Brevet FR2632208A1 — publié le 19891208

L'iTvention concerne un élément filtrant, en particulier une bougie filtrante, en au moins une membrane filtrante en tant que premier filtre et au moins une membrane filtrante en tant que filtre terminal. A partir d'éléments filtrants de ce type, qui représentent une combinaison de filtres à membranes, sont fabriqués par exemple des bougies filtrantes ou des éléments de plaques filtrantes, qui sont utilisés pour la filtration de solutions macromoléculaires ou colloïdales, pour la filtration des particules de l'eau, pour la filtration de solvants ainsi que pour la filtration stérile de préparations pharmaceutiques obtenues par la voie biothechnologique ainsi que d'aliments. Sont connus des éléments filtrants qui consistent en deux filtres à membrane, dans lesquels les deux membranes filtrantes présentent des pores de diamètres identiques (type dénommé homogène). En outre sont connus des filtres à membrane dans lesquels le premier filtre et le filtre terminal présentent des dimensions de pores différentes (type dénommé hétérogène). Dans tous ces filtres à membrane connus il s'agit sans exception de filtres à membrane avec des dimensions de pores identiques ou différentes, soit en une géométrie symétrique soit en une symétrie asymétrique et de composition chimique identique. En tant que matières sont utilisés le nylon 66, l'acétate de cellulose, le polysulfone, le fluorure de polyvinylidène (PVDF), ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE). Les éléments filtrants du type homogène présentent l'inconvénient que le temps d'utilisation est relativement faible, étant donné que les particules de matières solides ou les matières troubles colloïdales obturent les pores du premier filtre, de sorte que le filtre terminal n'est plus du tout actif pour la filtration ou n'est que très faiblement chargé. Dans les éléments de filtres à membrane du type hétérogène les particules de plus grande taille sont retenues par les grands pores du premier filtre et les particules de plus petite taille traversent la première membrane et sont ensuite retenues par les pores de plus petite taille du filtre terminal. Dans ces filtres à membrane, les temps d'utilisation sont plus grands que pour les filtres à membrane du type homogène. Dans les éléments filtrants qui sont construits en des membranes filtrantes ayant une géométrie de pores asymétrique de même composition chimique de type homogène ou hétérogène, les temps d'utilisation des éléments filtrants sont certes plus longs que chez les éléments filtrants en des membranes à pores symétriques du type homogène ou hétérogène, mais la sécurité de filtration, par exemple le pouvoir de rétention de petits microorganismes lors de la filtration stérile n'est pas garantie. L'objet de l'invention est donc un élément filtrant qui se distingue par un temps d'utilisation plus grand pour une sécurité de filtration au moins identique par rapport aux filtres à membrane connus. Cet objet est obtenu avec un élément filtrant dans lequel le premier filtre présente des pores tronconiques- avec un diamètre décroissant dans la direction de l'écoulement (structure de pores asymétrique) et le filtre terminal présente des pores cylindriques (structure de pores symétrique). Le premier filtre et le filtre terminal consistent en matières différentes. Le coeur de l'invention consiste ainsi dans la combinaison d'au moins deux membranes en des matières différentes et de tailles de pores et de géométries de pores différentes. Bien que les membranes isolées en soi et également la combinaison d'un premier filtre et d'un filtre terminal en les mêmes matières aient été connues, il était surprenant que des propriétés améliorées soient obtenues par la combinaison selon l'invention (technique hybride). Par la constitution asymétrique des pores du premier filtre, sensiblement plus de particules de matières solides de grande taille sont retenues (séparation aussi à l'intérieur de l'épaisseur de la membrane) que dans un filtre avec des pores symétriques (principalement séparation superficielle). De ce fait, le temps d'utilisation du filtre augmente. Les petites particules qui traversent la première membrane sont séparées sur le filtre terminal. Du fait de la structure symétrique des pores, cette membrane procure en même temps une sécurité plus grande lors de la filtration (par exemple filtration stérile). Lors de la fabrication d'éléments de filtres à membrane en des polymères synthétiques il est difficile ou impossible du point de vue technique de fabriquer des éléments de filtre à membrane avec une taille de pores plus petite et une structure de pores symétrique et des éléments de filtre à membrane avec une taille de pores plus grande et une structure de pores asymétrique au moyen du même procédé et du même polymère. Selon le procédé de fabrication et les polymères utilisés, il n'est en outre pas simple et pas possible dans des limites économiques de produire des structures de pores définies grossières ou fines. C'est ainsi par exemple que dans le cas du nylon 66 il est facilement et économiquement réalisable de fabriquer des filtres à membranes avec des pores petits définis (par exemple avec un diamètre de pores de 0,1 pm, 0,2 pm, 0,45 ym, ou 0,65 pm), par contre, il est difficile de produire des structures de pores définies grossières (par exemple avec des pores de diamètre de 0,8 à 3 pm). Tandis que lors de la fabrication de filtres à membrane, par exemple en polyamide aromatique, les éléments de filtre à membrane avec des structures de pores définies plus grossières sont faciles à fabriquer, la fabrication de structures de pores définies plus petites entraîne ici une difficulté. Grâce à la combinaison selon l'invention de matières pour filtres différentes et de tailles de pores différentes avec des géométries de pores différentes, on atteint des temps d'utilisation très grands par rapport aux membranes filtrantes connues pour une sécurité de filtration identique, par exemple lors de la filtration stérile de produits pharmaceutiques et de produits alimentaires. De préférence, le plus petit diamètre x2 des pores du premier filtre est plus grand que le diamètre y des pores du filtre terminal. Selon une forme de réalisation particulière, le plus petit diamètre x2 des pores du premier filtre se situe dans la gamme de 0,8 pm à 3 pm. Les pores du premier filtre sont constitués de telle façon que leurs diamètres s'agrandissent d'un facteur de 2 à 4 en partant du diamètre x2 contre la direction de l'écoulement. Ceci signifie que les plus grands diamètres de ces pores tronconiques se situent dans la gamme de 1,6 à 12,Pm. Les pores du filtre terminal présentent de préférence des diamètres y de 0,1 à 0,65 "m. Les pores du premier filtre et du filtre terminal sont de préférence des pores continus. Comme matière pour les premiers filtres sont -utilisés les polyamides aromatiques, le polysulfone ou les dérivés de la cellulose. Le filtre terminal peut consister en polyamides aliphatiques, en polysulfone, en polytétrafluoroéthylène ou en polypropylène. Selon une forme de réalisation préférée, le nylon 66 est utilisé en tant que polyamide aliphatique. Des copolymères de la m- phénylénediamine et de l'acide isophtalique sont utilisés de préférence en tant que polyamides aromatiques. Les membranes filtrantes sont fabriquées de façon habituelle soit selon le procédé par évaporation en tant que bande plate, soit selon le procédé au bain de précipitation. Le premier filtre et le filtre terminal ne sont pas collés ou soudés ensemble mais reposent simplement l'un sur l'autre et forment de cette façon la combinaison filtrante selon l'invention. La surface du premier filtre et du filtre terminal peut être modifiée. Selon une autre forme de réalisation, la membrane filtrante du premier filtre est disposée sur une couche de filtre à couche profonde qui consiste par exemple en fibres de verre. Un tel premier filtre renforcé aux fibres de verre augmente le temps d'utilisation par rapport à un premier filtre sans filtre à couche profonde supplémentaire d'au moins un facteur 2. Selon une autre forme de réalisation, la membrane du premier filtre est incluse dans une couche de filtre à couche profonde qui consiste de préférence en fibres de verre. Ceci signifie que la matière de la couche de membrane pénètre au moins en partie dans la couche de filtre à couche profonde. Il est important à ce sujet que la couche profonde soit tournée vers le liquide à filtrer, de sorte qu'aucune libération de fibres ou de particules des fibres de verre n'ait lieu du c8té du filtre au cours de la filtration. Une élévation de la sécurité lors de la filtration stérile est atteinte par le fait que le filtre terminal consiste en au moins deux couches de membranes filtrantes qui, selon une forme de réalisation particulière, sont fermement liées l'une à l'autre. Les couches individuelles peuvent présenter la même composition chimique et la même taille de pores ou bien être fabriquées en matières différentes. De préférence, ces couches sont renforcées par un feutre ou par un tissu qui peut consister en polyester ou en polypropylène. Ce tissu est disposé entre les deux couches. La fabrication d'un tel filtre terminal se fait en appliquant d'abord l'une des membranes sur le tissu ou le feutre, puis en appliquant la seconde couche de membrane sur le c8té dorsal du tissu ou du feutre. Selon une forme de réalisation particulière, la première couche consiste en polysulfone et la deuxième couche consiste en un polyamide aliphatique, les pores présentant des diamètres identiques dans les deux couches. Du fait des matières différentes du premier filtre et du filtre terminal, ceux-ci présentent des propriétés de surface différentes, par exemple des capacités d'adsorption différentes ou des affinités différentes vis- à-vis de groupes de substances définis. Il existe cependant aussi la possibilité de modifier de façon encore plus appropriée pour le but d'utilisation envisagé ces propriétés de surface par une modification supplémentaire des matières utilisées. Ceci peut se faire par exemple par la modification des groupes latéraux ou terminaux des polymères, en incorporant de façon appropriée par exemple des groupes carboxyle ou amine. Ici il est particulièrement avantageux que le premier filtre et le filtre terminal soient formés en des matières différentes, car ainsi s'établissent des propriétés de surface différentes dans le premier filtre et dans le filtre terminal. La combinaison de deux membranes avec des propriétés d'adsorption différentes augmente, en addition aux propriétés citées ci-dessus, le temps d'utilisation et les performances du filtre par suite d'une adsorption supplémentaire. En ce qui concerne ces points, la technique hybride des membranes habituelles est de même dépassée. Dans la suite sont expliquées plus en détail des formes de réalisation de l'invention à titre d'exemple à l'aide des dessins, dans lesquels: La figure 1 montre un élément filtrant dans lequel est incorporée la bougie filtrante selon l'invention; La figure 2 représente une coupe à travers l'élément filtrant selon l'invention; Les figures 3 à 5 représentent des coupes à travers d'autres formes de réalisation de l'élément filtrant; Les figures 6 et 7 représentent deux diagrammes dans lesquels sont représentées les performances de filtration de trois membranes filtrantes respectivement. La figure 1 montre un filtre 10 entre l'enveloppe de soutien Il et le tube interne 12 duquel, est disposé l'élément de filtre à membrane 1 selon l'invention qui comprend un premier filtre 2 et un filtre terminal 3. La flèche de la figure 1 indique la direction de l'écoulement du liquide à filtrer. A la figure 2 est représentée schématiquement une coupe à travers l'élément filtrant 1. Dans le premier filtre 2 se trouvent des pores tronconiques 4 dont le plus petit diamètre est représenté par x2 et dont le plus grand diamètre est représenté par x1. Ce premier filtre 2 repose sur un filtre terminal 3 dans lequel sont formés des pores cylindriques 5 de diamètre y. Le diamètre X est inférieur au plus petit diamètre x2 des pores tronconiques 4. Dans la partie gauche de la figure 2 est représenté le dép8t de particules plus grandes 6 dans un pore tronconique 4, les particules plus petites 7 étant retenues par les pores cylindriques 5 du filtre terminal. Pour cette représentation, il a été nécessaire de dessiner un espace intermédiaire entre le premier filtre et le filtre terminal. La flèche en haut à droite à la figure 2 indique de même la direction de l'écoulement du liquide à filtrer. A la figure 3 est représenté un premier filtre 2 qui correspond au premier filtre de la figure 2. Le filtre terminal 3 consiste dans ce cas en deux couches 8 et 9 qui sont fermement liées l'une à l'autre. A la figure 4 est représentée une autre forme de réalisation du filtre terminal 3. Dans ce cas, les deux couches 8 et 9 sont appliquées sur un tissu 13. A la figure 5 est représentée une forme de réalisation dans laquelle le premier filtre 2 consiste en une membrane 15 qui est disposée sur une couche de filtre à couche profonde 14 de sorte que la membrane pénètre en partie dans la couche de filtre à couche profonde et est ainsi incluse. L'avantage de cette forme de réalisation par rapport aux filtres à membranes connus apparaîtra en particulier à la lumière de la comparaison dans les diagrammes des figures 6 et 7. A la figure 6 le volume de filtration est représenté pour trois combinaisons de filtres à membranes différentes. Un élément filtrant habituel est représenté par la lettre A, dans lequel le premier filtre et le filtre terminal consistent en la même matière, à savoir le nylon 66. Les pores de cette membrane sont cylindriques et possèdent une taille de pores de 0,2 pm; B caractérise un élément filtrant selon l'invention dans lequel le filtre terminal consiste de même en nylon 66 avec des pores de taille de pores de 0,2 pm. Le premier filtre consiste en polysulfone avec des pores tronconiques dont le plus petit diamètre de pores x2 vaut 0,8 pm. Le plus grand diamètre des pores tronconiques vaut dans cet exemple environ 2 pm. C caractérise un élément filtrant selon l'invention dont le filtre terminal consiste de même en nylon 66 avec des pores de taille de pores de 0,2 pm. Le premier filtre consiste en une membrane de polyamide aromatique qui est appliquée sur une couche de fibres de verre. La figure 6 montre les résultats de la filtration d'une solution de sucre de canne à 1%. Il s'est avéré que le temps d'utilisation de l'élément filtrant B selon l'invention s'élève à environ 225 % et celui de l'élément filtrant en polyamide aromatique C à environ 550%. De ceci il ressort clairement que le temps d'utilisation par rapport à un élément de filtre à membrane habituel peut être relevé de deux à cinq fois pour la mgme sécurité offerte également par l'élément filtrant A. A la figure 7, D caractérise un élément filtrant habituel dont le premier filtre et le filtre terminal consistent chacun en nylon 66 avec des pores de taille de pores de 0,45 pm. E et F désignent des éléments filtrants selon l'invention qui correspondent aux éléments filtrants B et C de la figure 6 cependant avec la différence que le filtre terminal qui consiste en nylon 66 présente une taille de pores de 0,45 um et que le plus petit diamètre des pores tronconiques du premier filtre vaut 1,2 pm. Le plus grand diamètre vaut environ 3 à 4 pm. La combinaison de la membrane en nylon 66 et du polysulfone avec des pores tronconiques relève le temps d'utilisation jusqu'à 270% (E) et la combinaison de la membrane renforcée aux fibres de verre (F) relève les performances de filtration jusqu'à même 970%. Le premier filtre 2 utilisé aux figures 6 et 7 consistait en la forme de réalisation représentée à la figure 5. Dans ce cas les fibres de verre sont incluses dans le polyamide aromatique. Cette inclusion présente en outre l'avantage que la libération de fibres ou de particules à partir des fibres de verre du côté du filtrat au cours de la filtration est empêchée. Cet avantage supplémentaire permet l'utilisation de tels éléments filtrants dans le cas de filtrations critiques, par exemple dans l'industrie pharmaceutique et chimique (absence de particules). REVENDICATIONS 1. Elément filtrant, en particulier bougie filtrante, comprenant au moins une membrane filtrante en tant que premier filtre et au moins une membrane filtrante en tant que filtre terminal, caractérisé en ce que le premier filtre (2) présente des pores tronconiques (4) avec un diamètre décroissant dans la. direction de l'écoulement (structure de pores asymétrique), en ce que le filtre terminal (3) présente des pores cylindriques (5) (structure de pores symétrique) et en ce que le premier filtre (2) présente une autre composition chimique que le filtre terminal (3). 2. Elément filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plus petit diamètre (x2) des pores (4) du premier filtre (2) est plus grand que le diamètre (y) des pores (5) du filtre terminal (3). 3. Elément filtrant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le plus petit diamètre (x2) des pores (4) du premier filtre (2) se situe dans la gamme de 0,8 à 3 im et en ce que ces pores (4) sont constitués de telle façon que leurs diamètres s'agrandissent d'un facteur de 2 à 4 contre la direction de l'écoulement. 4. Elément filtrant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pores (5) du filtre terminal (3) présentent des diamètres (v) de 0,1 à 0,65 Pm. 5. Elément filtrant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier filtre (2) consiste en un polyamide aromatique, en polysulfone ou en un dérivé de la cellulose et le filtre terminal, (3) consiste en un polyamide aliphatique, ou en polysulfone, ou en fluorure de polyvinylidène, en polytétrafluoroéthylène ou en polypropylène. 6. Elément filtrant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le polyamide aliphatique est le nylon 66. 7. Elément filtrant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le polyamide aromatique est un copolymère de la m-phényldiamine et de l'acide isophtalique. 8. Elément filtrant selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la membrane filtrante (15) du premier filtre (2) est disposée sur une couche (14) de filtre à couche profonde. 9. Elément filtrant selon la revendication 8, caractérisé en ce que cette couche (14) de filtre à couche profonde consiste en fibres de verre. 10. Elément filtrant selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche de filtre à couche profonde est incluse dans le polyamide ou le polysulfone ou le dérivé de la cellulose. 11. Elément filtrant selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le filtre terminal (3) consiste en au moins deux couches (8, 9) de membranes filtrantes. 12. Elément filtrant selon la revendication 11, caractérisé en ce que ces couches (8,9) sont fermement liées l'une à l'autre. 13. Elément filtrant selon l'une des revendications il ou 12, caractérisé en ce que ces couches (8, 9) présentent des compositions chimiques différentes. 14. Elément filtrant selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que ces couches (8, 9) sont renforcées par un feutre ou par un tissu (13) qui est disposé entre les couches (8, 9). 15. Elément filtrant selon la revendication 14, caractérisé en ce que ce feutre ou tissu (13) consiste en polyester ou en polypropylène. 16. Elément filtrant selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la composition chimique du premier filtre (2) et du filtre terminal (3) est choisie de telle facon que ces filtres présentent des propriétés de surface différentes.