehen aus einem monofilen Kunststoffgewebe. Die Dicke der Kunststoffäden ist beliebig, bevorzugt werden jedoch Stärken von ca. 0,1 mm bis ca. 2 mm verwendet. Ebenso variabel kann die Maschenweite des eingesetztes Gewebes oder Gitterwerks sein. Angefangen von sehr kleinen Maschenweiten von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm, kann man Gewebe oder Gitter bis hin zu 20 mm Maschenweite verwenden. Setzt man entsprechend grobmaschige Spacer ein, so beinhaltet dies mehrere vorteilhafte Wirkungen.

Zum einen liegen nur wenige Punkte des Spacers auf der Membran auf, wobei die Wirkflächenverluste klein bleiben.

Zum anderen können die Maschenweiten im Größenbereich des Durchmessers der Filtratkanäle liegen, d. h. es entstehen beim Einbringen der Filtratkanäle keine oder nur wenige Bearbeitungskanten an den Gewebefäden des Abstandhalters, die später beim Betrieb zur Beschädigung der empfindlichen Membranen führen könnten. Man kann sich also ein vorheriges Ausstanzen der Filtratkanalöffnungen im Abstandhalter aus diesem Grund sparen, genauso wie es sich generell bei den erfindungsgemäßen Modulen erübrigt, die Abstandhalter vor dem Fertigungsprozess des Moduls auszustanzen, da durch die Einbettung der Abstandhalter in den Dichtmassenring im Bereich der Filtratkanäle eine vollständige Fixierung und Polsterung der Bearbeitungskanten erreicht wird. Dadurch wird eine Beschädigung der empfindlichen Membranen in diesem Bereich überhaupt ausgeschlossen.

Ein weiterer sehr wesentlicher Vorteil liegt darin, daß das Gewebe oder Gitterwerk des Spacers auch im Bereich des Unfiltratkanals nicht ausgespart werden muß. Der Abstandhalter kann durch den Unfiltratkanal hindurch verlaufen, da aufgrund seiner vorzugsweisen Grobmaschigkeit die Strömungsverhältnisse nur unwesentlich beeinflußt werden. Günstigerweise sind die Abstandhalter also der Form des äußeren Dichtmassenringes angepaßt und zusätzlich darin völlig oder teilweise verankert.

Benutzt man vorteilhafterweise Abstandhalter aus einem aus monofilen Fasern bestehenden Gewebe mit unterschiedlicher Fadenstärke, so kann man zusätzlich durch einen solchen Spacer eine günstige Turbulenz auf der Filtermaterialoberfläche erzeugen. Dadurch wird die Bildung eines Filterbelags auf der Membran erschwert und zusätzlich die Ablösung eines solchen Belages erleichtert, wenn man diesen in einem rückspülbaren Filterelement durch Pumpenpulsationen quasi in statu nascendi ablösen und wegspülen kann.

Zur Ausbildung mindestens eines Unfiltratkanals ist die Stapelanordnung aus Filtereinheiten und Abstandhaltern ringförmig von Dichtmasse umgeben, bzw. darin an ihren Randbereichen eingebettet.

Hierbei ist es durchaus denkbar, daß die Membran und/oder Filtervlieseinheiten nur an jeweils einem Bereich im Dichtmassenring verankert sind, bevorzugt ist jedoch aus Stabilitäts- und strömungstechnischen Gründen die Einbettung an mindestens zwei Umfangsabschnitten in der Dichtmasse, zur Aufnahme des Filtratkanals im eingebetteten Bereich.

Der Dichtmassenring kann aus allen handelsüblichen Vergußmassen oder zu Dichtzwecken einzusetzenden viskos zu verarbeitenden unelastischen oder elastischen Massen bestehen, die gegenüber dem Unfiltrat inert sind. Bevorzugt verwendet man eine Silikonmasse als elastische Dichtmasse, bzw. Harze auf Epoxidbasis, sowie Polyurethanmassen als starres unelastisches Material.

Wenn in diesem Zusammenhang von Dichtmassenring gesprochen wird, so ist darunter jede wie auch immer geartete ringförmige Anordnung zu verstehen, die eine Oberseite, eine Unterseite, sowie eine äußere und eine innere Randfläche aufweist, die jedoch bezüglich ihrer äußeren Randfläche nicht notwendigerweise kreisringförmig sein muß. Die äußere Randfläche kann in jeder gewünschten Form, z. B. eckig, unregelmäßig etc. hergestellt werden. Allerdings ist verfahrensabhängig die innere Randfläche des Dichtmassenringes in aller Regel von kreisringförmiger Gestalt.

Die ringförmige Dichtmasse erfüllt vielfältige Funktionen. Sie nimmt z. B. die Abstandhalter in einer definierten Tiefe auf, bzw. die Stapel aus Filtereinheiten und Abstandshalter und verleiht dadurch dem gesamten Modul Stabilität. Sie dichtet nach außen durch ihre äußere Randfläche ab und definiert durch ihre innere Randfläche sowie die Filtereinheitenstapel den Unfiltratkanal. Weiterhin ist der Dichtmassenring bevorzugt in einer solchen Breite ausgebildet, d. h. der Abstand zwischen innerer Randfläche und äußerer Randfläche ist so groß, daß der Dichtmassenring mindestens einen Filtratkanal von ausreichendem Durchmesser aufnehmen kann. Zum Beispiel liegt der verwendete Durchmesser eines Filtratkanals häufig bei ca. 5 bis 6 mm und der Dichtmassenring hat in der Regel eine Breite von ca. 2 cm und eine Höhe von ebenfalls ca. 2 cm. Bei großen Modulen können Höhe und Breite bis zu 5 cm betragen.

Die üblicherweise vollkommen ebenen Oberflächen der Ober- bzw. Unterseite des Dichtmassenringes ermöglichen die problemlose Stapelung einzelner Module. Die Oberflächen können jedoch zusätzliche Struktur aufweisen, insbesondere zusammenhängende Bereiche unterschiedlicher Höhe. Hierbei erweisen sich umlaufende Ringwulste, die integral mit der Oberfläche des Dichtmassenrings ausgebildet sind und die konzentrisch entlang des gesamten Umfangs verlaufen, oder aber nur konzentrisch um die Filtratkanäle herum, als besonders vorteilhaft für elastische Dichtmassen. Bei Verwendung unelastischer Dichtmassen empfiehlt es sich, analoge Ringnuten, in die dann elastische Dichtungen eingelegt werden, auf der Ober- und/oder der Unterseite des Dichtmassenrings vorzusehen. Beim Zusammenpressen zweier Module ist es dann besonders vorteilhaft, wenn nur auf einer der beiden aneinanderliegender Seiten die jeweilige Struktur vorgesehen ist, so daß eine Seite eben ist. Hierdurch wird die optimale Abdichtung von Filtrat- bzw. Unfiltratkanälen erreicht.

Weiterhin kann man vorteilhafterweise die umlaufenden ringförmigen Wulste auch mit Erhebungen, die rund um die Filtratkanäle verlaufen, kombinieren. Je nach Problemstellung sind natürlich auch andere Kombinationen von Dichtungen denkbar. Zum Beispiel Ringnuten um den Filtratkanal mit eingelegten elastischen Dichtringen, sowie eine umlaufende innere Ringdichtung, oder bei unelastischer Dichtmasse Nuten um den Filtratkanal sowie zwei umlaufende Ringnuten jeweils mit eingelegtem entsprechendem Dichtring, jeweils nur auf einer Oberfläche und ähnliche andere kombinationen.

Im allgemeinen stellt ein einziges Modul, das man in ein entsprechendes Gehäuse als Modulhalter einspannt eine funktionsfähige Filtrationsvorrichtung dar. Im Normalfall wird man jedoch eine Mehrzahl von Modulen übereinander stapeln, so daß sie mit ihren Silikonringen übereinander liegen und eine beliebig große Filtervorrichtung erzielt werden kann.

Unter üblichem Betriebsdruck von etwa 4 bis 5 bar kann man nur eine bestimmte Anzahl von Modulen gegeneinander abdichten. Will man sehr viele Module aufeinandersetzen, ist auch eine entsprechend große Kraft erforderlich, um die Module dichtend aufeinander zu preßen. Da die bevorzugt verwendeten elastischen Dichtmassen in einem solchen Fall über ein gewünschtes Maß hinaus zusammengequetscht werden könnten, was letztendlich zu einer Schädigung der empfindlichen Membran führen könnte, kann man Zwischenplatten verwenden, die zwischen die Module gelegt werden.

Diese Zwischenplatten nehmen beim Zusammenpressen zweier Module die überschüßige Kraft auf, leiten sie auf einen inkompressiblen, umlaufenden Steg ab und verhindern dadurch die Beschädigung der empfindlichen Membranflächen. Außerdem gelingt es durch definierte Verstärkungen der Zwischenplatten in den Bereichen, in denen die Filtereinheiten nicht direkt in der Dichtmasse eingebettet sind, für einen bestimmten Strömungsabstand zwischen oberster Filtereinheit des einen Moduls und der untersten Filtereinheit eines benachbarten Moduls zu sorgen, womit in der gesamten Filtervorrichtung gleiche Strömungsverhältnisse herrschen.

Weiterhin können auch die Zwischenplatten an ihren Oberflächen entweder um das ganze Modul, oder aber um die Filtratöffnungen herum verlaufende Ringnuten oder aber Kombinationen davon, enthalten, in die Dichtungen eingelegt werden können, die dann z. B. auf die ebenen unelastischen Dichtungsflächen der Module drücken, wodurch bei Verwendung von Zwischenplatten ebenfalls eine zusätzliche Abdichtung der Filtrat- bzw. Unfiltratkanäle bewirkt werden kann. Die Abdichtung der Module erfolgt dabei durch Anpressung, sodaß Filtrat- und Unfiltratseite voneinander unter Ausbildung entsprechender Leistungskanäle getrennt werden. Diese münden beispielsweise in Filtratausläufen.

Die Zwischenplatten vereinen noch weitere Vorteile in sich.

Zwar erfolgt prinzipiell dadurch, daß die Öffnungen bzw. der Unfiltratkanal sehr groß ist, keine nennenswerte Temperaturerhöhung, die sonst aufgrund kleiner Strömungsquerschnitte beachtet werden müßte, und durch die Größe der Öffnungen wird zusätzlich auch eine größere Durchsatzleistung möglich, als bei bekannten Modulen, doch kann es je nach Einsatzgebiet trotzdem notwendig sein, das Filtrat­ bzw. Unfiltrat zu kühlen.

Dies gelingt durch Ausbildung der Zwischenplatten als Hohlplatten, die neben Filtrat- und Unfiltratanschlüssen auch Heiz- und Kühlkammern besitzen, so daß eine Kühlung bzw. Aufheizung der zu filtrierenden Produkte während des Filtrationsprozesses möglich ist.

In Analogie zu den Zwischenplatten kann man mehrere Stapel von Modulen über spezielle Endplatten verbinden, die die serielle oder parallele Betriebsweise mehrerer Filtervorrichtungen ermöglichen.

Weiterhin ist es möglich, jede beliebige Ausführungsform der Filtrationsvorrichtung in entsprechenden fahrbaren oder stationären Anlagen zusammen mit Umwälzpumpe, Speisepumpe, Druck, Temperatur und Strömungsüberwachung einzubauen. Dadurch wird die universelle Einsetzbarkeit des erfindungsgemäßen Moduls in Filtrationsvorrichtungen möglich.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Module zeichnet sich durch eine einfache Durchführbarkeit und große Variabilität aus.

Die Filtereinheiten werden als Stapel im Wechsel mit Abstandhalter und Dichtung, sofern vorhanden, in eine Form gelegt, zu der von außen über einen Dosierbehälter und mittels Schläuchen eine Dichtungsmasse zugeführt wird. Wenn die gesamte Anlage in Rotation versetzt wird, steigt die Dichtungsmasse in dem Dosierbehälter nach oben und kann auf diese Weise durch die Schläuche zu der Form gelangen. Dort bildet sich am äußeren Rand aufgrund der Zentrifugalkräfte ein Dichtmassenring von geeigneter Wandstärke und Breite aus, der je nach gewählter Gehäuseform unterschiedliche Formen annehmen kann, indem die Filtereinheiten zumindest an einen Rand eingegossen werden.

Die Zentrifugationszeit richtet sich unter anderem nach der Aushärtungsgeschwindigkeit der Dichtmasse,; erst nach erfolgter "Voraushärtung" der Masse kann der Zentrifugationsvorgang beendet werden, sonst verläuft die Masse im Gehäuse.

Neben der Möglichkeit, daß die Dichtmasse durch Öffnungen in die nicht oder nur teilweise verschweißten Filtereinheiten und zwischen eventuelle Abstandhalter eindringt, kann je nach aufgewendeter Zentrifugalkraft die Membran nur oberflächig benetzt werden, besteht die Möglichkeit, daß die Dichtmasse in die Membran eindringt, oder sogar daß die Membran vollständig von Dichtmasse penetriert wird.

Eine Membran ist im Prinzip je nach Art und Aufbau der Membran ein sehr dünner Schwamm, mit einer Dicke von ca. 150 bis 300 µm. Unter oberflächiger Benetzung wird in diesem Zusammenhang verstanden, daß nur die an der Oberfläche des Materials befindlichen Poren durch das Dichtungsmaterial verschlossen werden. Wird die Zentrifugalkraft beim Herstellungsverfahren gesteigert, so kann das Material in gewünschtem Falle über die Zeit zu steuern bis zur Hälfte der Membrandicke eindringen. Bei hoher Zentrifugalkraft, relativ langer Schleuderzeit und großer Porengröße ist es in manchen Fällen durchaus wünschenswert, daß das Dichtungsmaterial die Membran oder das Vlies vollständig durchdringt, d. h. bis auf die Filtratseite gelangen kann und somit eine optimale Verankerung des Materials im Filtermedium gewährleistet.

Ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des Moduls besteht darin, daß man die Bohrung zur Ausbildung des Filtratkanals nachträglich anbringen kann. Dies wird dadurch ermöglicht, daß mittels der zugeführten Dichtmassenmenge ein relativ breiter Silikonring ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist es selbstverständlich leicht möglich, daß man Modifikationen an der Gehäuseform vornimmt, z. B. kann man im Deckel oder im Boden des Gehäuses Ringnuten bzw. ringförmige Erhebungen vorgeben, so daß auf dem Dichtmassenring mindestens auf einer der nicht randseitigen Oberflächen mindestens ein Bereich unterschiedlicher Höhe geformt wird. Dies ermöglicht die Herstellung der bereits erwähnten zusätzlichen Strukturen der Dichtmassenringe in einem einzigen Arbeitsschritt.

Der Erfindungsgedanke ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 die obere Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Modul;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Randbereich eines erfindungsgemäßen Moduls mit zwei Filtereinheiten sowie drei Abstandhaltern, bei dem um das Drainagegewebe U-förmig eine Schutzfolie herumgelegt ist;

Fig. 3 dieselbe Ansicht eines Moduls wie in Fig. 2, wobei die Schutzfolien und das Drainagegewebe jeweils miteinander verschweißt sind;

Fig. 4 die obere Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Modul mit Filtereinheiten von quadratischer Geometrie;

Fig. 5 in analoger Darstellung zu Fig. 4 ein Modul mit Filtereinheiten von Dreiecksgeometrie;

Fig. 6 in Analogie zu den Fig. 4 und 5 ein Modul mit Filtereinheiten von hexagonaler Geometrie mit rechteckigem Grundkörper mit auf den Schmalseiten aufgesetzten Dreiecken;

Fig. 7 in Analogie zu den Fig. 4, 5 und 6 ein Modul mit Filtereinheiten von rhombischer Geometrie;

Fig. 8 in Analogie zu den Fig. 4 bis 7 ein Modul mit Filtereinheiten von einer Geometrie, die durch die Schnittfläche zweier Kreise definiert wird;

Fig. 9 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Modul längs der Linie IX-IX aus Fig. 1;

Fig. 10 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Modul längs der Linie X-X aus Fig. 1;

Fig. 11a eine perspektivische Ansicht eines Moduls, bei dem auf der Oberfläche des Dichtmassenringes ein äußerer höherer Ring und ein innerer niedrigerer Ring geformt sind;

Fig. 11b die obere Draufsicht auf das Modul gemäß Fig. 11a;

Fig. 11c einen Schnitt durch Fig. 11b längs der Linie XIc-XIc;

Fig. 12a die obere Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Modul, mit zwei umlaufenden Ringwulsten;

Fig. 12b einen Schnitt durch Fig. 12a längs der Linie XIIb-XIIb;

Fig. 13a analog zur Darstellung in Fig. 12a zwei integriert umlaufende Ringnuten in der Oberfläche des Dichtmassenrings;

Fig. 13b einen Schnitt durch Fig. 13a längs der Linie XIIIb-XIIIb;

Fig. 14 die obere Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Modul, bei dem rund um die Filtratkanäle integrierte Erhebungen oder Nuten verlaufen;

Fig. 15 eine Explosionsdarstellung eines Moduls, bei dem zwischen den einzelnen Filtereinheiten zusätzliche Dichtung aus einem elastischen Dichtmaterial eingebracht sind;

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung mit mehreren Filtrationsmodulen, bei der das Gehäuse teilweise weggeschnitten ist;

Fig. 17 eine Ansicht entsprechend Fig. 16, jedoch sind zwischen die Module Abstandhalterplatten gelegt;

Fig. 18a eine perspektivische Ansicht von schräg oben auf eine Abstandhalterplatte;

Fig. 18b einen Querschnitt durch eine Anordnung gemäß Fig. 18a, bei der zum besseren Verständnis eine weitere Abstandhalterplatte und Module angedeutet sind;

Fig. 19 eine perspektivische Darstellung einer Endplatte zur seriellen Betriebsweise zweier Modulreihen.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls 100 besteht, wie beispielsweise in Fig. 1 zu erkennen ist, aus einem Stapel von Filtereinheiten 80 im Wechsel mit Abstandhaltern 120, der in einen Dichtmassenring 90 eingebettet ist, wobei durch die Filtereinheiten 80 und den inneren Rand des Dichtmassenrings 90 zwei Unfiltratkanäle 40 definiert werden und im Dichtmassenring vier Filtratkanäle 50 durch die Dichtmasse 90, die Abstandhalter 120 und die Filtereinheiten 80 hindurchgeführt sind. Der Dichtmassenring 90 hat unter anderem eine Oberseite 97 und eine äußere Randfläche 99. Die Filtereinheiten 80 weisen eine Rundumverschweißung 86 auf. Ferner kann man im weggeschnittenen Teil der Filtereinheit 80 eine Membran 83, sowie ein Drainagegewebe 81 erkennen.

In der Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Randbereich eines Moduls 100 dargestellt, bei dem zwei Filtereinheiten 80 und drei Abstandhalter 120 angeordnet sind. In Fig. 3 ist die oberste Abstandhalterschicht 120 nur angedeutet und in den weiteren Querschnittdarstellungen sind die oberste, bzw. unterste Abstandhalterschicht 120, die sonst bevorzugt vorhanden sind, aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.

Neben der Verschweißung 86 aller Schichten der Filtereinheiten 80 längs ihres gesamten Umfangs zeigen die Fig. 2 und 3 weitere Möglichkeiten zur Abdichtung der Filtereinheiten 80. Sie bestehen darin, die Stapel von Filterschichten nur entlang der Umfangslinien, die nicht in den Dichtmassenring 90 eingebettet werden, nach einem herkömmlichen Verfahren zu verschweißen; die Abdichtung der in den Dichtmassenring 90 eingebetteten Umfangsabschnitte der Filtereinheiten 80 geschieht dann durch die Dichtmasse des Dichtmassenrings 90, der somit gleich in zweifacher Weise vorteilhaft ist, da er neben der Fixierung und Abdichtung der Filtereinheiten 80 auch eine besonders weiche und schonende Auflage der Membranen 83 gewährleistet und somit ihre Lebensdauer verlängert.

In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Drainagegewebe 81 vor Eindringen der Dichtmasse des Dichtmassenringes zur Aufrechterhaltung seiner vollen Wirksamkeit zu schützen. Fig. 2 zeigt, daß man durch Ausgestaltung einer Schutzfolie in U-Form 85, die an den nicht-verschweißten in den Dichtmassenring 90 eingebetteten Bereichen um das Drainagegewebe 81 herumgeführt ist, sowohl das Drainagegewebe 81 vor Eindringen der Dichtmasse schützt, als auch die Eindringintensität der Dichtmasse so steuern kann, daß für die empfindlichen Membrane 83 ein schützendes Dichtmassenpolster ausgebildet wird, z. B. kann man bei einer Rechteckgeometrie der Filterschnitte die Folie 85 um die Schmalseiten des Drainagegewebes 81, die in die Dichtmasse eingebettet werden, herumlegen und die Längsseiten werden wie üblich verschweißt.

Da die Anwendung dieser Technik nicht bei allen Geometrien von Filtereinheiten 80 gleich vorteilhaft ist, kann man auch auf eine weitere Weise verfahren.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung läßt ersichtlich werden, daß man im Falle der Nichtverschweißung der in den Dichtmassenring 90 eingebetteten Umfangsabschnitte einen ähnlichen Effekt wie in Fig. 2 - jedoch für alle Geometrien von Filtereinheiten gleich gut - erreichen kann, indem man in einem separaten Arbeitsgang die auf der Ober- und Unterseite des Drainagegewebes 81 aufliegenden Schutzfolien 82 an den in den Dichtmassenring 90 einzubettenden Umfangsabschnitten 84 zumindest überwiegend nach einem bekannten Verfahren verschweißt. Auf die Ober- und Unterseite dieses Gebildes werden dann entsprechende Membranzuschnitte 83 gelegt und in einem weiteren Arbeitsgang an den nicht in den Dichtmassenring 90 eingebetteten Umfangsabschnitten mit dem Drainagegewebe-Schutzfolie-Gebilde verschweißt. Dadurch entstehen an den nicht eingebetteten Umfangsabschnitten absolut geschlossene und an den eingebetteten Umfangsabschnitten lediglich im Bereich der Drainagegewebe-Schutzfolie absolut geschlossene Filtereinheiten, in die dann die Dichtmasse des Dichtmassenrings 90 jeweils zwischen Membran 83 und Schutzfolie 82 eindringen kann, um die obengenannte Wirkung zu entfalten.

Einige besonders vorteilhafte Geometrien für die Filtereinheiten sind in den Fig. 1, sowie 4 bis 8 wiedergegeben.

Die rechteckige Gestalt der Filtereinheiten (siehe Fig. 1) erlaubt die verschnittfreie Herstellung der Filtereinheiten, genauso wie die anderen gezeigten eckigen Zuschnitte (Fig. 4 bis 7).

Die gezeigte Anzahl an Filtratkanälen 50 in den Fig. 1 sowie den Fig. 4 bis 7 ist selbstverständlich genausowenig verbindlich, wie die relative Größe, in der sie dargestellt sind. Es können ebenso größere oder kleinere, mehr oder weniger Filtratkanäle 50 (jedoch immer mindestens ein Filtratkanal 50) vorhanden sein.

Analoges gilt für Zahl und Größe der Unfiltratkanäle 40, wobei jedoch allgemein gilt, daß durch die im Vergleich zum Stand der Technik große Ausgestaltung der Unfiltratkanäle 40 durchweg besonders günstige Strömungsverhältnisse im Unfiltratbereich erhalten werden.

Bezüglich der Filtrat- 50 und Unfiltratkanäle 40 kann man z. B. erkennen, daß bei einer rhombischen bzw. einer hexagonalen Geometrie der Filtereinheiten (Fig. 6 und 7) zwar nur zwei Filtratkanäle 50 angebracht sind, daß jedoch dadurch die relativen Verluste an wirksamer Filterfläche durch in den Dichtmassenring 90 eingebettete Bereiche verringert sind. Weiterhin erhält man bei diesen Ausführungsformen besonders große Unfiltratkanäle 40.

Betrachtet man jedoch im Gegenteil dazu die absolute Effektivität der Membranflächen 83 in bezug auf die durch den inneren Rand des Dichtmassenringes vorgegebene Fläche, so erfolgt hier durch eine rechteckige oder quadratische Geometrie (Fig. 1 und 4) der Filtereinheiten die beste Ausnutzung der vorhandenen Fläche, wobei notwendigerweise kleinere Unfiltratkanäle 40 ausgebildet sind, die jedoch immer noch von ausreichender Größe für eine widerstandslose Durchströmung sind.

Die Dreiecksform (Fig. 5) stellt einen Kompromiß zwischen den vorgestellten Verhältnissen dar, wohingegen durch die Verwendung von Filtereinheitengeometrien, die durch die Schnittfläche zweier Kreise definiert sind (Fig. 8), d. h. also z. B. elliptische oder bogenförmige Zuschnitte, sowohl die relativen Verluste - nur zwei Bereiche an den Spitzen sind eingebettet unter Ausbildung von zwei Filtratkanälen 50 - als auch die absoluten Verluste - durch die bogenförmigen Randbereiche der Zuschnitte wird die Bildung eines dem inneren Rande des Dichtmassenringes angepaßten Unfiltratkanals 40 ermöglicht - im Modul klein gehalten werden, so daß die Totbereiche bei der Überströmung der Membranen 83 minimiert werden.

Den weiteren Aufbau eines Moduls 100 kann man den Fig. 9 und 10 entnehmen. Ein Modul 100 kann aus einer beliebigen Anzahl Filtereinheiten 80 bestehen. Bevorzugt jedoch besteht ein Modul 100 aus etwa zehn bis zwölf übereinander gestapelten Filtereinheiten 80. Zur Vereinfachung sind in den Fig. 9 und 10 nur jeweils vier Filtereinheiten 80 dargestellt.

Man kann ersehen, daß die Filtereinheiten 80 in schichtweisem Wechsel mit Abstandhaltern 120 angeordnet sind. Diesen sog. Spacern 120 kommt die Aufgabe zu, zu verhindern, daß die Membranoberflächen benachbarter Filtereinheiten 80 unter Betriebsbedingungen aufeinander zu liegen kommen und dadurch unwirksam werden. Außerdem gewährleisten die Abstandhalter 120 durch ihre eigene Dicke bzw. ihre Abmessungen einen definierten Spaltabstand zwischen den Filtereinheiten 80, da sie ein im wesentlichen inkompressibles Gitterwerk darstellen. Es genügt, wenn man wie dargestellt, jeweils zwischen den Filtereinheiten 80 einen Abstandhalter 120 vorsieht, es ist jedoch bevorzugt auch als Abschluß eines Stapels von Filtereinheiten 80 jeweils einen Abstandhalter 120 anzubringen, wie z. B. in Fig. 2 dargestellt.

Der erfindungsgemäße Ring aus Dichtmasse 90 kann vollkommen ebene Oberflächen 97,98 aufweisen. Diese ermöglichen eine einfache Stapelung und das problemlose Aneinanderpressen der zu Stapeln angeordneten Module 100. In den Fig. 11 bis 14 sind besondere vorteilhafte Ausführungsformen des Dichtmassenrings 90 dargestellt.

Die Fig. 11a bis 11c zeigen ein Modul 100, bei dem auf der Oberfläche des Dichtmassenrings 90 ein äußerer flächig erhöhter ringförmiger Bereich 91 und ein entsprechend innerer niedriger geformter Bereich 92 vorhanden sind. Aus der Fig. 11c kann man entnehmen, daß in diesem Fall der Filtratkanal 50 im Bereich der äußeren höheren Dichtmassenringfläche 91 verläuft. Die innere ringförmige Vertiefung kann entsprechende Dichtringe aus einem elastischen Material aufnehmen, die beim Zusammenpressen mehrerer Module 100 für eine zusätzliche Abdichtung des Unfiltratkanals 40 sorgen. Die Vertiefungen zur Aufnahme von Zusatzdichtungen sind bevorzugt sowohl auf der Oberseite 97 als auch der Unterseite 98 des Dichtmassenrings 90 vorhanden, bei entsprechender Gestaltung der Dichtringe ist es jedoch ausreichend, entsprechende Vertiefungen jeweils nur auf einer Oberfläche 97 oder 98 des Moduls 100 vorzusehen.

Weitere Ausgestaltungen des Dichtmassenringes 90 zeigen die Fig. 12a und 12b.

Hier sind zwei ringförmige, sich über die gesamte Umfangsrichtung erstreckende, integriert ausgebildete Erhebungen 93 - eine innere und eine äußere - dargestellt. Dieser doppelt ringförmige umlaufende Ringwulst stellt eine Ringdichtung dar, die zur Abdichtung der Module 100 dient, wobei der Filtratkanal 50 bevorzugt zwischen den beiden ringförmigen Wulsten angeordnet ist. Bevorzugt sind diese umlaufenden erhabenen Ringdichtungen 93 nur auf einer Oberfläche 97 oder 98 des Dichtmassenringes 90 eines Moduls 100 vorhanden und werden beim Zusammenpressen eines ersten Moduls 100 gegen die plane Oberfläche eines zweiten Moduls 100 gedrückt.

Diese Bauweise ermöglicht mit einfachen Mitteln eine sehr wirksame Abdichtung des Filtratkanals 50 sowie des Unfiltratkanals 40.

Die erhaben ausgebildeten Ringdichtungen (Ringwulste) 93 sind insbesondere bei elastischen Dichtmassen angebracht. Bei unelastischen bzw. starren Dichtmassen ist es angezeigt, eine bzw. bevorzugt zwei umlaufende Ringnuten 94 vorzusehen, wie es in den Fig. 13a und 13b dargestellt wird. Diese umlaufenden Ringnuten dienen zur Aufnahme von Dichtungen aus elastischem Dichtmaterial, wobei ähnlich wie bei den erhabenen Ringdichtungen (Ringwulste) 93 diese Dichtungen nur auf einer Seite eines Moduls 100 vorhanden sein können, so daß beim Aufeinanderlegen zweier Module 100 im besonders bevorzugten Fall die doppelt eingelegten elastischen Zusatzdichtungen auf die ebene Oberfläche des zweiten Moduls 100 drücken, wobei eine Abdichtung gewährleistet wird; in diesem Fall ist wiederum der Filtratkanal 50 zwischen den beiden umlaufenden Ringnuten 94 angeordnet.

In Analogie zu den umlaufenden ringförmigen Erhebungen bzw. Nuten können ebensolche Bereich unterschiedlicher Höhe 95 entweder auf einer oder auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen 97, 98 nur um den Filtratkanal 50 herum verlaufen (siehe Fig. 14).

Auf diese Weise gelingt z. B. beim Aufeinanderpressen mehrerer Module 100 mit Erhebungen, die rund um die Filtratkanäle 50 verlaufen, insbesondere die vollständige Abdichtung der Filtratkanäle 50.

Bei einer unelastischen Dichtmasse werden in die Nuten selbstverständlich wiederum passende Dichtungen aus einem elastischen Material gelegt.

Eine weitere Möglichkeit einer zusätzlichen Abdichtung des Filtratkanals 50 zeigt Fig. 15. Man kann sehen, daß zusätzliche vorher gestanzte Ringdichtungen 96 aus einem elastischen Material zwischen je zwei Filtereinheiten 80 an die Stelle der noch anzubringenden Filtratbohrungen gelegt sind. Ein Modul mit drei Filtereinheiten 80 und vier Filtratkanälen 50 je Filtereinheit verfügt demnach über 16 Ringdichtungen, die in den Dichtmassenring eingebettet sind. Auf diese Weise ist eine ebenfalls sehr wirkungsvolle zusätzliche Abdichtung des Filtratkanals 50 erreichbar.

Die Fig. 16 und 17 erläutern die Anordnung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Module 100 in einem Gehäuse 20 zu einer Filtrationsvorrichtung 10. Man kann erkennen, daß die einzelnen Module ausgerichtet gestapelt sind, wobei als Abschluß des Gehäuses eine Endplatte 30 mit entsprechenden Anschlüssen für die Filtratausläufe 60 vorgesehen ist. Weiterhin sieht man rechteckige Filtereinheiten 80, zwei Unfiltratkanäle 40, sowie vier Filtratbohrungen 50, die zusammen fluchten und dadurch entsprechende Leistungskanäle bilden, wobei die Unfiltratkanäle in Verbindung mit der inneren Randfläche des Dichtmassenrings definiert sind.

In Fig. 17 sind zusätzliche Zwischenplatten 110 angeordnet, die jeweils zwischen zwei Module 100 gelegt sind.

In den Fig. 18a und 18b ist die Ausgestaltung einer Zwischenplatte 110 genauer dargestellt. Die Zwischenplatten 110 bestehen aus einem inkompressiblen, gegenüber Unfiltrat sowie Filtrat inerten Material, wie z. B. Kunststoff oder ähnliches; sie entsprechen in ihren äußeren Abmessungen der Ringform des äußeren Randes 99 des Dichtmassenrings 90 und überstehen diesen äußeren Rand rundherum um ein bestimmtes Maß.

Der im wesentlichen flache Grundkörper der Zwischenplatten 110 hat an den entsprechenden Stellen Durchbrechungen, die zu den Filtrat- 50 bzw. Unfiltratkanälen 40 der Module 100 korrespondieren, sodaß die Leistungskanäle nicht unterbrochen werden.

Ein am Rand der Zwischenplatte 110 umlaufender Steg 112 übergreift die beiden benachbarten Module 100. Die Höhe dieses Stegs 112 ist dabei insgesamt etwas niedriger gehalten als die Höhe des Dichtmassenringes 90 vermindert um die Dicke der Zwischenplatte 110 in dem Bereich, in dem der Dichtmassenring 90 aufliegt. Das heißt, wenn man ein Modul 90 zwischen zwei Zwischenplatten 110 legt, dann berühren sich die umlaufenden Stege 112 der beiden benachbarten Zwischenplatten 110 nicht und es bleibt ein vorbestimmter Abstand zwischen den Platten. Beim Zusammenpressen der Module 100 kann der Dichtmassenring 90 nur soweit zusammengedrückt werden, bis die umlaufenden Außenränder der Zwischenplatten 110 sich berühren. Überschüssiger Druck wird durch den umlaufenden inkompressiblen Steg 112 der Zwischenplatten 110 aufgefangen. Bei dieser Ausführungsform kann der Elastizitätsmodul der verwendeten Materialien des Dichtmassenringes 90 zur Dimensionierung der Abstände herangezogen werden.

Die Zwischenplatten 110 können allerdings auch noch auf eine weitere Weise vorteilhaft eingesetzt werden.

Die Zwischenplatte 110 verfügt beispielsweise über eine definierte Verstärkung 111 im Grundkörper, die zu einem Bereich, der nicht von Dichtmasse umgebenen Flächen der Filtereinheiten 80 korrespondiert.

Da der Rand des Dichtmassenringes über die oberste bzw. die unterste Schicht des Filtereinheiten-Abstandhalter-Stapels rechtwinklig zur Stapelebene hervorstehen kann, kann es zwischen aneinanderliegenden Modulen 100 aufgrund des zu den Abständen zwischen den einzelnen Filtereinheiten 80 anderen Spaltabstandes zwischen zwei Modulen 100 zu unkontrollierten Strömungsverhältnissen kommen. So ist z. B. bei einem größeren Abstand der Durchfluß bedeutend größer als bei den Spaltöffnungen zwischen den Filtereinheiten 80 im Modul 100 selbst. Dieser differierende Abstand wird jedoch durch die definierte Verstärkung 111 ausgeglichen, da ein exaktes Aufliegen der Zwischenplatte 110 auf die oberste Filtereinheit 80 bzw. den obersten Spacer 120 des Moduls 100, der damit im vorbestimmtem Abstand auf der Oberfläche der obersten Filtereinheit 80 aufliegt, bewirkt wird, so daß definierte Spalthöhen entstehen.

Ähnlich wie die Zwischenplatten können auch die analogen Endplatten 30 zur optimalen Betriebsweise der Filtrationsvorrichtungen 10 eingesetzt werden. Dies wird beispielhaft in Fig. 19 erläutert.

Befindet sich am Ende einer Reihe von Modulen eine spezielle Endplatte 31, welche den obersten Unfiltratkanal 40 der unteren Reihe von Modulen 100 mit dem unteren Unfiltratkanal 40 der oberen Reihe von untereinander angeordneten Modulreihen über Kanäle 33 und eine Bohrung 32 verbindet, wobei für die jeweilige Modulreihe die vorgesehenen Filtratöffnungen 34, sowie die jeweiligen Filtratausläufe 60 erkennbar sind, so werden die Module 100 innerhalb einer Reihe parallel angeströmt, die beiden Modulreihen aber in Serie betrieben. Bedingt durch den geringeren Druckabfall zwischen Modulein- und -ausgang und den relativ groß dimensionierten Unfiltratkanälen 40, wird angestrebt, die einzelnen Module 100 innerhalb einer Reihe parallel anzuströmen, jedoch mehrere z. B. drei Modulreihen durch Verwendung spezieller Endplatten in Serie zu betreiben, sodaß der Volumenstrom pro Quadratmeter Filterfläche bedeutend günstiger wird.

Aus den obigen Ausführungen wird ersichtlich, daß der Einsatz des erfindungsgemäßen Moduls 100 zusammen mit Zwischenplatten 110 bzw. Endplatten 30, 31 in einer Filtrationsvorrichtung 10 vielfältige Vorteile bietet.

Bezugszeichenliste:

 10 Filtrationsvorrichtung
 20 Gehäuse
 30 Endplatte
 31 spezielle Endplatte
 32 Bohrung in Endplatte
 33 Kanal in Endplatte
 34 Filtratöffnung in Endplatte
 40 Unfiltratkanäle (a, b, usw.)
 50 Filtratkanäle (a, b, c, d, usw.)
 60 Filtratauslauf
 80 Filtereinheit
 81 Drainagegewebe
 82 Schutzfolie
 83 Membran
 84 verschweißte Abschnitte von Drainagegewebe und Schutzfolien
 85 U-förmig herumgelegte Schutzfolie
 86 Verschweißung (umlaufend)
 90 Dichtmassenring
 91 äußerer höherer Dichtmassenringbereich
 92 innerer niedrigerer Dichtmassenringbereich
 93 innere und äußere ringförmige Erhebung auf dem Dichtmassenring
 94 umlaufende Ringnut im Dichtmassenring
 95 ringförmige Nuten oder Erhebungen um den Filtratkanal auf dem Dichtmassenring
 96 zusätzliche vorher geprägte Ringdichtung
 97 Oberseite des Dichtmassenrings
 98 Unterseite des Dichtmassenrings
 99 äußere Randfläche des Dichtmassenrings
100 Filtrationsmodul bzw. Modul
110 Zwischenplatte
111 Verdickung der Zwischenplatte
112 Steg auf der Zwischenplatte
120 Abstandhalter (Spacer)

Claims (38)

1. Modul zur Crossflow-Filtration mit mindestens zwei aufeinandergestapelten, jeweils durch einen Abstandhalter getrennten mehrlagigen Filtereinheiten, die im Randbereich mittels einer ringförmig ausgebildeten Dichtmasse leckdicht miteinander verbunden sind, sowie mit mindestens einem Unfiltratkanal und mindestens einem die Filtereinheiten verbindenden Filtratkanal, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtmassenring (90) an mindestens einem Randabschnitt der Filtereinheiten (80) unter Ausbildung des Unfiltratkanals (40) beabstandet zur Filtereinheit angeordnet ist, daß die Lagen jeder einzelnen Filtereinheit (80) mindestens in den Randabschnitten, die nicht in den Dichtmassenring (90) eingebettet sind, leckdicht verschweißt sind und daß der Dichtmassenring (90) in den Randabschnitten der Filtereinheiten (80), die in die Dichtmasse (90) eingebettet sind, in einer solchen Breite ausgebildet ist, daß er den Filtratkanal (50) vollständig aufnimmt.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich sowohl über der obersten als auch unter der untersten mehrlagigen Filtereinheit (80) jeweils ein zusätzlicher Abstandhalter (120) angeordnet ist.

3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtmassenring (90) kreisringförmig ausgebildet ist.

4. Modul nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtmassenring (90) die aufeinandergestapelten Filtereinheiten (80) und Abstandhalter (120) mindestens auf einer Seite überragt.

5. Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtmassenring (90) auf seiner Oberseite (97) und/oder seiner Unterseite (98) eine Struktur aufweist, die durch Bereiche unterschiedlicher Höhe definiert ist.

6. Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche unterschiedlicher Höhe aus einem inneren (92) und einem äußeren ringförmigen Bereich (91) bestehen, wobei der äußere ringförmige Bereich höher als der innere ringförmige Bereich ist und der Filtratkanal (50) im Bereich des äußeren höheren Abschnitts des Dichtmassenrings (91) verläuft.

7. Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche unterschiedlicher Höhe durch zwei konzentrische Ringwulste (93) gebildet sind, wobei der Filtratkanal (50) zwischen den Ringwulsten (93) angeordnet ist.

8. Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche unterschiedlicher Höhe durch mindestens eine ringförmig sich über die gesamte Umfangsrichtung erstreckende Nut (94) gebildet werden, wobei der Filtratkanal (50) neben der Nut (94) im Bereich des Dichtmassenrings (90) verläuft.

9. Modul nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche unterschiedlicher Höhe als Nuten oder Erhebungen (95) ringförmig um den Filtratkanal (50) verlaufen.

10. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrlagigen Filtereineinheiten (80) von dreieckiger Geometrie sind, wobei die drei Eckpunkte der Filtereinheiten (80) in den Dichtmassenring (90) eingebettet sind.

11. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheiten (80) von rechteckiger Geometrie sind, wobei die Schmalseiten des Rechtecks in den Dichtmassenring (90) eingebettet sind.

12. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Filtereinheiten (80) von quadratischer Geometrie sind, wobei die vier Ecken des Quadrats in den Dichtmassenring (90) eingebettet sind.

13. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheiten (80) die Geometrie eines Parallelogramms aufweisen, wobei mindestens die beiden Ecken, die durch die lange Diagonale des Parallelogramms verbunden sind, in den Dichtmassenring (90) eingebettet sind.

14. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheiten (80) eine rhombische Geometrie aufweisen, wobei mindestens die beiden Ecken, die durch die lange Diagonale des Rhombus verbunden sind, in den Dichtmassenring (90) eingebettet sind.

15. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheiten (80) die Geometrie der Schnittfläche zweier Kreise aufweisen, wobei mindestens die beiden Spitzen der dadurch definierten bogenförmigen Zuschnitte in den Dichtmassenring (90) eingebettet sind.

16. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheiten (80) eine hexagonale Geometrie besitzen, wobei ein rechteckiger oder quadratischer Grundkörper an zwei gegenüberliegenden Seiten zwei aufgesetzte Dreiecke trägt und wobei mindestens die beiden gegenüberliegenden Ecken der beiden aufgesetzten Dreiecke in den Dichtmassenring (90) eingebettet sind.

17. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Filtereinheiten (80) entlang ihrer Umfangsrichtung rundherum verschweißt sind (86).

18. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Filtereinheiten (80) an den in den Dichtmassenring (90) eingebetteten Umfangsabschnitten zumindest überwiegend nicht verschweißt sind.

19. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinheit (80), die ein Drainagegewebe (81) zwischen zwei Schutzfolien (83) und als Abschluß auf jeder Seite eines Stapels jeweils eine Membran (83) aufweist, bezüglich des Drainagegewebes (81) und der zwei Schutzfolien (82) an den in den Dichtmassenring (90) eingebetteten Umfangsabschnitten (84) zumindest überwiegend miteinander verschweißt ist, während die Membranen (83) in diesen Bereichen mindestens überwiegend nicht verschweißt sind.

20. Modul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß an den nicht verschweißten Umfangsabschnitten der ein Drainagegewebe (81) aufweisenden Filtereinheiten (80) das Drainagegewebe (81) gegenüber der in die Filtereinheit (80) eingedrungenen Dichtmasse mittels einer U-förmigen um das Drainagegewebe (81) herumgelegten Schutzfolie (85) geschützt ist.

21. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter (120) aus grobmaschigem monofilen Gewebe besteht, dessen Maschenweite in der Größenordnung des Durchmessers des Filtratkanals (50) liegt.

22. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (120) in ihrer Form und Größe im wesentlichen der Fläche entsprechen, die durch den äußeren Rand der Dichtmasse definiert wird und daß sie größtenteils oder vollständig an ihren Randbereichen in der Dichtmasse (90) eingebettet sind.

23. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (120) in Form und Größe im wesentlichen der Fläche entsprechen, die durch den inneren Rand des äußeren ringförmigen Bereichs (91) des Dichtmassenringes (90) definiert ist und daß sie größtenteils oder vollständig mit ihren Randbereichen im Dichtmassenring (90) eingebettet sind.

24. Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (120) sich durch die Unfiltratkanäle (40) erstrecken.

25. Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (120) aus einem mit monofilen Fasern gebildeten Gewebe mit unterschiedlicher Fadenstärke bestehen.

26. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Filtereinheiten (80) zusätzliche Dichtungen (96) aus einem elastischen Dichtmaterial vorgesehen sind, die den Filtratkanal (50) zusätzlich abdichten.

27. Filtrationsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Modul (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem der äußeren Form des Moduls (100) entsprechenden Gehäuse (20) angeordnet ist.

28. Filtrationsvorrichtung nach Ansprch 27, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (20) eine Mehrzahl Module (100) im Stapel angeordnet und zusammengepreßt sind, wobei die Filtratkanäle (50) miteinander fluchten.

29. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils zwei Modulen (100) eine Zwischenplatte (110) angeordnet ist, die unter Ausbildung eines am Rand der Zwischenplatte (110) umlaufenden Stegs (112) die jeweils benachbarten beiden Module (100) derart übergreift, daß nach dem Zusammenpressen der Module (100) und Zwischenplatten (110) die Stege (112) benachbarter Zwischenplatten (110) aneinanderliegen.

30. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte (110) im Bereich der nicht von Dichtmasse umgebenen Flächen der Filtereinheiten (80) eine definierte Verstärkung (111) aufweist, die ein exaktes Aufliegen der Abstandhalter auf die Oberfläche der Filtereinheiten bewirkt, so daß eine definierte Spalthöhe entsteht.

31. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte (110) umlaufende ringförmige Nuten, in die elastische Dichtungen einlegbar sind, oder Erhebungen aufweist, die zur Abdichtung auf die ebenen Dichtungsflächen der Module (100) drücken.

32. Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 29 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zwischenplatte (110) als Hohlplatte ausgebildet ist, die neben Filtrat- bzw. Unfiltratkanälen auch Heiz- und Kühlkammern besitzt, sodaß eine Kühlung bzw. Aufheizung des Unfiltrats während des Filtrationsprozesses möglich ist.

33. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27-32, dadurch gekennzeichnet, daß eine Endplatte (31) mindestens zwei Reihen von Modulen (100) über mindestens eine Bohrung (32) verbindet, wobei die Modulreihen in Serie betrieben und innerhalb einer Reihe parallel angeströmt werden.

34. Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß sie in eine fahrbare und/oder stationäre Anlage mit Umwälzpumpe, Speisepumpe, Druck-, Temperatur- und Strömungsüberwachung eingebaut ist.

35. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte einschließt:.

• a) Stapeln einer Mehrzahl von Abstandhaltern (120) im Wechsel mit Filtereinheiten (80);
• b) Ausrichten und Fixieren der Stapelanordnung in einer Gehäuseform, so daß die Filtereinheiten (80) im wesentlichen deckungsgleich übereinanderliegen;
• c) Hinzufügen einer vorbestimmten Menge Dichtmasse in das formgebende Gehäuse, um einen Ring aus Dichtmasse von geeigneter Wandstärke und Ringbreite zu erzeugen;
• d) Zentrifugieren des Gehäuses mit Stapelanordnung und viskoser Dichtmasse, solange bis die Dichtmasse vorgehärtet ist;
• e) Restaushärtenlassen der Dichtmasse; und
• f) Anbringen von mindestens einer Bohrung senkrecht zur Stapelebene und durch das Dichtmaterial hindurch zur Ausbildung mindestens eines Filtratkanals.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zentrifugierens beinhaltet, daß die Dichtmasse an den äußeren Rand der Filtereinheiten (80) zentrifugiert wird und zwischen Filtereinheiten und Abstandhalter (120) dichtend eingebracht wird.

37. Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß je nach angewandter Zentrifugalkraft eine oberflächige Benetzung im Wandbereich der Filtermaterialien mit Dichtmasse, ein Eindringen der Dichtmasse in das Filtermaterial oder sogar eine vollständige Penetration der Dichtmasse durch die Filtereinheiten und/oder die Abstandhalter in der gewählten Randzone erfolgen kann.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Zentrifugierens beinhaltet, daß je nach angewendeter Gehäuseform auf dem Dichtmassenring (90) auf der Oberseite (97) oder der Unterseite (98) Bereiche unterschiedlicher Höhe geformt werden.