DE19913416A1 - Vorrichtung mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser vorliegenden Membran zum Filtrieren von Flüssigkeiten - Google Patents
Vorrichtung mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser vorliegenden Membran zum Filtrieren von FlüssigkeitenInfo
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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.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999113416 DE19913416A1 (de) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | Vorrichtung mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser vorliegenden Membran zum Filtrieren von Flüssigkeiten |
PCT/EP2000/002166 WO2000057996A1 (de) | 1999-03-25 | 2000-03-11 | Vorrichtung mit mindestens einer in form einer hohlfaser vorliegenden membran zum filtrieren von körperflüssigkeiten |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999113416 DE19913416A1 (de) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | Vorrichtung mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser vorliegenden Membran zum Filtrieren von Flüssigkeiten |
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DE19913416A1 true DE19913416A1 (de) | 2000-10-05 |
Family
ID=7902285
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1999113416 Ceased DE19913416A1 (de) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | Vorrichtung mit mindestens einer in Form einer Hohlfaser vorliegenden Membran zum Filtrieren von Flüssigkeiten |
Country Status (2)
Country | Link |
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