DE112004000225T5

DE112004000225T5 - Unterdruckfiltervorrichtung

Info

Publication number: DE112004000225T5
Application number: DE112004000225T
Authority: DE
Inventors: Chris A. Westford Scott; Matthew John Billerica Dunleavy; Louis Waltham Bonhomme
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2006-01-19
Also published as: US7806274B2; WO2004071629A1; GB2412886A; GB0516327D0; GB2412886B; US20040188344A1

Abstract

Unterdruckfilteranordnung zum Filtern einer Einspeiseflüssigkeit in einen Filtratbehälter, mit einem geschlossen Gehäuse mit einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt, einem in dem oberen Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten Einlass, einem in dem unteren Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten Auslass, einem in flüssigkeitsdichter Art und weise in dem Gehäuse stromauf des Auslasses abgedichteten Filter, einem Unterdruckanschluss in dem unteren Abschnitt des Gehäuses stromab des Filters, der so positioniert ist, dass er mit einem Innenraum des Filterbehälters in Verbindung steht, um einen Unterdruck in dem Filterbehälter zu erzeugen, wenn das Gehäuse an den Filterbehältern angebracht ist und wenn der Unterdruckanschluss mit einer Unterdruckquelle verbunden ist, wobei das Gehäuse einen Dichtungsring bzw. Dichtungsflansch an seiner untersten Oberfläche zum Herstellen einer Dichtung für das Vakuum mit dem Filtratbehälter enthält, wobei das Filter ein mikroporöses hydrophiles Filter ist und der obere Abschnitt des Gehäuses eine Querschnittsgestaltung mit ausreichender Höhe und ausreichendem Volumen aufweist, um etwaige Luft,...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für vakuum-bzw. unterdruckgetriebene Filterung. Insbesondere bezieht sie sich auf eine geschlossene Vorrichtung für vakuum-bzw. unterdruckgetriebene sterile Filterung.
Hintergrund der Erfindung
Mehrere Vorrichtungsgestaltungen sind zum Filtern einer Einspeiseflüssigkeit in einen Filtratbehälter entworfen worden. Diese werden typischerweise dazu verwendet, biologische Lösungen, wie z.B. fötales Kalbsserum, Gewebekulturmedien und dergleichen zu reinigen und zu sterilisieren. Sie können eine offene Vorrichtung sein, was bedeutet, dass ihre Zufuhr gegenüber der Atmosphäre offen ist, oder sie können eine abgeschlossene Art Vorrichtung sein, bei der das System gegenüber der Atmosphäre geschlossen ist. In einer offenen Vorrichtung muss der Benutzer die Einspeiseflüssigkeit von einem Speichergefäß zu der Filtervorrichtung transportieren, womit eine zusätzlicher manueller Schritt zu dem Prozess hinzukommt. Offene Filtervorrichtungen umfassen die von Millipore Corporation, Billerica, Massachusetts erhältliche Stericup^TM-Vorrichtung, welche ein maximales ungefiltertes Volumen von 1 Liter, abhängig von der Größe des Einspeisetrichters behandeln kann. Der Vorteil einer geschlossenen Filtervorrichtung besteht darin, dass sie größere Volumen, die von dem Volumen der Einspeise- und Filtratspeichergefäße bestimmt werden, kontinuierlich verarbeiten kann. Auch gibt es keine manuelle Übertragung vom Speichergefäß zu der geschlossenen Filteranordnung.
Geschlossene Vorrichtungen umfassen allgemein drei Komponenten, nämlich einen Behälter für das ungefilterte Mate rial, einen Behälter für das Filtrat und eine durch Vakuum getriebene Filteranordnung zwischen den zwei Behältern. Bei den meisten dieser Systeme ist der erste Behälter ein Fläschchen oder die Packung, in der die ungefilterte Flüssigkeit versandt wird (typischerweise ein Beutel oder eine Kunststoffflasche). Der zweite (Filtrat-) Behälter ist eine Glasflasche oder ein Fläschchen. Die Filteranordnung ist ein separates, im wesentlichen geschlossenes System, mit einem Einlass, der in Fluidverbindung mit dem ersten Behälter, typischerweise durch eine Schlauch- oder Rohrleitung steht, die luftdicht mit dem ersten Behälter verbunden ist, einem Filter stromab des Einlasses und einem Auslass stromab des Filters. Der Auslass steht entweder direkt oder durch einen Schlauch oder eine Rohrleitung in Fluidverbindung mit dem zweiten Behälter und ist luftdicht mit dem zweiten Behälter verbunden. Ein Vakuumanschluss ist stromab des Filters so angeordnet, dass er das Fluid aus dem ersten Behälter durch das Filter und in den zweiten Behälter saugt.
Die Filteranordnung hat typischerweise einen Dichtungsbereich, der so ausgelegt ist, dass er oben auf den zweiten Behälter passt, um so eine Dichtung für das Vakuum herzustellen, welches den Filterprozess antreibt.
Falls während des Betriebs Luft in die geschlossene Filteranordnung eintreten sollte, oder falls die Einspeisung versehentlich unterbrochen wird, wie z.B. dadurch, dass das Zuführrohr aus der Einspeiseflüssigkeit gelangt, wird der Filtervorgang gestoppt. Eine Wiederherstellung des Flüssigkeitsstroms kann schwer zu bewerkstelligen sein. Der Flüssigkeitsstrom wird erst dann wiederhergestellt, bis das benetzte Filter, das gegenüber einem Luft-Bypass geschlossen ist, wieder in Kontakt mit dem ungefilterten Flüssigkeitsstrom gelangen kann.

In solche Vorrichtungen sind in einem Fall zwei Filter aufgenommen, ein hydrophiles, um das Durchströmen von Flüssigkeit zu gestatten, und ein hydrophobes, um das Durchströmen von Luft zu gestatten. Eine Alternative, wie sie durch US 4036698 und US 5141639 gezeigt ist, besteht darin, eine Einzelmembran zu verwenden, die sowohl hydrophile als auch hydrophobe Bereiche enthält, um das Durchströmen sowohl von Luft als auch von Flüssigkeit durch verschiedene Bereiche der gleichen Membran zu ermöglichen.

Beide Verfahren erleichtern einen Neustart der Filterung durch Vakuum, indem sowohl Luft als auch Flüssigkeit gleichzeitig durch die Filtervorrichtung passieren können.

Diese Vorrichtungen weisen mehrere Nachteile auf. Zunächst erfordert die Verwendung von zwei Membranen (eine hydrophile und eine hydrophobe) eine spezielle Gestaltung und das Abdichten von zwei separaten Filtern an Ort und Stelle.

Die Verwendung einer hybriden Membran (teils hydrophil, teils hydrophob) ist auch teuer und erfordert eine Festlegung des richtigen Gleichgewichts der jeweiligen hydrophilen/hydrophoben Bereiche. Ein zu großer hydrophober Bereich mindert die Filterrate nachteilig. Ebenso macht ein zu kleiner hydrophober Bereich den Neustart so schwierig wie wenn kein hydrophober Bereich existierte.

Außerdem steht die hydrophobe Membran oder der hydrophobe Bereich in Kontakt mit dem zu filternden Fluid und wird im Verlauf der Zeit imprägniert (wet out) oder mit Verunreinigungen oder dem Produkt, wie z.B. Proteinen verstopft oder verschmutzt. Dies führt zu einem irreversiblen Lufteinschluss bei einem Eindringen von Luft, da der hydrophobe Bereiche nicht mehr funktioniert.

Beide Versionen sind schwer einem Integritätstest mit Standard-Blasenpunktprozeduren infolge der gleichzeitigen Präsenz der hydrophilen/hydrophoben Membranen zu unterziehen.

Ein weiteres Problem bei gängigen geschlossenen Filtervorrichtungen ist, dass diese Vorrichtungen gegenüber kleinen Luftintrusionen empfindlich sind, da die obere Gehäusekammer zu klein ist, um etwaige Luft von der Membran fernzuhalten und daher auf die Hybridmembran angewiesen ist, das als einziges Mittel zum Evakuieren eingeschlossener Luft dient. Wenn die hydrophobe Entlüftung verschmutzt ist, wie es bei einer Filterung größerer Volumen vorkommen kann, schlägt eine kontinuierliche Filterung fehl und die Vorrichtung muss ausgetauscht werden.

Was benötigt wird, ist eine einfachere geschlossene Filtervorrichtung zur Vakuum- bzw. Unterdruckfilterung. Was benötigt wird, ist eine einzelne geschlossene Filtervorrichtung, welche größere Flüssigkeitsvolumen aus einem Einspeisegefäß verarbeiten kann, ohne unter normalen Bedingungen infolge von Lufteinschluss abzubrechen, und die im Fall einer Unterbrechung von Luft gereinigt werden kann, um die Vorrichtung nicht entfernen und austauschen zu müssen. Es ist auch eine Vorrichtung erwünscht, welche sich selbst am Filtratbehälter abdichtet, so dass sie ohne Unterbrechung infolge einer verschmutzten hydrophoben Entlüftung und eines geringen Eindringens von Luft unbeaufsichtigt laufen kann.

Abriss der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filteranordnung zur Vakuum- bzw. Unterdruckfilterung, die gebildet ist aus: einem geschlossenen Gehäuse mit einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt, einem den oberen Abschnitt von dem unteren Abschnitt des Gehäuses trennenden Filter, einem im oberen Gehäuse ausgebildeten Einlass, einem im unteren Abschnitt ausgebildeten Auslass und Vakuumanschluss, einem an einer untersten Oberfläche des unteren Abschnitts angeordneten Dichtungsring bzw. Dichtungsflansch, wobei der obere Abschnitt des Gehäuses eine Querschnittsgestaltung einer Höhe und eines Volumens aufweist, die ausreichen, um etwaige Luft, die von der Einspeiseflüssigkeit und von innerhalb der Filteranordnung selbst in die Filteranordnung eingeleitet werden kann, unter normalen Betriebsbedingungen zurückzuhalten, ohne den Unterdruckstrom zu unterbrechen. Vorzugsweise hat die Querschnittsgestaltung des oberen Abschnitts eine gekrümmte Form, vorzugsweise in der Form einer Kuppel mit einer Höhe und einem Volumen, die ausreichen, um etwaige Luft, die von dem System selbst einschließlich der Rohrleitung eintreten könnte, einzufangen, und sie von der Membranoberfläche entfernt zu halten.

Optional kann der obere Abschnitt des Gehäuses auch eine Be-/Entlüftung enthalten, insbesondere eine von einem mechanischen, manuellen oder automatischen Ventil gesteuerte Entlüftung für das periodische Entfernen von Luft aus dem oberen Abschnitt, insbesondere wenn viel Luft eingedrungen ist.

Diese Erfindung ermöglicht es, den wirksamen Filterungsbereich der Vorrichtung durch Eliminieren der Notwendigkeit einer hydrophoben Membran oder eines hydrophoben Abschnitts in dem aktiven Filterbereich zu maximieren. Sie verhindert auch, dass Luft die Vakuumfilterung stört, indem sie von der Membranoberfläche abgehalten wird und optional gelegentlich abgeführt wird. Außerdem eliminiert sie das Problem des Integritätstests, der bei dem dualen hydrophilen/hydrophoben Membransystemen besteht.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuum- bzw. Unterdruckfilteranordnung zum Filtern einer Einspeiseflüssigkeit in einen Filtratbehälter bereitzustellen, der ein geschlossenes Gehäuse umfasst, mit einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt, einem in dem oberen Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten Einlass und einem in dem unteren Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten Auslass, einem in flüssigkeitsdichter Art und Weise in dem Gehäuse stromauf des Auslasses abgedichteten Filter, einem Vakuum- bzw. Unterdruckanschluss in dem unteren Abschnitt des Gehäuses stromab des Filters, der so gelegen ist, dass er mit einem Inneren des Filterbehälters in Verbindung steht, um ein Vakuum (Unterdruck) in dem Filtratbehälter zu erzeugen, wenn das Gehäuse an den Filtratbehältern angebracht ist und wenn der Vakuumanschluss mit einer Vakuum- bzw. Unterdruckquelle verbunden ist, wobei das Gehäuse einen Dichtungsring bzw. Dichtungsflansch an seiner untersten Oberfläche zum Herstellen einer Dichtung für das Vakuum (Unterdruck) mit dem Filtratbehälter enthält, wobei das Filter ein mikroporöses hydrophiles Filter ist und der obere Abschnitt des Gehäuses eine Querschnittsgestaltung aufweist, die eine ausreichende Höhe und ein ausreichendes Volumen aufweist, um etwaige Luft, die von der Einspeiseflüssigkeit und von innerhalb der Filteranordnung selbst in die Filteranordnung eingeleitet werden kann, unter normalen Betriebsbedingungen einzuschließen bzw. festzuhalten, ohne den Vakuumstrom zu unterbrechen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vakuum- bzw. Unterdruckfilteranordnung zum Filtern einer Einspeiseflüssigkeit in einen Filtratbehälter bereitzustellen, die ein geschlossenes Gehäuse umfasst, mit: einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt, einem in dem oberen Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten Einlass und einem in dem unteren Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten Auslass, einem in flüssigkeitsdichter Art und Weise in dem Gehäuse stromauf des Auslasses abgedichteten Filter, einem Vakuumanschluss in dem unteren Abschnitt des Gehäuses stromab des Filters, der so gelegen ist, dass er mit einem Inneren des Filterbehälters in Verbindung steht, um ein Vakuum bzw. einen Unterdruck in dem Filtratbehälter zu erzeugen, wenn das Gehäuse an den Filtratbehältern angebracht ist und wenn der Vakuumanschluss mit einer Vakuumquelle verbunden ist, wobei das Gehäuse einen Dichtungsring bzw. Dichtungsflansch an seiner untersten Oberfläche zum Herstellen einer Dichtung für das Vakuum mit dem Filtratbehälter enthält, wobei das Filter ein mikroporöses hydrophiles Filter ist und der obere Abschnitt des Gehäuses eine Querschnittsgestaltung aufweist, die eine ausreichende Höhe und ein ausreichendes Volumen aufweist, um etwaige Luft, die von der Einspeiseflüssigkeit in die Filteranordnung eingeleitet werden kann, einzuschließen bzw. festzuhalten, ohne den Vakuumstrom zu unterbrechen, und die Höhe (gemessen von der oberen Oberfläche des Filters zu einem höchsten Punkt auf einer Innenfläche des oberen Abschnitts) etwa 0,05 bis etwa 0,5 des Durchmessers des Gehäuses (gemessen an der Stelle des Filters) beträgt.

Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine in dem oberen Abschnitt des Gehäuses ausgebildete Be-/Entlüftung bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe ist es, den Einlass auf einer Höhe unterhalb dem höchsten Punkt im oberen Abschnitt des Gehäuses vorzusehen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Einlass auf einer Höhe unterhalb dem höchsten Punkt im oberen Abschnitt des Gehäuses, sowie eine Be-/Entlüftung auf einer Höhe über dem Einlass im oberen Abschnitt des Gehäuses vorzusehen.

In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des unteren Abschnitts der Vorrichtung von 1,
3 eine weggeschnittene Ansicht einer Vorrichtung gemäß 1, die auf einem Filtratbehälter angebracht ist,
4 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
5 eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
6 eine noch andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
7 eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
8 eine andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
9 eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht, und
10A und 10B weitere alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung, die aus mehreren Hauptelementen besteht: einem geschlossenen Gehäuse 2, das aus einem unteren Abschnitt 4 und einem oberen Abschnitt 6 gebildet ist, ein Filter 8, welches den oberen Abschnitt 6 von dem unteren Abschnitt 4 in einer flüssig keitsdichten Weise trennt, so dass das gesamte, in den unteren Abschnitt 4 eintretende Fluid dies tut, indem es das Filter 8 vom oberen Abschnitt 6 her passiert. Der obere Abschnitt 6 ist mit dem unteren Abschnitt 4 um ihre Verbindungsumfänge 7 herum so verbunden, dass er ein luftdichtes geschlossenes System zur Vakuumfilterung bildet. Die Abschnitte können durch thermisches Bonden, durch Ultraschallschweißen, durch Lösemittel-Bonden, durch Klebemittel, durch mechanische Sitze, wie z.B. Presssitze und Einschnappsitze und dergleichen verbunden sein bzw. werden.
Der obere Abschnitt 6 hat einen Einlass 10 und der obere Abschnitt 6 hat eine Querschnittsgestaltung mit einer Höhe, einer Form und einem Volumen der Art, dass kleine Luftvolumina, die in den oberen Abschnitt 6 eindringen können, in dem oberen Bereichen des oberen Abschnitts 6 von der Membran 8 entfernt zurückgehalten werden können, so dass eine Vakuumfilterung ununterbrochen fortgesetzt werden kann.
Diese Querschnittsgestaltung kann eine gekrümmte Gestaltung sein, das heißt in der Form eines abgerundeten ovalen Abschnitts oder einer Kuppel, und sogar einer Halbkugel. Diese Gestaltung ist in 1 gezeigt.
Der untere Abschnitt 4 hat ein an seiner oberen Oberfläche 11 angebrachtes Filter 8. Vorzugsweise befindet sich eine Filterhalterung 12, wie z.B. ein Gitter oder eine makroporöse Platte, wie 2 zeigt, unterhalb des Filters 8. Die Halterung 12 ist so geformt, dass sie das Filtrat zu einem in dem unteren Abschnitt 4 unterhalb des Filters 8 ausgebildeten Auslass 16 einleiten hilft, so dass kein Fluid zurückbleibt. Fachleute werden erkennen, dass der Filter-Halterungsmechanismus eine Rippenstruktur, eine strukturierte Oberfläche, ein Gitter oder irgendein anderes Mittel zum Erzeugen eines Zwischenraums unter der Membran zur Schaffung von Fluidströmungswegen sein kann. Bestimmte mikroporöse Membranen können auch mit einer festen Oberflächen-Halterung betrieben werden, da der Spalt bzw. Zwischenraum in der Membranstruktur selbst enthalten ist. Die Filter- und Halterungsstruktur muss nicht planar sein, sie kann aus einer Vielzahl abgewinkelter Ebenen, Konusse, Zylinder, Kuppeln etc. bestehen, um den Filterungsbereich zu maximieren. Weitere Optionen umfassen geschichtete Filterscheiben, wie z.B. von Millipore Corporation, Billerica, Massachusetts erhältliche Millidisk^®-Filter, um den Oberflächenbereich weiter zu maximieren.
Das Filter 8 kann am unteren Abschnitt durch Klebemittel, durch Schallschweißungen, durch thermisches Bonden und dergleichen gebondet sein. Fachleute werden erkennen, dass das Filter auch am oberen Gehäuse auf ähnliche Weise gebondet sein könnte. Es könnte auch eine Einzelstückeinheit, die aus den oberen und unteren Kammern und dem Filter besteht, mit einer Zweiphasen-Formgebungstechnik erzeugt werden. Das Filtermedium könnte auch zwischen den zwei Gehäuseteilen ohne irgendeine Verbindung mittels mechanischer Einschlussdichtung (capture sealing) eingeschlossen werden. Solche Verfahren zum Abdichten von Filtern an einer Vorrichtung sind bekannt, wobei das geeignete eines ist, das die Materialien des Filters 8 und des unteren Abschnitts 4 berücksichtigt und eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Filter 8 und dem unteren Abschnitt 4 erreichen kann, so dass das gesamte in den Auslass eintretende Fluid zuerst das Filter 8 passiert haben muss. Vorzugsweise ist dieser Auslass 16 zentral angeordnet. Es ist auch ein Vakuumanschluss 18 in dem unteren Abschnitt 4 enthalten, so dass über diesen Luft aus dem Filtratbehälter 30 (in 3 gezeigt) und der Vorrichtung abgesaugt werden kann, um den Vakuumfilterstrom zu erzeugen. Vorzugsweise ist der Vakuumanschluss 18 angrenzend an den Auslass 16 angeordnet, wenn der Auslass 16 zentral positioniert ist. Wie in 1 gezeigt ist, ist der Anschluss 18 angrenzend an den zentral positionierten Auslass 16 angeordnet. Alternativ kann der Vakuumanschluss 18 auch konzentrisch um den Auslass 16 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Eine große Dichtungsfläche 20 ist an einer unteren Oberfläche 22 des unteren Abschnitts 4 zum Erzeugen einer luftdichten Abdichtung mit dem Filtratbehälter ausgebildet.
Vorzugsweise erstreckt sie sich von den äußeren Rändern des Auslasses 16 und des Anschlusses 18 und verläuft zumindest nahe an dem Außenumfang 24 des unteren Abschnitts 4. Alternativ kann sie sich, falls gewünscht, die gesamten Strecke zum Außenumfang 24 erstrecken. Dies stellt eine große Fläche zum Abdichten und zum Herstellen eines Vakuums bzw. Unterdrucks bei Filtratbehältern mit verschiedenen Mündungsdurchmessern bereit. Es ist erwünscht, dass die Dichtung von einem selbstdichtenden Typ ist, was bedeutet, dass sie unter ihrem eigenen Gewicht mit minimal erforderlicher, zusätzlicher Kraft abdichtet. Als solche könnte ein gewöhnlicher Laborständer verwendet werden, um die Vorrichtung über dem Filtratbehälter abgehängt zu halten und das Experiment unbeaufsichtigt durchzuführen.
3 zeigt eine weggeschnittene Querschnittsansicht der Vorrichtung der 1, die auf einem Filtratbehälter 30 angebracht ist. Ein optionales Merkmal ist die Be-/Entlüftung 32, wie in 1 und 3 gezeigt ist. Wie 3 zeigt, kann die Be-/Entlüftung durch ein Ventil abgedeckt sein, um die Be-/Entlüftung je nach Bedarf selektiv schließen und öffnen zu können. Das Ventil kann ein mechanisches, manuelles oder automatisches Ventil sein. Ein Gummistopfen oder ein Stück Klebeband oder andere Vorrichtungen zum vorübergehenden Verschließen einer Öffnung (nicht gezeigt) können anstelle des Ventils 34 eingesetzt werden. Wie in 3 gezeigt ist, hat das Ventil 34 Innengewinde, die mit Außengewinden an der Entlüftung 32 zusammenpassen. Es enthält auch einen Stopfen 36, der sich in die Entlüftung 32 erstreckt. Er blockt die Luftströmung in die Entlüftung ab, wenn das Ventil vollständig auf die Entlüftung 32 aufgeschraubt ist. Wenn das Ventil 34 abgeschraubt wird, hebt sich der Stopfen 36 von seinem Sitz ab und liefert eine variierende Strömungsmenge je nachdem, wie weit die Entlüftung 32 geöffnet wird. Fachleute werden erkennen, dass die Be-/Entlüftung nicht mit Schraubgewinde versehen sein muss, sondern eine Luer-Verbindung (luer lock), ein Schnapp- bzw. Rastsitz oder ein anderes mechanisches Mittel zum Öffnen und Schließen sein kann.
4 zeigt eine alternative Gestaltung des oberen Abschnitts. In dieser Ausführungsform ist der obere Abschnitt relativ linear, wie in der Form eines Polygons, eines Quadrats mit vier flachen Oberflächen, die in ein flaches oder nach Wunsch abgerundetes Oberteil übergehen (nicht gezeigt).
5 zeigt eine lineare Ausführungsform ähnlich derjenigen von 4 ins Extrem gesteigert. Hier gehen alle Seiten in eine Pyramidenform über.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der obere Abschnitt sich nach oben von einer Seite zur anderen verjüngt, wie durch die Bezugsziffer 100 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform wird, wie dargestellt, die optionale Be-/Entlüftung nicht verwendet, obwohl diese falls gewünscht hinzugefügt werden kann.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Einlass 10 zentral positioniert ist und der obere Abschnitt sich nach oben vom Einlass zum Außenrand hin verjüngt, wie durch die Bezugsziffer 102 gezeigt ist. Bei dieser dargestellten Ausführungsform wird die optionale Be-/Entlüftung nicht verwendet, obwohl sie, falls erwünscht, hinzugefügt werden kann.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Einlass 10 zentral positioniert ist und die Be-/Entlüftung 32 auf dem Einlass 10 als Abzweigung des Einlasses 10 ausgebildet ist. Eine bevorzugte Be-/Entlüftungsvorrichtung ist die mit Bezug auf 3 beschriebene, und sie verwendet das Ventil 34.
9 zeigt eine selbstansaugende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Membran-Halterungsfläche 11 des unteren Abschnitts 4 so abgeschrägt, dass ihr unterer Punkt sich angrenzend an den Einlass 10 befindet. Wenn das System zuerst aktiviert wird, strömt das Fluid in den Bereich angrenzend an den Einlass und beginnt dann entlang der abgewinkelten Membran 8 nach oben zu strömen. Etwaige Luft wird entweder durch den trockenen Membranabschnitt transportiert und/oder die Fläche der Membran 8 entlang nach oben und dann zu dem Raum in der oberen Kammer verdrängt. Andere Mittel der Selbstansaugung sind möglich, wie z.B. ein Isolieren eines Abschnitts der Membran von dem Flüssigkeitsströmungsweg während des Normalbetriebs, womit er trocken gehalten wird und nur gegenüber der oberen Kammer bei Vorliegen einer Luftverriegelung über einen Auslösemechanismus wie einen einfachen Stopfen oder ein Ventil freigesetzt wird.
Der obere Abschnitt sollte eine Form aufweisen und ein Raumvolumen enthalten, die ausreichen, um etwaige Luft, die in den oberen Abschnitt eintreten könnte, in den oberen Bereichen des oberen Abschnitts entfernt vom Filter festzuhalten. Auf diese Weise kann der Filtervorgang unbehindert fortgesetzt werden. Vorzugsweise hat der obere Abschnitt der Vorrichtung eine Höhe (gemessen von der oberen Oberfläche des Filters zu einem höchsten Punkt an einer Innenfläche des oberen Abschnitts) des etwa 0,05-fachen bis etwa 0,5-fachen des Durchmessers des Gehäuses (gemessen an der Stelle des oberen Abschnitts angrenzend an das Filter). Vorzugsweise beträgt sie etwa das 0,1-fache bis 0,3-fache des Durchmessers. Die Ausführungsformen zeigen zwar den oberen Abschnitt symmetrisch, dies muss jedoch nicht so sein, sondern ein Abschnitt kann einen größeren Umfang und eine größere Höhe als der Rest aufweisen, vorausgesetzt, ein angemessener Luftspeicherraum wird beibehalten. Für die meisten Anwendungen ist ein Volumen von etwa 20 bis etwa 200 ccs ein ausreichender Luftspeicherraum. Die gewählte Größe hängt von der zu filternden Fluidmenge und der typischen Luftmenge ab, die bei solchen Anwendungen auftritt. Eine zusätzliche Erwägung ist die Größe des Gesamtraums, der in der oberen Kammer vorhanden sein soll. Typischerweise wird bevorzugt, über so wenig Raum wie zum Funktionieren der Vorrichtung erforderlich vorzusehen, damit ein etwaiges Produktmengenvolumen, das andernfalls verloren ginge, begrenzt ist.
Der Einlass wird auch vorzugsweise von der Be-/Entlüftung beabstandet, um ein etwaiges Übergreifen (crosstalk) oder eine Verunreinigung zu verhindern. Falls sie nahe aneinander positioniert sind, kann eine Sperre, wie z.B. eine Erweiterung des Vorrichtungsmaterials zwischen ihnen verwendet werden, so dass keine direkte Strömung oder kein direkter Zugang von einem zum anderen vorhanden ist. Ferner ist der Einlass vorzugsweise auf einer geringeren Höhe am oberen Abschnitt als die Entlüftung positioniert. Die Entlüftung ist vorzugsweise am höchsten Punkt des oberen Abschnitts positioniert.
Die Dichtungsfläche 20 kann aus einem Dichtungsring bzw. Dichtungsflansch (gasket) gebildet sein, wie z.B. aus natürlichem oder synthetischen Gummi, Polymeren wie Silikonen, EPDM-Polymeren und Styrol-Butadienblock-Copolymeren, thermoplastischen Elastomeren, wie z.B. Santopren^®-Harzen, geschäumten, geschlossenen Zellmaterialien, wie z.B. Polyurethanen und geschäumtem Polypropylen und dergleichen. Die Dichtungsfläche kann an der Vorrichtung über Reibungssitze, mechanisches Festlegen, Klebemittel und Over-Molding angebracht sein.
Das zur Herstellung der Vorrichtung 2 verwendete Material kann ein beliebiges der üblicherweise bei der Herstellung solcher Vorrichtungen verwendeten sein, wie z.B. ein Styrol-Acrylonitrilpolymer (SAN), Polyolefine wie Polyethylene, Polypropylene, Polybutylene, Polyisoprene und ihre Copolymere, Polycarbonate, Polystyrole, andere Styrol-Homopolymere und Copolymere, PTFE-Harze, Mischungen von Polyolefinen mit kleinen Mengen von PTFE-Harzen zur Reduzierung der Proteinbindung, ABS-Harz, Acrylharze, Metacrylharze und Copolymere von diesen, Polyamide wie Nylons, Epoxyharze, Polyurethane und verstärkte Harze, wie z.B. mit Glas gefüllte Epoxyharze und andere derartige Materialien, die für gewöhnlich zur Herstellung solcher Vorrichtungen verwendet werden, mit oder ohne Füllstoffe, Pigmente etc., wie es für die vorgesehene Endanwendung der Vorrichtung erwünscht oder erforderlich ist.
Geeignete Filter sind mikroporöse Filter, vorzugsweise solche mit einer nominalen Porengröße von etwa 0,1 bis 0,22 μm (Mikron), so dass sie einen Sterilisierungseffekt (Beseitigung von Bakterien) für das Filtrat liefern. Solche Filter können aus Materialien gefertigt sein, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die umfasst: Nitrozellulose, Zelluloseacetate, Polysulfone einschließlich Polyethersulfone, Polyphenylsulfone und Polyacrylsulfone, Polyvinylidenfluoride, Polyolefine wie Polyethylene, Polyproylene, Polybutylene, Polyisoprene und insbesondere Polyethylene mit ultrahohem Molekulargewicht, Polyethylene niedriger Dichte und Polypropylene, Polyamide wie z.B. Nylons, PTFE-Harz, thermoplastische fluorisierte Polymere, wie z.B. Poly (TFE-co-PFAVE), z.B. PFA, Polycarbonate oder mit Partikeln gefüllte Membranen, wie z.B. EMPORE^®-Membranen, erhältlich von 3M, Minneapoplis, Minnesota,. Metallfilter können aus rostfreiem Stahl, Nickel oder Chrom gefertigt sein, wie z.B. der SF-gesinterte rostfreie Stahlfilter oder der NF-gesinterte Nickelfilter, erhältlich von Mykrolis Corporation, Billerica, Massachusetts.
Alle diese Filter sind im Stand der Technik bekannt, können symmetrisch oder asymmetrisch oder eine Kombination von beiden sein (z.B. ist ein Abschnitt symmetrisch oder isotrop und der Rest asymmetrisch), ein Verbundstoff (entweder zusammen mit mindestens einer zweiten Schicht vergossen oder auf eine separate vorgeformte Membran-Halterungsschicht vergossen), sie können die Form von Matten, flachen Lagen, die als Gitter gefertigt sind, aufweisen oder gewebt und nicht-gewebt bzw. als Vliese hergestellt sein und sind im Handel von verschiedenen Quellen erhältlich, wie z.B. DURAPORE^®-Membranen (symmetrische PVDF) und EXPRESS^®-Membranen (asymmetrische PES-Membranen) sowie EXPRESS^®PLUS-Membranen (asymmetrische Verbund-PES-Membranen), erhältlich von Millipore Corporation, Billerica, Massachsetts.
Diese Filter können eine hydrophile oder hydrophole Beschichtung enthalten, wie im Stand der Technik bekannt ist, siehe US 4944879 . Vorzugsweise enthalten sie eine hydrophile Beschichtung für Anwendungen, wie sie typischerweise in Betracht kommen, wie zum Beispiel Medienfilterung und dergleichen.
Bevorzugte Membranen sind asymmetrische, hydrophile Membranen, wie z.B. EXPRESS^®-Membranen (asymmetrische PES-Membranen) und EXPRESS^®PLUS-Membranen (asymmetrische Verbund-PES-Membranen), erhältlich von Millipore Corporation, Billerica, Massachsetts, da sie eine schnelle Strömung mit guter steriler Filterung bereitstellen.
Wie in den 1 und 3 gezeigt ist, ist die Be-/Entlüftung 32 vorzugsweise am höchsten Punkt im oberen Abschnitt 6 der Vorrichtung gelegen. Der Einlass 10 ist vorzugsweise von der Entlüftung 32 um einen kleinen Abstand versetzt, um ein etwaiges mögliches Übergreifen oder eine Verunreinigung zu vermeiden, wenn beide im Einsatz sind.
Optional können die Entlüftung 32 und der Vakuumanschluss 18 ein hydrophobes poröses Material (nicht gezeigt) aufweisen, um das Entweichen irgendeiner Flüssigkeit durch sie zu verhindern. Nützliche Materialien umfassen PTFE-Membranen, hydrophobe, beschichtete Membranen und dergleichen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Siehe hierzu US 5792425 und 5141639 .
In einer weiteren Ausführungsform kann ein hydrophobes poröses Element angrenzend an den Auslass 16 eingesetzt werden, um ein Austropfen des Fluids in die Vorrichtung während Übertragungen von Behälter zu Behälter zu verhindern. Dies kann besonders dann vorkommen, wenn die Vorrichtung während dieses Übertragungsvorgangs gekippt wird. Es kann eine hydrophobe Membran oder ein Filter 42A über dem Bodenauslass 16 verwendet werden, wie 10A zeigt, oder es kann eine poröse hydrophobe Fritte 42B in dem Auslass 16 verwendet werden, wie in 10B gezeigt ist. Ein hydrophobes Material oder eines mit geringer Oberflächenenergie hält das Fluid im Auslass, wenn kein Vakuum bzw. Unterdruck angewandt wird. Bei der Anwendung eines Vakuums (15–30 Inch Hg ist typisch) überwindet die Vakuumkraft den Widerstand des Fluids, durch das Material zu fließen, und ermöglicht ein Ausfließen aus dem Auslass 16 in einen Behälter für die weitere Verwendung.
Die Membran oder das Filter können inhärent hydrophobes Material, wie z.B. PTFE, Polyethylene oder Polysulfone sein. Alternativ kann es entweder hydrophobes oder hydrophiles Material sein, das eine geringe Oberflächenenergie oder eine hydrophobe Beschichtung aufweist, siehe US 4824568 , die ein Vergießen einer polymeren Beschichtung auf die Oberfläche einer Membran und ein anschließendes Vernetzen (crosslinking) an Ort und Stelle mit UV-Licht, einem Elektronenstrahl oder einer anderen Energiequelle lehrt, um eine hydrophobe Beschichtung auf eine Membran, wie z.B. PVDF, Polyethersulfone, Polysulfone, Nylons, PTFE-Harz, Polyethylene und dergleichen aufzubringen.
Andere Technologien, wie Polymerisierung und Vernetzung hydrophober oder superhydrophober Beschichtungen oder ein Aufpropfen (grafting) hydrophoben Materials auf die Membranoberfläche, können ebenfalls angewandt werden.
Vorzugsweise haben die Membranen eine Porengröße von etwa 0,22 Mikron bis etwa 10 Mikron. Solche Membranen sind von Millipore Corporation, Billerica, Massachsetts, unter den Markennamen Fluopore^®- und Mitex^®-PTFE-Membranen erhältlich, oder von Whatman, Kent, England, oder W. L. Gore and Associates, und sind typischerweise aus PTFE-Harz und anderen Fluoro-Polymer-Materialien gefertigt, die inhärent hydrophob sind.
Sie kann auch die Form einer porösen Fritte aufweisen, wie z.B. POREX^®-Fritten, erhältlich von Porex Product Group, Fairburn, Georgia, die in verschiedenen Durchschnittsporengrößen von etwa 35 Mikron bis etwa 350 Mikron erhältlich ist. Ein solches Material ist die Porex-4105-Polypropylen-Fritte (150 Mikron Porengröße).
In jeder Form kann sie am Auslass durch Wärmebonden, Schallschweißen, Klebemittel oder Reibungssitz befestigt werden.
Im Betrieb ist der Einlass 10 mit einer zu filternden Fluidzufuhr durch einen Schlauch gekoppelt. Dies ist typi scherweise ein Fläschchen oder der Versandbehälter für das Fluid. Wenn es ein Fläschchen ist, hat das Fläschchen einen Schlauch, der sich durch ein Loch in einem Gummistopfen erstreckt, welcher das Fläschchen luftdicht abdichtet. Die Vorrichtung 2 ist über bzw. aufeinem Filtratbehälter 30, wie dem der 3 angeordnet. Der Auslass 16 ist allgemein über der Öffnung des Behälters 30 zentriert, und eine luftdichte Abdichtung ist zwischen dem Behälter 30 und der Vorrichtung 2 durch den Dichtungsbereich 20 hergestellt. Eine Vakuumzufuhr ist mit dem Vakuumanschluss 18 gekoppelt, wiederum typischerweise durch eine Schlauchverbindung zu dem Verbindungspunkt 40 des Vakuumanschlusses 18.
Nachdem diese Verbindungen hergestellt wurden, wird das Vakuum bzw. der Unterdruck aktiviert, wobei die Luft aus dem Filtratbehälter abgesaugt und Fluid von der Zufuhreinrichtung über den Schlauch zum Einlass 10 der Vorrichtung 2 gezogen wird. Anschließend wird Fluid mittels des Vakuums durch das Filter 8 und in den Filtratbehälter 30 gezogen. Etwaige Bakterien oder anderes Teilchenmaterial, das größer ist als die Filterporengröße, verfängt sich auf oder in dem Filter 8 und tritt nicht in den Filtratbehälter 30 ein. Wenn die gewünschte Filtratmenge in den Behälter 30 eingebracht worden ist, wird das System entweder angehalten oder die Vorrichtung 2 zu einem weiteren Filtratbehälter 30 bewegt, um diesen zu füllen. Das Vakuum kann zwischen dem Schalten bzw. Wechseln der Filtratbehälter 30 nach Wunsch unterbrochen oder nicht angehalten werden.
Falls Luft in die Vorrichtung 2 eintreten sollte, wird sie in den oberen Bereichen 50 des oberen Abschnitts 6 gefangen, so dass der Filtervorgang unbehindert fortgesetzt wird. Typischerweise ist das Volumen für die Luft in den oberen Bereichen 50 ausreichend, so dass die Luft nie ein Faktor in dem Filterungsprozess ist. Falls der Luftpegel in den oberen Bereichen 50 so groß wird, dass er einen Filtervorgang behindern könnte, kann das Vakuum unterbrochen werden, und die Luft über die Entlüftung 32, falls sie eingesetzt wird, entweder über eine Vakuumleitung oder durch eine Spritze und dergleichen abgezogen werden. Wenn die Luft entfernt worden ist, kann das Vakuum wiederhergestellt und der Filtervorgang fortgesetzt werden.
Falls Luft die Membran erreichen und den Vakuumfilterprozess beeinträchtigen sollte, kann das Vakuum unterbrochen werden, die Luft vom oberen Abschnitt der Vorrichtung wieder durch Vakuum bzw. Unterdruck oder dergleichen über die Entlüftung 32 evakuiert werden und dann das Vakuum und der Filterprozess wiederhergestellt werden.
Zusammenfassung
UNTERDRUCKFILTERVORRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung ist eine Filteranordnung zur Unterdruckfilterung, die aus einem Gehäuse (2) mit einem oberen Abschnitt (6) und einem unteren Abschnitt (4) aufgebaut ist, wobei ein Filter (8) den oberen von dem unteren Abschnitt des Gehäuses trennt, ein Einlass (10) in dem oberen Gehäuse ausgebildet ist, ein Auslass (16) und ein Unterdruckanschluss (18) in dem unteren Abschnitt ausgebildet ist, ein Dichtungsflansch (20) an einer untersten Oberfläche (22) des unteren Abschnitts ausgebildet ist und der obere Abschnitt eine ausreichende Höhe aufweist, um etwaige Luft, die eintreten könnte, einzufangen und sie von der Membranoberfläche entfernt zu halten. Vorzugsweise ist sie von gekrümmter Form, vorzugsweise in der Form einer Kuppel. Optional kann der obere Abschnitt des Gehäuses auch eine Be-/Entlüftung (32) enthalten, insbesondere eine durch ein Ventil gesteuerte Be-/Entlüftung für die periodische Abführung von Luft von dem oberen Abschnitt, insbesondere wenn viel Luft eingedrungen ist.

Claims

Unterdruckfilteranordnung zum Filtern einer Einspeiseflüssigkeit in einen Filtratbehälter, mit einem geschlossen Gehäuse mit einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt, einem in dem oberen Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten Einlass, einem in dem unteren Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten Auslass, einem in flüssigkeitsdichter Art und weise in dem Gehäuse stromauf des Auslasses abgedichteten Filter, einem Unterdruckanschluss in dem unteren Abschnitt des Gehäuses stromab des Filters, der so positioniert ist, dass er mit einem Innenraum des Filterbehälters in Verbindung steht, um einen Unterdruck in dem Filterbehälter zu erzeugen, wenn das Gehäuse an den Filterbehältern angebracht ist und wenn der Unterdruckanschluss mit einer Unterdruckquelle verbunden ist, wobei das Gehäuse einen Dichtungsring bzw. Dichtungsflansch an seiner untersten Oberfläche zum Herstellen einer Dichtung für das Vakuum mit dem Filtratbehälter enthält, wobei das Filter ein mikroporöses hydrophiles Filter ist und der obere Abschnitt des Gehäuses eine Querschnittsgestaltung mit ausreichender Höhe und ausreichendem Volumen aufweist, um etwaige Luft, die von der Einspeiseflüssigkeit in die Filteranordnung eingeführt worden sein könnte, ohne Unterbrechung der Unterdruckströmung zurückzuhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gestaltung aus der aus Kurven, Kuppeln und Pyramiden bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gestaltung kuppelförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gestaltung gekrümmt ist und die Krümmung gleich oder kleiner ist als bei einer halbkugelförmigen Konfiguration.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer porösen Filterhalterung, die in dem Gehäuse stromab des Filters und in Kontakt mit einer unteren Oberfläche desselben ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Auslass sich nach unten unter die unterste Oberfläche des Gehäuses erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Einlass einen Einlassnippel aufweist, an dem ein Rohr oder Schlauch angebracht werden kann, um eine Fluidverbindung zwischen dem Einlass und einem Einspeisegefäß bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der obere Abschnitt eine Höhe (gemessen von der oberen Oberfläche des Filters bis zu einem höchsten Punkt an einer Innenfläche des oberen Abschnitts) von etwa dem 0,05- bis etwa 0,5-fachen des Durchmessers des Gehäuses (gemessen an der Position des Filters) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der obere Abschnitt eine Höhe (gemessen von der oberen Oberfläche des Filters bis zu einem höchsten Punkt an einer Innenfläche des oberen Abschnitts) von etwa dem 0,1- bis etwa 0,3-fachen des Durchmessers des Gehäuses (gemessen an der Position des Filters) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsgestaltung des oberen Abschnitts eine gekrümmte Gestaltung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Be-/Entlüftung, die in dem oberen Abschnitt des Gehäuses ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Dichtungsflansch bzw. -ring von einem Außenrand des Gehäuses bis zum Außenrand des Auslasses ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Auslass und der Unterdruckanschluss einander benachbart positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Auslass und der Unterdruckanschluss einander benachbart positioniert sind und der Dichtungsflansch von einem Außenrand des Gehäuses bis zum Außenrand des Auslasses und des Anschlusses ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Auslass und der Unterdruckanschluss konzentrisch zueinander positioniert sind und der Unterdruckanschluss den Auslass umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Be-/Entlüftung, die an dem höchsten Punkt des oberen Abschnitts des Gehäuses ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsgestaltung des oberen Abschnitts aus der aus einer gekrümmten Gestaltung und einer polygonalen Gestaltung bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsgestaltung des oberen Abschnitts zwei oder mehr Höhen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Einlass auf einer niedrigeren Höhe als der höchste Punkt in dem oberen Abschnitt des Gehäuses befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Einlass auf einer niedrigeren Höhe als der höchste Punkt in dem oberen Abschnitt des Gehäuses befindet und ferner eine Be-/Entlüftung umfasst, die auf einer Höhe über dem Einlass in dem oberen Abschnitt des Gehäuses gelegen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membran-Halterungsfläche unter einem Winkel relativ zu der Vorrichtungs-Mittellinie angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das obere Gehäuse in Verbindung mit der Unterdruckquelle und mit einem Ein-/Aus-Schalter steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt der Membranoberfläche trocken gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem porösen Element, das angrenzend an den Auslass angebracht ist, wobei das Element eine Oberfläche mit geringer Oberflächenenergie aufweist oder hydrophob ist.