DD157953A3 - Ultrafilter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultrafilter zur Membranfiltration von Loesungen, die echt oder kolloidal geloeste Teilchen enthalten. Das Ultrafilter kann bevorzugt eingesetzt werden zur Trennung, Fraktionierung und Konzentrierung von hochmolekularen Stoffen, wie Milch und Molke. Das Ziel der Erfindung ist es, die Filtrationsleistung von plattenfoermigen Ultrafiltern bei der Trennung von Loesungen hochmolekularer Stoffe zu erhoehen und die unerwuenschte Anreicherung von Mikroorganismen im Ultrafilter zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultrafilter unter Veraenderung der Filterelemente so zu gestalten, dass bei Einschraenkung des Material- und Herstellungsaufwandes die Konzentrationspolarisation verringert, die Verstopfungen der Membranporen beseitigt und die Bildung von Totraeumen vermieden werden und zusaetzliche Dichtungen nicht mehr erforderlich sind. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass das Ultrafilter aus wechselweise angeordneten mehreren einteiligen Filterelementen und Membranen besteht, die mit einer Spannvorrichtung zwischen einer Ein- und einer Auslaufplatte fest eingespannt werden. Die Spannvorrichtung kann entweder aus mehreren Zugankern am Aussenrand der Ein- und der Auslaufplatte oder je einem Zuganker an den Schmalseiten der Ein- und der Auslaufplatte bestehen. Das Loesungsprinzip der Erfindung wird an fuenf Zeichnungen erlaeutert, wobei Zeichnung 3 den grundsaetzlichen Aufbau angibt.

Description

Ultrafilter Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Ultrafilter zur Membranfiltration von Lösungen, die echt oder kolloidal gelöste Teilchen enthalten. Das Ultrafilter kann bevorzugt eingesetzt werden zur Trennung, Fraktionierung und Konzentrierung von hochmolekularen Stoffen, wie Milch, Molke und Eiweißen, besonders in der Lebensmittelindustrie β

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Membranfiltrationsverfahren dienen dem Zerlegen von Flüssigkeiten in gelösten bzw· suspendierten Stoff und Lösungsmittel· Zur Durchführung der Membranfiltration sind zahlreiche Vorrichtungen entwickelt worden, die sich in ihrem prinzipiellen Aufbau unterscheiden, das sind Röhren-, Hohlfaser-, Wickel- und Plattenmodule· Alle Ultrafilter haben das Ziel, die Konzentrationspolarisation und Ablagerungen von Stoffen während der Ultrafiltration auf der Membran zu verhindern.

Bei den Röhrenmodulen wird die Lösung durch Rohre gepumpt. In der Innenseite des porösen Rohres ist die Membran aufgetragen. Die poröse Stützschicht dient gleichzeitig als FiI-tratableitung.

Nachteile derartiger Anlagen sind besonders die geringe Packungsdichte der Anlagen und die notwendige, sehr hohe Überströmgeschwindigkeit über der Membran, verbunden damit

sind sehr großvolumige Anlagen mit einem hohen Energiebedarf·

Bei den Hohlfaser-Modulen werden zwar hohe Packungsdichten erreicht, jedoch sind wegen der leicht auftretenden Verstopfungen der Membranen sehr gut vorfiltrierte, möglichst ultrafiltrierte Lösungen erforderlich. Für Lösungen, die zu Ablagerungen neigen, wie Eiweißlösungen, Milch und Molke ist dieser Anlagentyp daher nicht geeignet.

Die Wickelmodule erreichen ebenfalls relativ hohe Packungsdichten, jedoch besteht auch hier das Problem der leichten Ablagerung von hochmolekularen Stoffen auf den Membranen, so daß auch diese Module nicht für die Membranfiltration von Lösungen mit kolloidal gelösten, zur Ablagerung neigenden Teilchen, wie Eiweißen, genutzt werden können.

Zahlreiche Ultrafilter weisen einen plattenförmigen Aufbau auf und bestehen aus abwechselnd angeordneten Platten für die Abstützung der Membran und Ableitung des Filtrates sowie Platten, die eine hohe Turbulenz der Flüssigkeit über der Membran hervorrufen.

So ist in dem DD-¹JP 130 449 (B 01 D, 13/00) eine Membran-Trennvorrichtung beschrieben, die aus einem oder mehreren Filterpaketen, einer Verteiler- und einer Sammelplatte besteht. Ein Filterpaket enthält eine Strömungsführungsplatte, eine Filtratableitplatte sowie eine Membran. Auf der Strömungsführungsplatte sind zu beiden Seiten Strömungskanäle mit einem Seitenverhältnis von 1 : 20 angeordnet, die auf der einen Seite in Überströmöffnungen zur anderen Plattenseite und auf der anderen Seite in Überströmkanäle enden. Die Überströmkanäle sind mit einer Dichtleiste abgedeckt, die die Aufgabe hat, das Unterspülen der Membran mit Flüssigkeit zu verhindern. Die Filtratableitplatten haben zu beiden Seiten eine mit ableitfähigem Material ausgefüllte Vertiefung

zur Ableitung des Filtrats. Die Vertiefungen sind durch Bohrungen mit einer Kanüle zum Ableiten des Piltrats verbunden. Die Filterpakete werden mittels Bolzen zwischen die Verteiler- und Sammelplatte gespannt· In der Verteiler- und Sammelplatte sind Bohrungen für die zu filtrierende Flüssigkeit und das Konzentrat angebracht«

Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Verwendung von zwei verschiedenen Plattentypen sowie einer Dichtleiste. Diese Anordnung führt an bestimmten Stellen der Platte zur Ablagerung von Biweiß und zum unerwünschten Wachstum von Mikroorganismen. Trotz der Dichtleiste ist die Abdichtung der Membran gegenüber dem Piltratraum unvollständig, so daß Konzentrat in den Piltratraum gelangen kann. Es besteht weiterhin die Gefahr der Zerstörung der Membran durch die Dichtleiste·

In der DE-OS 2 304 702 (B 01 D 13/00) ist der grundsätzliche Aufbau eines Ultrafilters zur Trennung von Flüssigkeiten angegeben, das aus einem Stapel von abwechselnd angeordneten verschiedenen Strömungsführungsplatten und Membranträgerplatten sowie zwei Endplatten und einem Zentralbolzen besteht. Auf den Membranfilterplatten sind beidseitig jeweils ein Filterpapier und eine Membran mittels Klemmring befestigt. Im Zentrum der Platten befindet sich eine Bohrung für den Zentralbolzen, um diese Bohrung ist ein Kanal für die filtrierte Flüssigkeit angeordnet. Ein weiterer Kanal wird durch einen ringförmigen Schlitz in den Strömungsführungsplatten gebildet. Die Endplatten sind mit Bohrungen für die Zuführung von Flüssigkeit sowie für die Ableitung des Konzentrats versehen. Das Filtrat wird mit jeweils einer Kanüle aus den Membranträgerplatten abgeleitete Einige Strömungskanäle über der Membran sind durch Bohrungen in einigen Strömungsführungsplatten mit dem ringförmigen

Kanal für die zu filtrierende Flüssigkeit verbunden, andere wiederum mit dem ringförmigen Kanal für die filtrierte Flüssigkeit. Diese Anordnung ermöglicht eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der Strömungsräume über den Membranen.

Nachteilig bei dieser Anordnung iöt, daß für die Reihen- und Parallelschaltung der Strömungsräume mindestens drei verschiedene Strömungsführungsplatten benötigt werden. Zusätzlich werden Membranträgerplatten, Klemmring sowie Filterpapier verwendet. Die Abdichtung der einzelnen Kanäle untereinander erfordert eine präzise Ausführung der einzelnen Platten. Nachteilig ist weiterhin der komplizierte Wechsel einzelner Membranen, da es erforderlich ist, jeweils die gesamte Anlage zu demontieren.

In der DE-OS 2 426 262 (B 01 D 31/00) ist die grundsätzliche Gestaltung einer weiteren Anlage zur Trennung von Flüssigkeiten beschrieben, die aus Stützplatten, Rahmendichtungen sowie zwei Endplatten und Bolzen besteht. Die Stützplatten bestehen aus zwei tiefgezogenen, aus dünnem Material gestalteten Grundplatten sowie zwei zwischen den Grundplatten angeordneten Dichtungselementen· Die Grundplatten sind derart gestaltet, daß zwischen den Grundplatten sich ein Hohlraum für das anfallende Filtrat befindet und sie zwei voneinander entfernte Öffnungen als Durchgang für die zu filtrierende Flüssigkeit enthalten. Zwischen den beiden Öffnungen ist auf jeder Grundplatte ein flaches und mit porösem Material ausgefülltes Becken angeordnet, das durch Bohrungen mit dem Hohlraum verbunden ist. Die zwischen den Grundplatten angeordneten Dichtungselemente schließen den Hohlraum nach außen hin ab und bewirken eine Abdichtung des Hohlraumes zu den Öffnungen. Die Membranen werden jeweils zu beiden Seiten der Stützplatten auf die Grundplatte aufgeklebt. Zwischen den einzelnen Stützplatten sind. Rahmendichtungen angeordnet, die die Aufgabe haben, den Abstand zwischen zwei Stützplatten zum Durch-

strömen der Flüssigkeit und die Abdichtung zwischen zwei gegenüberliegenden Membranen zu gewährleisten.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß ein Filterpaket aus vielen verschiedenen Teilen, mindestens aus drei verschiedenen Dichtungselementen und zwei Grundplatten besteht. Beim Zusammenbau der Anlage werden spezielle Klebemittel zum Kleben der Membran auf die Stützschicht verwendet· Das Kleben der verwendeten feuchten Membranen ist nicht möglich· Die trockenen Membranen weisen gegenüber feuchten Membranen eine wesentlich geringere Leistungsfähigkeit auf, so daß zum Erreichen der gleichen Leistung bei diesem Anlagentyp der Materialaufwand größer ist. Die Anlage ist nicht zur Filtration von eiweißhaltigen Lösungen geeignet, da durch Verwendung von verschiedenen Dichtelementen Toträume entstehen, in denen sich Eiweiß ablagern kann und ее somit zu unerwünschtem Y/achstum von Ilikroorganismen kommen kann·

Bei allen plattenförmigen Anlagen ist der Uachteil zu verzeichnen, daß trotz aller Bemühungen zur Verhinderung der Konzentrationspolarisation und von Ablagerungen auf der Membran im Laufe der Ultrafiltration, besonders bei Lösungen hochmolekularer Stoffe wie zum Beispiel von Eiweißen, sich Partikel, wie Kalzium-Salze, Siweißmoleküle und Fett, auf der Membranoberfl'iche ablagern und auch teilweise in die Membranporen eindringen. Nur die auf der Uembranoberfläche abgelagerten Stoffe lassen sich durch entsprechende Reinigungsverfahren wieder entfernen, während die in die Poren eingedrungenen Partikel die Leistung der Membran irreversibel verringern·

Es ist weiterhin nachteilig, daß die Ultrafilter aus vielen verschiedenen Elementen, wie Strömungsführungsplatteri, luembranträgerplatten und Stützplatten bestehen· Durch die Vielzahl der verwendeten Dichtungselemente entstehen Toträume, die bei der Membranfiltration von ζ·Β· Ei-

weißlösungen zu unerwünschter Anreicherung von Mikroorganismen führen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, die Filtrationsleistung von plattenförmigen Ultrafiltern bei der Trennung von Lösungen hochmolekularer Stoffe zu erhöhen und die unerwünschte Anreicherung von Mikroorganismen im Ultrafilter zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultrafilter unter Veränderung der Filterelemente so zu gestalten, daß bei Einschränkung des Material- und Herstellungsaufwandes die Konzentrationspolarisation verringert, die Verstopfungen der Membranporen beseitigt und die Bildung von Toträumen vermieden werden und zusätzliche Dichtungen nicht mehr erforderlich sindo

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Ultrafilter aus wechselweise angeordneten mehreren einteiligen Filterelementen un« Membranen besteht, die mit einer Spannvorrichtung zwischen einer Ein- und einer Auslaufplatte fest eingespannt werden. Die Spannvorrichtung kann entweder aus mehreren Zugankern am Außenrand der Ein- und der Auslaufplatte oder je einem Zuganker an den Schmalseiten der Ein- und der Auslaufplatte bestehen.

Die Ein- und die Auslaufplatte enthalten Bohrungen für die Zuführung des zu ultrafiltrierenden Produkts und der Spülflüssigkeit in das Plattenpaket und für die Ableitung des Konzentrates und des Ultrafiltrates. Das einteilige Filterelement ist eine rechteckige bis quadratische Kompaktplatte, die mit mindestens zwei Bohrungen versehen ist und auf der einen Seite einen Strömungsraum und auf der anderen Seite einen Filtratableitraum enthält. Mindestens eine der Bohrungen ist

durch innenliegende Sammelkanäle mit dem Filtratableitraum und mindestens zwei andere Bohrungen durch innenliegende Einspritz- und Sammelkanäle mit dem Strömungsraum verbunden. Der Filtratableitraum ist mit ableitfähigem Material ausgefüllt oder mit einem System kleiner Kanäle durchzogen, die in den Sammelkanälen enden. Der Strömungsraum ist mit strukturiertem Material versehen oder von einem Kanalsystem durchzogen, das mit den Einspritz- und Sammelkanälen verbunden ist. Diese Gestaltung bezweck^ einen guten Kontakt zwischen dem zu ultrafiltrierenden Produkt und der aktiven Seite der Membran zu schaffen und das Produkt mit einer hohen Turbulenz bei geringer Strömungsgeschwindigkeit in dem Strömungsraum fließen zu lassen.

Durch die mit strukturiertem Material ausgefüllten oder mit Kanälen durchzogenen Strömungs- und Piltratableiträume wird die Membran beidseitig fest eingespannt, so daß die Flüssigkeit auch mit hohem Druck von beiden Seiten auf die Membran wirken kann, ohne daß ein Reißen der Membran erfolgt. Dadurch ist es möglich, vom Filtratraum aus eine Spülflüssigkeit durch die Membran zu pumpen, um die bei der Ultrafiltration in die Poren der Membran eingedrungenen Partikel zu beseitigen, die mit der üblichen Reinigung nicht entfernt werden können. Diese Rückspülung ermöglicht eine Steigerung der Leistungsfähigkeit des Ultrafilters, besonders bei Verwendung von die Membran leicht verstopfenden Produkten.

Die Verwendung von polymerem Material, wie Polypropylen, Polyäthylen, PVC für die Herstellung der Filterelemente, das die für eine Abdichtung bei entsprechander Druckbeauflagung erforderlichen Festigkeits- und Zähigkeitsmerkmale aufweist, gestattet eine Abdichtung des Ultrafilters ohne zusätzliche Dichtungen.

Auch zusätzliche Dichtvmlste und Dichtleisten sind nicht erforderlich.

Die in bekannten Anlagen verwendeten Dichtungen oder Dichtleisten zum Abdichten der Membran gegenüber dem Filtratableit-

raum sind durch den innen gelagerten Einspritzkanal nicht erforderlich.

Die Verwendung von strukturiertem Material bzw. Kanälen im Strömungsraum führt zu einer hohen Turbulenz über der Membran und verhindert weitgehend die Konzentrationspolarisation und Eiweißablagerungen auf den Membranen. Je nach Bedarf kann auf die turbulenzbildende Wirkung des strukturierten Materials verzichtet und ohne dasselbe mit einer laminaren Strömung über der Membran gearbeitet werden.

Das erfindungsgemäße Ultrafilter arbeitet nach folgendem Punktionsprinzip.

Das zu ultrafiltrierende Produkt, z.B. Milch wird mittels einer Pumpe aus einem Zirkulationstank in den Produktverteilerkanal gepumpt, fließt von hier aus durch die Einspritzkanäle in den Strömungsraum der Kompaktplatte. Durch das im Strömungsraum befindliche strukturierte Material wird eine hohe Turbulenz der Strömung der Flüssigkeit entlang der Membran, damit verbunden eine geringe Konzentrationspolarisation, erreicht« V/asser und niedermolekulare Stoffe, wie Laktose, Salze, durchdringen die Membran und fließen in den Filtratraum. Im Produkt dagegen reichern sich die hochmolekularen Stoffe, wie z.B. Eiweiße an. Diese eiweißangereicherte Lösung wird aus dem Strömungsraum durch Sammelkanille in den Konzentratsammeikanal und von hier aus in den Zirimlationstank gepumpt. Von hier aus wird die Lösung solange durch das Ultrafilter gepumpt, bis die gewünschte Konzentration an hochmolekularen Stoffen erreicht ist. Das Piltrat wird aus dem Piltratraum durch Sammelkanäle in den Piltratsamme!kanal und von hier aus in einen Lagerbehälter gepumpt. Die Anordnung der Kompaktplattsn läßt wahlweise eine Parallel- und/oder Reihenströmung des zu ultrafiltrierenden Produktes durch die Kompaktplatten zu. Zur Reihenschaltung wird dev Verteilerkanal oder der Konzentratsammelkanal an der gewünschten Stelle verschlossen.

Die Reinigung des Ultrafilters kann nach zwei Arbeitsweisen erfolgen. Heben dem bei allen Plattenanlagen angewendeten Reinigungsverfahren, bei dem anstelle des zu ultrafiltrierenden Produktes eine Reinigungslösung durch das Ultrafilter gepumpt wird, besteht hier die Möglichkeit, eine Rückspülung vorzunehmen. Reinigungslösung, Wasser oder Filtrat wird durch den Rückspülkanal oder den FiItratsanmelkanal in den Piltraträum gepumpt und durchdringt die Membran von der Rückseite zur aktiven Seite, wobei die verstopften Poren freigespült werden. Die die Membran durchdringende Reinigungslösung fließt über den Konzentratsammeikanal aus dem Ultrafilter ab.

Ausführun^sbeispiele

Die Erfindung soll an den nachstehenden Ausführungsbeispielen und Zeichnungen erläutert werden.

Zeichnung 1: Seitenansicht Ultrafilter 2: Vorderansicht Ultrafilter 3: Schnitt A-A durch das Ultrafilter 4: Schnitt Б-Б durch das Ultrafilter 5: Sammelkanäle und Piltratsammelkanal (Einzelheiten)

Ausführunp,sbeis-piel 1

Das Ultrafilter besteht aus zwei Spannplatten (Ein- und Auslaufplatte) 4» zwei Zugankern 3» einer Zugankerstütze 5 sowie Kompaktplatten 1 und Membranen 2, Die beiden Spannplatten sind mit je einer Bohrung für die Zuführung des Produktes 8 und der Spülflüssigkeit 9 in das Plattenpaket und für die Ableitung des Konzentrates 7 und des Ultrafiltrates 6 versehen. Die Spannplatten 4 halten mittels zwei Zugankern 3 an der Schmalseite der Ein- und Auslaufplatten 4 ein Paket von Kompaktplatten 1 und Membranen 2 so zusammen, daß eine Abdichtung der Piltrat- und Strömungsräume sowie aller Kanäle erfolgt. Als

Material für die Kompaktplatten wird Polypropylen verwendet. Die Kompaktplatten sind rechteckig gestaltet und weisen ein Seitenverhältnis von 1 : 3»4 auf. Die Stärke der Platten beträgt 5 mm. An den Ecken sind die Platten mit Bohrungen versehen, die als Produktverteiler- 8, Konzentratsammei- 7, Piltratsammel- 6 und Rückspülkanal 9 vorgesehen sinde Die beiderseitig angeordneten Räume sind in drei Strömungs- 10 und Filtratkanäle 11 mit rechteckigem Querschnitt, einer Höhe von 1,5 mm und einer Breite von 65 mm unterteilt. Innen gelagerte Einspritz- und Sammelkanäle 12 verbinden diese Räume mit den Kanälen 6, 7, 8, 9· Strömungsraum 10 und Filtratableitraum 11 sind gleichartig aber seitenverkehrt aufgebaut und mit netzartig strukturiertem Material 13» 14 ausgefüllt.

Ausführungsbeispiel 2

Eine andere Ausführungsmöglichkeit sieht vor, die Kompaktplatten quadratisch mit sieben Filtrat- und Strömungsräumen zu gestalten. Die Platten sind mit drei Bohrungen versehen, wobei der Kanal für die Rückspülung entfällt· Der Piltratsammelkanal 6 ist so gestaltet, das sowohl das anfallende Piltrat abgeleitet werden als auch die Rückspülflüssigkeit in den Piltratraum 11 gepumpt werden kann, ^er weitere Aufbau entspricht dem Ausführungsbeispiel 1.

Ausführun^sbeispiel 3

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit sieht die Verwendung von zwei Bohrungen 7, 8 in der Kompaktplatte 1 vor, die als Produktverteiler- 8 und Konzentratsammelkanal 7 ausgebildet sind. Das Filtrat wird durch Kanülen abgeleitet. Das Paket von Kompaktplatten wird durch eine Spanneinrichtung, bestehend aus Ein- und Auslaufplatten mit sechs Zugankern am Außenrand, zusammengehalten

Der weitere Aufbau entspricht dem Ausführungsbeispiel 1.

Claims (3)

ErfindunssanSpruch

1. Ultrafilter zur Uembranfiltration von Lösungen, die echt oder kolloidal gelöste Teilchen enthalten, bestehend aus Filterelementen und Membranen, die mit Spannelementen zwischen einer Ein- und einer Auslaufplatte fest zusammengehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselweise angeordneten Filterelemente als einteilige Kompaktplatten mit mindestens zwei Bohrungen ausgebildet sind, auf der einen Seite einen Strömungsraum und auf der anderen Seite einen FiI-tratableiträum enthalten, mindestens eine der Bohrungen durch innen liegende Sammelkanäle mit dem Filtratableitraum und mindestens zwei andere Bohrungen durch innen liegende Sammelkanäle und Einspritzkanäle mit dem Strömungsraum verbunden sind, die Ein- und die Auslaufplatten Bohrungen für die Zuführung des zu ultrafiltrierenden Produktes und der Spülflüssigkeit in das Plattenpaket und für die Ableitung des Konzentrates und des Ultrafiltrates aufweisen, der Filtratableitraum mit ableitfähigem !.laterial ausgefüllt oder einem System kleiner Kanäle durchzogen ist, die in den Sammelkanälen en,Ien, und der Strömungsraum mit strukturiertem Material versehen oder mit einem System von Kanälen, die mit den Einspritz- und Sammelkanälen verbunden sind, durchzogen iste

2, Ultrafilter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung einen oder mehrere Zuganker am Außenrand oder an den Schmalseiten der Ein- und der Auslaufplatte aufweist.

3· Ultrafilter nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einteilige Filterelement eine rechteckige bis quadratische Form aufweist.

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