DE2215761A1

DE2215761A1 - Verfahren und Vorrichtung für die Zwangsstrom-Elektrophorese

Info

Publication number: DE2215761A1
Application number: DE19722215761
Authority: DE
Inventors: Guy Bourg-la-Reine Hautsde-Seine Bourat (Frankreich)
Original assignee: Rhone Poulenc SA
Current assignee: Rhone Poulenc SA
Priority date: 1971-03-30
Filing date: 1972-03-30
Publication date: 1972-10-12
Also published as: FR2131859B1; FR2131859A1; LU65075A1; US3829370A; NO130976C; IT959581B; GB1338543A; CA985209A; CH543305A; SU487476A3; NO130976B; BR7201749D0; NL7203835A; BE781424A

Description

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v/Li
SG 3892

RHOiIE-POULEIiG S.A., Par i s, Pranke eich

Verfahren und Vorrichtung für die Zwangsstrom-Elektro-

phorese.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Zwangsstrom-Elektrophorese.

Die Zwangsstrom-Elektrophorese ermöglicht die Trennung von "beweglichen Gemischen in V/asserlösung in einem elektrischen Feld.

Es ist "bekannt, daß das Srennvermb'gen einer Elektrophorese- oder Elektrolysezelle verbessert werden kann, indem die Zelle mit Hilfe eines Filterelemente aus nicht-leitendem Material quer zu dem elektrischen Feld unterteilt wird, wobei das Filterelement eine Porosität aufweist, die danach bestimmt wird, daß die beweglichen Verbindungen (Ionon, Atome oder Moleküle) in dem elek-

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trischen PeId in wenigstens einer Richtung hindurchtreten können, jedoch in der entgegengesetzten Richtung unter der Einwirkung der einfachen Diffusion und der natürlichen Bewegungen der behandelten Flüssigkeit gehindert werden.

Im Zusammenhang mit der Elektrophorese hat es sich als vorteilhaft erwiesen, der elektrischen Kraft, die durch die Spannung an den Klemmen der Zelle hervorgerufen v/ird, eine hydrodynamische Kraft zu überlagern, die eine Punktion der Viskosität der dor Elektrophorese unterworfenen Flüssigkeit und ihres Umlaufsinnes (Zwangsstrom) ist.

Unter diesen Bedingungen hängt das Trennvermögen von der elektrischen Ladung der zu trennenden Verbindungen ab, kann jedoch von ihrem Molekulargewicht unabhängig gemacht werden.

Im Hinblick auf dieses Verfahren sind verschiedene Verbesserungen vorgeschlagen worden. Die US-PS 3 079 318, "Transactions of the American Society for Artificial Intern Organs" XVI (1970) 325-334, gibt beispielsweise folgende Lehre: -Die Elektroden v/erden in einen unabhängigen Elektrolyten eingetaucht, der von der zu behandelnden Flüssigkeit durch eine Dialysemembran getrennt ist;

-die durch den Stromdurchgang erzeugte Wärme v/ird durch einen gekühlten Elektrolyten, der von der zu behandelnden Flüssigkeit durch Dialysemembranen getrennt ist, abgeführt; -die Veränderungen der Ionenkonzentration wird durch Ausgleich der Zusammensetzung der verschiedenen Elektrolyten verringert; -die Elektroden werden in einen gemeinsamen Elektrolyten eingetaucht, der parallel in zwei Abteilungen umläuft, wobei die beiden Elektrolytströme vor dem nächsten Umlauf zusammengeführt werden;

-ein Hilfselektrolyt wird auf beiden Seiten der Elektrophoreseabtoilungen unter Vereinigung der verschiedenen Ströme dieses Elektrolyten und anschließender Rückführung umgewälzt.

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Diese Verbesserungen sind jedoch unzureichend und gestatten beispielsweise keine saubere Trennung von nahe beieinanderliegenden Produkten, wie ß- und /** - Globulin.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Trennverfahren durch Elektrophorese mit Hilfe eines Zwangsstromes einer wäßrigen Flüssigkeit, die wenigstens zwei Bestandteile enthält, deren relative Beweglichkeit in einem elektrischen Feld sich in Abhängigkeit des pH-Wertes ändert, zur Erzielung einer angereicherten und einer verarmten Fraktion in wenigstens einem dieser Bestandteile sowie eine speziell für die Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vorrichtung.

Die Erfindung ermöglicht es, mit erhöhter Sicherheit und Selektivität zu arbeiten.

Das erfindungngemäße Verfahren bezieht sich auf eines oder mehrere der bekannten, oben genannten Verfahren und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolyt-Hilfsströme, die auf beiden Seiten der Elektrophorese-Abteilungen umlaufen, unterschiedliche, mittlere pll-V/erte aufweisen. Unter mittlerem pH-V/ert versteht man den pli--,vert, den ein Elektrolyt aufweisen würde, der in seiner Abteilung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß homogen wäre.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Elektrophoresezelle, die für die Durchführung des zuvor genannten Verfahrens geeignet ist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die äußeren Abteilungen, die jeweils die Anode und die Kathode enthalten, von den Zwischenabteilungen durch Ionen-eelektive Membranen umgekehrter Polarität, und zwar eine Anionen-selektive, für Kationen undurchdringliche I-leir/bran auf der Seite der Kathode und durch eiiiü Kationen-selektive, für Anionen undurchdringliche Membran auf der Seite der Anode getrennt sind.

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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von wesentlich reineren Produkten, als es bei den herkömmlichen Verfahren der Pail war. Das Verfahren gestattet es, in wenigstens einer der Elektrophorese-Abteilungen einen pH-Wert einzustellen, der dem Maximum der Beweglichkeit des einen der zu trennenden Bestandteile entspricht, während der pH-Wert der anderen Abteilung entweder nicht verändert wird oder die Förderung im umgekehrten Sinne von zumindest einem anderen Produkt sicherstellt. So enthält in den die Erfindung erläuternden Beispielen die anodische Elektrophorese-Abteilung Blut, das mit möglichst geringer Veränderung zum Spender zurückgeführt v/erden soll, und dessen pH-Wert insbesondere konstant bleiben soll. Die hydrodynamische Komponente in Richtung der Kathode zieht in der kathodischen Elektrophorese-Abteilung die nichtionischen und die weniger beweglichen Anteile der Anionen (insbesondere die Globuline) und außerdem die Kationen mit sich. Indem der pH-Wert nur in dieser kathodischen Abteilung erhöht wird, kann die Differenz der Beweglichkeit zwischen den verschiedenen Teilchen vergrößert werden, und am Ausgang der anodischen Abteilung erhält man ein wieder verwendbares Blut, während am Ausgang der kathodischen Abteilung eine Lösung von J' - Globulin ohne ·■*-- und ß-Globulin anfällt.

Obwohl die Art des Hauptelektrolyten, in den die Elektroden eintauchen, im allgemeinen nicht kritisch ist, .verwendet man vorzugsweise eine Base, wie eine wäßrige Fatronlösung. Sie gestattet die Verwendung von Elektroden aus nicht rostendem Stahl anstelle von Platinelektroden. Im übrigen entstehen im Falle von Blut bei der neutral is ierung des ITatrons durch Salzsäure in dem Hilfselektrolyten keine störenden Ionen.

Der Unterschied des mittleren pH-Wertes in den Abteilungen, die an die Elektrophorese-Abteilungen angrenzen, kann dadurch hergestellt werden, daß jede Abteilung mit ihrem eigenen Hilfselektrolyten mit zuvor festglegter Menge, pH-Wert und Puffer-

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wirkung versorgt" wird, jedoch macht das zwei Einrichtungen zur Zufuhr (und gegebenenfalls Rückgewinnung) des Elektrolyten erforderlich.

Allgemein ist es vorzuziehen, Hilfselektrolyten mit demselben pH-V/ert und derselben Pufferwirkung zu verwenden und sie in ihren jeweiligen Abteilungen mit ausgewählten mittleren Geschwindigkeiten umlaufen zu lassen, damit sich der optimale pH-Wert in wenigstens einer der Abteilungen unter der Einwirkung der Ionenübertragung einstellt. Es ist zweckmäßig, eine gemeinsame Quelle für den Hilfselektrolyten zu verwenden und sie in zwei Ströme zu unterteilen, die je eine Abteilung versorgen. Gewünscht enf alls kann man die beiden Ströme anschließend wieder vereinigen und nach einer unter Umständen vorgenommenen Korrektur ihrer Zusammensetzung zurückführen.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, jedoch vorteilhaft, wenn die Ströme des Hilfselektrolyten oder der zu trennenden Flüssigkeit eine Pufferwirkung in zumindest einem der in Betracht kommenden pH-Bereiche ausüben. Es kann natürlich auch mit nicht puffernden Lösungen gearbeitet werden, jedoch ist die Stabilität des pH-Wertes dann schwieriger zu erreichen, und es werden genauere Reglungen der voneinander abhängigen Parameter erforderlich (Ausgangszusammensetzung der Flüssigkeiten, Mengenströme, Spannungen zwischen den Elektroden).

Die Herstellung der zu trennenden Flüssigkeiten, ihre Durchsatzmengen am Einlaß und am Auslaß der Zelle und die Spannung zwischen den Elektroden sind nicht besonders zu erörtern und werden unter denselben Ge Sichtspunkten, wie bei den bekannten Verfahren bestimmt. So wird die Elektrodenspannung im allgemeinen an die Menge der Plussigkeitsteilung nach dem Durchgang durch die Filtermembran angepaßt, wobei die Polaritätsrichtung vorzugsweise so gewählt wird, daß diese Fraktion dem leichtesten Filterbestandteil entspricht. Das Verhältnis der Mengen der

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beiden Fraktionen wird in Abhängigkeit von der gewünschten Reinheit oder des gewünschten Ausstosses bestimmt und hängt von dem Druckunterschied auf beiden Seiten der Membran und der Porosität dieser Membran ab.

Die Spannungsreglung in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsdurchsatz durch die Filtermembran ermöglicht die Aufrechterhaltung des Trennbereiches der beiden Fraktionen in Höhe der Membran. ' Zur gleichen Zeit hängt die Spannung von den linearen Geschwindigkeiten der Elektrolyten in Berührung mit den Trenntneaebranen ab. Zu geringe G eschwindigkeiten führen zu einer Bildung einer unbev/eglichen Grenzschicht, in der sich die Ionen nicht erneuern können. Diese E rscheinung erhöht die Spannung an den Elektroden und damit deren Leistungsverbrauch.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine sehr einfache Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und vermeidet die Diffusion von störenden Produkten von den Elektroden aus.

Wenn daher der Hauptelektrolyt eine ITatronlösung ist, gestattet eine Kationen-selektive Membran auf der Seite der Anode lediglich den Durchgang der ITa -Ionen, und eine Anionen-selektive Membran auf der Seite der Kathode ermöglicht lediglich den Durchgang von OH~ -Ionen. Das elektrische Feld bewirkt demnach eine Einleitung der Natronlauge in den Hilfselektrolyten, und die einzigen Korrekturen, die vorzugsweise oder notwendigerweise durchgeführt werden müssen, bestehen je nach dem Einzelfall darin, daß

- dem Hauptelektrolyten Watronlauge in einer Menge zugesetzt wird, die der Intensität des elektrischen Stromes in der Zelle entspricht,oder

- daß im Hilfselektrolyten die Natronlauge durch eine äquivalente Menge einer geeigneten Säure, wie beispielsweise Salzsäure, neutralisiert wird, wenn die behandelte Flüssigkeit

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Chloride enthält oder aufnehmen kann. Zudem hindert die Kationenselektive Membran die Chloridionen an der Bildung von Chlor an der Anode, die sowohl für eine Stahlanode als auch für die meisten behandelten Flüssigkeiten ungünstig ist.

V/enn ein saurer Hauptelektrolyt verwendet werden soll, wählt man vorzugsweise eine Oxysäure, wie die Schwefelsäure, die sich an der Anode bei einfacher Abgabe von Sauerstoff regeneriert. Vienn die Anwesenheit dor Ionen dieser Oxysäure in der zu trennenden Flüssigkeit störend wirkt, kann man lediglich die anodische Abteilung mit dieser Säure versorgen, während die Kathode in eine andere, besser geeignete Säure, "beispielsweise Salzsäure, eingetaucht -wird. In all diesen Fällen hält die Ionen-selektive, anodische Ke tub ran die aus der katta.odisota.en Abteilung austretenden Anionen fest und hält sie in dem Hilfselektrolyten zurück.

Die Ur. 1;erdrückung der Chlorbildung ermöglicht in allgemeinen«, den Hilfselektrolyten mit einem Minimum von Eingriffen zum Ausgleich seiner Zusammensetzung zn erhalten. Es reicht in diesem Falle aus, den Anteil des Hauptelektrolyten zu neutralisieren, der durch die Elektrolyse hervorgerufen wird, und den Hilfselektrolyten sodann zurückzuführen.

Geeignete Ionen -selektive Membranen sind bekannt und stehen im Handel zur Verfügung.

Das Filterelement ist im allgemeinen mikroporös mit einem mittleren Öffnungsdurchmesser, der den Durchtritt der durch· die hydrodynamische Komponente bewegten Elemente ermöglicht. Die Membranen, die die Elektrophorese-Abteilungen von den Abteilungen des Hilfselektrolyten trennen, wirken im allgemeinen dialysierend ουer ultrafiltrierend und weisen eine Halteschwelle auf, die den Ionen oder Molekülen entspricht, deren Durchtritt verhindert werden seil. Die Halteschwelle entspricht im allgemeinen einem

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geringen Molekulargewicht, beispielsweise 1000, 500 oder sogar noch weniger. Im allgemeinen sind Membranen aus regenerierter Zellulose geeignet.

Die Zelle kann nach üblichen Verfahren hergestellt werden und aus ringförmigen, konzentrischen oder flachen Elementen bestehen, die übereinander angeordnet werden. Im letzteren Falle ist die Höhe der Abteilungen im allgemeinen größer als ihre Länge bei einem bevorzugten Verhältnis von 3:1 bis 5:1. Die Breite der Abteilungen ist gering, im allgemeinen geriiger als 10 mm und vorzugsweise 1 bis 4 mm. Die unterschiedlichen Abteilungen ein und derselben Zelle haben vorzugsweise Nutzquerschnitte, die etwa aneinander gefügt werden können.

Entsprechend den üblichen Verfahren können auch mehrere Zellen zu Batterien zusammengesetzt werden (und zwar in Reihe, parallel oder parallel in Reihe).

Natürlich können die einzelnen Parameter und Eigenschaften der Zelle durch den Fachmann entsprechend den Bedürfnissen des Einzelfalles verändert werden.

Im folgenden werden beispielsweise, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Elektro-, phoresezelle mit Zubehör;

Fig. 2 ist eine Explosionsdarstellung einer Hälfte der Zelle, die ein Ausführungsbeispiel der verschiedenen Elemente veranschaulicht;

Fig. 3 und 5 sind schetnatische Darstellungen der Anordnung, die die praktische Verwendung der Erfindung im Laboratorium zeigt;

Fig. 4 veranschaulicht eine Sonderform der Abteilung.

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Entsprechend Pig. 1 ist die Elektrophoresezelle 1 in sechs Abteilungen durch fünf Membrane? unterxeilt, wobei von links nach rechts folgendes dargestellt ist:

- Eine anodische Abteilung 2 mit einer Elektrode , die die Anode 3 bildet, wobei die Abteilung durch einen Hauptelektrolyten zwischen den gegenüberliegenden Öffnungen 15 und 16 durchquert wird;

- eine Kationen-selektive Membran 10;

- eine anodische Zwischenabteilung 4, die durch einen Hilfselektrolyten zwischen den gegenüberliegenden Öffnungen 17 und 18 durchströmt wird;

- eine für Ionen und Moleküle mit einem Molekulargewicht unterhalb von 500 permeable Membran 11;

- eine anodische Elektrophorese-Abteilung 5, die durch die zu behandelnde Flüssigkeit zwischen den gegenüberliegenden Öffnungen 19 und 20 durchströmt wird;

- eine mikroporöse, für die zu extrahierenden Bastandteile permeable Membran 12;

- eine katodische Elektrophorese-Abteilung 6, die durch die Membran 12 gefilterte Flüssigkeit in Richtung der Öffnung 21 durchströmt wird;

- eine der Membran 1-1 entsprechende Membran 13;

- eine kathodische Zwischenabteilung 7, die durch einen Hilfselektrolyten zwischen den gegenüberliegenden Öffnungen 22 und 23 durchströmt wird;

- eine Anionen-selektive Membran 14;

- eine kathodische Abteilung 8 mit einer Elektrode, die die Kathode 9 bildet, wobei die Abteilung durch den Hauptelektrolyten zwischen den gegenüberliegenden Öffnungen 24 und 25 durchströmt wird.

Die zu behandelnde Flüssigkeit wird in die Abteilung 5 durch die Öffnung 19 eingeleitet. Sie tritt in Berührung mit d<§m Filterelement hindurch, das durch die mikroporöse Membran 12 gebildet wird. Indem eine hydrostatische Druckdifferenz auf

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beiden Seiten der Membran 12 entsteht, tritt ein Teil der Flüssigkeit und ihrer filterbaren Bestandteile von der Abteilung 5 in die Abteilung 6 über. Die gefilterten und nicht gefilterten Praktionen der behandelten Flüssigkeit treten jeweils durch die Öffnungen 21 bzw. 20 aus.

Der Hauptelektrolyt wird zugleich durch die Öffnungen 15 und 24 in die anodischen und kathodischen Abteilungen eingeleitet. Er wird zusammen mit eventuell an den Elektroden gebildeten Gasen durch die Öffnungen 16 und 25 abgezogen. Die beiden Fraktionen des Hauptelektrolyten werden in einem Behälter 26 wieder vereinigt und mit Hilfe einer Pumpe 27 zurückgeführt. Die Gase können in Höhe des Behälters 26 austreten, in den die ergänzenden Bestandteile 41 des Elektrolyten, die zur Sicherstellung einer ständigen Arbeitsweise erforderlich sind, eingeleitet werden können.

Der Hilfselektrolyt wird zugleich durch die Öffnungen 17 und 22 in die Abteilungen 4 und 7 eingeleitet. Er durchströmt diese Abteilungen und wird durch die Öffnungen 18 und 23 abgezogen. Die beiden Fraktionen des Hilfselektrolyten werden in einem Behälter 29 wieder zusammengeführt und mit Hilfe einer Pumpe 30 zurückgeleitet. Die Durchsätze des Elektrolyten in den Abteilungen 4 und 7 werden durch Ventile .31 bzw. 32 gesteuert und durch die Durchflußmesser 33 und 34 gemessen. Ein Wärmetauscher 35, der durch einen Thermostat 45 gesteuert wird, wird in den Behälter 29 eingetaucht und sichert die Aufrechterhaltung der geeigneten Temperaturen in der Zelle. In den Behälter 29 können Reaktionsmittel 42 eingeleitet werden, die zur Aufrechterhaltung eines konstanten pH-Wertes, der durch die Vorrichtung 28 kontrolliert wird, und zur Sicherung einer ständigen Funktionsweise erforderlich sind.

Die Elektroden 3 und 9 sind mit einem bekannten Gleichstrom-, generator verbunden, der beispielsweise einen Gleichrichter

und einen regelbaren Transformator umfaßt. Es ist möglich, in jedem Augenblick die Stärke des abgegebenen Stromes und die Spannung mit Hilfe eines Amperemeters A und eines Voltmeters V zu messen (Pig. 3).

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist teilweise in Exposionsdarstellung in Pig. 2 gezeigt. In dieser Figur sind die drei Abteilungen 6,7 und 8 dargestellt, die der kathodischen Hälfte der Vorrichtung entsprechen. Die andere Hälfte ist' symmetrisch in bezug auf die Ebene der mikroporösen Membran 12 angeordnet. Die Elektrophoresezelle wird durch einen Stapel von Membranen und von ebenen Zwischenrahmen gebildet, die zwischen zwei starren Platten 36 mit Hilfe einer Anzahl von in die Löcher 43 eingefügten Gewindestangen und nicht gezeigten Muttern eingeklemmt sind.

Die Zwischenrahmen 37,38 und 39 sind im Mittelbereich ausgespart und bilden die verschiedenen Abteilungen. Sie weisen, ebenso wie die Membranen, Löcher 44 auf, die hintereinander gereiht die Verteilerkanäle für die Flüssigkeiten zwischen den verschiedenen Abteilungen und den äußeren Flächen der Platten 36 bilden. Die Rahmen bestehen aus jedem geeigneten isolierenden und mit den mit ihnen in Berührung kommenden Fluiden verträglichen Materialien. Beispielsweise können sie im Falle der Behandlung von Blut durch fluorierte Polymere oder Silikon-Elastomere gebildet oder mit diesen überzogen sein.

Die Elektroden können je durch ein Gitter aus nicht rostendem Stahl mit einem Durchlaß für die Versorgungsleitungen 40 in der Zwischenstärke gebildet werden. In den anderen Abteilungen sind vorzugsweise Gitter vorgesehen, die beispielsweise durch zwei Bahnen aus gekräuselten und thermoverschweißten Fäden aus Polyäthylen oder einem entsprechenden, inerten Kunststoffmaterial gebildet werden, das gegebenenfalls mit Silikon ver-

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sehen ist. Sie dienen dazu, die Membranen zu halten, den Elektrolytstrom gleichförmig in jeder Abteilung zu verteilen und die notwendigen Turbulenzen für einen guten Austausch hervorzurufen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Vorrichtung der Pig. 1 anhand der Darstellung der Isolierung von Jf - Globulin aus dem Blut eines Tieres in einem außerhalb des Körpers befindlichen Kreislauf erläutert. Diese Behandlung macht ein Maximum an Sorgfalt und Selektivität erforderlich. Die Anwendung des Verfahrens auf die Trennung von anderen Flüssigkeiten läßt sich daraus ableiten, indem die verschiedenen Parameter in der notwendigen V/eise geändert werden.

Die im dargestellten Falle zu erfüllenden Bedingungen bestehen darin, daß das Blut vor der Zurückführung an das Tier weder in bezug auf die Temperatur noch in bezug auf den pH-wert, die Ionen-Konzentration, den osmotischen Druck und den Gehalt an dargestellten Elementen geändert werden darf, und daß wenigstens die Blutabteilung sterilisierbar und aus einem Trombosen verhütenden Material sein muß.

Der Hilfselektrolyt wird durch eine wäßrige Lösung mit 9 g/l Natriumchlorid in ionischem Gleichgewicht mit dem Blut und mit demselben pH-Wert (7,4) und mit einem Gehalt von 0 bis 5 g/l Natriumeitrat gebildet. Der Hauptelektrolyt ist eine lösung au3 Natronlauge (0,154 N), die ebenfalls iso-ionisch bezüglich des Fa⁺ ist. Die Wanderung der Na⁺- und OH"" - Ionen unter der Wirkung des elektrischen Feldes wird durch eine zusätzliche, kontinuierliche Zugabe von konzentrierter natronlauge in den Behälter 26 zu dem Hauptelektrolyten in einer Menge, die proportional zu der Stromstärke in der Zelle ist, ausgeglichen. Auf der Seite des Hilfselektrolyten wird die Anreicherung an Natronlauge in dem Behälter 29 durch die ent-

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sprechende Zugabe von Salzsäure (0,154 N iso-ionisch "bezüglich Cl"), die einen demjenigen des Hilfselektrolyten äquivalenten Citrussäure-Anteil enthält, ausgeglichen. Der Durchsatz der Säure wird durch Peststellung des pH-Wertes gesteuert, der zwischen 7,35 und 7,45 verbleiben sollte. Die Citrussäure überträgt ihre Pufferwirkung auf den Elektrolyten und wirkt in der Vorrichtung durch Calcium-Komplexbildung antikoagulierend. Die Citrusionen, die in der anodischen Elektrophorese^Abtoilung durch die Membranen 13 und 12 hindurchbewegt werden, sind sodann für das Tier nicht mehr gefährlich, da sie schnell umgesetzt werden.

Der Durchsatz des kathodischen Hilfselektrolyten wird so geregelt, daß sein pH-Wert in den Bereich zwischen 8 und 9 am Ausgang der Abteilung 7 ansteigt. In der anodischen Abteilung 4 wird der Durchsatz des Hilfselektrolyten so geregelt, daß der pH-Wert im Bereich zwischen 7,35 und 7,45 verbleibt. Dieser Unterschied im pH-Wert wird ermöglicht durch die Unterschiede der !Pufferwirkung in den beiden Elektrophorese-Abteilungen. Die stromaufwärtige, anodische Elektrophorese-Abteilung enthält die aus dem Blut gebildeten Elemente und den größten Teil der lösbaren Proteine und begünstigt so die Pufferwirkung des durch das Hämoglobin gebundenen COp und - wenn auch in geringerem Maße - der lösbaren Proteine. Im Gegensatz dazu enthält die stromabwärtige, kathodische Elektrophorese-Abteilung nur neutrale Moleküle (Glukose, Salze) und Globu-line, die praktisch keine Pufferwirkung haben.

Wenn die ^-Globuline in einem nicht gepufferten Milieu gereinigt werden sollen, ist es ebenfalls möglich, das erfindungsgemäße Verfahren au verwenden. Es roicht aus, den Durchsatz des anodischen Hilfselektrolyten auf einen Wert zu senken, daß eine praktisch unbewegliche Grenzschicht in Berührung mit der Kationen-selektiven Membran gebildet wird. Diese

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Schicht verarmt in bezug auf die Na⁺-Ionen, die zum Teil durch H⁺-Ionen ersetzt werden. Dadurch wird das Ansteigen des pH-Wertes in der nicht gepufferten Flüssigkeit der Abteilung 5 verhindert. Die genaue Regelung des pH-Wertes ist jedoch wegen der schlechten Pufferwirkung des Elektrolyten und der zu trennenden Lösung schwierig.

Es ist einfacher, Albumin zu der Lösung hinzuzugeben, wobei der in der stromaufwärtigen Elektrophorese-Abteilung 5 erzielte Pufferwert zur Stabilisierung des pH-Wertes ausreicht.

Die folgenden Beispiele lassen die experimentellen Arbeitsbedingungen für die Extraktion von f- - Globulin von Tieren, die mit einem arterio-venösen Halsschlagader-Nebenschluß versehen sind, oder aus einer wäßrigen Lösung erkennen.

Beispiel 1

Man verwendet eine Elektrophoresezelle gemäß Fig. 1 und 2 der oben angegebenen Art, die mit Kaninchenblut und Elektrolyten auf die angegebene Art beschickt wird.

Zwei Platten aus Polycarbonat mit den Abmessungen 19 x 6ί$ χ 2 cm klemmen eine Reihe von Rahmen aus Elastomersilikon mit den Abmessungen 19 χ 6,5 x 0,15 cm ein, deren Hittelbereich zur Bildung von Abteilungen mit 13 x 3 x 0,15 cm Abmessungen ausgespart ist. Die äußeren Abteilungen 1 und 8 enthalten je eine Elektrode aus nicht rostendem Stahlbech, die mit einem Pol mit einem Gleichrichter verbunden ist, der durch einen Transformator mit regelbarer Spannung versorgt wird.

Die Zwischenabteilungen 4,5,6,7 sind je mit einem Gitt.er aus einem Copolymer aus Äthylen und Vinylacetat mit denselben Abmessungen versehen, wobei das Gitter der Abteilung 5 mit elastorneren Silikon überzogen ist.

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Die mikroporöse Membran 12 ist ein Blatt aus Cellulosetriacetat mit einer Porosität von 0,45 μ, die auf der Seite der Abteilung 5 durch ein Gewebe aus Nyloneinzelfäden mit einem Durchmesser von 80μ und einer Maschenweite von 40μ getragen wird, das sodann durch Imprägnierung mit einer Lösung mit 1/6 des Elastomeren in Cyclohexan beschichtet ist.

Die dialysierenden Membranen 11 und 13 bestehen aus regenerier-

ter Cellulose mit einem Gewicht von 60 g/cm , die in einem Rahmen aus Celluloseacetat für die Membran 13 und aus fluoriertem Harz für die Membran 11 gehalten werden.

Die Ionen-selektiven Membranen 10 und 14 werden durch Ionen-Austauscherharze gebildet, die in einem Copolymer aus Vinylchlorid und Butylmaleat dispergiert sind, wie es in der französischen Patentschrift 1 584 187 beschrieben ist (60^ Harz und A0'/o des Copolymeren mit 4 Gew.~/o Maleatbasis), und werden getragen durch ein Gewebe aus Polypropylen mit 24 Maschen pro cm (Öffnung 0,25 mm) mit einem Gewicht von 77 g/m . Die Anionen-selektive Membran besteht aus einem Harz mit quaternären Amraoniumgruppen und hat einen elektrischen Widerstand von 6 ii./cm und eine Pernselektivität von 82>6. Die Kationenselektive I-iembran besteht aus einem Harz mit Schwefelsäuregruppen mit einem Widerstand von ßSl/ca. und einer Permselektivität von 80$ (gemessen nach dem zuvor erwähnten Patent).

Die iDemparatur des Behälters 29 wird auf 40⁰C geregelt, und die Elektrophorese-Abteilungen 4 und 5 und ihre Röhren aus elastomerem Silicon werden mit physiologischem Heparinserum mit 50 U/cm in einem Phosphatpuffer mit einem pH-Wert von 7,4 gefüllt (Zusammensetzung: CIiTa 8 g, ClK 0,2 g, PO₄HlTa₂ (wasserfrei) 1,15 g, PO₄II₂ITa(wasserfrei) 0,2 g Rest destilliertes V/asser auf 800 cm 5 ). Der arterielle Auslaß 50 des Nebenschlusses wird mit dem Punkt 19 der Vorrichtung verbunden, indem der arterielle Druck durch eine peristaltisehe Pumpe

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mit einem Ausstoß von 360 cm /h ersetzt wird, wobei der Auslaß 21 geschlossen ist.

Wenn das Blut am Auslaß des Rohres 53, das die Öffnung 20 verlängert, eintrifft, wird dieses Rohr mit dem venösen Zweig des Nebenschlusses mit Hilfe eines Blasenauffangfilters 54 verbunden. Infolge von Druckabfall in der Blutrückführleitung und in dem intravenösen Katheter beträgt der Druck in der Abteilung 5 etwa 100 mm Hg.

Man setzt den Umlauf des Hauptelektrolyten in Gang unter Verwendung eines mittleren Durchsatzes im Bereich von 50 l/h (d.h. 25 l/h/Abteilung) und sodann den Kreislauf des Hilfselektrolyten, in dem der Durchsatz auf 65 l/h für die anodische Abteilung und auf 50 bis 55 l/h für die kathodische Abteilung geregelt wird. Es ist vorteilhaft, in den vier Elektrolytabteilungen 2,4,7,8 denselben Druck, wie in der Abteilung 5 aufrecht zu erhalten, da dadurch eine Verformung der verschiedenen Membranen vermieden wird.

An die Elektroden wird eine Spannung von 14 V angelegt, die eine Stromstärke von 3 A gewährleistet (d.h. 70 inA/cm ), und sodann beginnt man, die Elektrolyten wieder auszugleichen, indem man

- 0,154 U" citrierte Salzsäure in den Behälter 29 gibt, und zwar mit einem Durchsatz von 480 era /h, der etwas unterhalb, des theoretischen Durchsatzes liegt, und mit periodischem Ausgleich entsprechend der Anzeige des pH-Heßgerätes. Dan dieser Zugabe entsprechende zusätzliche Volumen Wird dem Behälter durch einen Überlauf entnommen;

- durch Zugabe von 7,7 W natronlauge in dem Behälter 26 mit einem Durchsatz von 10 cm /h und zugleich mit periodischer Korrektur.

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Der Durchsatz in den Abteilungen 4 und 7 wird so eingestellt, daß die entsprechenden pH-Werte in den Abteilungen 7,4 und 8, 6 auftreten.

Der Auslaß 21 der stromabwärtigen Abteilung 6 wird geöffnet, indem der Durchsatz des Auslassses auf 12 cm /h eingeregelt wird. Zur Konstanthaltung der Globularkonzentration leitet man mit gleichem Durchsatz stromaufwärts der Zelle eine lösung aus 1 g/l Heparinglukose mit 200 U/cnr in einem Phosphatpuffer mit einem pH-V/ert von 7,4, der zuvor beschrieben wurde (d.h. etwa 8 U/h/cm Blut) durch eine Pumpe 52 in das Blut ein.

Die Regelung der Elektrodenspannung und des Durchsatzes bei 21 v/ird so ausgewählt, daß die Konzentration des Y -Globulins innerhalb der herausgezogenen Lösung etwa die Hälfte der Konzentration in dem nicht behandelten Blut beträgt.

Auf diese Art entsteht bei 55 eine Lösung mit etwa 2,5'g/l ^ -Globulin, die frei ist von β -Globulin, jedoch (a) ein wenig (0,8 g/l) faserbildende Substanzen enthält,, die leicht durch Fällung mit Hilfe von Thrombin ausgeschieden werden können, und außerdem (b) kleine Moleküle (Glukose, Harnstoff, Mineralsalze) enthält, die durch Dialyse entfernt werden können.

Bach 18 Std. einer derartigen Behandlung, die auf 3 Tage mit BehandlungsZeiträumen von 6 Std. verteilt worden sind, erhält

•7.

man von demselben Hasen 200 cm der Lösung, d.h. 500 mg immunelektrophoretisch reines /"-Globulin (Immunglobulin G, das frei ist von Immunglobulin M nach dem Verfahren von OUCHTER-LOrIY).

Eine Erhöhung der Spannung an den Elektroden verbessert die Trennfähigkeit und ermöglicht so eine Vergrößerung des Durchsatzes durch die mikroporöse Membran 12. So kann man mit 37 V

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bei einem Durchsatz von 24 om^/h arbeiten. Ea ist in diesem Falle zweckmäßig, 95 bzw. 75 l/h als Durchsatz für den Hilfselektrolyten in den anodischen und kathodischen Abteilungen zu verwenden. Unter diesen Bedingungen ist der Blutdurchsatz weiterhin nicht kritisch und kann ohne Nachteil zwischen 300 und 900 cnr geändert werden.

Beispiel 2

Eine isotonische, nicht gepufferte lösung mit 2 g/l f -Globulin, das 2 g/l Hämoglobin enthält, wird in derselben Zelle und unter denselben Parametern, wie in Beispiel 1 behandelt.

Nach einigen Minuten zeigt sich ein Ansteigen des pH-Werts in der anodischen Elektrophorese-Abteilung, und die Trennung ist nicht mehr zufriedenstellend.

Reduziert man nun den Durchsatz des anodischen Hilfselektrolyten von 65 l/h auf 55 l/h, so sinkt der pH-Wert auf 7,4. Nunmehr entnimmt man aus der kathodischen Elektrophorese-Abteilung eine (""-Globulinlösung, die frei von Hämoglobin ist.

Beispiel J>

Man geht wie bei Beispiel 2 vor, ändert jedoch nicht den Durchsatz des anodischen Hilfselektrolyten, sondern fügt Albumin zu der Lösung des j~-Globulins bis zu einem Gehalt von 25 g/l hinzu. Der pH-Wert der anodischen lösung bleibt stabil, und man entnimmt der kathodischen Elektrophorese-Abteilung eine Lösung von / ~ -Globulin, die frei von Hämoglobin ist.

Beispiel 4 (Elektrophoresezelle für Schafe)

Man verwendet eine Elektrophoresezelle gemäß Pig. 1 und 2, jedoch mit dem Unterschied, daß der Umlauf des Hilföelektro^yten quer zu und nicht parallel zu der Umlaufrichtung der der

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Elektrophorese unterworfenen Flüssigkeit verläuft, wobei die genannten Elektrolyten am Einlaß verteilt und am Auslaß jeder Abteilung durch eine Anordnung von 14 verteilten Öffnungspaaren zugleich Über die gesamte Höhe der Platte 38 entzogen wird (Fig. 4).

Zwei Platten aus Polycarbonat mit den Abmessungen 50 χ 13 x 2 cm klemmen eine Reihe von Rahmen aus Siliconelastomer, deren Mittelbereich zur Bildung von Abteilungen mit 40 χ 6,5 cm Abmessungen ausgespart ist.

Die Dicke bzw. Breite der Abteilungen beträgt unter Berücksichtigung der Dicke der Dichtungen aus Cellulosetriacetat und aus fluoriertem Harz, die an den in Beispiel 1 angegebenen Orten vorgesehen sind:

- Elektrodenabteilungen 2 und 8: 3 mm

- Hilfselektrolytabteilungen 4 und 7: 3,5 mm

- Elektrophoreseabteilungen 5 und 6: 1,5 mm

Die anderen Eigenschaften dieser Zelle stimmen mit denjenigen der Zelle gemäß Beispiel 1 überein, wobei allerdings hinsichtlich der Abmessungen Änderungen vorgesehen sein können.

Die Zubehörteile für den Umlauf außerhalb des Körpers stimmen mit denjenigen der Fig. 3 überein.

Das behandelte Tier, das einen Halsschlagader-Hebenschluß trägt, ist ein Schaf. Wenn der Körperkreislauf mit der beschriebenen Sorgfalt und einem Durchsatz von 60 ml /min. hergestellt ist, stellt man in der Zelle eine Stromstärke von 20 A bei einer Spannungsdifferenz von 18 V ein.

Der Durchsatz des anodischen Hilfselektrolyten wird auf 380 l/h eingeregelt.

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Der Durchsatz des kathodischen Hilfselektrolyten wird auf 900 l/h geregelt.

Die Flüssigkeit enthält /'"-Globuline und wird aus der Abteilung 21 mit 1,6 ml/min, entnommen. Sie besitzt einen pH-Wert von 8,5.

Die Einleitung von Häparin-Phosphat-Puffer mit 50 U/mm und Glukose-Puffer mit 1 g/l durch die Pumpe 52 erfolgt mit demselben Durchsatz von 1,6 raL/min.

Die Behandlung dauert 7 Std., und man gewinnt 3,3 g elektrophoretisch reine /"-Globuline, die lediglich aus Ig G nach dem Verfahren on OUCHTERLONY zusammengesetzt sind.

Wenn alle anderen Bedingungen gleich gehalten werden, betragt der.Durchsatz des anodischen Hilfselektrolyten 250 l/h, und derjenige des kathodischen Hilfselektrolyten 1200 l/h, während der pH-Wert der bei 21 entnommenen Globulin-Lösung 7,5 beträgt, und die immunologische Analyse eine Anwesenheit von J*-Globulin entsprechend IgM ergibt.

Beispiel 5 (Elektrophoresezelle mit starker Produktion für Kaninchen)

Eine Zelle 1 mit den allgemeinen Eigenschaften gemäß Beispiel 4, jedoch mit Platten mit den Abmessungen von 35 x 15x 2 cm und einer entsprechenden Wutζoberfläche der Abteilungen (der' Zwischenabteilung) von 24,6 χ 5,5 cm wird mit dem außerkörperlichen Kreislauf eines Kaninchens entsprechend dem Schema der Pig. 5 verbunden.

Die Pumpe 51 mit einem regelbaren Durchsatz stellt einen Kreislauf des arteriellen Blutes mit einem Durchsatz von 6 ml/min. sicher und leitet das Blut in einen Behälter 57 mit einer Kapazität von 3 ml. Die Pumpe 58 entnimmt das Blut aus dem Behälter

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57 und führt es in die Elektrophoresezelle mit einem Durchsatz von 30 ml/min. Die Pumpe 52 leitet eine Phosphatpufferlösung (hepariniert "bei 100 U/ml) mit einem Durchsatz von 0,2 ml/min, ein. Das Manometer 59 gibt einen Druck von 2 cm Quecksilber an. Die Pumpe 46,(deren Leitung von demselben Rotor ausgeht, wie die Pumpe 51, damit ein gleicher Durchsatz sichergestellt ist), leitet das Blut über eine Blasenfalle 54 in die Schlagader des Kaninchens. Die Pumpe 47 leitet von einem Behälter 48 aus eine isotonische und isoionische Lösung von Blut in Chloriden von glukosiertem Ca, Mg, E und ITa von 1 g/l und einem Durchsatz von 0,5 mm/min. Die Heizung 56 ermöglicht einen Ausgleich der theraiischen Verluste des Gesamtkreislaufs und "bringt das wieder eingeleitete Blut auf die Temperatur des Kaninchens. Das Manometer 49 gibt den Einleitungsdruck des Blutes an und steuert die Schließung des Blasenfilters .

Der außerkörperliche Kreislauf wird mit der erwähnten Sorgfalt angelegt, und eine Stromstärke von 10 Amp. bei einer Spannung von 18 V wird an die Zelle gebracht. Der Durchsatz des anodischen Hilfselektrolyten wird auf 280 l/h festgelegt, und der das kathodischen Hilfselektrolyten auf 400 l/h.

Die Lösung des ^-Globulins wird aus der Zelle bei 55 mit einem Durchsatz von 0,7 ml/min, entnommen. Der pH-Wert beträgt 7,6. Der Gehalt an. Globulin beträgt im Mittel 3 mg/ml, so daß ein Kaninchen mit einem Ausgangsplasmagehalt von Ig G von 6,4 ag nach 7 Behandlungsstunden auf 1,1 mg/ml gelangt. Das gewonnene f~ -Globulin weist die V/erte Ig G, Ig M und Ig A auf.

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Claims

Patentanspr tt.c h e

Verfahren zur kontinuierlichen Trennung einer wäßrigen Flüssigkeit, die wenigstens zwei Bestandteile enthält, derenrelative Beweglichkeit in einem elektrischen PoId sich in Abhängigkeit von dem pH-V/ert ändert, durch Zwangsstrom-Elektrophorese, zur Erzielung einer angereicherten Fraktion und einer veraraten Fraktion in einem dieser Bestandteile, mit folgenden, gleichzeitig durchgeführten Schritten:

- eine Einleitung der zu behandelnden Flüssigkeit in eine Elektrophoresezelle in Berührung mit einer Oberfläche eines für wenigstens einen der Bestandteile permeablen Filterelements,

- ein Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen zwei Elektroden, die auf beiden Seiten des Filterelements angeordnet sind,

- ein Hindurchleiten einer Fraktion der Flüssigkeit durch das Filterelement und eine getrennte Entnahme der filtrierten Fraktion und der nicht-filtrierten Fraktion,

- ein Umwälzen eines Hauptelektrolyten in Berührung mit jeder Elektrode, unabhängig von der zu trennenden Flüssigkeit und

- ein Umwälzen von zwei Hilfselektrolytenströmen zwischen ionendurchlässigen Membranen, die sie einerseits von einem Hauptelektrolytstrora und andererseits jeweils von der gefilterten und der nicht-gefilterten Flüssigkeit trennen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrolytströme zwischen ihrem Eintritt in die Zelle und ihrem Austritt aus der Zelle unterschiedliche mittlere pH-Yferte aufweisen.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ililfs elektrolyt eh in die Zelle mit unterschiedlichen pH-

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Werten eintreten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrolyten in die Zelle mit gleichen pH-Werten eintreten und in der Zelle mit unterschiedlichen mittleren Geschviindigkeiten umlaufen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man einen einzigen Hilfselektrolytstrom in zwei Ströme unterteilt, die unabhängig voneinander in der Zelle unilaufen, und daß man sie am Ausgang der Zelle wieder zusammenfaßt und zurückführt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Elektrolyten unter Eonstanthaltung ihrer mittleren Zusammensetzungen zurückgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptelektrolyt eine Base in wäßriger Lösung und der Hilfselektrolyt in "bezug auf den pH-Wert der zu trennenden Flüssigkeit eine Pufferlösung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6 zur Isolierung der ,^-GIobuline des Blutes, dadurch gekennzeichnet, daß das Blut auf der anodischen Seite des Filterelemente umläuft, und daß man den mittleren pH—Wert der Hilf selektrolytströtie zvfischen 3 und 9 für die kathodisch^ Abteilung und zwischen 7,35 und 7,45 für die anodische Abteilung einregelt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nan das Blut eines lebenden Tieres kontinuierlich behandelt und das behandelte Blut in das Tier zurückführt.

9. Zwangsstros-Elektrophoreseζeile zur kontinuierlichen Trennung einer wäßrigen Flüssigkeit, die bewegliche, kolloidale

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Bestandteile enthält, in einem elektrischen Feld in eine.· angereicherte Fraktion und eine verarmte Fraktion in "bezug auf wenigstens eines der Bestandteile, die von der Anode bis zur Kathode (6) durch ionendurchlässige Membranen getrennte Abteilungen aufweisen, wobei die beiden mittleren Abteilungen durch eine mikroporöse, für wenigstens einen der Bestandteile der Flüssigkeit durchlässige Membran und gegenüber den Zwischenabteilungen durch dialysierende Membranen getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Abteilungen, die die Anode und Kathode enthalten, von den Zwischenabteilungen durch ionenselektive Membranen, die jeweils gegenüber Anionen und Kationen undurchlässig sind, getrennt werden.

10. Zelle nach Anspruch 9, in die wenigstens einer der Elektrolyten zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückführstrom des Elektrolyten mit einer Reaktionsquelle und mit Einrichtungen in Verbindung steht, die die Aufrechterhaltung der Zusammensetzung gestatten.

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