DE1903885B2 - Diffusionszelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Diffusionszelle für strötiungsfähige Medien mit mehreren Lagen einer aus •inein bandartigen Zuschnitt gefalteten, selcktiv-periicablcn Membran, die nach entgcgcngesetzien Seiten lieh öffnende Taschen und damit zwei Sätze von jeweils längs der Membranoberfläche parallel verlaufenden Durchflußbahnen mit jeweils einem über Anlchlußleitungcn zugänglichen Zufluß und Abfluß für die bilden, wobei in jeder Tasche Abstandhalter vorgesehen sind.

Gegenüber anderen Diffusionszellcn besitzt diese Diffusionszelle den Vorteil einer leichten Herstellbarkeit, weil die Membrananlagen zieharmonikaartig aufgefaltet werden können. Die Taschen können sehr flach ausgebildet werden, so daß für die durchströmenden Medien innerhalb der Zelle eine verhältnis-Inäßig große Membranoberfläche zur Verfügung itcht.

Durch die Zeitschrift »Surgical Clinics of North America«, Volume 47, Dezember ¹.967, ist eine derartige Diffustonszelle bekannt, bei der die Medien innerhalb der Diffusionszelle zunächst durch ein Querrohr mit über seiner Länge verteilten öffnungen einströmt. Diese öffnungen führen dann zu den einzelnen von den Membranlagen ausgebildet Taschen. Dieses Querrohr befindet sich an der Innenseite der vorderen bzw. rückwärtigen Stirnwand. Unterhalb des Querrohres und ebenfalls an der Innenseite der

ίο Stirnwand befindet sich ein zweites Querrohr, das ebenfalls in entsprechender Weise mit Löchern ausgebildet ist und mit einem Abflußrohr verbunden ist. Nach dem Durchströmen der Taschen gelangt das Medium über dieses zweite Querrohr wieder aus der Diffusionszelle.

Nachteilig ist hierbei, daß das zuströmende Medium verschieden lange Wege im Querrohr zurücklegen muß, ehe es in die einzelnen Taschen gelangen kann. Außerdem ist es schwierig, die Strömungswiderstände der Löcher untereinander gleich zu halten, so daß insgesamt die Gefahr besteht, daß die einzelnen Taschen unterschiedlich durchströmt werden. Dies wirkt sich aber nachteilig auf den Wirkungsgrad dieser Diffusionszelle aus.

Ferner ist es nachteilig, daß einer der beiden Sätze von Abstandhaltern rahmenartig ausgebildet ist. Die lichte Weite der mit diesen Abstandhaltern versehenen Taschen schwankt daher innerhalb des Rahmens und auch von Tasche zu Tasche, und zwar je nach dem dort herrschenden Innendruck, wobei Membranlagen zusätzlich aneinander haften können. Aus diesem Grunde muß eine besondere Vorsorge getroffen werden, um dieses Anhaften zu verhindern. Außerdem ist der Strömungsweg innerhalb der durch die Membranlagen gebildeten Taschen kleiner als die senkrecht zu den Taschen gemessene Höhe der Fälle. Auch dieses Merkmal bewirkt unterschiedliche Strömungswege durch die einzelnen Taschen.

Durch die USA.-Patentschrift 3 367 504 ist eine Osmosezelle mit mehreren um ein Hauptrohr gewikkelten Membranlagen bekannt. An der Unterseite der Zelle ist ein erster Auslaß vorgesehen, der als Verlängerung des Hauptrohres ausgebildet ist. Ferner befindet sich dort in der Zylinderwand ein zweiter Auslaß für diffundiertes Medium. Das Hauptrohr besitzt in seiner Wand mehrere Löcher. Eingangsseitig dieser Osmosezelle ist eine auf den durch die Zelle gebildeten Zylinder aufgesetzte Kappe mit einem mittleren Anschlußrohr vorgesehen, die eine Einlaufkammcr ausbildet.

Ausgehend von einer Diffusionszelle der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese so weiterzubilden, daß untereinander im wesentlichen gleiche Strömungswege in den Tasehen geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Membranlagen an den Seiten ihrer Faltung von Verteilerkasten dichtend eingefaßt sind, welche an ihren Enden über die Gesamtlagenhöhe vorstehende Ein- und Auslaßkammern aufweisen, und daß die übrigen Außenseiten der Membranlagen mit einem Dichtungsmaterial abgedichtet sind.

Über die Verteilerkasten mit den vorstehenden Ein- und Auslaßkammern wird erreicht, daß das zuströmende und abströmende Medium sämtlichen Taschen unmittelbar und mit demselben Strömungswiderstand zugeführt wird. Die Dichtung zwischen den Ein- und Auslaßkammern erfolgt über das jewei-

lige Mittelstück des Verteilerkastens und die Dichtung an den übrigen Außenseiten mittels des Dichtmateriais.

Um bei einer Diffusionszelle der eingangs angegebenen Art zu erreichen, daß in der Flüssigkeit transportierte Stoffe selektiv diffundieren, ist die Erfindung fernerhin dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abstandhalter gerader Zählung eine im wesentlichen gleiche Dicke aufweist und daß jeder Abstandhalter ungerader Zählung einen verstärkten Mittelabschnitt und wenigstens einen dünneren Endabschnitt aufweist, wobei die Membran an gegenüberliegenden Flächen der Abstandhalter anliegt, Kanäle bildet.

Der eine Satz der Taschen wird hierbei also mit einer örtlichen sich ändernden Dicke ausgebildet. Dabei wird von der Eigenschaft Gebrauch gemacht, daß manche in Flüssigkeiten gelöste Stoffe unterschiedlich schnell diffundieren. Ist die Flüssigkeit beispielsweise Blut, so kann in der dickeren Zone mehr Kohlendioxid und in der dünneren Zone bevorzugt Sauerstoff diffundieren. Die Diffusion von Sauerstoff geschieht nämlich verhältnismäßig langsam, so daß in den dickeren Zonen der Sauerstoff im Mittel nicht genügend lange mit der Membran in Berührung steht. Die Diffusionsrate für Kohlendioxid hängt dagegen viel weniger von der Schichtdicke ab.

Eine wichtige Ausführungsform isi dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg innerhalb der durch die Membranlagen gebildeten Taschen größer ist als die senkrecht zu den Taschen gemessene Höhe der Diffusionszelle. Durch diese Abmessungen wird weiterhin erreicht, daß die Strömungswege innerhalb der einzelnen Taschen untereinander gleich sind.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine perspektivische Ansicht einer erfindungsg. mäßen Diffusionszelle,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der F i g. 2. wobei zur Verdeutlichung Abstandhalter weggelassen wurden,

Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt nach der Linie 4-4 der F i g. 2,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer in der Diffusionszclle enthaltenen zusammengelegten Membran.

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines in der Diffusionszelle enthaltenen Abstandhalters,

F i g. 7 eine perspektivische Ansicht eines andere·! in der Diffusionszelle enthaltenen Abstandhalten,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Vcrteilcrkastcns. und

Fig. 9 den Verteilerkasten aus einer anderen Richtung gesehen.

In den Zeichnungen ist eine Diffusionszelle für ein strömungsfälliges Medium als Ganzes mit 10 (Fig. 1) bezeichnet, als Vorrichtung zum Behandeln einer Körperflüssigkeit, z. B. Blut, dargestellt. Zur besseren Orientierung sind Teile der Zelle JO als oberer Endteil 12 und unterer Endteil 14 sowie einander gegenüberliegende Seiten als Blutseite 18 und Seite 20 für ein anderes Medium, bezeichnet.

Die Zelle 10 weist ein geschichtetes membranartiges Gefüge mit parallelen Schichten auf, die aus den Lagen einer vorzugssveise biegsamen und selektiv durchlässigen Membran 22 (F i g. 5) gebildet sein können. Die letztere wird so zusammengelegt oder gefaltet, daß ein erster Satz 24 von Taschen IAA, 24 B, 24 C₁ 24 D und 24 E entsteht, die sich nach außen zu der Blutseite 18 öffnen, und ein zweiter Teil 28 von Taschen 28 A, 28 B, 28 C und 28 D, die sich

nach außen zu der anderen Seite 20 öffnen. Die Taschen jedes Satzes bilden parallele Durchfmßkanäle entlang der jeweiligen Oberflächen der Schichten.

Die Membran 22 ist vorzugsweise aus einem biolo-

gisch inerten Grundstoff, z. B, einem Geflecht bzw. Gewebe aus Glasfaser oder Dacron von etwa 0,127 mm Dicke hergestellt. Auf diese ist eine sehr dünne Schicht aus einem Elastomer, vorzugsweise Silikon-Kautschuk aufgebracht, die lediglich dazu aus-

reicht, die Zwischenräume in dem Geflecht auszufüllen. Bei einer bevorzugten Aüsführungsform der Zelle ist die Membran 22 so in entgegengesetzt verlaufende Lagen oder Schirmen gelegt, daß sie um eine Reihe von (nicht gezeigum) rechteckigen parallelen Formplatten herum Gänge mit gleichen Abmessungen bildet. Diese Platten werden derart in horizontaler Anordnung gestützt, daß sie nebeneinanderlegende Schichten in einem Abstand von etwa 1 mm halten. Danach werden die oberen Ränder 32 der das obere Endteil 12 der Zelle bildenden Schichten und die unteren Ränder 34 der das untere Endteil 14 der Zelle bildenden Schichten abdichtend und mit bestimmtem Abstand voneinander durch ein Dichtungsmaterial 30 verbunden. Dadurch werden die verschlossenen oberen und unteren Enden dieser Taschen gebildet.

Ein RTV-Silikoii-Kautschuk eignet sich als Dichtungsmaterial und verleiht dem oberen Endteil 12 und dem unteren Endteil 14 der Zelle eine angemessene Stabilität. Ein Gummimaterial wird Verbindungsstücken aus Metall oder vorgeiormten Dichtungsstücken vorgezogen, da durch seine Verwendung die Herstellungskosten verringert werden.

Durch das so geformte Gefüge können Blut und ein anderes Medium getrennt und auf entsprechenden parallelen Durchflußbahnen entlang der jeweiligen Flächen der Membranschichten fließen. Somit kann der Blutstrom auf den einen Satz Taschen, beispielsweise 24, und der Strom des anderen Mediums auf den anderen Satz Taschen, beispielsweise 28, beschränkt werden. Ist die Zelle, wie gesagt, ein Oxygenator, so ist das andere Medium Sauerstoff. Die Vorrichtung ist jedoch nicht auf Oxygenatoren beschränkt, sondern kann mit gleichem Erfolg als Dia-

5«. lysator verwendet werden. In diesem Falle wäre das ander Medium eine Dialysierflüssigkeit.

Wenn die oberen und unteren F.ndteile 12 und 14 dicht verschlossen sind, so werden die (nicht gezeigten) rechteckigen Formplatten aus den Taschen herausgezogen. Dann wird ein Abstandhalter 36 eines ersten Typs, das im vorliegenden Fall ein Gitter mit im wesentlichen gleicher Höhe und Breite wie die Taschen und mit rechteckigem Profil ist, in jede der Sauerstofflaschen des Satzes 28 eingesetzt. Ein Abstandhalter eines zweiten Typs, das im vorliegenden Fall ein Gi.!er 38 von rechteckigem Profil von etwa der gleichen Breite wie eine Tasche, jedoch etwas kurzer als diese ist, wird in jede der Bluttaschen des Satzes 24 eingesetzt.

Der Abstandhalter 36 hat einen oberen Endabschnitt 40, einen unteren Endabschnitt 42, einen mittleren Abschnitt 66, einander gegenüberliegende Seiten 44 und 46 und eine obere Fläche 48. Der Ab-

standhalter 38 hat einen oberen Abschnitt 50, einen ab den abdichtend geschlossenen Ober- und Unterunteren Abschnitt 52, einander gegenüberliegende selten 30 der Membran anereifen, während jede Seiten 54 und 56 und eine obere Fläche 58. Länge ebene Fläche 81 an dem mittleren Teil der ihr zu- und Breite jedes Abstandhalters 38 sind im wesentli- geordneten Seite der Taschen angreift, wenn die Zelle chen die gleichen wie die entsprechenden Abmessun- 5 zusammengebaut ist. Alle sich berührenden Oberflägen eines mittleren Teils 66. Alle Taschen haben die chen werden aneinander befestigt, vorzugsweise mit gleiche Länge und Breite, wie in Fig. 2 dargestellt, einem RTV-Material zum dichten Verkleben von Siwc das Innere einer Bluttasche gezeigt ist, ist jede Ta- likongummi. aus dem die Verteiler vorzugsweise hersche durch einen oberen Endabschnitt 60, einen die- gestellt sind.

sent gegenüberliegenden unteren Endabschnitt 62 io Aus Vorstehendem ergibt sich, daß die innere und einen mittleren Abschnitt 64 gekennzeichnet. Fläche 81 des Verteilerkastens 75 entlang der Seite Während die Abstandhalter 36 sich sämtlich über im 18 an den die Taschen 28Λ, 280. 28Γ und 28D bilwesentlichen die gesamte Länge (zwischen oberem denden Lagen befestigt ist und den mittleren Ab- und unterem Ende) der jeweiligen Tasche, in der sie schnitt der öffnungen der Taschen des Satzes 24 zur sich befinden, erstrecken, ist jeder Abstandhalter 38 15 Seite 18 hin schlieft·, während die unteren und oberen so bemessen, daß er nur den mittleren Abschnitt 64 Endabschnitte 60 und 62 (F i g. 2) dieser Taschen seiner Tasche einnimmt und sich weder in den zu- freigelassen werden, so daß eine direkte Verbindung geordneten oberen Abschnitt 60 noch in den unteren für ein strömungsfähiges Medium zwischen ihnen und Abschnitt 62 erstreckt. In der dargestellten AusfUh- den Kammern 80 und 82 des Verteilerkastens berungsform beträgt die Höhe einer jeden Tasche (der 10 steht. Auf gleiche Weise ist die innere Fläche 81 des Abstand zwischen benachbarten Schichten) Vorzugs- Verteilerkastens 76 entlang der Seite 20 an den Laweise I mm und die Höhe eines jeden Abstandhalters gen der Taschen 24 A. 2AB. IAC und 24E befestigt 38 0.5 mm. Andererseits ist der mittlere Abschnitt 66 und schließt die mittleren Abschnitte der öffnungen jedes Abstandhalters 36 1,5 mm (0,06 Zoll) stark. der Taschen des Satzes 28 gegen die Seite 20 hin. läßt während seine oberen und unteren Endabschnitte 40 »5 aber di»· oberen und unteren Abschnitte 60 und 62 und 42, die im wesentlichen gleich lang sind. 0.5 mm dieser letzteren Taschen frei, so daß eine direkte Verhoch sind. Das Abstandsgitter 36 weist also einen bindung zu den Kammern 80 und 82 des Verteilerkaverstärkten Mittel abschnitt bzw. schmalere Endab- stens 76 entsteht,
schnitte auf. Die dargestellte Zelle ist für eine zusätzliche Ox\-

Die Abstandhalter 36 können aus einem Glasfaser- 30 genierung von Blut vorgesehen. Zu diesem Zweck geflecht bestehen, das nur so dünn mit Vinyl bedeckt sind die Blutein- und -auslasse so angelegt, daß sie ist, daß sein gitterartiger Charakter nicht verdeckt mit dem Kreislauf einer zu behandelnden Person verwird. Die Abstandhalter 38 andererseits sind vor- bunden werden können, um Blut von dieser Person zugsweise aus Kunststoff, und zwar durch Strangguß aufzunehmen und wieder an sie abzugeben, ohne daß bzw. Spritzen aus einem Polyäthylen geringer Dichte. 35 die Unterstützung durch eine Hilfspumpe notwendie hergestellt. ist. Die Teile in jeder Bluttasche sind so angeordnet.

An Stelle von Abstandhaltem können zwei recht- daß Blut in Richtung der Pfeile (F i g. 2) von der Eineckige Versteifungselemente 72 und 74 (F i g. 4) in laßkammer 80. an der sich direkt das stromauf liedie Taschen 24 A und 24 E (F i g. 5) eingesetzt wer- gende Fnde oder die stromauf liegende öffnung jeder den. Diese Elemente sind etwa 0.5 mm dick und so 40 der Bluttaschen befindet, entlang dem oberen Abgroß, daß sie ihre Taschen ausfüllen. Sie können auf schnitt 60 einer solchen Tasche und von dort aus jede geeignete Weise erstellt werden, z. B. aus mit stromab durch einen entsprechenden unteren Ab-Phenolkunststoff verstärkter Glasfaser bestehen. schnitt 62 zur Auslaßkammer 82 strömen kann, an

Zwei Verteilerkästen mit vorzugsweise gleichem der sich direkt das stromab liegende Ende oder die Aufbau, von denen in Fi g. 8 und 9 nur einer gezeigt 45 stromab liegende öffnung jeder Tasche befindet. Der ist. bilden einen Blutverteiler 75 und einen Sauer- Verteilerkasten 76 für Sauerstoff und die Sauerstoffstoffverteiler 76. Sie sind an der Seite 18 bzw. 20 der taschen (des Satzes 28) können auf gleiche W ise anZelle angebracht. Jeder Verteiler hat Ein- und Aus- geordnet sein, so daß der Durchfluß durch diese Talaßkammern 80 und 82. die einstückig über einem sehen auf gleiche Weise voir-tatten geht. Bei einem mittleren Abschnitt 84 miteinander verbunden sind. 50 Dialysator fließen das Blut und das andere Medium Jede Einlaßkammer 80 bildet zusammen mit einem jedoch vorzugsweise im Gegenstrom.
Rohr 88 einen Einlaß, während jede Auslaßkammer Wie F i g. 4 zeigt, liegt an einander gegenüberlie-82 zusammen mit einem Rohr 90 einen Auslaß bil- senden Flachen eines jeden Abstandhalters eine hedet. Außerdem weist jeder Verteiler parallele Vorder- nachbane Membran an. Dadurch entstehen zwei ver- und Rückwände 78 auf. deren einander gegenüberlie- 55 größerie einander gegenüberliegende, an den Enden sende obere und untere Abschnitte die vorderen und offene Kanäle am oberen und unteren Endteil 60 riickwendiaen Wände der Kammern 80 und 82 bil- bzw. 62 jeder Bluttaschc. Die offenen Enden stehen den. sowie parallele obere und untere Wände 79. die direkt mit dem Bluteinlaß und dem Bluiauslaß des die Oberseite bzw. Unterseite der Kammern bilden. Verteilerkastens 75 in Verbindung, und die Kanäle Eine nach innen versetzte ebene Fläche 81 am mittle- 60 darin sind etwa 1.524 mm tief und erstrecken sich ren Abschnitt 84 jedes Verteilers bildet zusammen über das obere Ende und das untere Ende der Zelle mit den Wänden 78. 78 und den Wänden 79. 79 eine neben dem AbdichtmaKrial 30 on einer Seite zur Mulde 83 zur Aufnahme einer zugeordneten Seite der anderen. Sie bilden praktisch kaum ein Hindernis, zusammengelegten Membran mit den darin befindli- wodurch in die Zelle eintretendes Blut schnell über chen Abstandhaltem. Die Teile sind in ihren Abmes- 65 die Oberseiten aller Bluttaschen fließt und der abfliesunaen so sehalten, daß die Wände 78. 78 jedes Ver- ßende Blutstrom nicht unnötig gehemmt wird. Die teilers an den vorderen und rückwärtigen Flächen der Tiefe des mittleren Abschnittes 64 jeder Bluttasche zusammengelegten Membran und die Wände 79, 79 ist auf 0.5 mm beschränkt, also auf die Tiefe ihres

Abstandhalters, gegen den zwei Membranschichten durch den mittleren Abschnitt 66 der danebenliegenden Abstandhalter 36 gedrückt werden kann. Dadurch wird das Blut in einem sehr dünnen Film auspbreitet, und infolgedessen geht der Sauerstoffaustausch, der eine Funktion der Dicke des Bliitfilms ist. äußerst schnell vonstatten.

Die Zelle ist so ausgebildet, daß praktisch maxifrale Oxygenierung bei einem Minimum an Gesamt-Aberfläche der Membran in den Abschnitten 64 der pluttajchen und unter Aufrechterhaltung der gewünschten Abgabe von unter dem Blutdruck der behandelten Person eingeführtem Blut durchgeführt Werden kann. Diese Oberfläche ist jedoch nicht ausreichend für die Entfernung des gesamten Kohlendiokyds aus normalem venösem Blut. Für ausreichende fentfernung von CO₂ aus dem Blut erforderliche zusätzliche Oberfläche liefern die Abschnitte der Membran in den Endabschnitten 60 und 62 der Blutta tchen. Eine Zelle weist zweckmäßig in den Kanalabschnitten 60 und 62 der Bluttaschen eine Austausch-Oberfläche von mindestens etwa 15 "/oder Austauschoberfläche der Abschnitte der Zelle auf, in denen das Blut zu einem dünnen Film ausgebreitet wird.
In den den Blutkanälen benachbarten Sauerstofftaschen wird beiderseits der Gitterabschnitte 40 und 42 eine Reihe von Kanälen 92 (Fig.4) gebildet, die sich parallel zu den Blutkanälen von einer Seite der Zelle zur andern erstrecken, und zwar entsprechend der

ίο Tiefe der Gitterabschnitte und dem Abstand zwischen den Membranschichten, deren obere und untere Ränder abdichtend verbunden sind. Die Kanäle 92 bilden bequeme Ein- und Ausgänge von den Sauerstofftaschen und sind an den entsprechenden

is Ein- und Auslaßkammern 80 und 82 angeordnet.

Neben einer sehr wirksamen Oxygenierung und Dialysierung von Blut gestattet die Erfindung den Aufbau einer Diffusionszelle mit wesentlich geringerem Kostenaufwand, als es bei ähnlichen bekannten

ao Vorrichtungen dieser Art möglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Diffusionszelle für strömungsfähige Medien mit mehreren Lagen einer aus einem bandartigen Zuschnitt gefalteten, selektiv-permeablen Membran, die nach entgegengesetzten Seiten von jeweils längs der Membranoberfläche parallel verlaufenden Durchflußbahnen mit jeweils einem über Anschlußleitungen zugänglichen Zufluß und Abfluß für die Medien bilden, wobei in jeder Tasche Abstandhalter vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranlagen an den Seiten (18, 20) ihrer Faltung von Verteilerkästen (75, 76) dichtend eingefaßt sind, welche an ihren Enden über die gesamte Lagenhöhe vorstehende E:i.- und Auslaßkammern (80, 82) aufweisen und daß die übrigen Außenseiten der Membraniagen mit einem Dichtungsmaterial (30) abgedichtet sind.

2. Diffusionszelle für strömungsfähige Medien mit mehreren Lagen einer aus einem bandartigen Zuschnitt gefalteten, selektiv-permeablen Membran, die nach entgegengesetzten Seiten sich öffnende Taschen und damit zwei Sätze von jeweils längs der Membranoberfläche parallel verlaufenden Durchflußbahnen mit jeweils einem über Anschlußleituiigen zugänglichen Zufluß und Abfluß für die Medien bilden, \vc^Kei in jeder Tasche Abstandhalter vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Austan halter gerader Zählung (38) eine im wesentlichen gleiche Dicke aufweist und daß jeder Abstandhalter ungerader Zählung (36) einen verstärkten Mittelabschnitt (66) und wenigstens einen dünneren Endabschnitt (40. 42) aufweist, wobei die Membran (22), an eecenüberliegenden Flächen der Abstandhalter (36, 38) anliegend, Kanäle (60, 62) bildet.

3. Diffusionszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg innerhalb der durch die Membranlagen gebildeten Taschen (24, 28) größer ist als die senkrecht zu den Taschen gemessene Höhe der Diffusionszelle.