DE1285984B - Membranaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Membran- wendungszweck, nämlich die Sauerstoffbeladung von austauscher mit rohrförmigen semipermeablen Mem- Blut zum Ziele, indem sie einen pulsierenden Fluß erbranen, die eine Filterung oder eine Diffusion durch zeugt, der eine kontinuierliche Erneuerung des mit Dialyse oder Osmose bestimmter Bestandteile zweier den Membranen in Berührung stehenden Strömungs-Strömungsmedien, die im allgemeinen Flüssigkeiten 5 mediums hervorruft.

sind und unter Berührung der Membranen von innen Zu diesem Zwecke kennzeichnet sich ein Meinbzw, von außen an diesen entlangströmen, ermög- branaustauscher der Bauart mit mehreren Elementarlichen. Die Erfindung erstreckt sich weiter insbeson- austauschern, von denen jeder aus einem geschlossedere, jedoch nicht ausschließlich, auf den Fall, in dem nen Gehäuse mit je einer Öffnung zum Einspeisen der Austauscher als Apparat zum Beladen von Blut ίο und zum Ableiten eines ersten Strömungsmediums mit Sauerstoff Verwendung findet. unter vorgegebenem Druck und aus einer Vielzahl

Es sind bereits Austauscher mit rohrförmigen von das Gehäuse durchquerenden, zur Aufnahme Membranen bekannt, die ganz allgemein aus einem eines zweiten Strömungsmediums bestimmten rohrdicht abgeschlossenen länglichen Gehäuse bestehen, förmigen, semipermeablen Membranen besteht, erdas an seinen beiden Enden durch Abdichtungsstop- 15 findungsgemäß dadurch, daß mindestens drei EIefen verschlossen und in deren Nähe mit jeweils einer mentaraustauscher derart hintereinandergeschaltet Öffnung für den Eintritt bzw. für den Austritt eines sind, daß ihre rohrförmigen Membranen aneinander ersten Strömungsmediums versehen ist. Eine Reihe angeschlossen sind.

von rohrförmigen Membranen, die für den Umlauf Eine günstige Bauweise für einen erfindungsge-

eines zweiten Strömungsmediums, das mit dem ersten 20 mäßen Membranaustauscher besteht darin, daß die in Austausch treten soll, reserviert sind, durchqueren Elemtaraustauscher in benachbarten Abteilen im Indas Gehäuse des Austauschers und treten an den neren eines durch dichte Trennwände unterteilten äußeren Stirnflächen der Verschlußstopfen aus, wo- Behälters liegen, und ein bevorzugtes Verfahren zur bei sie so angeordnet sind, daß sie in passendem ab- Durchführung eines Stoffaustauschers mit einem erstand voneinander liegen und nicht parallel zu der 25 findungsgemäßen Membranaustauscher darin, daß der Flußrichtung des ersten Strömungsmediums verlau- Betriebsdruck in den Elementaraustauschern periofen, welche Anordnung zum Ziele hat, das Entstehen disch auf einen Gesamtdruck, der den zum Zusamvon Grenzschichten in den Strömungsmedien in der mendrücken der Membranrohre erforderlichen Nachbarschaft der Membranen zu verhindern und Druck geringfügig übersteigt, in der Weise erhöht den Austausch durch die Membranen hindurch zu 30 wird, daß zunächst der erste, dann zusätzlich der erleichtern. zweite, anschließend der dritte unter Entlastung des

In dem Falle, daß der Austauscher zu der Art ge- ersten und schließlich wieder der erste unter Entlahört, wie sie in Geräten zum Beladen von Blut mit stung des zweiten Elementaraustauschers usf. dem Sauerstoff Verwendung finden, d. h. in dem Falle, erhöhten Druck ausgesetzt wird. Bei dieser Betriebsdaß das erste Strömungsmedium, das außerhalb der 35 weise bildet sich ein den Fluß des zweiten Strömungs-Membranen umläuft, aus einer Blut isotonischen Lö- mediums im Membraninneren bestimmendes System sung besteht, die eine passende Menge an gelöstem peristaltischer Schwingungen aus.
Sauerstoff enthält, während das zweite Strömungsme- Ein bevorzugtes, jedoch selbstverständlich nicht

dium aus zu regenerierendem venösem Blut besteht, das einzige Anwendungsgebiet für den erfindungsgemuß das Gerät so arbeiten, daß es eine geeignete Be- 40 mäßen Membranaustauscher besteht in der Beladung ladung mit Sauerstoff gewährleistet, ohne eine von verbrauchtem Blut mit Sauerstoff, wobei das Hämolyse oder eine Gas- oder Fettembolie zu verur- erste Strömungsmedium, das im Austauschergehäuse sachen. Außerdem darf der Betrieb des Gerätes kei- strömt, aus einer gelösten Sauerstoff enthaltenden, nerlei lokale Koagulation des Blutes unter Bildung Blut isotonischen Lösung und das zweite Strömungsvon Fibrin zulassen und muß dabei dennoch eine 45 medium, das im Inneren der rohrförmigen semiperkontinuierliche Reinigung des Blutes von Kohlen- meablen Membranen fließt, aus dem zu regenerierendioxyd sicherstellen. Nun erfordern jedoch bei den den venösen Blut besteht.

meisten bisher bekannten Membranaustauschern die- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im

ser Bauart die Betriebsbedingungen des Gerätes die folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Behandlung eines ziemlich bedeutenden Blutvolu- 50 Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen mens, was insbesondere die völlige Vermeidung einer Membranaustauscher sowie dessen Betriebsweise Fibrinbildung in Berührung mit den Membranen und näher beschrieben. Dabei zeigt in der Zeichnung
zwar vor allem in den Gebieten des Gerätes, wo die F i g. 1 einen Teilschnitt durch einen Elementaraus-

Strömung des Blutes gering oder gar gleich Null ist, tauscher mit rohrförmigen Membranen für den Aufunmöglich macht. 55 bau eines erfindunggemäßen Membranaustauschers, Die Erfindung hat eine Verbesserung der bekann- Fig. 2 einen Querschnitt durch den in der Fig. 1 ten Austauscher mit rohrförmigen Membranen insbe- dargestellten Elementaraustauscher,
sondere im Hinblick auf ihre Verwendung zur Sauer- F i g. 3 eine schematische Darstellung des erfinstoffbeladung von Blut zum Gegenstand, die es ins- dungsgemäßen Aufbaues eines Membranaustauschers besondere gestattet, die in dem Austauscher festge- 60 und

legte Blutmenge erheblich zu vermindern und an jeder F i g. 4 eine Ausführungsvariante für den Austau-

Stelle des Austauschers einen Fluß mit festgelegter scher nach Fig. 3.

Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, so daß die Ge- Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Elementarfahr einer Koagulation des Blutes in der Nachbar- austauscher besitzt vor allem ein zylindrisches Geschäft der Membran so weit vermindert wird, wie 65 häuse 1 von länglicher Form, das aus Glas, aus dies überhaupt möglich ist. In gleicher Weise hat die Kunststoff, aus Metall oder aus sonst einem geeig-Erfindung die Verbesserung des Austauschwirkungs- neten Material besteht. An seinen beiden Enden ist grades für den besonderen ins Auge gefaßten An- das Gehäuse 1 mit Abschlußstücken 2 versehen, die

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jeweils ein konisches Mittelstück 3 aufweisen, das mit fest, die zur Folge haben, daß allein die nahe an die zwei zylindrischen Teilen 4 und 5 in Verbindung Wandung der Membranrohre 7 herangeführten Blutsteht, von denen der letztere in das Gehäuse 1 einge- körperchen hinreichend mit Sauerstoff beladen werschachtelt ist. An die Mittelstücke 3 ist eine Leitung 6 den und ihre Kohlensäure korrekt abzugeben verangeschlossen, die im einen Falle die Einspeisung und 5 mögen.

im anderen Falle die Ableitung eines ersten Strö- Eine Möglichkeit, diesem Nachteil abzuhelfen, bemungsmediums in Richtung der Pfeile in F i g. 1 in steht darin, den Durchmesser der Membranrohre 7 das Gehäuse 1 hinein bzw. aus dem Gehäuse 1 her- zu verkleinern. Jedoch stellt man fest, daß es bei den aus ermöglicht. Die Abschlußstücke 2 können gleich- kleinstmöglichen Durchmessern für die Erzielung falls aus Glas, aus Kunststoff oder aus Metall be- ίο eines guten Austausches in der Größenordnung von stehen und mit den Enden des Gehäuses 1 verpreßt, 10 bis 30 Mikron nicht möglich ist, Membranrohre verklebt oder verschweißt sein. Mit Vorteil sind sie größerer Länge zu erzielen; der Durchsatz des Geauf der inneren Oberfläche ihres zylindrischen Teiles 4 rätes wird dementsprechend stark eingeschränkt,
beispielsweise mittels eines in der Zeichnung nicht Eine andere Lösungsmöglichkeit besteht darin, erdargestellten Überzuges aus Polytetraf luoräthylen oder 15 f indungsgemäß einen besonderen Zusammenbau mehaus Silikonkautschuk wasserabstoßend gemacht. Im rerer oben beschriebener Elementaraustauscher vorinneren des Gehäuses 1 sind rohrförmige Membra- zunehmen und außerdem eine zeitlich variable Denen 7 von der Form hohler Adern angeordnet, die formierung der Membranrohre zu veranlassen. Zu aus Silikonkautschuk, aus Polytetrafluoräthylen oder diesem Zwecke wird jedes Membranrohr, das eine aus einem anderen für einen der im folgenden zu 20 Kapillarröhre darstellt, periodisch durch einen flukbeschreibenden Anwendungsfälle geeigneten Material tuierenden Druck zusammengepreßt, der es gestattet, bestehen. Die Membranrohre 7 haben einen sehr ge- alle Blutkörperchen nacheinander mit den Membraringen Durchmesser und werden im Innern des Ge- nen in Berührung zu bringen. Durch eine passende häuses 1 über zwei Abstandsstücke 8 gehalten, die Regelung dieses Druckes kann man die Membranaus einem porösen Material, insbesondere aus gesin- 25 rohre zu peristaltischen Schwingungen anregen, die tertem Polyäthlen, bestehen. Jedes dieser Abstands- eine pulsierende Verschiebung des im Innern ströstücke 8 wird von einer passenden Anzahl von menden Blutes hervorrufen.

Löchern 9 für den Durchgang der Enden der Mem- Der in der F i g. 3 dargestellte Aufbau veranschaubranrohre 7 durchsetzt. Beim Zusammenbau des Ge- licht eine besondere Ausführungsform eines solchen rätes werden die Abstandsstücke 8 unter gegenseiti- 30 Austauschers, bei der dieser drei in der oben beger Verdrehung um etwa 90° um die Achse des Ge- schriebenen Weise aufgebaute Elementaraustauhäuses 1 eingesetzt, so daß sie den Membranrohren 7 scher I, II und III besitzt, die in Serie geschaltet, d. h. eine leichte Torsion aufzwingen, die diese an der Ein- in der Weise aneinandergefügt sind, daß ihre endseinahme einer achsparallelen Lage im Gehäuse 1 hin- tigen Abschlußstücke 2 miteinander verbunden sind dert. Anschließend werden die Membranrohre 7 in 35 und außerdem ihre Membranrohre 7 ihrerseits aneinden Abschlußstücken 2 mit Hilfe von Stopfen 10 fest- ander angeschlossen sind. Die auf das erste Strögelegt, die ebenfalls aus Silikonkautschuk bestehen mungsmedium, d. h. auf das die Elementaraustaukönnen und die zylindrischen Teile 4 der Abschluß- scher außerhalb der Membranrohre durchfließende stücke 2 abschließen. Die Stopfen 10, die mit Vorteil Strömungsmedium ausgeübten Drucke werden über in situ durch Eingießen von flüssigem Kautschuk und 40 ein äußeres, in der Zeichnung nicht dargestelltes anschließendes Vulkanisieren hergestellt werden, sind elektropneumatisches System auf zwei verschiedene dazu bestimmt, eine Abdichtung des Inneren und des Werte ρ oder P eingeregelt, wobei der Druck ρ kleiner Äußeren der Membranrohre 7 für die beiden in dem ist als der zum Zusammenquetschen der Membran-Gerät umlaufenden Strömungsmedien zu gewährlei- rohre erforderliche Druck, während der Druck P diesten. Bei dem in erster Linie ins Auge gefaßten Ein- 45 sen Quetschdruck geringfügig übersteigt. Dann wird satzzweck des erfindungsgemäßen Austauschers, bei die Druckanlegung in der nachstehenden Weise prodem er zur Beladung von Blut mit Sauerstoff dient, grammiert: der Elementaraustauscher I geht von dem werden die Membranrohre 7 innen von zu regenerie- Druck ρ zu dem Druck P über. Unter dem Einfluß rendem venösem Blut durchflossen, während das erste dieses Druckes werden die Membranrohre 7 zusam-Strömungsmedium, das im Innern des Gehäuses 1 und 50 mengequetscht und verdrängen das in ihnen enthalaußerhalb der Membranrohre 7 umläuft, eine Blut tene Blut in Richtung auf die Elementaraustauscher isotonische Lösung ist, die hinreichend Sauerstoff II und III; anschließend wird das gleiche Verfahren enthält. bei dem Elementaraustauscher II vorgenommen, wo-Beim Einsatz eines Elementaraustauschers der Art, bei der Elementaraustauscher I auf dem Druck P verwie sie unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 be- 55 bleibt; in der nächsten Phase wird der Elementarausschrieben worden ist, stellt man fest, daß man dank tauscher III dem Druck P unterworfen, der das darin der vorgegebenen Ausrichtung der Membranrohre 7 enthaltene Blut verdrängt, während der Elementarin bezug auf die Flußrichtung des ersten Strömungs- austauscher I auf den Druck ρ zurückkehrt, und auf mediums eine ziemlich gute Erneuerung dieses Me- diese Weise aus seiner Nachbarschaft eine seinem diums und des im Innern der Membranrohre 7 flie- 60 Fassungsvermögen entsprechende Menge an Blut anßenden Blutes erzielt. Jedoch erneuert sich dieses saugt. Als letztes wird der Austauscher II wieder dem Blut innerhalb eines relativ kurzen Zeitabschnittes, Druck ρ ausgesetzt, während der Druck in dem Ausder häufig nicht ausreicht, um einerseits den Sauer- tauscher I von neuem auf den Wert P gebracht wird, stoff der isotonischen Lösung und andererseits das und der Zyklus beginnt von neuem,
in dem Blut enthaltene Kohlendioxyd hinreichend 65 Bei der in der Fig. 4 veranschaulichten Ausfühdurch die Membranrohre 7 hindurchdiffundieren zu rungsvariante sind die Elementaraustauscher in ein lassen. Man stellt dementsprechend die Ausbildung und demselben Gehäuse 1 zusammengefaßt, das seivon Grenzschichten in der Nähe der Membranrohre 7 nerseits in voneinander getrennte Abteile unterteilt

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ist, wobei die Membranrohre 7 nacheinander alle erstoff stärker durchlässig sind als für Stickstoff, ist Abteile ohne Unterbrechung durchsetzen. Bei der es praktisch möglich, mit einem erfindungsgemäßen dargestellten Ausführungsform besitzt das Gehäuse 1 Austauscher die atmosphärische Luft mit Sauerstoff sechs voneinander unabhängige Abteile, die mit I bis anzureichern und dabei völlig steril zu halten, da VI bezeichnet sind, gegeneinander durch dichte 5 Mikroorganismen und radioaktive oder nicht radio-Trennwände 11 abgeschlossen sind und jeweils eine aktive Staubteilchen, die in der Atmosphäre enthal-Öffnung 12 zum Einspeisen und eine Öffnung 13 zum ten sind, durch die Membranen zurückgehalten Ableiten des ersten Strömungsmediums aufweisen. werden.

Außerdem ist der Austauscher als Ganzes an eine in Eine andere mögliche Anwendung für einen erder Zeichnung nicht dargestellte pneumatische io findungsgemäßen Membranaustauscher besteht in Steuereinrichtung angeschlossen, die es wie im vori- der Herstellung von hermetisch abgeschlossenen Gegen Beispiel gestattet, die in den verschiedenen Ab- hausen der Art, wie sie für Experimente mit Lebeteilen auf das erste Strömungsmedium ausgeübten wesen unter vollkommen sterilen Bedingungen üb-Drucke zu variieren, um ein geeignetes Schwin- lieh sind, oder von Schutzabdeckungen gegen radiogungssystem zu erzeugen. 15 aktive Verseuchung usw. In diesem Falle stehen die

In allen Fällen werden die Membranrohre 7 durch beiden Seiten der Membranrohre mit unter gleichem eine passende Steuerung der dem ersten Strömungs- Druck stehendem Gas in Berührung, jedoch sind die medium in den verschiedenen Abteilen oder Elemen- Partialdrucke der Bestandteile dieses Gases auf beitaraustauschern aufgeprägten Druckänderungen unter den Membranseiten unterschiedlich, dem Einfluß dieser Drucke periodisch zusammenge- 20 Schließlich läßt sich der erfindungsgemäße Memquetscht und wieder aufgebläht. Das gesamte in den branaustauscher auch als Dialyse- oder Osmosegerät Membranrohren enthaltene Blut kommt auf diese verwenden, wozu dann die Membranrohre nicht mehr Weise mit den Wänden der Membranrohre in Beruh- aus Silikonkautschuk, sondern aus Celluloseazetat berung, was es gestattet, den Wirkungsgrad des sich stehen. Solche Membranen sind insbesondere durchdurch diese Wände hindurch vollziehenden Austau- 25 lässig für Harnstoff, jedoch entsprechend ihrer Porosches erheblich zu verbessern. sität relativ undurchlässig für Mineralsalze, durch-

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf ihre lässig für Wasser und praktisch undurchlässig für Anwendung bei Blutreinigungsanlagen beschränkt, Proteine und andere Eiweißstoffe. Mit solchen Memsondern findet vielfache Anwendungsmöglichkeiten branen kann der erfindungsgemäße Austauscher in auf sehr verschiedenen Gebieten. So lassen sich er- 30 zwei verschiedenen Arten betrieben werden, je nachfindungsgemäße Austauscher als künstliche Kiemen dem, ob man eine selektive inverse Osmose oder eine einsetzen, die ein kontinuierliches Atmen eines un- Dialyse von mit den Membranen in Berührung stetergetauchten Tauchers gestatten. Die einzige dazu henden Lösungen realisieren will. Im ersten Falle erforderliche Abänderung besteht in dem Anbau steht die im Innern der Membranrohre strömende einer Flüssigkeitspumpe, die Wasser oder eine andere 35 Flüssigkeit unter einem den osmotischen Druck übergeeignete, Sauerstoff gelöst enthaltende Flüssigkeit steigenden Druck, man erhält dann je nach der Güte außerhalb der Membranrohre umlaufen läßt, wäh- und der Art der Membran, die bestimmte Bestandrend das von dem Taucher ausgeatmete Gas im In- teile der Flüssigkeit mit spezifischem, für jeden davon nern der Membranrohre strömt. In diesem Falle muß festliegendem Durchsatz hindurchtreten läßt, eine die Differenz zwischen dem Innendruck und dem 40 selektive Ultrafiltrierung. Insbesondere dann, wenn Außendruck geringer sein als der zum Aufblähen oder das im Innern der Membranrohre fließende Strözum Zusammenquetschen der Membranen erforder- mungsmedium aus Blut besteht, ist es möglich, mit liehe Druck. Zu diesem Zwecke wird es gewöhnlich diesem Verfahren den darin enthaltenen Harnstoff nötig sein, das von dem Taucher ausgeatmete Gas oder bestimmte Mineralsalze in mehr oder weniger mit einem inerten Gas zu mischen, für das das Mem- 45 großer Menge zu eliminieren.

branmaterial keinerlei Durchlässigkeit zeigt. So kann Im zweiten Falle bleiben die Membranen dauernd

man beispielsweise als inertes Gas Helium wählen. mit in ihrem Innern umlaufenden Blut in Berührung Beim Betriebe macht der gelöste Sauerstoff dieses und außen mit einer Dialyselösung, deren Zusammen-Gas wieder atembar, während das darin enthaltene Setzung zwar dem Blut isotonisch ist, aber so einge-Kohlendioxyd vollständig abgeführt wird. 50 regelt wird, um wie oben die Ausscheidung von

Eine andere Anwendungsmöglichkeit für einen er- Harnstoff oder bestimmter anderer Produkte, wie findungsgemäßen Membranaustauscher besteht in beispielsweise bestimmter Mineralsalze, zu ermögdem Aufbau eines Gerätes zur Erzeugung oder Rege- liehen.

nerierung von Luft in einer unter dem Namen Schließlich lassen sich zahlreiche weitere Anwen-

»Unterwasserhaus« bekannten Anlage. In diesem 55 dungsmöglichkeiten ins Auge fassen, insbesondere in Falle ist das in dem obigen Anwendungsbeispiel vor- der Biologie etwa zur Reinigung von Aminosäuren gesehene inerte Gas nicht erforderlich, wenn man eine oder Proteinen oder durch direkte Osmose zur Kon-Pumpe verwendet, die den Luftdruck in der Nach- zentration von Fruchtsäften oder Fernmentierungsbarschaft der Austauschermembranen vermindert und flüssigkeiten, die zersetzliche, wärmeempfindliche und anschließend diese Luft nach ihrer Regenerierung und 60 teure Substanzen, wie z.B. Vitamin B 12 enthalten, vor der Einspeisung in das Unterwasserhaus wieder Bestimmte Membranmaterialien, wie beispielsweise komprimiert. In diesem Falle bildet der für das Auf- Silikonkautschuk, sind stärker durchlässig für Wasser blähen oder das Zusammenquetschen der Membran- als für Lösungsmittel oder Aromastoffe, und es ist rohre erforderliche Druck die Begrenzung für die daher in gleicher Weise möglich, mit dem erfindungs-Wassertiefe, bis zu der der Austauscher einsetzbar ist. 65 gemäßen Membranaustauscher Parfüme oder aroma-Eine andere Anwendung besteht in dem Bau von tische Substanzen oder Extrakte von Fruchtsäften medizinischen Geräten zur Sauerstoffanreicherung. oder Lösungsmittel mit einem dem Siedepunkt von Mit Membranen aus Silikonkautschuk, die für Sau- Wasser benachbarten Siedepunkt zu konzentrieren.

Schließlich läßt sich der erfindungsgemäße Membranaustauscher mit Membranen aus Celluloseazetat unter Anwendung von inverser Osmose zum Enthärten von kalkhaltigem Wasser oder mit Membranen aus Cellulosetriazetat oder aus gesintertem Polyvinylchlorid zum Filtrieren verwenden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Membranaustauscher mit mehreren Elementaraustauschern, von denen jeder aus einem ge- ίο schlossenen Gehäuse mit je einer Öffnung zum Einspeisen und zum Ableiten eines ersten Strömungsmediums unter vorgegebenen Druck und aus einer Vielzahl von das Gehäuse durchquerenden, zur Aufnahme eines zweiten Strömungsmediums bestimmten, rohrförmigen, semipermeablen Membranen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Elementaraustauscher derart hintereinander geschaltet sind,

daß diese rohrförmigen Membranen aneinander angeschlossen sind.

2. Membranaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementaraustauscher im benachbarten Abteilen im Inneren eines durch Trennwände unterteilten Behälters liegen.

3. Verfahren zum Stoffaustausch in einem Membranaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck in den Elementaraustauschern periodisch auf einen Gesamtdruck, der den zum Zusammendrükken der Membranrohre erforderlichen Druck geringfügig übersteigt, in der Weise erhöht wird, daß zunächst der erste, dann zusätzlich der zweite anschließend der dritte unter Entlastung des ersten und schließlich wieder der erste unter Entlastung des zweiten Elementaraustauschers usf. dem erhöhten Druck ausgesetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 809 701/1293