DE2213159A1 - Ultrafiltrations-Trennvorrichtung - Google Patents
Ultrafiltrations-TrennvorrichtungInfo
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Description
Dr. F Zumstein son. - Dr. E- Assrnann
Dr.ltKoanlgsberger - Dipl. Phye. R.:Ho!ibeuer
8 Mönchen 2, Bräuhauwtraöe 4/111
SC 3884
RHONE-POULENC S.A., Paris, Frankreich
Ultrafiltrations-Trennvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung, die insbesondere zur Reinigung von Blut verwendbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch (a) eine Ultrafiltrationsbaugruppe, die eine durch eine Ultrafiltrationsmembran
in zwei Kammern unterteilte Zelle aufweist, wobei die erste Kammer mit Leitungen zur Zuführung und zum
Abziehen der zu behandelnden Flüssigkeit ausgestattet ist,
und die zweite Kammer mit einer Abzugsleitung für das Ultrafiltrat
versehen ist, (b) Einrichtungen, die ermöglichen, in der ersten Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe einen Druck
auszubilden, der höher als der in der zweiten Kammer der gleichen Baugruppe herrschende Druck ist, und (c) einen Dialysator,
der durch eine ionische Membran in zwei Kammern unterteilt ist, wobei die erste Kammer dieses Dialysators einerseits
eine Zuführungsleitung, die mit der Abzugsleitung für das Ultrafiltrat, das aus der Ultrafiitrationsbaugruppe stammt,
verbunden ist, und andererseits eine Abzugsleitung, die mit der Abzugsleitung der ersten Kammer der Ultrafiltrationsbau-
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gruppe verbunden ist, aufweist, wobei die zweite Kammer dieses Dialysators ihrerseits mit Zuführungs- und Abzugsleitungen
ausgestattet ist, so daß diese von einer "Reinigungslösung für das Ultrafiltrat" genannten Flüssigkeit durchströmt werden
kann.
Die als Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendeten Ultrafiltrationsbaugruppen können beliebige bekannte derartige Baugruppen, insbesondere die aus den französischen
Patentschrift 1 252- 995, 1 512 555 und 1 583 221, der US-Patentschrift
3 31H 024 und der kanadischen Patentschrift 819 509,
sowie dem Artikel von R.W. Baker [j. Appl. Polym. Sei. (I969)
13, 309 - 376] bekannten, sein.
Die Membranen und infolgedessen die Kammern der Baugruppen selbst können beispielsweise in ebener, konischer spiraliger oder rohrförmiger
Form (Baugruppen mit Hohlfasern: im folgenden umfasst der Ausdruck Membran die Hohlfasern) vorliegen. Selbstverständlich
kann man ausserdem eine einzige Ultrafiltrationsbaugruppe durch eine Reihe von einzelnen Baugruppen, die in Reihe oder
parallel geschaltet sind, ersetzen.
Die in der Ultrafiltrationsbaugruppe verwendeten Ultrafiltrationsmembranen
können jedem beliebigen bekannten Typ angehören: Es sind dies die für Moleküle (Lösungsmittel oder gelöster Stoff)mit
niedrigem Molekulargewicht permeablen und für Moleküle mit -, hohem Molekulargewicht impermeablen Membranen, wobei die
Grenze des Molekulargewichts zwischen filtrierenden Molekülen und nicht-filtrierenden Molekülen bei etwa 1000 bis 40 000
liegt.
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Ira spezielleren verwendet man in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen
Membranen, die befähigt sind, die Verbindungen
mit hohem Molekulargewicht und Bestandteile des Bluts (Blutkörperchen, Proteine, Thrombozyten, Fibrinogen und dergleichen)
zurückzuhalten und Wasser und Salze und die Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht (Harnstoff, Harnsäure,
Kreatinin, Zucker und dergleichen) durchgehen zu lassen.
Verwendbare Ultrafiltrationsmembranen sind beispielsweise in
der Encyclopedia of Polymer Science and Technology, J£
765 - 780 und in den französischen Patentschriften 1 521 021
und 1 58^ 659 beschrieben.
Als Haupttypen für verwendbare Ultrafiltrationsmembranen kann,
man die mikroporösen Membranen, die asymmetrischen Membranen (mit Haut), die komplexen Polyelektrolyt-Membranen vom biionischen
Typ und die Membranen vom Gel-Typ (nicht-mikroporös, jedoch mit lockerer Struktur), nennen.
Die Ausbildung eines Drucks in der zweiten Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe,
der niedriger als der in der ersten Kammer herrschende ist, erfolgt üblicherweise mittels einer
Pumpe. Es kann sich um eine Pumpe mit Uberdruckwirkung, die stromauf von der ersten Kammer angeordnet ist, oder vorzugsweise
um eine Pumpe mit Unterdruckwirkung, die stromab von der zweiten Kammer angeordnet ist, handeln.
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Der in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendete Dialysator
kann irgendein bekannter Dialysator sein, insbesondere ein Dialysator der in der französischen Patentschrift
1 597 874 beschriebenen Art. Die Membranen und infolgedessen
die Kammern des Dialysators selbst können beispielsweise eine ebene, konische, spiralige oder r.ohrförmige (Dialysator mit Hohlfasern)
Form haben. Selbstverständlich kann man außerdem einen .einzigen Dialysator durch eine Reihe von einzelnen Dialysatoren,
die in Reihe oder parallel geschaltet sind, ersetzen.
Die in dem Dialysator der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren
ionische Membranen genannten Membranen sind Membranen, die zumindest ein Polymeres mit Anionen- oder Kationenaustauschergruppen
enthalten. Diese Gruppen können insbesondere (gegebenenfalls in Salzform überführte Carbonsäure-, Sulfonsäure-,
Phosphonsäure- oder Phosphinsäuregruppen oder Sulfonium-,
Phosphonium- oder Ammoniumgruppen, insbesondere quaternäre Ammoniumgruppen, sein.
Unter den ionischen Membranen werden vorzugsweise die Membranen verwendet, die einerseits eine Permselektivität (gemessen wie
in der französischen Patentschrift 1 584 I87) über 50 %, vorzugsweise
über 70 %, und andererseits eine Harnstoff/NaCl-Selektivität
über 5* vorzugsweise über 10, besitzen. Die Harnstoff
/NaCl-Selektivität (mit S„_ bezeichnet) einer Membran
wird auf folgende Weise gemessen: In eine Zelle mit zwei Kammern, die durch die Membran getrennt sind, bringt man in die
erste Kammer eine wässrige Lösung mit einer Konzentration von 0,1m Harnstoff und 0,1 m NaCl und in die zweite Kammer eine
wässrige Lösung, deren Konzentration an Glucose derart ist, daß die osmotischen Drucke der beiden Kammern gleich sind, ein. Die
Selektivität S ist dem Verhältnis der UberfUhrungs^oeffi-ien-
US .j
ten von Harnstoff und Natriumchlorid gleich: S1 = Harnstoff
US η
uNaCl
Diese Koeffizienten werden ihrerseits mittels der Gleichung
0 = A . U . ^C . T
? Π 9 t- ■* 0 / I) H 0 7 BAD ORIGINAL
berechnet, in der # das Gewicht des durch die Membran hindurch
während der Zeitspanne T überführten gelösten Stoffes bezeichnet, ^C den lo.garithmi sehen Durchschnitt der Konzentrationsunterschiede
zwischen den beiden Kammern der Dialyse-Vorrichtung zu Beginn und am Ende der Zeitspanne T bedeutet
und A die Oberfläche der verwendeten Membran ist.
Die oben definierten ionischen Membranen können unverstärkt oder durch einen externen oder internen permeablen Träger,
wie beispielsweise ein Textilvlies, verstärkt sein. Sie können
dem homogenen oder heterogenen Typ angehören.
Als Polymere oder Copolymere, die sich insbesondere zur Herstellung
der in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendbaren ionischen Membranen eignen, kann man die folgenden nennen:
- die sulfonierten Styrol-Divinylbenzöl-Copolymeren
- die chlormethylierten und quaternisierten Styrol-Divinylbenzol-Copolymeren
- die quaternisierten Vinylalkohol-Vinylpyridin-Copolymeren
- die sulfatierten Äthylen-Vinylalkohol-Copolymeren
- die mit Epichlorhydrin kondensierten und dann aminierten Äthylen-Vinylalkohol-Copolymeren
- die quaternisierten Acrylnitril-Vinylpyridin-Copolymeren
- die aus Polyhydroxy<M.thern (Polykondensationsprodukte von Bisphenol
mit Epichlorhydrin) durch kondensation mit Epichlorhydrin und anschließende Aminierung erhaltenen Polykondensate
- die sulfonierten Polyarylätherfulfone
- die sulfonierten oder chlormethylierten und dann aminierten Tetrafluoräthylen-Styrol-Copolyneren
- die In 3aIzform Übergeführten oder nicht in Salzform Uber-KUführten
Acrylriltrilmethallylsulfonsäure-CopoLymeren.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind insbesondere als
künstliche Nieren zur Reinigung von Blut und insbesondere zur Entfernung von Ausscheidungsprodukten, wie beispielsweise
Harnstoff, verwendbar. Bei dieser Anwendung unterzieht man das Blut einer gewöhnlichen Ultrafiltration und reinigt dann
das Ultrafiltrat durch Dialyse.
Das Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung dieses Blutultrafiltrats
stellt ebenfalls einen Gegenstand der Erfindung dar. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Ultrafiltrat in einem Dialysator, der mit einer ionischen Membran ausgestattet ist, zirkuliert und dann in den Blutkreislauf
zurückgeführt wird, wobei die zweite Kammer dieses Dialysators von einer Lösung durchströmt wird, die einen osmotischen
Druck hat, der geringer als der osmotische Druck des Ultrafiltrats oder gleich diesem ist.
Die Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema zur Erläuterung der erfindungsgemässen Vorrichtungen
und des" Betriebs der Verfahrens gemtss der Erfindung
und
Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung, wie sie bei einer bevorzugten
Ausführungsform verwendet wird.
Das in Fig. 1 dargestellte Schema zeigt eine als künstliche Niere verwendete erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Ultrafiltrationsbaugruppe
ist bei 1 gezeigt, wobei die Ultrafiltrationsmembran mit 2 bezeichnet ist. Der Dialysator ist bei
dargestellt, wobei seine ionische Membran mit 12 bezeichnet ist. Die erste Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe wird
mittels der Leitung 3 mit Blut aus einem Blutgefäß des zu
behandelnden Patienten gespeist. Die Leitung 4 ermöglicht, dan Blut, abzuzieh? η und es in «Ine Vene des Patienten :'u re ·
'UP) H 't D ' ΜΠ0 /
injizieren. Das Ultrafiltrat wird aus der Ultrafiltration baugruppe
über die Leitung 8 abgezogen und in die erste Kammer des Dialysators 11 eingeführt. Nach Durchführung der
Dialyse wird dieses Ultrafiltrat über die Leitung 9, die in die Leitung 4 unter Bildung der Leitung 10 mündet, in den
Blutkreislauf geführt (man kann die Leitung 9 auch direkt mit einer Vene des Patienten verbinden). In der zweiten Kammer
des Dialysators 11 zirkuliert die Reinigungslösung für das ultrafiltrat, die bei 5 eingeführt und bei 6 abgezogen
wird. Der Umlauf der verschiedenen Flüssigkeiten kann durch nicht dargestellte Pumpen sichergestellt werden.
Das bei 8 umlaufende Ultrafiltrat besteht im wesentlichen aus
einer wässrigen Lösung von Salzen oder Säuren (NaCl, KCl, MgCIp, CaCIp, CH^COONa, Harnsäure), sowie anderen Produkten
mit niedrigem Molekulargewicht (Harnstoff, Kreatinin, Zuckern)
Die Reinigungslösung für das Dialysebad ist eine Lösung mit einem osmotischen Druck, der geringer als der.oder gleich demjenigen
des Ultrafiltrats ist. Im allgemeinen besteht diese Lösung einfach aus Wasser. Der osmotische Druck wird mit
irgendeinem üblichen Mittel eingestellt, beispielsweise durch Zugabe von Zuckern zu dieser Reinigungslösung oder durch Ausbildung
eines Unterdrucks in dieser Reinigungslösung mittels einer Pumpe.
Der osmotische Druck der Reinigungslösung für das Ultrafiltrat kann konstant sein oder dagegen variabel sein. Man kann insbesondere
diesen osmotischen Druck dem osmotischen Druck des Ultrafiltrats während gewisser Zeitspannen gleich machen und
dann diesen letzteren osmotischen Druck während anderer Zeitspannen herabsetzen. Auf diese Weise bewirkt man praktisch
die zeitliche und intermittierende Miktion je nach Ermessen.
2 0 9 H Λ Π / i) 8 Ü 7
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem durch Sicherheitseinrichtungen,
insbesondere Filter für Teilchen und Blasenfallen, vervollständigt werden. Die Filter für Teilchen
haben hauptsächlich den Zweck, die Einführung von Koagulaten in" den Blutkreislauf des Patienten zu vermeiden,
und die Blasenfallen haben den Hauptzweck, die Einführung von Luft in diesen gleichen Blutkreislauf zu verhindern. Diese
verschiedenen Sicherheitseinrichtungen werden vorteilhafterweise in der Leitung 10 angeordnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße
Verfahren besitzen außer ihrer Wirksamkeit den Vorteil, ein Gerät mit vermindertem Volumen zu erfordern, was die Herstellung
von transportablen künstlichen Nieren ermöglicht.
Eine Verbesserung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt schließlich einen weiteren
Gegenstand der Erfindung dar. Gemäß dieser Verbesserung strömt die Reinigungslösung für das Ultrafiltrat in geschlossenem
Kreis, wobei sie aufeinanderfolgend in den Dialysator der erfindungsgemäßen Vorrichtung und in eine
Vorrichtung zur Entfernung von Ausscheidungsprodukten geführt wird,
Bei dieser Arbeitsweise sind die Einführungsleitung und die Abzugsleitung für die Flüssigkeit der zweiten Kammer des
Dialysators der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Vorrichtung zur Entfernung von Ausscheidungsprodukten verbunden.
Die bei dieser bevorzugten Ausführungsform verwendete Vorrichtung
ist in Fig. 2 gezeigt. Sie unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß Fig. 1 nur durch die zusätzliche Vorrichtung
21 zur Entfernung von Ausscheidungsprodukten.
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Diese Vorrichtung zur Entfernung von Ausscheidungsproduktenbesteht
beispielsweise aus einer Absorptionsvorrichtung im allgemeinsten Sinne des Ausdrucks, der die Adsorption umfaßt.
Diese Entfernung kann durch einen physikalischen Mechanismus oder durch einen chemischen Mechanismus stattfinden. Im '
Spezielleren kann man als Adsorptionsvorrichtung Säulen von Aktivkohle und Ionenaustauscherharzen nennen. Die in Frage
stehenden A.us Scheidungsprodukte sind im wesentlichen Harnstoff, Harnsäure und Kreatinin.
Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
In einer Vorrichtung, wie der in Fig. 1 gezeigten, führt man
die Reinigung eines menschlichen Bluts mit einem Harnstoffgehalt
von 1 g/Liter durch.
Die Membran der Ultrafiltrationsbaugruppe 1 weist eine Oberfläche von 0,2 m und eine Dicke von 4o/U in feuchtem Zustand
auf. Sie besteht aus einem Aerylnitril-Natrium-methallylsulfonat-Copolymeren
(mit einem Gehalt von 9 Gew.-J^ Methallylsulfonat,
berechnet für das trockene Polymere), die mit Wasser unter Druck bei 1450C behandelt ist (was ihr eine Struktur
vom "Gel"-Typ verleiht; Permeabilität für Wasser
•ζ Ρ
0,06 enr/min . cm unter 2 bar).
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Eine an der Leitung 8 angeordnete Pumpe bewirkt einen Druckunterschied
νοηβΟΟ mm Hg zwischen den beiden Kammern der
Ultrafiltrationsbaugruppe.
Die Membran des Dialysators 11 besitzt eine Oberfläche von
0,86 cm , eine Dicke von 33 M in trockenem Zustand* eine
Permselektivität von 77 % und eine Selektivität s„„ von 28.
us
Sie besteht aus einem Polymeren, das auf folgende Weise hergestellt
ist: Ein 2,2-Bis-(hydroxyphenyl)-propan/Epichlorhydrin-Polykondensat
(reduzierte Viskosität, gemessen bei 25°C mit einer Lösung von 2 g/l in Dimethylformamid: 36 cnr/g)
wird mit Epichlorhydrin bei 62°C in Anwesenheit von BP 3-Ätherat
kondensiert. Das erhaltene Produkt (Cl - 8;1 %) wird
mit einer Lösung von (CH-,),N in Dimethylformamid bei 700C
aminiert. Stickstoffgehalt: 1,95 %» Chlorgehalt: 7,17 %·
Das Blut wird in die Ultrafiltrationsbaugruppe in einer Menge von 200 cnr/min eingeführt. Der Durchsatz des Ultrafiltrats
in der Leitung 8 beträgt 20 cnr/min.
Die Reinigungslösung für das Ultrafiltrat ist eine wässrige Glucoselösung mit einem Gehalt von 56 g/l. Ihr Durchsatz
beträgt 1 l/min.
Unter Arbeiten in dieser Weise entfernt man den Harnstoff in einer Menge von 1 g/Stunde. Das Natriumchlorid des Bluts
wird nur in einer Menge von 0,5 g/Stunde entfernt.
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Claims (5)
1., Trennvorrichtung, die insbesondere zur Reinigung von Blut
verwendbar ist, gekennzeichnet durch (a) eine. Ultrafiltrationsbaugruppe,
die eine durch eine Ultratfiltrationsraembran in zwei Kammern unterteilte Zelle aufweist, wobei die erste
Kammer mit Leitungen zur Zuführung und zum Abziehen der zu behandelnden Flüssigkeit ausgestattet ist und die zweite
Kammer eine Abzugsleitung für die ultrafiltrierte Flüssigkeit aufweist, (b) Einrichtungen, die ermöglichen, in der ersten
Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe einen Druck auszubilden, der größer als der in der zweiten Kammer der gleichen
Baugruppe herrschende ist, und (c) einen Dialysator, der durch eine ionische Membran in zwei Kammern unterteilt ist,
wobei die erste Kammer dieses Dialysators einerseits eine Zuführungsleitung, die mit der Abzugsleitung der zweiten
Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe verbunden ist, und andererseits eine Abzugsleitung aufweist, die mit der Abzugsleitung
der ersten Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe verbunden ist, und wobei die zweite Kammer dieses Dialysators
ihrerseits Zuführungs- und Abzugsleitungen aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ionische Membran eine Permselektivität über 50 %, vorzugsweise
über 70 %, und eine Harnstoff/NaCl-Selektivität
über 5* vorzugsweise über 10, aufweist.
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3« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die ionische Membran ein Polymeres aus der Gruppe von
- sulfonierten Styrol-Divinylbenzol-Copolymeren «
- chlormethylierten und quaternisierten Styrol-Divinylbenzol-Copolymeren,
- quaternisierten Vinylalkohol-Vinylpyridin-Copolymeren
- sulfatierten Äthylen-Vinylalkohol-Copolymeren
- mit Eplchlorhydrin kondensierten und dann aminierten
Äthylen-Vinylalkohol-Copolymeren
- quaternisierten Acrylnitril-Vinylpyridin-Copolymeren
- Polykondensaten, erhalten aus Polyhydroxyäthern (Produkten der Polykondensation von Bisphenol mit Epichlorhydrin)
durch Kondensation mit Epichlorhydrin und anschließender Aminierung
- sulfonierten Polyaryläthersulfonen
- sulfonierten oder chlormethylierten und dann aminierten Tetrafluoräthylen-Styrol-Copolymeren und
« gegebenenfalls in Salzform überführten Acrylnitril-Methallylsulfonsäure-Copolymeren
umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Speise- und Abzugsleitungen des Dialysators mit einer
Vorrichtung zur Entfernung von lusscheidungsprodukten aus Blut,
insbesondere Harnstoff, verbunden sind.
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5. Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung eines Blutultrafiltrats,
dadurch gekennzeichnet, daß dieses Ultrafiltrat in einem Dialysator, der eine ionische Membran, aufweist,
zirkuliert und dann wieder in den Blutkreislauf reinjiziert wird, wobei die zweite Kammer des Dialysators von einer Reinigungslösung
für das Ultrafiltrat genannten Lösung durchströmt wird, die einen osmotischen Druck aufweist., der kleiner als
der osmotische Druck des Ultrafiltrats oder gleich diesem ist,
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Leerse
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