Brevet FR2724326A1 — publié le 19960315

UNITE DE FILTRATION POUR LA SEPARATION DE SUBSTANCES AVEC DES ADSORBANTS A MEMBRANE. La présente invention concerne une unité de filtration frontale pour la séparation sélective de substances à partir de fluides sur des adsorbants à membrane poreux. L'unité de filtration frontale peut être utilisée pour des opérations de séparation en laboratoire au moyen d'absorbants à membrane poreux, pour des travaux d'agrandissement à l'échelle (scale-up) et pour l'obtention de substances dans le processus de production. Elle est applicable pour la séparation sélective et le nettoyage de substances qui possèdent un pouvoir d'adsorption spécifique vis-à-vis d'absorbants à membrane, telles que par exemple des molécules biospécifiques, des protéines, des substances ionogènes, des ions métalliques, en particulier des ions de métal lourd. L'invention est applicable dans le secteur de la biotechnologie, de la technique des gènes, de la pharmacie, de la chimie, de l'industrie des boissons et des denrées alimentaires ainsi que de la protection de l'environnement. D'après WO-AI-92/00805 (Sartorius AG), des adsorbants à membrane poreux sont des membranes qui portent sur leur surface des groupes fonctionnels, des ligands ou des réactants qui sont capables d'interagir avec au moins une substance d'une phase liquide en contact avec elle. Le transport de la phase liquide à travers la membrane s'effectue alors par convection. La désignation d'adsorbant à membrane doit être comprise comme terme générique pour différents types d'adsorbants à membrane tels que des échangeurs d'ions à membrane, des membranes à ligands et des membranes activées qui, à leur tour, sont classées en différents types d'adsorbants à membrane selon les groupes fonctionnels, ligands et réactants. D'après DE-AI-38 04 430, on connaît une unité de filtration frontale pour la séparation de composants moléculaires à partir de mélanges liquides sur des adsorbants à membrane. Elle comprend un boîtier, une unité à membrane microporeuse multicouche se trouvant à l'intérieur du boîtier et des moyens qui empêchent le passage entre l'unité à membrane et un dispositif de blocage. Les arêtes de chaque membrane de l'unité à membrane sont voisins du dispositif de blocage (boîtier ou moyen d'étanchéité). Les moyens comprennent des bagues de pression et des rondelles d'étanchéité. Avec une conception spéciale de l'invention, sur laquelle les bords des membranes sont prévus contigus à la paroi du boîtier, une étanchéité empêche un passage entre les membranes et la paroi du boîtier. L'étanchéité comprend une pâte d'étanchéité qui est appliquée sur la paroi du boîtier et dans la zone de la périphérie des membranes dans la pile. L'inconvénient est que, en raison des moyens pour empêcher le passage entre l'unité à membrane et le dispositif de blocage, il se forme un volume mort qui n'est pas disponible pour une adsorption. Dans le cas d'un agrandissement à l'échelle par le montage en série de plusieurs unités à membrane à l'intérieur d'une unité de filtration ou de plusieurs unités de filtration, les résultats sont influencés de façon négative par le fait que cela s'accompagne d'une multiplication de volumes morts. Un autre inconvénient réside dans le fait que les types d'adsorbants à membrane se trouvant dans le boîtier de l'unité de filtration sont prédéfinis de façon fixe respectivement par le fabricant, et que l'utilisateur de telles unités de filtration n'a aucune possibilité de séparer des substances différentes dans une unité de filtration au cours d'une opération de filtration. L'invention a donc pour objet de créer une unité de filtration frontale pour la séparation de substances à partir de fluides sur des adsorbants à membrane par filtration frontale qui se caractérise par un faible volume mort, convient pour l'agrandissement à l'échelle et permet la séparation simultanée de différentes substances pendant une opération de filtration. Le problème est résolu par une unité de filtration frontale qui comprend un grand nombre de pièces découpées planes d'adsorbants à membrane poreux superposés du même type ou de types différents et est enfoncée de façon étanche entre deux porte-filtre, les pièces découpées planes étant imperméables au fluide dans leurs zones périphériques. Dans un mode de réalisation avantageux, les nombreuses pièces découpées planes sont regroupées en cassettes à filtres. La génération de zones périphériques imperméables au fluide est connue par les membranes poreuses (par exemple: DE 41 14 611,38 03 341 et 34 48 391) et peut intervenir par un processus thermique ou chimique ou par l'introduction d'une substance ou par la combinaison de ces mesures. La zone périphérique imperméable au fluide empêche une sortie radiale de l'agent à filtrer. Lorsqu'un grand nombre des pièces découpées planes avec des zones périphériques imperméables au fluide sont pressées les unes contre les autres entre deux porte-filtre, dont l'un possède une arrivée pour le fluide et l'autre une évacuation pour le filtrat, on procède à un filtrage axial à travers cette pile sans qu'un boîtier de filtre soit nécessaire. En faisant varier le nombre des pièces découpées planes sur des adsorbants à membrane poreux et empilés, I'unité de filtration frontale peut être construite selon le principe modulaire et être adaptée dans son pouvoir d'adsorption à la mission de filtration. Par ailleurs, il est possible d'adsorber des substances différentes de façon sélective sur le type d'adsorbant à membrane concerné en utilisant des parties découpées de différents types d'adsorbants à membrane au cours d'un passage de filtration et de les éluer ensuite de façon sélective. La désorption peut se faire séparément en faisant varier l'éluant sans démontage de l'unité de filtration frontale ou sur les différents types d'adsorbants à membrane. De façon avantageuse, les parties découpées de différents types d'adsorbants à membrane sont rendues identifiables, par exemple par des couleurs ou des formes appropriées. Dans un mode de réalisation préféré, un grand nombre de pièces découpées planes d'adsorbants à membrane poreux empilés sont regroupées en cassettes à filtre. Dans les cassettes à filtre empilables et juxtaposables de façon modulaire, les parties découpées planes sont pénétrées sur leurs bords par une pâte d'étanchéité à élasticité permanente et sont bordées de façon étanche au fluide. Chaque cassette à filtre contient un grand nombre de pièces découpées planes d'adsorbants à membrane poreux, de préférence jusqu'à 100 pièces découpées. La forme et la grandeur des pièces découpées sont quelconques et peuvent être adaptées à des porte-filtre utilisés dans la pratique. Une cassette à filtre peut être constituée d'un seul type ou de différents types d'adsorbants à membrane avec un nombre différent de pièces découpées planes. Conformément à l'objectif de la filtration, une unité de filtration Frontale peut être construite de façon modulaire à partir d'une combinaison de cassettes à filtre de composition différente. L'invention offre les avantages que, par un choix qualitatif et quantitatif de types d'adsorbants à membrane, des unités de filtration frontale peuvent être construites individuellement sur place en conformité avec les substances et quantités à séparer. L'utilisateur a donc la possibilité d'adapter des unités de filtration frontale à ses exigences de capacité si elles doivent être utilisées pour la séparation simultanée de différentes substances pendant une opération de filtration. Ceci entraîne une économie d'investissements, d'heures de travail et d'énergie, réduit les pertes de matériau et ménage les matériaux à traiter. L'invention est expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide des figures 1 à 10 et des exemples de réalisation. Dans le cas présent, la figure 1 représente la vue de dessus d'une pièce découpée plane d'un adsorbant à membrane poreux avec zone périphérique imperméable au fluide, la figure 2 la vue en perspective d'une cassette à filtre rectangulaire, la figure 3 la vue en perspective d'un autre mode de réalisation de la cassette à filtre rectangulaire, la figure 4 une coupe perpendiculairement à la coupe de ligne A- A' de la figure 2, la figure 5 la vue en perspective d'une cassette à filtre cylindrique, la figure 5a la vue de dessus d'un autre mode de réalisation d'une cassette à filtre cylindrique, la figure 5b la vue en perspective du mode de réalisation d'une cassette à filtre cylindrique selon la figure 5a, la figure 6 représente schématiquement respectivement deux cassettes à filtre d'une unité de filtration frontale avec des parties découpées dans différents types d'adsorbants à membrane, la figure 7 la vue éclatée en perspective d'un autre mode de réalisation d'une unité de filtration frontale, la figure 8 la vue éclatée en perspective d'un autre mode de réalisation d'une unité de filtration frontale, la figure 9 la vue latérale d'un autre mode de réalisation d'une unité de filtration frontale et la figure 10 la représentation schématique d'une installation de filtration avec une unité de filtration frontale selon l'invention. Sur la figure 1, on représente la zone périphérique 1 imperméable au fluide d'une pièce découpée plane empilable d'un adsorbant à membrane 2 poreux dans un mode de réalisation circulaire. Les cassettes à filtre empilables et juxtaposables de façon modulaire, qui sont représentées sur les figures 2 à 6, comprennent des pièces découpées planes superposées d'adsorbants à membrane 2 poreux qui sont traversées sur leurs bords par une pâte d'étanchéité 3 à élasticité permanente et sont enfoncées de façon étanche au fluide. Chaque cassette à filtre contient un grand nombre de pièces découpées planes d'adsorbants à membrane poreux, de préférence jusqu'à 100 pièces découpées. La forme et la taille des pièces découpées sont quelconques, mais elles sont de préférence rondes (figures 5,8), carrées (figure 7) ou polygonales (figures 2,3) pour l'adaptation aux porte-filtre 4 utilisés dans la pratique. La première et la dernière pièce découpée de chaque cassette à filtre comprennent de préférence un grillage ou tissu 5. Le grillage ou tissu 5 sert à protéger les adsorbants à membrane et fait office de répartiteur pour le fluide et de collecteur pour le filtrat. Comme le montre la figure 4, la pâte d'étanchéité 3 à élasticité permanente dépasse en hauteur les bords 6 des pièces découpées dans le sens axial et le sens radial. Elle se trouve dans la zone périphérique parallèle par rapport à la surface des première et dernière pièces découpées, légèrement au-dessus de la surface de la pièce découpée, de préférence à moins de 100 pm. Cette partie en saillie 7 constitue lors de l'enfoncement des cassettes à filtre entre deux porte-filtre 4, entre des cassettes à filtre voisines et entre une cassette à filtre et un porte-filtre 4, un joint de compression qui empêche un défaut d'étanchéité dans le sens radial de l'unité de filtration frontale. Sur les figures 7, 8 et 9, on représente des exemples de réalisation avantageux pour des unités de filtration frontale 8 conformes à l'invention. D'après ces exemples, au moins une cassette à filtre est enfoncée entre deux porte-filtre 4. Les porte-filtre 4 disposent de branchements pour l'arrivée du fluide et l'évacuation du filtrat, de préférence soit par une arrivée de fluide 9 soit par une évacuation de filtrat 10. La pression appliquée nécessaire est provoquée par des moyens connus tels que les vis 1 1, les crampons de fermeture 12 ou des vérins hydrauliques 13. Les porte-filtre 47, de préférence le porte- filtre du côté entrée, peuvent être conçus avec des moyens connus, tels des canaux 14 communicants (figure 7), pour la meilleure répartition du fluide. L'unité de filtration frontale 8 est conçue de telle façon qu'on puisse raccorder des appareils de mesure analytiques tels des HPLC, par exemple à l'arrivée du fluide 9 et à l'évacuation du filtrat 10 (non représentés). Comme le montre la figure 6, les cassettes à filtre, qui sont enfoncées de façon étanche et modulaire dans une unité de filtration frontale 8, peuvent se composer de pièces découpées d'adsorbants à membrane poreux du même type (figure 6c) ou de différents types (figures 6a et b). Dans le cas présent, on peut trouver divers types d'adsorbants à membrane dans une cassette à filtre (figure 6a). En combinant diverses variantes de cassettes à filtre, on peut construire une large diversité d'unités de filtration frontale 8 pour des missions de séparation très diversifiées. Le même effet est atteint en utilisant un grand nombre de pièces découpées planes selon la figure 1 à partir de différents types d'adsorbants à membrane et de leur combinaison. Comme les figures 3, 5 et 7 le montrent, on peut trouver à l'intérieur de la pâte d'étanchéité 3 à élasticité permanente des cassettes à filtre des orifices 15 parallèles au sens de filtration pour le passage d'éléments auxiliaires 16 pour la fixation des porte-filtre 4. Compte tenu de leur conception symétrique, les unités de filtration frontale 8 peuvent être exploitées ou rétrolavées dans les deux sens de flux, sans que des dégâts ou des destructions apparaissent sur les pièces découpées planes, sur les cassettes à filtre ou sur l'unité de filtration frontale 8. L'unité de filtration frontale 8 représentée sur la figure 8 convient avantageusement pour l'enfoncement étanche d'un grand nombre de pièces découpées planes qui sont pourvues d'un joint périphérique imperméable au fluide. Sur la figure 10, on représente schématiquement une installation avec une unité de filtration frontale 8 selon l'invention qui est appropriée surtout pour la séparation simultanée et l'obtention de matériaux différents ou identiques dans des quantités préparatives à partir de volumes dilués et grands à l'échelle industrielle ou de la production. Un grand nombre de cassettes à filtre sont enfoncées entre les porte-filtre 4 de l'unité de filtration frontale 8. Un réservoir 17 avec le fluide à filtrer, qui contient les substances à séparer, est relié au moyen d'une pompe 18 et de conduites 19 pour l'arrivée de fluide 9 à l'unité de filtration frontale 8. Côté sortie, I'unité de filtration frontale 8 est reliée via l'évacuation de filtrat 10 et une conduite à un réservoir collecteur de filtrat 21. Entre la pompe 18 et l'arrivée du fluide 9 se trouve un manomètre 22 dans la conduite 19, ainsi qu'une vanne 23 et une dérivation 24 pour la régulation de la pression de la filtration frontale. Pour appliquer le procédé, le fluide à filtrer avec les substances à séparer est évacué du réservoir 17 et envoyé au moyen de la pompe 18 via les conduites 19 et l'arrivée du fluide 9 dans les cassettes à filtre et parcourt par convection successivement les pièces découpées des adsorbants à membrane poreux des cassettes à filtre. En fonction de l'adsorption spécifique, les différences substances à séparer sont retenues dans les cassettes à filtre respectives. Le filtrat libéré des substances à séparer est amené via l'évacuation du filtrat 10 et la conduite 20 au réservoir collecteur de filtrat 21. Avec des éluants appropriés, les substances adsorbées dans les différentes cassettes à filtre sont désorbées par sélection et éluées et recueillies dans un collecteur d'éluant non représenté. Si une désorption sélective et une élution ne sont pas possibles, I'unité de filtration frontale 8 est ouverte, les cassettes à filtre prélevées en fonction du type d'adsorbant à membrane et soumises à une élution séparée par type d'adsorbant à membrane. Exemple 1 Par une unité de filtration frontale 8 selon la figure 8, qui contient deux cassettes à filtre avec chacune 10 pièces découpées d'adsorbants à membrane poreux de 5 cm de diamètre avec du réactif Blue 2 comme ligand, on a pompé un mélange de protéines composé de 0,5 mg de cytochrome c (SIGMA Deisenhofen) et de 0,5 mg de déhydrogénase de lactate (LDH) provenant de coeur de boeuf (SERVA Heidelberg) dans 0,01 M de tampon de phosphate de potassium de ph 7 (Kpi). Les deux protéines ont été adsorbées au plan quantitatif, comme l'a montré l'analyse dans le filtrat qui s'écoule. Pour l'élution sélective consécutive des protéines, on a pompé 20 ml de Kpi et ensuite un gradient de 0 à 1 M de NaCI dans Kpi pour ml à travers l'unité, on a recueilli des fractions de 4 ml à chaque fois et on a analysé la présence de cytochrome c et de LDH. Les résultats sont représentés dans le tableau ci-dessous et montrent qu'il y a eu une nette séparation des deux protéines. Tableau: séparation du cytochrome c et du LDH sur de l'adsorbant à membrane selon l'exemple 1 au moyen d'une unité de filtration frontale selon l'invention. numéro de cytochrome c LDH (unités/ml) fraction (E420 nm) 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0,05 0 5 0,3 0 6 0,4 0 7 0,16 0 8 0,08 0 9 0,014 0 10 0 0,07 11 0 0,11 12 0 0,24 13 0 0,84 14 0 3,1 15 0 3,2 16 0 2,4 17 0 1,7 18 0 1 19 0 0,04 20 0 0,01 Exemple 2 Au moyen d'une unité de filtration frontale 8 selon la figure 8, qui contient 10 pièces découpées d'adsorbants à membrane poreux de 5 cm de diamètre avec des groupes d'échangeurs d'ions très acides (Sartobind SR Sartorius AG), on a pompé un fluide composé de 1,6 mg de globuline y provenant du boeuf (SERVA) et 3 mg de cytochrome c (SIGMA Deisenhofen) dans 10 ml de tampon à base d'acétate de sodium 0,01 M de pH 5 avec un débit de 5 ml/min. O10 Ensuite, la globuline y a été éluée avec 20 ml de Tris-HCI 0, 05 M de pH 8 puis le cytochrome c a été élué avec 20 ml de la solution tampon de carbonate de sodium 0,05 M. On a retrouvé les protéines au plan quantitatif dans les différents éluats. Exemple 3 Au moyen d'une unité de filtration frontale 8 selon la figure 8 avec trois cassettes à filtre de 5 cm de diamètre chacune, dont une cassette se compose de trois pièces découpées d'adsorbants à membrane poreux avec des groupes d'échangeurs d'ions très acides (Sartobind SR, SARTORIUS AG), une cassette à filtre de trois pièces découpées d'adsorbants à membrane poreux avec des groupes d'échangeurs d'ions très basiques (Sartobind QR, Sartorius AG) et une cassette à filtre de 5 pièces découpées d'adsorbants à membrane poreux avec du Reactive Blue 2 comme ligand, on a pompé un mélange de protéines composé de 5 mg de déhydrogénase de lactate (LDH) provenant de muscle de porc (SERVA Heidelberg), 5 mg d'albumine/sérum de boeuf et 5 mg de cytochrome c (tous deux SIGMA Deisenhofen) dans 0,01 M de carbonate de sodium de pH 9,5. Les trois protéines ont toutes été adsorbées au plan quantitatif, comme l'a montré l'analyse dans le filtrat qui s'écoule. Le LDH et l'albumine ont été adsorbés sur l'adsorbant très basique et le cytochrome c a été adsorbé sur l'adsorbant très acide. Ensuite, 20 ml d'un tampon à base de phosphate de potassium 0,01 M de pH 6,5 ont été pompés par l'unité de filtration frontale. A cette occasion, le LDH a été désorbé par l'adsorbant très acide et adsorbé sur l'adsorbant avec du Reactive Blue 2 comme ligand, tandis que les deux autres protéines n'ont pas été désorbées. Ensuite, les cassettes à filtre ont été enlevées et placées séparément dans des supports appropriés. Ensuite, on a pompé à travers ces cassettes 20 ml d'une solution de chlorure de potassium 1 M dans un tampon de phosphate de potassium 0,01 M pH 7,0. On a pu mettre en évidence par analyse le cytochrome c dans le filtrat s'écoulant de l'adsorbant très acide, I'albumine dans le filtrat s'écoulant de l'adsorbant très basique et le LDH dans le filtrat s'écoulant de l'adsorbant avec du Reactive Blue. Le rendement était au moins égal à 92% de la quantité de protéines utilisée. Les trois protéines ont pu être séparées de cette manière. Exemple 4 Au moyen d'une unité de filtration frontale 8 selon la figure 8 avec trois cassettes à filtre de 5 cm de diamètre chacune, dont une cassette se compose de trois pièces découpées d'adsorbants à membrane poreux avec des groupes d'échangeurs d'ions très acides (Sartobind SR, SARTORIUS AG), une cassette de 5 pièces découpées d'adsorbants à membrane poreux avec du Reactive Blue 2 comme ligand et une cassette à filtre de trois pièces découpées d'un adsorbant à membrane poreux avec des groupes d'échangeurs d'ions basiques (Sartobind QR, Sartorius AG), on a pompé un mélange de protéines composé de 5 mg de déhydrogénase de lactate (LDH) provenant de coeur de boeuf (SERVA Heidelberg), 5 mg d'albumine/sérum de boeuf et 5 mg de cytochrome c (tous deux SIGMA Deisenhofen) dans un tampon de carbonate de sodium 0,01 M de pH 3,8. Les trois protéines ont toutes été adsorbées au plan quantitatif, comme l'a montré l'analyse dans le filtrat qui s'écoule. Les trois protéines ont toutes été adsorbées sur l'adsorbant très acide. Ensuite, 20 ml d'un tampon de phosphate de potassium 0,01 M pH 7,0 ont été pompés par l'unité de filtration frontale. Dans le cas présent, la désorption sélective du LDH et de l'albumine a été effectuée par l'adsorbant acide l'adsorption consécutive sur l'absorbant avec du Reactive Blue 2 comme ligant. Dans le filtrat s'écoulant, on n'a pu mettre en évidence aucune des trois protéines. Ensuite, 20 ml d'un tampon de phosphate de potassium 0,01 M avec mM de nicotinamide-adénine-dinucléotide (NADH) (SERVA Heidelberg) ont été pompés par l'unité de filtration frontale. Dans le cas présent, la désorption sélective du LDH a été effectuée par de lI'adsorbant avec du Reactive Blue 2 comme ligant et avec une adsorption consécutive sur l'adsorbant très basique. Dans le filtrat s'écoulant, on n'a pu mettre en évidence aucune des trois protéines. Ensuite, 20 ml d'un tampon de citrate de sodium 0,01 M pH 3,8 ont été pompés par l'unité de filtration frontale. Dans le filtrat s'écoulant, on n'a pu déterminer que le LDH. Les deux autres protéines sont restées adsorbées. Ces exemples font apparaître une forme d'utilisation possible des cassettes à filtre décrites, mais ne sont nullement limités à celle-ci. REVENDICATIONS 1. Unité de filtration frontale (8) pour la séparation de substances à partir de fluides sur des adsorbants (2) à membrane poreux superposés, caractérisée en ce qu'un grand nombre de pièces découpées planes sont enfoncées de façon étanche entre deux porte- filtre (4) avec raccords pour l'arrivée du fluide et l'évacuation du filtrat, les pièces découpées planes étant imperméables au fluide dans leurs zones périphériques. 2. Unité de filtration frontale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le grand nombre de pièces découpées planes des adsorbants à membrane poreux (2) empilés se compose de différents types d'adsorbants à membrane (2). 3. Unité de filtration frontale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le grand nombre de pièces découpées planes des adsorbants à membrane poreux (2) empilés est du même type d'adsorbant à membrane. 4. Unité de filtration frontale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les pièces découpées planes des adsorbants à membrane poreux (2) empilés sont regroupées en cassettes à filtre dont les zones périphériques sont imperméables au fluide et se composent d'une pâte d'étanchéité faisant saillie, bordant les pièces découpées planes et à élasticité permanente. 5. Unité de filtration frontale selon la revendication 4, caractérisée en ce que des cassettes à filtre de différents types d'adsorbant à membrane (2) sont enfoncés de façon étanche, chaque cassette à filtre ne contenant qu'un seul type d'adsorbant à membrane (2). 6. Unité de filtration frontale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les nombreuses pièces découpées planes des adsorbants à membrane poreux (2) empilés présentent à l'intérieur des zones périphériques imperméables s au fluide des ouvertures parallèles au sens de filtration pour le passage d'éléments auxiliaires pour la fixation des porte-filtre.