DE19913416A1 - Vorrichtung mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser vorliegenden Membran zum Filtrieren von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (10) mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser (12) mit Außenseite und Lumen (14) vorliegenden semipermeablen, benetzbaren, insbesondere hydrophilen Membran zum Filtrieren von Flüssigkeiten, insbesondere von Körperflüssigkeiten bereitgestellt, bei der das Filtrieren von der Außenseite in das Lumen (14) hinein erfolgt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser mit Außenseite und Lumen vorliegenden se­ mipermeablen, benetzbaren, insbesondere hydrophilen Membran zum Filtrieren von Flüssigkeiten, insbesondere von Körperflüssig­ keiten.

Vorrichtungen der vorstehend genannten Art sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.

Die bekannten Vorrichtungen dienen zum Filtrieren von Flüssig­ keiten mit kolloidal gelösten oder korpuskulären Inhaltsstof­ fen, bspw. von Medien in Bioreaktoren oder von Körperflüssig­ keiten wie bspw. Blut. Generell trennen semipermeable Membranen in derartigen Anordnungen zwei gegeneinander abgedichtete Be­ reiche: In den einen Bereich fließt dabei die zu filtrierende Flüssigkeit ein und verläßt diesen als angereichertes Retentat nach der Abtrennung des Filtrates, das nach dem Passieren der semipermeablen Membran aus dem anderen Bereich abfließt.

Die zu filtrierende Flüssigkeit wird bei den bekannten Vorrich­ tungen dazu mit laminarer Strömung durch das Lumen der Hohlfa­ sern geführt. Das Filtrat wird dann durch einen Druckgradienten über die Membran von der zu filtrierenden Flüssigkeit abge­ trennt, tritt an den Außenwandungen der Hohlfasern aus und wird von dort abgeleitet.

Im medizinischen Bereich werden derartige Vorrichtungen als Hämofilter, Hämokonzentratoren oder Plasmafilter für die Be­ handlung von Blut verwendet. Für diese Geräte geeignete semi­ permeablen Membranen sind bspw. in der DE 34 26 331 A1 oder der WO 98/52683 beschrieben. Semipermeabel ist eine Membran dann, wenn sie Moleküle ab einer bestimmten Größe nicht mehr passie­ ren läßt. Bei Blut als zu filtrierende Flüssigkeit wird hier untet semipermeabel verstanden, daß z. B. solche Moleküle die Membran nicht passieren können, die zumindest die Größe von im Blut gelöstem Albumin haben.

Bei Filtern, die als Dialysatoren eingesetzt werden, kommt als Triebkraft für eine Abtrennung niedermolekularer Substanzen noch ein Konzentrationsgradient zwischen der zu filtrierenden Flüssigkeit im Lumen der Hohlfaser und der Dialyselösung hinzu, die die Außenseite der Hohlfaser umströmt. Da die Effizienz ei­ nes Dialysators von dem lokalen Konzentrationsgradienten über die Membran hinweg abhängt, müssen die Außenseiten der Hohlfa­ sern ständig von einer frischen Dialyselösung umströmt werden. Ein solcher Dialysator, der mit einer hydrophoben Membran ar­ beitet, ist beispielsweise in der US 5,232,601 A beschrieben.

Wesentliches Merkmal der bei konventionellen Filtern verwende­ ten Hohlfasern ist die Anordnung einer Trennschicht auf der je­ weiligen Innenseite dieser Hohlfasern, so daß das Filtrat beim Filtrieren zunächst diese innere Trennschicht passiert, dann die Membran durchwandert und schließlich auf der Außenseite der Hohlfaser austritt.

Ein konventionelles Filter der vorstehend beschriebenen Art ist beispielsweise aus der EP 0 294 737 B1 bekannt. In dieser Druckschrift wird ein Filter beschrieben, das aus einer Viel­ zahl gebündelter Polysulfonhohlfasermembranen besteht, die in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die beiden Enden der Hohl­ faserbündel an dem Gehäuse mit einem härtbaren Harz fixiert sind, aber offen bleiben. Auch bei diesen Filtern werden die Körperflüssigkeiten durch das Lumen der Hohlfasern geleitet, wobei das Filtrat an deren Außenseiten austritt und abgeleitet wird.

Die hier verwendeten semipermeablen Membranen, die für die Blutreinigung eingesetzt werden, weisen auf der Innenseite eine dichte Hautschicht mit einer Porengröße von weniger als 10 nm auf. Bei Plasmafiltern hingegen werden konventionelle Membranen mit Porengrößen bis in den Mikrometerbereich eingesetzt.

Bei allen Filtern der vorstehend beschriebenen Art ist der Druck, den die durchströmende Flüssigkeit auf die Wandung der Hohlfasermembran ausübt, umso geringer, je länger der von der Flüssigkeit im Lumen der Hohlfaser zurückgelegte Weg ist. Die­ ser Druckabfall längs der Hohlfaser reduziert die Druckdiffe­ renz über die Membran, also die treibende Kraft für die Filtra­ tion. Deshalb wird stets ein möglichst geringer Druckabfall bei möglichst hohem Volumenstrom angestrebt, um eine möglichst hohe Filtrationsrate zu erreichen.

Bei konventionellen Filtern wird deshalb angestrebt, daß die zu filtrierende Flüssigkeit einen möglichst kurzen Weg im Faserlu­ men zurücklegt, was bei gleicher effektiver Membranfläche nur durch eine Erhöhung der Hohlfaserzahl erreicht werden kann. Da die Hohlfasern jedoch an beiden Ende gegeneinander und gegen­ über dem Gehäuse abgedichtet werden müssen, sinkt durch die Er­ höhung der Faserzahl mit einhergehender Verkürzung der Faser­ länge der Anteil der nutzbaren Membranfläche an der gesamten Membranfläche. Der mit steigender Faserzahl für die Abdichtung an den Enden der Fasern verwendete Anteil der Membranfläche nimmt ebenfalls zu und steht nicht für die Filtration zur Ver­ fügung. In den konventionellen Filtern muß deshalb aus wirt­ schaftlichen Gründen ein Kompromiß zwischen Hohlfaserlänge und -zahl gefunden werden, der jedoch nie völlig befriedigend sein kann. Bei diesen Filtern ist daher immer noch ein relativ gro­ ßer Druckabfall zwischen der Einlaßöffnung für die zu filtrie­ rende Flüssigkeit und den Stellen der Membran, an denen die ei­ gentliche Filtration erfolgt, und damit auch über das Gesamtsy­ stem des Filters üblich.

Neben der verminderten, treibenden transmembranen Druckdiffe­ renz besteht ein weiterer Nachteil eines großen Druckabfalles darin, daß für hohe Filtratflüsse auf die zu filtrierende Flüs­ sigkeit ein deutlich erhöhter Druck ausgeübt werden muß. Dies kann bspw. bei der Aufarbeitung von empfindlichen Zellkulturen in Bioreaktoren zu Problemen in bezug auf die Viabilität der Zellen führen.

Ein weiterer Nachteil kurzer konventioneller Filter mit hoher Anzahl an Hohlfasern besteht darin, daß die zu filtrierende Flüssigkeit mit einer weit größeren Fremdoberfläche Kontakt hat, als dies für die Filtration eigentlich notwendig wäre, weil nämlich - wie bereits ausgeführt - der Anteil der für die Abdichtung an den Enden der Hohlfasern erforderlichen Membran­ fläche gegenüber der gesamten Membranfläche mit der Zahl der Hohlfasern steigt. Insbesondere bei der Filtration von Blut be­ wirkt jedoch jede unnötige Fremdoberfläche, mit der das Blut in Kontakt kommt, ein erhöhtes Risiko für die Bildung von Throm­ ben, die zu lebensgefährlichen Embolien führen können. Dabei stellen insbesondere die An- und Abströmflächen der konventio­ nellen Filter ein Risiko für die Bildung von Thromben dar, weil hier nämlich im Eingußbereich die porösen Substrukturen der Hohlfasermembranen quer geschnitten sind und deshalb eine Fremdoberfläche mit großer Rauhigkeit darstellen, was wiederum für das Blut Anlaß zur Thrombenbildung bietet. Je größer die Zahl der Hohlfasern in den konventionellen Vorrichtung ist, um­ so größer ist diese Fläche und damit das Risiko der Thromben­ bildung. Bei einem langfristigen Einsatz derartiger Blutfilter besteht darüber hinaus wegen der erhöhten Fremdoberfläche ein größeres Risiko, daß der Patient eine Immunreaktion gegen das Filter zeigt.

Auch Nishida, H., et al., (1996) "An oxygenator with a built-in hemoconcentrator", ASAIO J. 42, Seiten M593-M597, haben dieses Risiko erkannt und versucht, bei einer Herzoperation verdünntes Blut dadurch wieder aufzukonzentrieren, daß sie es außen über symmetrisch aufgebaute, mikroporöse hydrophobe Hohlfasermembra­ nen leiten, die in einem Bereich eines Oxygenators angeordnet waren. Sie konnten so bei einem Blutfluß von 4 l/min, einem Hämatokrit von 25% sowie einer transmembranen Druckdifferenz von 200 mmHg pro Stunde 3,5 l Filtrat abziehen. Den dabei beob­ achteten Druckabfall geben sie mit 62 mmHg an.

Bei diesem Vorgehen wurde jedoch etwa zwei Drittel des lebens­ notwendigen Albumins aus dem Blut entfernt und somit eine Rein­ fusion von Humanalbumin erforderlich. Weder vom medizinischen noch vom ökonomischen Standpunkt aus ist dies wegen des damit verbundenen Infektionsrisikos und der hohen Kosten wünschens­ wert. Insbesondere ist diese Vorgehensweise nicht bei länger andauernden medizinischen Behandlungen oder bei kontinuierli­ chen industriellen Anwendungen in der Biotechnologie durchführ­ bar.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die vorstehend erwähnten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll auch für hohe Volumenströme ein möglichst ge­ ringer Druckabfall und dadurch eine effiziente Filtration, d. h. eine hohe Filtrationsrate erreicht werden.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Filtrieren von der Außenseite in das Lumen hinein erfolgt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Wei­ se vollkommen gelöst.

Die Erfinder vorliegenden Anmeldung haben nämlich erkannt, daß eine semipermeable, insbesondere für Albumin nicht durchgängi­ ge, benetzbare, insbesondere hydrophile Hohlfaser für eine Fil­ tration verwendbar ist, bei der die Hohlfaser auf ihrer Außen­ seite von der zu filtrierenden Flüssigkeit angeströmt wird. Überraschenderweise ergibt sich dabei nur ein sehr geringer Druckabfall zwischen der Einlaßöffnung für die zu filtrierende Flüssigkeit und den Stellen der Membranen, an denen die eigent­ liche Filtration erfolgt, so daß es auch über dem Gesamtsystem des Filters nur zu einem geringen Druckabfall kommt. So beträgt der Druckabfall bei einer getesteten erfindungsgemäßen Filter­ vorrichtung weniger als ein Drittel des Druckabfalls bei einem konventionellen Vergleichsfilter. Damit steht nahezu der gesam­ te Druck an der Einlaßöffnung des Filters als treibende Kraft an den Membranen für die Filtration zur Verfügung.

Darüber hinaus läßt sich durch das Anströmen der Hohlfasern auf der Außenseite eine turbulente Anströmung der Membranen errei­ chen, wodurch die sogenannte Konzentrationspolarisation vermie­ den werden kann. Dies bedeutet, daß aufkonzentrierte Deck­ schichten auf den Membranen entfallen, zu deren Überwindung ei­ ne zusätzliche Druckdifferenz erforderlich wäre. Bei laminarer Anströmung der Membranen im Lumen, wie sie bei konventionellen Filtern üblich ist, kann dieser Konzentrationspolarisation nur sehr schwer entgegengewirkt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht bei der neuen Vorrichtung darin, daß die gesamte von der zu filtrierenden Flüssigkeit kontak­ tierte Membranfläche für die Filtration zur Verfügung steht.

Ferner ist von Vorteil, daß keine porösen Hohlfaseranschnitte im An- oder Abströmbereich des Filters vorhanden sind, so daß auch die aus dem Stand der Technik bekannte Porosität fehlt, die bei der Filtration von Blut zu einer Thrombenbildung führen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Filter ist ferner die Länge der Hohl­ fasern nicht durch den Druckabfall in den Hohlfasern limitiert. Es ist daher nicht notwendig, viele kurze Fasern zu verwenden, bei denen - wie oben ausgeführt - ein relativ großer Anteil der wirksamen Membranfläche durch das Abdichten verlorengeht. Bei der neuen Vorrichtung gibt es nämlich keine nicht nutzbare Mem­ branfläche, die mit der zu filtrierenden Flüssigkeit in Kontakt gelangt.

Daraus folgt, daß die Fremdoberfläche, mit der das Blut in Kon­ takt gelangt, geringer ist als bei herkömmlichen Filtern, so daß die zuvor erwähnten Nachteile vermieden werden. Wenn bei der neuen Vorrichtung Fasern mit geringer Länge eingesetzt wer­ den, um die Dimensionen des Filters klein zu halten, so ist dies also dennoch nicht mit einer Erhöhung der Thrombosegefahr verbunden, weil im Kontaktbereich zu dem Blut keine Anschnitt­ flächen vorhanden sind.

Ein wirtschaftlicher Vorteil besteht bei der neuen Vorrichtung ferner darin, daß durch die verbesserte Wirksamkeit gegenüber herkömmlichen Systemen Filter mit vergleichbarer Effizienz ko­ stengünstiger hergestellt werden können, weil weniger Hohlfa­ ser-Material eingesetzt werden muß. So erreicht man eine zu ei­ nem herkömmlichen Filter vergleichbare Filtrationsrate mit we­ niger als einem Drittel der üblichen Membranfläche. Auch da­ durch ist eine weitere Reduzierung der Fremdoberfläche mit den bereits erwähnten Vorteilen möglich.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben ferner erkannt, daß verglichen mit einer innen durchströmten Faser die Wand­ stärke einer außen angeströmten Faser dicker ausgelegt sein kann, da der Innendurchmesser der Faser wegen des darin flie­ ßenden, dünnflüssigen Filtrates sehr klein gehalten werden kann. Wenn bei herkömmlichen Filtern eine dickflüssige Flüssig­ keit, wie bspw. Blut, durch das Lumen der Faser geführt werden soll, so muß deren Innendurchmesser größer sein, da andernfalls hohe Drücke mit hohem Druckabfall eingesetzt werden müssen, um einen ausreichenden Durchfluß zu erzielen.

Ein weiterer Vorteil der neuen Vorrichtung besteht darin, daß die Hohlfasern mit größerer Festigkeit als konventionelle Hohl­ fasern gefertigt werden können, weil aus den oben genannten Gründen bei gleichen Außenabmessungen das Lumen im Durchmesser klein gehalten werden kann, da es nämlich nur zum Abfluß des wäßrigen Filtrates dient. Während an konventionellen Hohlfa­ sermembranen aus gleichem Material maximale Reißfestigkeiten von 20-30 g pro Faser gemessen wurden, lassen sich für die er­ findungsgemäß verwendeten Hohlfasermembranen Reißfestigkeiten von 60-120 g pro Faser einstellen. Dies ermöglicht die Verar­ beitung der Membranen in Form von z. B. gewirkten Hohlfasermat­ ten und damit z. B. die Herstellung geordneter Strukturen im Filter mit definierten Faserabständen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung bestimmt die Außenseite der Hohlfaser deren Durchläs­ sigkeit und Trennschärfe. Unter Trennschärfe wird dabei die Ei­ genschaft der Membran verstanden, Moleküle bis zu einer be­ stimmten maximalen Größe passieren zu lassen.

Vorteilhaft ist dabei, daß sich höhermolekulare Substanzen oder partikuläre Bestandteile aus der zu filtrierenden Flüssigkeit nicht in der porösen Stützschicht der Membran akkumulieren kön­ nen, wie dies bei der Anströmung einer konventionellen Hohlfa­ ser von außen der Fall wäre, bei der die luminale Seite deren Durchlässigkeit bestimmt. Die Ansammlung dieser höhermolekula­ ren Substanzen und partikulären Bestandteile würde sehr schnell durch "Verstopfung" eine drastische Effizienzverminderung der Membran bewirken.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der neuen Vorrich­ tung weist die Hohlfaser Poren auf, deren durchschnittliche lichte Weite auf der Außenseite kleiner ist als auf einer lumi­ nalen Seite der Hohlfaser.

Vorteilhaft ist bei dieser Maßnahme neben der oben erwähnten Erhaltung der Effizienz beim Filtrieren, daß es sich um einen bei der Produktion der Hohlfaser leicht bestimmbaren Parameter handelt. Durch elektronenmikroskopische Aufnahmen kann nämlich die lichte Weite der Poren, die die Durchlässigkeit der Membran bestimmt, überwacht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung umfaßt die Hohlfaser an ihrer Außenseite minde­ stens eine die Durchlässigkeit der Membran bestimmende Trenn­ schicht, die integraler Bestandteil der Membran ist.

Vorteilhaft ist dabei, daß die Trennschicht in einem Prozeß zu­ sammen mit der Hohlfaser hergestellt werden kann. Dies kann bspw. dadurch geschehen, daß die zunächst flüssig vorliegende Polymerlösung, aus der die Hohlfaser hergestellt wird, in ein Fällbad hineingesponnen wird, das bestimmte Substanzen enthält, die die Fällung der Membran derart beeinflussen, daß sich die Trennschicht im äußeren Bereich der Hohlfaser bildet. Somit können größere Mengen von Hohlfasern gleicher Durchlässigkeit sehr kostengünstig hergestellt werden.

Ein solches Verfahren ist im Prinzip in der WO 98/52683 be­ schrieben. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird die Trenn­ schicht allerdings konventionell auf die luminale Oberfläche einer Hohlfasermembran aufgebracht. Ein analoges Verfahren ist nach Erkenntnis der Anmelderin jedoch auch zum Aufbringen einer Trennschicht auf die Außenseite einer Hohlfasermembran anwend­ bar.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung umfaßt die Hohlfaser an ihrer Außenseite minde­ stens eine die Durchlässigkeit der Membran bestimmende Trenn­ schicht, die separater Bestandteil der Membran ist.

Unter einem separaten Bestandteil wird hier verstanden, daß die Trennschicht in einem zweiten Arbeitsschritt aufgebracht wird. Diese Maßnahme ist unter anderem dann vorteilhaft, wenn Hohlfa­ sern mit unterschiedlichen Durchlässigkeiten und Oberflächenei­ genschaften erzeugt werden sollen. Dann können sehr günstig große Mengen einer Hohlfaser hergestellt werden, die lediglich als poröses Grundgerüst dient und auf die von außen je nach ge­ wünschten Eigenschaften eine entsprechende Trennschicht aufge­ bracht wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung sind die Hohlfasern derart angeordnet, daß beim Filtrieren vorwiegend nicht laminare Strömungsverhältnisse an den Hohlfasern vorliegen.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die effektiv zur Filtra­ tion zur Verfügung stehende transmembrane Druckdifferenz größer ist als bei einer Anordnung, bei der die zu filtrierende Flüs­ sigkeit in einer laminaren Strömung an den Hohlfasern vorbei­ strömt. Somit bewirkt diese Maßnahme eine effektivere Filtration.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt diese mehrere parallel wirkende Hohlfasern, die in Schichten angeordnet sind.

Vorteilhaft ist dabei, daß auf kleinem Raum eine große effektive ve Membranfläche zur Filtration zur Verfügung gestellt werden kann.

Bei einer Weiterbildung sind die Hohlfasern in einem Gehäuse angeordnet, das einen die Lumina der Hohlfasern umfassenden er­ sten Raum von einem mit den Außenseiten der Hohlfasern in Ver­ bindung stehenden zweiten Raum abtrennt.

Bei einem solchen Gehäuse kann der zweite Raum von der zu fil­ trierenden Flüssigkeit durchströmt werden, während aus dem er­ sten Raum das gesamte Filtrat aller parallel wirkenden Hohlfa­ sern abgeleitet werden kann. Dies hat den Vorteil, daß es bei einem solchen Gehäuse bspw. möglich ist, die für die Effizienz der Filtration entscheidende transmembrane Druckdifferenz da­ durch zu erhöhen, daß der Druck in dem ersten Raum durch das Anlegen eines Vakuums verringert wird. Falls Blut die zu fil­ trierende Flüssigkeit ist, ermöglicht dieses Verfahren eine für das Blut und seine zellulären Bestandteile sehr viel schonende­ re effektive Filtration, als es durch eine Erhöhung des Druckes auf das Blut möglich wäre.

In einer Weiterbildung sind die Schichten nebeneinander und versetzt übereinander angeordnet.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die zu filtrierende Flüs­ sigkeit so durch die Hohlfaser-Schichten geführt wird, daß sie mit einer möglichst großen Membranfläche in Kontakt kommt ohne daß es dabei zu laminaren Strömungsverhältnissen kommt. Somit bewirkt diese Maßnahme eine weitere Effizienzsteigerung.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei Hohlfasern auf, die nicht parallel zueinander angeordnet sind.

Bei dieser Anordnung werden ebenfalls laminare Strömungsver­ hältnisse vermieden, was die bereits erwähnten Vorteile mit sich bringt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrich­ tung mindestens zwei Hohlfasern auf, die im wesentlichen paral­ lel zueinander angeordnet sind.

Diese Anordnung hat vor allem den Vorteil produktionstechnisch einfacher und damit kostengünstiger realisierbar zu sein als eine Anordnung von ausschließlich nicht parallel verlaufenden Hohlfasern.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Zulauf für die zu fil­ trierende Flüssigkeit mit mindestens einer Austrittsöffnung zwischen den schichtweise angeordneten Hohlfasern auf.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein Teil der zu filtrieren­ den Flüssigkeit nicht erst viele Schichten von Hohlfasern durchdringen muß, um zu einer in ihrer Wirkung noch nicht durch die restliche zu filtrierende Flüssigkeit infolge Konzentrati­ onspolarisation in ihrer Effizienz verminderte Membran vorzu­ dringen. Darüber hinaus verringert diese Maßnahme den Wider­ stand und damit den Druckabfall in der gesamten Vorrichtung.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Ablauf für die fil­ trierte Flüssigkeit mit mindestens einer Öffnung zwischen den schichtweise angeordneten Hohlfasern auf.

Auch diese Maßnahme hat den Vorteil, den Druckabfall in der ge­ samten Vorrichtung so gering wie möglich zu halten, weil es auf diese Weise nicht zu einer Stauung der filtrierten Flüssigkeit kommt.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachste­ hend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils an­ gegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbei­ spielen und im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der:

Fig. 1 eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung zeigt;

Fig. 2a eine Schnittdarstellung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung entlang der Linie II-II in Fig. 1 zeigt;

Fig. 2b eine stark vergrößerte schematisierte Schnittdar­ stellung eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Hohlfaser aus Fig. 2a zeigt;

Fig. 2c eine stark vergrößerte schematisierte Schnittdar­ stellung eines weiteren möglichen Ausführungsbei­ spiels einer Hohlfaser aus Fig. 2a zeigt;

Fig. 3a eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;

Fig. 3b eine stark vergrößerte schematisierte Schnittdar­ stellung des Bereiches der offenen Hohlfaserenden aus Fig. 3a zusammen mit einer erfindungsgemäßen Weiterbildung zeigt;

Fig. 4 eine stark schematisierte Draufsicht auf die Mittel­ platte aus Fig. 3 zeigt;

Fig. 5a eine Draufsicht auf eine Mittelplatte in weiterer Ausführungsform und kleinerem Maßstab als in Fig. 4 mit einem beispielhaft angedeuteten Wickelschema zeigt;

Fig. 5b eine Draufsicht auf eine Mittelplatte wie in Fig. 5a mit einem weiteren beispielhaft angedeuteten Wickel­ schema zeigt;

Fig. 6a eine Schnittdarstellung eines Hohlfaser-Paketes mit einem Zulauf und einem Ablauf zeigt;

Fig. 6b eine stark schematisierte Draufsicht auf ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ablaufs zeigt; und

Fig. 6c eine stark schematisierte Schnittdarstellung des in Fig. 6 dargestellten Ablaufs entlang der Linie VI-VI in Fig. 6b zeigt.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt eine Vorrichtung zum Filtrie­ ren von Flüssigkeiten, insbesondere von Körperflüssigkeiten, mit einem Gehäuse 11.

In dem Gehäuse 11 sind mehrere in Form von Hohlfasern 12 vor­ liegende Membranen so angeordnet, daß sie das Innere des Gehäu­ ses 11 durchspannen, das von einer zu filtrierenden Flüssigkeit durchströmt wird, die durch einen Pfeil a angedeutet ist. Die Hohlfasern 12 sind durch eine Vergußmasse 13 gegen das Gehäuse 11 und gegeneinander abgedichtet. Die Hohlfasern 12 weisen je­ weils ein Lumen 14 auf, das über zwei gegenüberliegende, offene Hohlfaserenden 15 zwei Filtratsammelräume 16 in dem Gehäuse 11 miteinander verbindet. Diese Filtratsammelräume 16 sind durch die Vergußmassen 13 von einem Raum 17 getrennt, der von der zu filtrierenden Flüssigkeit durchströmt werden kann, und weisen je eine Filtratauslaßöffnung 18 auf. Das Retentat wird durch einen Pfeil b und das Filtrat durch Pfeile c, d angedeutet.

Wie durch die senkrechten Pfeile a, b angedeutet, strömt diese Flüssigkeit beim Filtrieren über eine Einlaßöffnung 19 in den von den Hohlfasern 12 durchspannten Raum 17, umspült die Hohl­ fasern 12 und verläßt den Raum 17 durch eine Retentatauslaßöff­ nung 20. Dabei können niedermolekulare Bestandteile aus der zu filtrierenden Flüssigkeit die Membranen passieren, sich in den Lumina 14 der Hohlfasern 12 sammeln und aus diesen Lumina 14 durch die offenen Hohlfaserenden 15 in die Filtratsammelräume 16 ausfließen und diese, wie durch die waagerechten Pfeile c, d angedeutet, durch die Filtratauslaßöffnungen 18 verlassen. Eine Öffnung 21 dient dabei zur Entlüftung.

Fig. 2a zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II in Fig. 1. Außer dem Gehäuse 11 mit dem Raum 17, der Einlaßöff­ nung 19 und der Retentatauslaßöffnung 20 sind die quergeschnit­ tenen Hohlfasern 12 gezeigt. Zwei mögliche Ausführungsformen dieser Hohlfasern 12 sind in den Fig. 2b und 2c als stark ver­ größerte schematisierte Querschnitte dargestellt. In Fig. 2b weist die Hohlfaser 12 Poren 28 auf, die auf einer dem Lumen 14 zugewandten Seite 29 eine größere lichte Weite aufweisen als auf einer Außenseite 30. Somit wird beim Filtrieren die Durch­ lässigkeit dieser Hohlfaser 12 durch die lichten Weiten der Po­ ren 28 auf der Außenseite 30 der Hohlfaser 12 bestimmt.

In Fig. 2c umfaßt die Hohlfaser 12 eine separate Trennschicht 32. Diese separate Trennschicht 32 liegt auf einer von einem porösen Grundgerüst 33 gebildeten Hohlfaser auf, deren Poren 34 jedoch so groß sind, daß sie die Durchlässigkeit der Membran in keiner relevanten Weise beschränken. Dagegen wird die Durchläs­ sigkeit auf der Außenseite 30 der Membran durch kleine Poren 35 der separaten Trennschicht 32 bestimmt.

Ein Verfahren zur Herstellung einer integralen Trennschicht auf der luminalen Seite einer Hohlfaser ist in der WO 98/52683 be­ schrieben. Auch dieses Verfahren ist analog auch zur Herstel­ lung einer Trennschicht auf der Außenseite einer Hohlfaser an­ wendbar.

In Fig. 3a bezeichnet 38 insgesamt eine alternative, von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung neu entwickelte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Filtrieren von Flüssig­ keiten.

Dabei bezeichnet 19 wieder die Einlaßöffnung, durch die, wie durch einen senkrechten Pfeil a angedeutet, die zu filtrierende Flüssigkeit in den von dem Gehäuse 11 gebildeten Raum 17 strö­ men kann, in dem sich ein Hohlfaser-Paket 39 befindet, das um eine Mittelplatte 40 herum angeordnet ist. Diese Mittelplatte 40 weist Öffnungen 41 für den Durchtritt von Flüssigkeit auf. Die Enden der Hohlfasern 12 in dem Hohlfaser-Paket 39 sind durch die Vergußmasse 13 gegeneinander und gegen das Gehäuse 11 abgedichtet. Die Lumina 14 der Hohlfasern 12 stehen über die aufgeschnittenen Hohlfaserenden 15 mit einem Außenraum in Ver­ bindung, der durch die Vergußmasse 13 von dem Raum 17 getrennt wird. Die dargestellte Vorrichtung weist einen rotationssymme­ trischen Aufbau bezüglich der senkrechten Mittelachse auf.

Beim Filtrieren durchströmt die durch die Einlaßöffnung 19 ein­ tretende, durch den Pfeil a angedeutete Flüssigkeit das Hohlfa­ ser-Paket 39 und passiert dabei die Mittelplatte 40 durch deren Öffnungen 41. Die filtrierte Flüssigkeit verläßt das Gehäuse 11, wie durch einen senkrechten Pfeil b angedeutet, durch die Retentatauslaßöffnung 20. Beim Durchströmen des Hohlfaser- Paketes 39 durchdringen niedermolekulare Bestandteile die Mem­ branen und geraten so in die Lumina 14 der Hohlfasern 12, die sie, wie durch waagerechte Pfeile c, d angedeutet, durch die offenen Hohlfaserenden 15 verlassen.

In der Fig. 3b ist der Bereich der offenen Hohlfaserenden 15 stark vergrößert und schematisiert zusammen mit einem Filtrat­ sammler 42 dargestellt.

Dabei bezeichnet 11 das Gehäuse der Vorrichtung zum Filtrieren von Flüssigkeiten, 12 die Hohlfasern, die das Hohlfaser-Paket 39 in dem Raum 17 bilden und von denen nur sechs zur Verdeutli­ chung dargestellt sind, 13 die Vergußmasse, 15 die offenen Hohlfaserenden, 40 die Mittelplatte, 41 die Öffnung in der Mit­ telplatte, 42 den Filtratsammler, 16 den Filtratsammelraum und 18 die Filtratauslaßöffnung. Der Filtratsammler 42 umspannt da­ bei die gesamte Vorrichtung 38 zum Filtrieren von Flüssigkei­ ten, so daß sich rund um die offenen Hohlfaserenden 15 der zu­ sammenhängende Filtratsammelraum 16 befindet.

Beim Filtrieren sammelt sich das aus den offenen Hohlfaserenden 15 austretende Filtrat in dem Filtratsammelraum 16 und fließt aus diesem durch die Filtratauslaßöffnung 18 ab.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Mittelplatte 40, die in Fig. 3 in einer Schnittdarstellung gezeigt ist. Die Mittelplat­ te 40 weist die Grundform eines regelmäßigen Achteckes auf, wo­ bei die Ecken jeweils in Form eines Hörnchens 43 ausgebildet sind. Die Hohlfasern 12 erstrecken sich in paralleler Anordnung von einer Seite 44 zu einer gegenüberliegenden Seite 45 des Achteckes sowie zwischen den übrigen gegenüberliegenden Seiten. Dabei sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige wenige dieser Hohlfasern 12 dargestellt und zum Teil nicht durchgehend gezeichnet, sondern nur angedeutet.

Auf dieser Mittelplatte 40 sind Bündel paralleler Hohlfasern 12 schichtweise angeordnet, die einen Winkel von jeweils 45° zum benachbarten Bündel paralleler Hohlfasern 12 aufweisen. Diese Bündel paralleler Hohlfasern 12 bilden in ihrer Gesamtheit das in Fig. 3a dargestellt Hohlfaser-Paket 39. Die Hörnchen 43 in der Mittelplatte 40 verhindern das Abrutschen einzelner Hohlfa­ sern 12 bei der Produktion, bei der die Hohlfasern 12 vorzugs­ weise auf der Mittelplatte 40 aufgewickelt werden. Die kreis­ rund dargestellten Öffnungen 41 in der Mittelplatte 40 können auch jede beliebige andere Form aufweisen und beispielsweise als Schlitze vorliegen. Es kommt dabei lediglich darauf an, daß diese Öffnungen 41 den Durchtritt von Flüssigkeit ermöglichen.

In den Fig. 5a und 5b bezeichnet 50 insgesamt eine weitere Aus­ führungsform einer Mittelplatte, die in Draufsicht dargestellt ist. Dabei bezeichnet 41 die Öffnungen, durch die beim Filtrie­ ren Flüssigkeit durchtreten kann und 43 die Hörnchen, die das Abrutschen der Hohlfasern 12 beim Aufwickeln auf diese Mittel­ platte 50 verhindern.

Bei dieser Ausführungsform der Mittelplatte 50 werden die Hohl­ fasern 12 schichtweise nach Art eines sternförmig aufgewickel­ ten Zwirnfadens aufgewickelt. So können die Hohlfasern 12 von je einer Aussparung 51 zwischen zwei Hörnchen 43 zu einer je­ weils direkt gegenüber liegenden Aussparung 52 zwischen zwei Hörnchen 43 aufgewickelt werden (Fig. 5a) oder auch zu einer Aussparung 53, die nicht direkt gegenüberliegt (Fig. 5b), so daß beim Einhalten eines bestimmten Wickelschemas in der Mitte der Mittelplatte 50 ein Freiraum bleibt, der von keiner Hohlfa­ ser 12 durchspannt wird und der beim Filtrieren das Eindringen der zu filtrierenden Flüssigkeit in das Hohlfaser-Paket 39 ebenso erleichtert, wie das Ausfließen der filtrierten Flüssig­ keit aus dem Hohlfaser-Paket 39. Auch in den Fig. 5a und 5b sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige wenige der Hohlfasern 12 dargestellt.

Darüber hinaus kann die Hohlfaser 12 zwischen zwei bestimmten Aussparungen 51, 52, 53 mehrmals hin und her gewickelt werden, so daß ein Bündel parallel verlaufender Hohlfasern 12 entsteht, das in einem bestimmten Winkel zu einem nächsten Bündel paral­ lel verlaufender Hohlfasern 12 steht, das in gleicher Weise ge­ wickelt wurde. Alternativ kann die Hohlfaser 12 zwischen zwei bestimmten Aussparungen 51, 52, 53 nur einmal pro Schicht ge­ spannt werden, so daß auch beim Wickeln mehrerer Schichten, be­ dingt durch die darunterliegenden Hohlfasern 12, keine Bündel paralleler Hohlfasern 12 entstehen und in dem resultierenden Hohlfaser-Paket 39 keine Hohlfasern 12 parallel zueinander ver­ laufen.

Bei dem in Fig. 6a dargestellten Hohlfaser-Paket 39 werden die Hohlfasern 12 derart auf die Mittelplatte 50 gewickelt, daß in der Mitte des Hohlfaser-Paketes 39 eine Aussparung bleibt, die einen Zulauf 61 und auf der anderen Seite der Mittelplatte 50 einen Ablauf 63 aufnimmt. Sowohl der Zulauf 61 als auch der Ab­ lauf 63 sind in Form eines Rohres ausgebildet, das mehrere Öff­ nungen 64 innerhalb des Hohlfaser-Paketes 39 aufweist.

Beim Filtrieren strömt die zu filtrierende Flüssigkeit, wie durch einen senkrechten Pfeil angedeutet, über den Zulauf 61 und die darin enthaltenen Öffnungen 64 seitlich in das Hohlfa­ ser-Paket 39. Dabei erleichtern die Öffnungen 64 das Eindringen der zu filtrierenden Flüssigkeit in das Hohlfaser-Paket 39. Beim Ablauf 63 erleichtern die Öffnungen 64 die Ableitung der filtrierten Flüssigkeit, so daß durch diese Maßnahme insgesamt der Druckabfall beim Filtrieren gering gehalten wird.

In Fig. 6b bezeichnet 70 insgesamt ein weiteres Ausführungsbei­ spiel eines Ablaufes, der in Draufsicht dargestellt ist. Dabei bezeichnet 64 Öffnungen in dem Ablauf.

Fig. 6c zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie VI-VI in Fig. 6b. 70 bezeichnet darin den Ablauf, 64 Öffnungen und 65 Rinnen in dem Ablauf 70.

Dieses Ausführungsbeispiel, bei dem die Öffnungen 64 so ver­ tieft in dem Ablauf 70 angebracht sind, daß sie nicht direkt von den Hohlfasern 12 des Hohlfaser-Paketes 39 bedeckt werden können, vermeidet durch die Rinnen 65, daß es beim Abfließen zu einer Stauung der filtrierten Flüssigkeit kommt.

Analog zu diesem Ausführungsbeispiel läßt sich auch ein Zulauf gestalten. Dabei vermeiden die Rinnen 65 eine Stauung der zu filtrierenden Flüssigkeit.

Claims (13)

1. Vorrichtung mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser (12) mit Außenseite (30) und Lumen (14) vorliegenden semi­ permeablen, benetzbaren, insbesondere hydrophilen Membran zum Filtrieren von Flüssigkeiten, insbesondere von Körper­ flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrieren von der Außenseite (30) in das Lumen (14) hinein erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite (30) der Hohlfaser (12) deren Durchlässig­ keit und Trennschärfe bestimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlfaser (12) Poren (28) aufweist, deren durchschnittliche lichte Weite auf der Außenseite (30) kleiner ist als auf einer luminalen Seite (29) der Hohlfaser (12).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlfaser (12) an ihrer Außenseite (30) mindestens eine die Durchlässigkeit der Membran be­ stimmende Trennschicht umfaßt, die integraler Bestandteil der Membran ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlfaser (12) an ihrer Außenseite (30) mindestens eine die Durchlässigkeit der Membran be­ stimmende Trennschicht (32) umfaßt, die separater Bestand­ teil der Membran ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlfasern (12) derart angeordnet sind, daß beim Filtrieren vorwiegend nicht laminare Strö­ mungsverhältnisse an den Hohlfasern (12) vorliegen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie mehrere parallel wirkende Hohlfasern (12) umfaßt, die in Schichten angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfasern (12) in einem Gehäuse (11) angeordnet sind, das einen die Lumina (14) der Hohlfasern (12) umfassenden ersten Raum (16) von einem mit den Außenseiten (30) der Hohlfasern (12) in Verbindung stehenden zweiten Raum (17) abtrennt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schichten nebeneinander und versetzt überein­ ander angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie mindestens zwei Hohlfasern (12) auf­ weist, die nicht parallel zueinander angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie mindestens zwei Hohlfasern (12) auf­ weist, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie mindestens einen Zulauf (61) für die zu filtrierende Flüssigkeit mit mindestens einer Aus­ trittsöffnung zwischen den schichtweise angeordneten Hohl­ fasern (12) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie mindestens einen Ablauf (63) für die filtrierte Flüssigkeit mit mindestens einer Öffnung zwi­ schen den schichtweise angeordneten Hohlfasern (12) auf­ weist.