AT521910A1

AT521910A1 - Regelungsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: AT521910A1
Application number: ATA51017/2018A
Authority: AT
Inventors: Ing Dr Michael Harasek Dipl; Ing Dr Techn Margit Gföhler Dipl
Original assignee: Univ Wien Tech
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-06-15
Also published as: AT521910B1

Abstract

Vorrichtung (1) und Verfahren zur Regelung der Zufuhr und/oder Abfuhr mindestens eines Austauschstoffes nacheinander über eine erste Membran (2) und eine zweite Membran (3), mit einer Primärfluidpumpe (11) zur Förderung von Primärfluid (4) entlang einer Primärseite (6) der ersten Membran (2), und mit einer Spülfluidpumpe (18) zur Förderung von Spülfluid entlang einer Spülseite (19) der ersten Membran (2) und einer Spülseite (20) der zweiten Membran (3), wobei die erste Membran (2) und die zweite Membran (3) in einem Spülfluidkreislauf (21) zur Zirkulation des Spülfluids zwischen den beiden Membranen (2, 3) angeordnet sind, wobei die Vorrichtung (1) einen Regler (27) zur Regelung der Primärfluidpumpe (11) und/oder der Spülfluidpumpe (18) aufweist, wobei der Regler (27) eingerichtet ist, die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) in Abhängigkeit von zumindest einem Spülfluiddruck am Spülfluideintritt (17) der ersten Membran (2) zu regeln.

Description

zweiten Membran regeneriert wird.

Wenn in diesem Zusammenhang von einer Förderung eines Fluids entlang einer Membranseite die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass das Fluid zu der betreffenden Membranseite hin gefördert wird und/oder von dort weg gefördert wird. Ein Fluid kann per Definition eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch (also ein kondensiertes Fluid, das sogar Partikel oder Gasblasen enthalten kann), eine Emulsion (ein zweiphasiges kondensiertes Fluid), ein Gas, ein Gasgemisch oder ein Gas-Dampfgemisch sein. Die vorliegende Vorrichtung und das vorliegende Verfahren können dazu verwendet werden, einen im Primärfluid enthaltenen Austauschstoff zumindest teilweise aus dem Primärfluid über die erste Membran in das Spülfluid zu übertragen, von dort mit dem Spülfluid zur zweiten Membran zu transportieren, und über die zweite Membran zumindest teilweise aus dem Spülfluid in das Regenerationsfluid zu übertragen und mit dem Regenerationsfluid abzutransportieren. Selbst verständlich ist auch der umgekehrte Weg eines (anderen oder zusätzlichen) Austauschstoffes aus dem Regenerationsfluid in der Spülfluid und von dort in das

Primärfluid denkbar und von der gegenständlichen Offenbarung

Eine spezielle beispielhafte Anwendung der gegenständlichen Vorrichtung und des gegenständlichen Verfahrens ist als membranbasiertes Stoffaustauschsystem in einem lebenden Organismus, z.B. als Organunterstützungssystem oder Organersatzsystem im menschlichen Körper. In diesem Fall kann das System (Vorrichtung und/oder Verfahren) zum Zweck eines Stoffaustausches in den Körper (z.B. in ein Blutgefäß) eingebracht werden. In diesem Fall kann das Primärfluid Blut sein und die erste Membran ist eine intrakorporale Membran. Die Primärfluidpumpe wäre in diesem Beispiel eine Blutpumpe. Die intrakorporale Membran und die Blutpumpe können beispielsweise Teil eines Katheters (Membrankatheters) sein. Durch die Regelung der Blutpumpe kann ein Anteil des in dem betreffenden Blutgefäß geförderten Blutes beeinflusst werden, der an der intrakorporalen Membran entlang gefördert wird und mit der intrakorporalen Membran in Kontakt kommt. Das Spülfluid kann vorzugsweise flüssig sein (z.B. Wasser, wässrige Lösungen, organische Medien wie Perfluorkohlenwasserstoffe (PFCs)). Das Regenerationsfluid kann beispielsweise Luft, sauerstoffangereicherte Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Argon oder Helium sein, bei Bedarf können diese Gase oder Gasmischungen mit

Wasserdampf befeuchtet sein.

WO 2017/064285 Al offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Unterstützung des CO2-Austauschs zusätzlich zur Funktion der Lunge. Ein intravaskulärer Membrankatheter ist vorgesehen und mit einem extrakorporalen Membranoxygenator über einen Kreislauf aus Spülflüssigkeit verbunden, der als Transportmedium für den Transport von CO2 aus dem Körper dient. Es wird nicht beschrieben, wie das offenbarte Gerät im Detail bedient und

gesteuert werden kann.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Betriebssicherheit der

ersten Membran verbessern.

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung der eingangs angeführten

Art vor, wobei der Regler eingerichtet ist, die Primärfluidpumpe

Dementsprechend sieht die Erfindung ein Verfahren der eingangs angeführten Art vor, wobei die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe in Abhängigkeit von zumindest einem Spülfluiddruck am Spülfluideintritt der ersten Membran geregelt

wird.

Der Regler kann eingerichtet sein, die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe zusätzlich in Abhängigkeit von einem Primärfluiddruck am Primärfluideintritt der ersten Membran zu regeln. In diesem Fall ist eine Kenntnis des Primärfluiddrucks vorab nicht erforderlich bzw. kann die Regelung genauer an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst werden. Dementsprechend kann im Rahmen des gegenständlichen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe zusätzlich in Abhängigkeit von einem Primärfluiddruck am

Primärfluideintritt der ersten Membran geregelt wird.

Wenn der Regler eingerichtet ist, den Spülfluiddruck am Spülfluideintritt kleiner oder gleich dem Primärfluiddruck am Primärfluideintritt zu halten, insbesondere die beiden Drücke gleich zu halten, kann ein Durchtritt von Spülfluid durch die erste Membran in das Primärfluid weitestgehend und zuverlässig

vermieden werden. Dementsprechend kann im Rahmen des

verwendet wird.

Außerdem kann der Regler eingerichtet sein, die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe zusätzlich in Abhängigkeit von einem Primärfluiddruck am Primärfluidaustritt der ersten Membran und von einem Spülfluiddruck am Spülfluidaustritt der ersten Membran zu regeln. In diesem Fall kann zusätzlich der Druckverlust entlang der ersten Membran auf beiden Seiten berücksichtigt werden, was beispielsweise zur Optimierung der Stabilität der Membran (etwa eine Hohlfasermembran) und/oder zur Überwachung der Membran und als Warnsignal im Falle eines unerwartet hohen oder niedrigen Druckverlustes verwendet werden kann. Dementsprechend kann im Rahmen des gegenständlichen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe zusätzlich in Abhängigkeit von einem Primärfluiddruck am Primärfluidaustritt der ersten Membran und von einem Spülfluiddruck am Spülfluidaustritt der ersten Membran

geregelt wird.

Beispielsweise kann der Regler eingerichtet sein, die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe derart zu regeln, dass eine Abweichung zwischen den Druckverlusten auf beiden Seiten der ersten Membran unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes bleibt. Eine durch die beidseitigen Druckgradienten stabilisierte Membran kann auf diese Weise in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden. Dementsprechend kann im Rahmen des gegenständlichen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe derart geregelt wird, dass eine Abweichung zwischen den Druckverlusten auf beiden Seiten der ersten Membran unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes bleibt. Alternativ könnte als Führungsgrö6öße auch die

Summe der Druckdifferenz zwischen Primärfluiddruck und

Membran verwendet werden.

Insbesondere kann der Regler eingerichtet sein, die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe derart zu regeln, dass der Druckverlust auf beiden Seiten der ersten Membran im Wesentlichen gleich ist. Analog kann bei dem gegenständlichen Verfahren die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe derart geregelt werden, dass der Druckverlust auf beiden Seiten der ersten Membran im Wesentlichen gleich ist. D. h. in diesen Fällen wird die Differenz zwischen den Druckverlusten als Führungsgröße der Regelung verwendet, wobei ein konstanter Wert

von null angestrebt wird.

Ganz allgemein kann der Regler der gegenständlichen Vorrichtung eingerichtet sein, die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe derart zu regeln, dass eine Austauschrate des Austauschstoffes einer Referenzaustauschrate angenähert wird. Mit anderen Worten wird die Austauschrate des Austauschstoffes als Führungsgröße verwendet, d. h. mit einer Referenzaustauschrate, der die Regelung folgt. Im Einzelnen kann die Regelung mit verschiedenen Regelungsstrukturen erreicht werden. Im Allgemeinen könnte beispielsweise ein Mehrgrößenregler (MIMO) zur Regelung beider Pumpen auf Basis zweier Führungsgrößen verwendet werden. Dabei wäre eine erste Führungsgröße die Austauschrate oder eine äquivalente Größe, wie beispielsweise die Konzentration oder der Partialdruck des Austauschstoffes im Regenerationsfluid mit einem bekannten oder gemessenen Volumenstrom, und die zweite Führungsgröße der Spülfluiddruck am Spülfluideintritt der ersten Membran oder eine von diesem Spülfluiddruck abhängige Größe (z.B. eine Druckdifferenz entlang der Membran, d. h. zwischen Eintritt und Austritt, oder eine Druckdifferenz über die Membran, d. h. zwischen Spülfluidseite und Primärfluidseite). Dementsprechend und mit analogen Vorteilen kann im Rahmen des vorliegenden Verfahrens vorgesehen sein, dass die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe derart geregelt wird, dass eine Austauschrate

des Austauschstoffes einer Referenzaustauschrate angenähert

In diesem Zusammenhang kann der Regler beispielsweise einen äußeren Regelkreis und einen inneren Regelkreis aufweisen, wobei der äußere Regelkreis eingerichtet ist, eine der beiden Pumpen in Abhängigkeit von einer ermittelten Austauschrate des Austauschstoffes zu regeln und wobei der innere Regelkreis eingerichtet ist, die nicht vom äußeren Regelkreis geregelte Pumpe zur Abstimmung eines Druckverlusts auf einer dieser Pumpe zugeordneten Seite der ersten Membran auf einen Druckverlust auf der anderen Seite der ersten Membran zu regeln. Als Abstimmung wird dabei insbesondere eine Regelung gesehen, welche im Wesentlichen gleiche Druckverluste auf beiden Seiten der Membran anstrebt. Analog kann im Zusammenhang mit dem gegenständlichen Verfahren ein äußerer Regelkreis eine der beiden Pumpen in Abhängigkeit von einer ermittelten Austauschrate des Austauschstoffes regeln und ein innerer Regelkreis die nicht vom äußeren Regelkreis geregelte Pumpe zur Abstimmung eines Druckverlusts auf einer dieser Pumpe zugeordneten Seite der ersten Membran auf einen Druckverlust auf der anderen Seite der

ersten Membran regeln.

Dabei kann der innere Regelkreis eingerichtet sein, die Spülfluidpumpe zu regeln und einen Druckverlust auf der Spülseite der ersten Membran einem Druckverlust auf der Primärseite der ersten Membran anzupassen (d.h. anzugleichen). Dementsprechend kann der äußere Regelkreis die Primärfluidpumpe regeln und beispielsweise eine anwendungsbezogene Führungsgrö6öße, wie die Austauschrate des Austauschstoffes über das gesamte Membransystem (d. h. beider Membranen), verwenden. Dementsprechend kann im Rahmen des vorliegenden Verfahrens der innere Regelkreis die Spülfluidpumpe regeln und einen Druckverlust auf der Spülseite der ersten Membran an einen

Druckverlust auf der Primärseite der ersten Membran angleichen.

Der äußere Regelkreis kann beispielsweise eingerichtet sein, eines von drei Regelzielen zu verfolgen bzw. kann im Rahmen des Verfahrens eines diese Regelziele verfolgen:

(a) Volumenstrom oder Massenstrom des zu- oder abgeführten

oder der Konzentrationsänderung.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Primärfluidpumpe und/oder die Spülfluidpumpe eine drehzahlregelbare Pumpe sein und der Regler zur Drehzahlregelung der Primärfluidpumpe und/oder der Spülfluidpumpe eingerichtet sein. Im entsprechend kann im Rahmen des gegenständlichen Verfahrens die Drehzahl der Spülfluidpumpe und/oder der Primärfluidpumpe geregelt werden. Abhängig vom Pumpentyp der Spülfluidpumpe und/oder der Primärfluidpumpe kann aber selbstverständlich im Rahmen der gegenständlichen Erfindung auch eine andere Stellgröße verwendet

werden, die für die Jeweilige Pumpe charakteristisch ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 ein Schema mit einer intrakorporalen (ersten) Membran (rechts), einem flüssigem Spülmedium (einer Spülflüssigkeit) und einer extrakorporalen (zweiten) Membran zur Regenerierung (links);

Figuren 2a und 2b schematische Darstellungen der Regelkreise für ein erstes Regelungsziel (Fig. 2a) und ein alternatives zweites Regelungsziel (Fig. 2b);

Figuren 3a und 3b schematische Darstellungen der kompletten Regelkreise für ein erstes Regelungsziel (Fig. 3a) und ein zweites Regelungsziel (Fig. 3b); und

Fig. 4 empirisch ermittelte Kennlinien für den Druckverlust an der ersten Membran als Funktion des Volumenstroms bei

unterschiedlichen Drehzahlen der Primärfluidpumpe.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Regelung der Zufuhr und/oder Abfuhr mindestens eines Austauschstoffes nacheinander über eine erste Membran 2 und eine zweite Membran 3. Die Membranen 2, 3 sind nur schematisch als Blöcke dargestellt, wobei die

Membranseiten Jeweils durch eine diagonale Linie getrennt sind,

Regenerationsfluides 5.

Die Vorrichtung 1 umfasst eine drehzahlregelbare Primärfluidpumpe 11 zur Förderung des Primärfluids 4 (schematisch durch Pfeile in Flussrichtung angedeutet) entlang einer Primärseite 6 der ersten Membran 2. Dabei wird an drei Punkten mit Drucksensoren 12, 13, 14 der Druck des Primärfluids gemessen: der erste Drucksensor 12 ist am Primärfluideintritt der ersten Membran 2 angeordnet; der zweite Drucksensor 13 ist stromaufwärts der Primärfluidpumpe 11 angeordnet; und der dritte Drucksensor 14 ist am Primärfluidaustritt 15 der ersten Membran 2 angeordnet. Als Drucksensor oder Differenzdrucksensor kann beispielsweise ein digitaler Sensor (wie das Produkt SDP3x der

Sensirion AG) verwendet werden. Dabei kann eine erste Leitung

Sensorfluid drückt auf einen Piezodrucksensor.

Weiters umfasst die Vorrichtung 1 eine drehzahlregelbare Spülfluidpumpe 18 zur Förderung von Spülfluid entlang einer Spülseite 19 der ersten Membran 2 und entlang einer Spülseite 20 der zweiten Membran 3. Das Spülfluid wird dabei in einem Kreislauf 21 zwischen den beiden Membranen 2, 3 zirkuliert und an der zweiten Membran 3 regeneriert, um eine Wiederverwendung eines möglicherweise wertvollen Stoffes zu ermöglichen. Entlang der Spülfluidleitungen wird am Spülfluideintritt 22 der zweiten Membran 3 mit einem Volumenstromsensor 23 der Volumenstrom des Spülfluids gemessen und es wird sowohl am Spülfluideintritt 17 als auch am Spülfluidaustritt 24 der ersten Membran 2 mit Drucksensoren 25, 26 der Spülfluiddruck gemessen (alternativ kann auch eine Differenzdruckmessung verwendet werden, deren Messwert gleichfalls vom Spülfluiddruck an den beiden Stellen abhängt).

Außerdem weist die Vorrichtung 1 einen Regler 27 zur Regelung der Drehzahl der Primärfluidpumpe 11 und der Spülfluidpumpe 18 auf. Der Regler 27 ist in Form von Blockdiagrammen in den Figuren 2a, 2b, 3a und 3b genauer dargestellt. Die in den Figuren 2a und 3a gezeigten Diagramme betreffen denselben Regler, welcher sich nur durch das Regelziel von dem mit den

Figuren 2b und 3b illustrierten Regler unterscheidet.

In beiden Fällen ist der Regler 27 eingerichtet, die

Spülfluidpumpe 18 in Abhängigkeit von einem Spülfluiddruck am

Spülfluideintritt 17 der ersten Membran 2, von einem Spülfluiddruck am Spülfluidaustritt 26 der ersten Membran 2, von einem Primärfluiddruck am Primärfluideintritt 16 der ersten Membran 2 und von einem Primärfluiddruck am Primärfluidaustritt 15 der ersten Membran 2 zu regeln (bzw. in Abhängigkeit von entsprechenden Differenzdrucken). Der Spülfluiddruck wird mit dem Drucksensor 12 am Spülfluideintritt 16 gemessen. Die in Fig. 1l gezeigten Sensoren 7, 8, 12, 13, 14, 23, 25, 26 sind alle mit dem Regler 27 verbunden, wobei die Verbindungen nur zur Übersichtlichkeit nicht durch Linien eingezeichnet sind. Im Einzelnen ist der Regler 27 eingerichtet, die Drehzahl der Spülfluidpumpe 18 derart zu regeln, dass der Druckverlust auf beiden Seiten der ersten Membran 2 im Wesentlichen gleich ist. Außerdem ist der Regler 27 eingerichtet, die Primärfluidpumpe 11 derart zu regeln, dass eine Austauschrate des Austauschstoffes

einer Referenzaustauschrate angenähert wird.

Dazu weist der Regler 27 einen äußeren Regelkreis 28 und einen inneren Regelkreis 29 auf (vgl. Figuren 3a bzw. 3b). Der äußere Regelkreis 28 ist eingerichtet, die Primärfluidpumpe 11 in Abhängigkeit von einer ermittelten Austauschrate des Austauschstoffes zu regeln. Der innere Regelkreis 29 ist eingerichtet, die Spülfluidpumpe 18 zur Abstimmung eines Druckverlusts auf der Spülseite 19 der ersten Membran 2 auf einen Druckverlust auf der Primärseite 6 der ersten Membran 2 zu regeln. Die Eingänge des Reglers 30 des inneren Regelkreises 29 sind dabei nur schematisch zu verstehen. D. h. nur einzelne oder nur ein Teil davon dient der Rückführung als Ist-Werte. Der Eingang der Drehzahl npr der Primärfluidpumpe 11 ist beispielsweise nur als Wirkung auf den inneren Regelkreis 29 zu verstehen. In der Praxis wirkt sich diese Drehzahl nur indirekt über die dadurch veränderten Druckverhältnisse auf der Primärseite 6 der ersten Membran 2 aus, welche über die gemessenen Drücke in den inneren Regelkreis 29 eingehen. Dadurch können Störgrößen, wie durch Blutverdünner, den Wassergehalt (Nierenfunktion des Patienten), die Temperatur und den Gehalt an roten und weißen Blutkörperchen verursacht, in der Regelung Berücksichtigung finden. Wesentlich wird auch die Förderleistung

von der Einsatzdauer der Primärfluidpumpe 11 (Blutpumpe)

beeinflusst, etwa durch die mit Einsatzdauer zunehmende Bildung von Ablagerungen und Foulingeffekten an den Gehäuse-, Einlauf und Auslaufflächen sowie am Rotor. Ebenso verhält es sich mit kondensierten Spülfluiden. Die Viskosität wird auch hier von der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung, dem Wassergehalt, und dem Gehalt an gelösten Gasen (CO2, O2) und im Fall von Gemischen durch die mit der Einsatzdauer veränderliche Fluidgemischzusammensetzung (etwa durch unterschiedliche Flüchtigkeiten/Siedepunkte der ausgewählten Fluidgemischkomponenten) maßgeblich beeinflusst. All diese Faktoren wirken als - im Allgemeinen nicht erfasste - Störgrößen auf die Regelstrecke 31 und werden daher über die Rückführung anhand der Druckmessung (en) bei der Regelung der Pumpendrehzahl berücksichtigt, sodass das System sicher betrieben werden kann. Für die Reglerkalibration können beispielsweise die klassischen Ziegler-Nichols Kriterien verwendet werden. Fällt nun beispielsweise die Primärfluidpumpe 11 (Blutpumpe) aus - aus welchem Grund auch immer (z.B. Verstopfung, Schaden am Rotor) wird durch den inneren Regelkreis 29 sofort die Drehzahl der Spülfluidpumpe 18 auf null reduziert. Damit wird ein möglicherweise gesundheitsgefährdender Durchtritt des Spülfluids durch die erste Membran 2 (aufgrund des sonst höheren spülfluidseitigen Druckes) verhindert und das Abregeln der Spülfluidpumpendrehzahl kann als Signal für eine Alarmierung herangezogen werden (Systemausfall -> etwa Spitalspersonal

alarmieren).

Der äußere Regelkreis 28 ist eingerichtet, eines von drei Regelzielen zu verfolgen:

(a) Volumenstrom oder Massenstrom des zu- oder abgeführten Austauschstoffes aus dem bzw. in das Primärfluid 4;

(b) Konzentration des Austauschstoffes im Primärfluid 4; oder (c) zeitlicher Verlauf des Stoffaustausches mit dem Primärfluid

4 oder der Konzentrationsänderung.

Für Regelungsziel (a) wird der Partialvolumenstrom des Austauschstoffes aus dem/in das Primärfluid 4 (z.B. Blut) Vapr direkt aus dem mit dem Partialdrucksensor 8 gemessenen

Partialdruck DARF,ext,aus des Austauschstoffes (z.B. CO2 oder O2) im

Regenerationsfluidstrom am Austritt 9a der zweiten (extrakorporalen) Membran 3 und dem zumindest näherungsweise bekannten oder beispielsweise ebenfalls mit dem Partialdrucksensor gemessenen Gesamtdruck PDpFfextAaus des Regenerationsfluides 5 am Austritt 9a der zweiten Membran 3 und dem mit dem Volumenstromsensor 7 gemessenen Volumenstrom Ver des Regenerationsfluides 5 in der zweiten Membran 3 ermittelt, unter der Annahme, dass der Partialdruck des Austauschstoffes im zugeführten Regenerationsfluidstrom PaARrFextEin, d.h. am Eintritt 9 der zweiten Membran 3, vernachlässigbar ist.

Dar = Vor Der Gesamtdruck PDpfextAaus des Regenerationsfluides 5 am Austritt Ja der zweiten Membran 3 ist typischerweise Umgebungsdruck, also der Luftdruck. In besonderen Fällen (z.B. im Fall einer Abgasleitung, also Ventilation nicht direkt in den Raum) kann der Druck vom Umgebungsdruck abweichen, muss also gemessen werden. Manche Partialdruckmessgeräte messen zur Kompensation den Gesamtdruck und geben direkt den Molenbruch, also den Quotienten aus Partialdruck und Gesamtdruck aus. Handelt es sich beim Gesamtdruck um den Umgebungsdruck, kann dieser

näherungsweise auch konstant angenommen werden.

Für Regelungsziel (b) muss im stationären Zustand ebenfalls die Bilanz des Austauschstoffes am Eintritt und Austritt der zweiten (extrakorporalen) Membran 3 gegeben sein, in Gleichung (2)

beispielhaft als Mengen- oder Molenbilanz formuliert.

" PD A,RF,ext,EIN " — * PA,RF,ext,AUS " VRF AZ + Vor CASFextEIN = Var + Vspı CA, SF,ext,AUS (2) RTRF RTRF

wobei PDARFext,EIn entweder wieder vernachlässigt wird oder wie

P ARF,ext,AUs VON einem eigenen Partialdrucksensor (oder einem Konzentrationsmessgerät) gemessen wird und der Volumenstrom Ver des Spülfluides von dem Volumenstromsensor 23 im Spülfluidkreislauf 21 gemessen wird wobei R die universelle Gaskonstante (8,3144 J/(mol*K)) und Ter die —- bekannte,

vorgegebene oder gemessene - Temperatur des Regenerationsfluides

5 ist.

Zusätzlich besteht eine direkte Beziehung zwischen dem Partialdruck DARF,ext,aus des Austauschstoffes im Regenerationsfluid 5 und der Konzentration CAsFextAaus des Austauschstoffes im Spülfluid am Austritt der zweiten Membran 3 (der extrakorporalen Regenerationsmembran) unter Annahme eines Gleichgewichts

zwischen Gas- und Flüssigphase, beispielsweise mit dem

Henry’schen Gesetz beschrieben:

D ARF,ext,AaUs = HarrF/sr- C ASF,ext,AUS (3)

mit der Henry'schen Konstante HaRF/SsF für den Verteilungs-

koeffizienten des Ausstoffes zwischen Regenerationsfluid 5 und Spülfluid.

Unter der Annahme, dass der Stoffübertragungsprozess in der ersten (intrakorporalen) Membran 2 langsam abläuft, kann ein Gleichgewicht der Konzentrationen CapFint,aus des Austauschstoffes im Primärfluid (z.B. Blut) und der Konzentrationen CAsFint,Aaus des Austauschstoffes im Spülfluid am Membranaustritt 24 der ersten

(intrakorporalen) Membran 2 angenommen werden

CA,SF,int,AUSs = Ka,sF/pF: CA,PFint,AUs (4)

was die Berechnung der Konzentration des Austauschstoffes durch den Verteilungskoeffizienten Kısrypr des Austauschstoffes zwischen Spülfluid und Primärfluid 4 ermöglicht. Kısr/pr wird üblicherweise aus Experimenten abgeleitet. Außerdem gilt für die Konzentration CASF,ext,EIN des Austauschstoffes im Spülfluid am Eintritt der zweiten (extrakoporalen) Membran 3 aufgrund des Masseerhalts (bzw. des Partialmasseerhalts und des Konzentrationserhalts) näherungsweise CAsFintAUSs = CASF,ext,EIN/ weil die Laufzeit zwischen dem Spülfluidaustritt 24 der ersten Membran 2 und dem Spülfluideintritt 22 der zweiten Membran 3 typischerweise kurz

ist im Vergleich zur Zeitkonstante von Konzentrationsänderungen.

Für Regelungsziel (c) können die gleichen Beziehungen auf die Regelung der Änderungsrate über die Zeit angewendet werden. Hier

. . , d besteht das Regelungsziel darin, Sollwertgradienten PT des

Austauschstoffes im Primärfluid 4 für transiente Aufgaben zu erhalten, statt Soll-Konzentrationen oder -flüssen, also

beispielsweise:

dc TE — fregetung() S)

In den Figuren 2a und 2b sind die Blockschaltbilder der Regelung für das Regelungsziel (a) bzw. (b) grob schematisch dargestellt. Der Regenerationsfluidvolumenstrom in der zweiten Membran 3 und der Sollwert des Regelparameters sind Eingänge; der Regler 32 des äußeren Regelkreises 28 (vgl. Fig. 3a bzw. 3b) bestimmt die erforderliche Drehzahl npfp der Primärfluidpumpe 11; und aus den gemessenen Werten - PDARF,ext,Aaus UNd für Regelungsziel (b) auch Ver ermittelt der Regler 32 den realen Parameterwert (Istwert) und passt die benötigte Primärfluidpumpendrehzahl npr entsprechend an. Der Regler 32 kann beispielsweise als Standard-PI- oder PID-

Regler implementiert sein.

Unter der Annahme eines Gleichstromflusses durch die erste (intrakorporale) Membran 2 können die folgenden Abhängigkeiten

formuliert werden:

Die Durchflussraten von Primärfluid 4 und Spülfluid durch die erste (intrakorporale) Membran 2 sind durch die entsprechenden hydraulischen Druckunterschiede zwischen Membraneintritt 16, 17 und Membranaustritt 15, 24 gekoppelt. Die Drücke auf der Primärseite 6 und der Spülseite 19 entlang der Membran 2 müssen für die Stabilität der meist druckempfindlichen Membranen gleich sein, um Schäden zu vermeiden bzw. konvektiven, aufgrund des unerwünschten Druckgradienten über die Membranwand auftretenden Volumenströmen Vai konvektiv durch die Membran, d.h. zwischen Spülseite 19 und Primärseite 6 der ersten (intrakorporalen) Membran 2 aufgrund einer Druckdifferenz, führen können.

Übergeordnetes Ziel ist daher:

V Mint, konvektiv = 0! (6)

AD Min PF = AD Min SF (7)

erreicht wird, wobei Apym.„pPF die Druckdifferenz zwischen Eintritt 16 und Austritt 15 der Primärseite 6 der ersten

(intrakorporalen) Membran 2 ist und wobei Apy.sF die Druckdifferenz zwischen Eintritt 17 und Austritt 24 der

Spülseite 19 der ersten (intrakorporalen) Membran 2 ist.

Die Druckdifferenz im Primärfluidstrom über die erste Membran 2 ist eine Funktion der Pumpleistung und damit der Rotationsgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl npf der Primärfluidpumpe 11 (siehe Fig. 4). Mit dem experimentell bestimmten charakteristischen Verhalten kann die Messung von Druckdifferenzen über die erste Membran 2 und die Primärfluidpumpe 11 auch dazu verwendet werden, Betriebsprobleme zu erkennen, wie Ausfällungen (z.B. Blutgerinnung oder Thrombose) oder Belegung der Membrane (Membranfouling,

Adsorption von Komponenten des Primärfluids auf der Membrane). ÄADMintPF = f(npsf), ÄADpumpepr,PF = f(npr) (8)

wobei f£f im Allgemeinen unterschiedliche Funktionen sind und APpumpepr,pPF die Druckdifferenz an der Primärfluidpumpe 11 ist. Die Druckdifferenz in der Spülfluidströmung über die erste (intrakorporale) Membran 2 ist eine Funktion des Volumenstroms des Spülfluids, der durch die Drehzahl nsp der Spülfluidpumpe 18 gesteuert wird. Diese Beziehungen können experimentell für die etablierte Regelungsschleife mit Gleichungen (7) und (8)

bestimmt werden. ns =f (App ..PF) = f(npr) (9)

wobei £ wieder im Allgemeinen unterschiedliche Funktionen sind und nur schematisch einen Zusammenhang bzw. eine Abhängigkeit ausdrückt. Mit diesen Abhängigkeiten kann der innere Regelkreis

29 für die erste (intrakorporale) Membran 2 in die äußeren

Regelkreise 28 integriert werden, wie in Figuren 3a und 3b für die Kontrollziele (a) und (b). Sowohl der innere als auch der äußere Regelkreis 29, 28 können dabei beispielsweise mit jeweils einem PI- oder PID-Regler 30, 32 implementiert sein. Wohlgemerkt wird dabei nicht die Drehzahl der Primärfluidpumpe 11 als Führungsgröße für die Drehzahlregelung der Spülfluidpumpe 18 eingesetzt; die Führungsgröße ist vielmehr - wie oben erläutert —- beispielsweise die Druckdifferenz zwischen den Eintritten 16,

17 in der ersten Membran 2, d. h. primärseitig und spülseitig.

Claims

Ansprüche:

1. Vorrichtung (1) zur Regelung der Zufuhr und/oder Abfuhr mindestens eines Austauschstoffes nacheinander über eine erste Membran (2) und eine zweite Membran (3), mit einer Primärfluidpumpe (11) zur Förderung von Primärfluid (4) entlang einer Primärseite (6) der ersten Membran (2), und mit einer Spülfluidpumpe (18) zur Förderung von Spülfluid entlang einer Spülseite (19) der ersten Membran (2) und einer Spülseite (20) der zweiten Membran (3), wobei die Vorrichtung (1) einen Regler (27) zur Regelung der Primärfluidpumpe (11) und/oder der Spülfluidpumpe (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (27) eingerichtet ist, die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) in Abhängigkeit von zumindest einem Spülfluiddruck am Spülfluideintritt (17) der ersten Membran (2)

zu regeln.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (27) eingerichtet ist, die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) zusätzlich in Abhängigkeit von einem Primärfluiddruck am Primärfluideintritt (16) der ersten

Membran (2) zu regeln.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (27) eingerichtet ist, den Spülfluiddruck am Spülfluideintritt (17) kleiner oder gleich dem Primärfluiddruck am Primärfluideintritt (16) zu halten, insbesondere die beiden

Drücke gleich zu halten.

4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (27) eingerichtet ist, die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) zusätzlich in Abhängigkeit von einem Primärfluiddruck am Primärfluidaustritt (15) der ersten Membran (2) und von einem Spülfluiddruck am Spülfluidaustritt (24) der ersten Membran (2)

zu regeln.

5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

der Regler (27) eingerichtet ist, die Primärfluidpumpe (11)

und/oder die Spülfluidpumpe (18) derart zu regeln, dass eine Abweichung zwischen den Druckverlusten auf beiden Seiten (6, 19) der ersten Membran (2) unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes bleibt.

6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (27) eingerichtet ist, die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) derart zu regeln, dass der Druckverlust auf beiden Seiten (6, 19) der ersten Membran (2) im

Wesentlichen gleich ist.

7. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (27) eingerichtet ist, die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) derart zu regeln, dass eine Austauschrate des Austauschstoffes

einer Referenzaustauschrate angenähert wird.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (27) einen äußeren Regelkreis (28) und einen inneren Regelkreis (29) aufweist, wobei der äußere Regelkreis (28) eingerichtet ist, eine der beiden Pumpen (11, 18) in Abhängigkeit von einer ermittelten Austauschrate des Austauschstoffes zu regeln und wobei der innere Regelkreis (29) eingerichtet ist, die nicht vom äußeren Regelkreis (28) geregelte Pumpe (18, 11) zur Abstimmung eines Druckverlusts auf einer dieser Pumpe (18, 11) zugeordneten Seite der ersten Membran (2) auf einen Druckverlust auf der anderen Seite der

ersten Membran (2) zu regeln.

9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Regelkreis (29) eingerichtet ist, die Spülfluidpumpe (18) zu regeln und einen Druckverlust auf der Spülseite (19) der ersten Membran (2) einem Druckverlust auf der

Primärseite (6) der ersten Membran (2) anzupassen.

10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Regelkreis (28) eingerichtet ist, eines von drei Regelzielen zu verfolgen:

(a) Volumenstrom oder Massenstrom des zu- oder abgeführten

Austauschstoffes aus dem bzw. in das Primärfluid (4); (b) Konzentration des Austauschstoffes im Primärfluid (4); oder (c) zeitlicher Verlauf des Stoffaustausches mit dem Primärfluid

(4) oder der Konzentrationsänderung.

11. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) eine drehzahlregelbare Pumpe ist und der Regler (27) zur Drehzahlregelung der Primärfluidpumpe (11) und/oder der Spülfluidpumpe (18) eingerichtet ist.

12. Verfahren zur Regelung der Zufuhr und/oder Abfuhr mindestens eines Austauschstoffes nacheinander über eine erste Membran (2) und eine zweite Membran (3), wobei ein Primärfluid (4) mit einer Primärfluidpumpe (11) entlang einer Primärseite (6) der ersten Membran (2) gefördert wird, wobei ein Spülfluid mit einer Spülfluidpumpe (18) entlang einer Spülseite (19) der ersten Membran (2) und entlang einer Spülseite (20) der zweiten Membran (3) gefördert wird, wobei auf einer der Spülseite (20) gegenüberliegenden Regenerationsseite der zweiten Membran (3) ein Regenerationsfluid (5) vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) in Abhängigkeit von zumindest einem Spülfluiddruck am

Spülfluideintritt (17) der ersten Membran (2) geregelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) zusätzlich in Abhängigkeit von einem Primärfluiddruck am

Primärfluideintritt (16) der ersten Membran (2) geregelt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülfluiddruck am Spülfluideintritt (17) kleiner oder gleich dem Primärfluiddruck am Primärfluideintritt (16) gehalten wird,

wobei insbesondere die beiden Drücke gleich gehalten werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) zusätzlich in Abhängigkeit von einem

Primärfluiddruck am Primärfluidaustritt (15) der ersten Membran

(2) und von einem Spülfluiddruck am Spülfluidaustritt (24) der

ersten Membran (2) geregelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) derart

geregelt wird, dass eine Abweichung zwischen den Druckverlusten auf beiden Seiten (6, 19) der ersten Membran (2) unterhalb eines

vorgegebenen Grenzwertes bleibt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) derart geregelt wird, dass der Druckverlust auf beiden Seiten (,‚6, 19)

der ersten Membran (2) im Wesentlichen gleich ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärfluidpumpe (11) und/oder die Spülfluidpumpe (18) derart geregelt wird, dass eine Austauschrate des Austauschstoffes einer Referenzaustauschrate

angenähert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Regelkreis (28) eine der beiden Pumpen (11, 18) in Abhängigkeit von einer ermittelten Austauschrate des Austauschstoffes regelt und dass ein innerer Regelkreis (29) die nicht vom äußeren Regelkreis (28) geregelte Pumpe (18) zur Abstimmung eines Druckverlusts auf einer dieser Pumpe (18) zugeordneten Seite (19) der ersten Membran (2) auf einen Druckverlust auf der anderen Seite (6) der ersten Membran (2) regelt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Regelkreis (29) die Spülfluidpumpe (18) regelt und einen Druckverlust auf der Spülseite (19) der ersten Membran (2) an einen Druckverlust auf der Primärseite (6) der ersten Membran

(2) angleicht.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet,

dass der äußere Regelkreis (28) eines von drei Regelzielen

verfolgt:

(a) Volumenstrom oder Massenstrom des zu- oder abgeführten Austauschstoffes aus dem bzw. in das Primärfluid (4);

(b) Konzentration des Austauschstoffes im Primärfluid (4); oder (c) zeitlicher Verlauf des Stoffaustausches mit dem Primärfluid

(4) oder der Konzentrationsänderung.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch

gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Spülfluidpumpe (18)

und/oder der Primärfluidpumpe (11) geregelt wird.