DE2239254A1 - Kolonne fuer ein zirkulierendes dialysat-system mit unloeslicher urease - Google Patents

Kolonne fuer ein zirkulierendes dialysat-system mit unloeslicher urease

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Description

Patent .-!.",Wu113
DrAv;.. ■ ■ Kt MUSCHKE
D;p;.-:.^. .-;„·■ 1Z AGULAR
8 Miir.chcji. SC.:, Pbnzenauerstr. 2
München, den 8.August 1972
C 1029
CCI Life Susietus , 5W 4
Va, η
6flf C/^ 223925A
KOLONNE FÜR EIN ZIRKULIERENDES DIALYSAT-SYSTEM MIT UNLÖSLICHER UREASE
A - 1926
Λ09808/06&3
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Entfernung von Harnstoff aus einer Lösung und insbesondere auf eine mit. einer künstlichen Niere verwendbare Vorrichtung zur Entfernung von Harnstoff aus der in der künstlichen Niere verwendeten Dialysat-Lösung bei deren Rückführung durch die künstliche Niere.
Nierenversagen stellt eine häufige Form von Nierenerkrankungen dar. Die Nieren können dabei nicht mehr in normaler Welse Schlacken abscheiden und das innere chemische Gleichgewicht des Körpers aufrechterhalten. Nierenversagen kann plötzlich bei Sperrung des Harntrakts auftreten, ergibt sich aber häufiger in allmählich fortschreitender Form bei Zerstörung des Nierengewebes infolge von Krankheiten. Völlige Abscheidung dieser Stoffe aus dem Blut ist dann nicht mehr möglich und die Konzentration dieser Stoffe im Blut steigt auf gefährlich hohe Werte.
Stickstoffhaltige Abfalletoffe, wie beispielsweise Harnstoff und Kreatinin, gehören zu den wichtigsten aus dem Blut abzuscheidenden Substanzen. Palis derartige stickstoffhaltige Abfälle nicht innerhalb kurzer Zeit aus dem Blut entfernt werden, tritt der Tod ein.
In den letzten Jahren sind häufig künstliche Nieren an Säugetieren als Nierenersatz verwendet worden. In diesen künstlichen Nieren wird das Blut durch ein Membransystem geleitet, wobei eine Dialysat-Lösung an der anderen Membranseite vorbei-. geleitet wird. Die im Blut enthaltenen unerwünschten Abfallstoffe werden durch die Membran in die Dialysat-Lösung geleitet. Gewöhnlich werden derartige künstliche Nieren an Menschen verwendet. Im folgenden wird die Verwendung einer künstlichen Niere In Bezug auf den Menschen beschrieben, obwohl im Prinzip künstliche Nieren auch an niederen Tieren verwendet werden können.
Sobald die Dialysat-Lösung die im Blut enthaltenen Abfall-
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stoffe absorbiert hat, muß entweder die Dialysat-Lösung verworfen werden, oder die Abfallstoffe müssen aus der Dialysat-Lösung vor deren Rückführung zur künstlichen Niere entfernt werden. Die Dialysat-Lösung eelb9t ist verhältnismäßig billig. Bei einem Behandl\ingsvorgang, der gewöhnlich 8 bis 10 Stunden in Anspruch nimmt, werden 150 bis 350 Liter Dialysat-Lösung durch die künstliche Niere geleitet. Verwerfen derartig großer Mengen von Dialysat-Lösung erhöht die Behandlungskosten beträchtlich. Es ist deswegen zweckmäßig, die Dialysat-Lösung durch Entfernung der Abfallstoffe zu regenerieren.
Stickstoffhaltige Abfallstoffe, wie beispielsweise Harnstoff, sind am schwersten aus dem Blut zu· entfernen. In US-Patent No. 3 669 880, das dem Erfinder der vorliegenden Erfindung erteilt wurde, ist ein Verfahren zur Entfernung von Harnstoff aus der Dialysat-Lösung beschrieben worden, wobei der Harnstoff durch Urease in Ammoniumkarbonat umgewandelt wird und die Ammoniumionen anschließend beim Durchfluß der Lösung durch Zirkonphosphat durch Natrium und Wasserstoff ersetzt werden. Wach Durchgang durch das Zirkonphosphat ist die Ammoniumionen-Konzentration der Lösung praktisch Null.
Bisher wurde gewöhnlich Urease mit dem Zirkonphosphat vermischt verwendet. Die Urease kann den Harnstoff zwar in Ammoniumkarbonat umwandeln, doch reicht die Zeit beim Durchgang der Lösung durch das Zirkonphosphat oft nicht zur völligen Entfernung der Ammoniumionen aus.
Um die durch unvollständige Entfernung des Ammoniumkarbonats sich ergebenden Nachteile zu überwinden, ist vorgeschlagen worden, die Urease vor dem-Zirkonphosphat einzusetzen, sodaß die Lösung erst durch die Urease läuft. Dabei sollte die Urease durch ein Filtermaterial vom Zirkonphosphat getrennt ' sein. Das Filtermaterial erlaubt den Durchfluß des Dialysats, läßt aber die Urease nicht durch. Obwohl die Abtrennung der Urease vom Zirkonphosphat zufriedenstellende Resultate ergeben
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hat, wird etwas Urease in das Zirkonphosphat übertragen. Außerdem erhöht das Filtermaterial die Gesaintkosten des Dialysat-Regeneriersystems.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß das Enzym Urease beim Kontakt mit bestimmten Materialien aus einer Lösung in wasserunlösliche Form überführt werden kann. Es kann dadurch verhindert v/erden, daß die Urease in der Dialysat-Lösung gelöst wird und durch das Zirkonphosphat geht. Die Fähigkeit der Urease, Harnstoff zu hydrolysieren, wird dabei in keiner Weise beeinträchtigt. Bekannte Materialien, die Urease in die in Wasser unlösliche Form überführen, sind Magnesiumsilikate, Magnesiumtrisilikat, Talkum und einige andere Aluminiumoxyde. Die Urease muß dabei mit dem Urease zurückhaltenden Material vermischt werden, sodaß sich eine erste Schicht ergibt, die vor dem Zirkonphosphat bzw. stromaufwärts angebracht wird, äine zweite Schutzschicht aus dem Urease zurückhaltenden Material muß zwischen der ersten. Schicht und dem Zirkonphophat angebracht werden. Aufgabe der Schutzschicht ist es, die geringen Ureasemengen zurückzuhalten, die aus der ersten Schicht ausgewaschen werden. Die Ureasemoleküle werden an dem Urease zurückhaltenden Material adsorbiert. Der aus der ersten Schicht, der zweiten Schutzschicht und der Zirkonphosphatschicht bestehende Satz ist in einen säulenförmigen Behälter eingesetzt. Die Urease kann als trokkenes Pulver dem Urease zurückhaltendem Material vor dem Durchgang der Dialysat-Lösung zugegeben v/erden. Auch ist es möglich, die Urease als Flüssigkeit dem die Urease zurückhaltenden Material vor dem Durchgang oder aia Beginn des Durchgangs der Dialysat-Lösung zuzugeben.
Figur 1 ist ein Querschnitt in Längsrichtung durch eine Säule zur Behandlung von Dialysat-Lösung gemäß vorliegender Erfindung.
A 0 9 8 0 8 / 0 6 5 3
-^r- . 223925Λ
Figur 2 ist ein Querschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Kolonne längs der-in Figur 1 mit 2-2 bezeichneten Linie.
Das zur Beschreibung der Erfindung gewählte Ausführungs«· beispiel umfaßt eine Kolonne 10 in Form eines zylindrischen Behälters.mit runden Seitenwänden 12 und .Abschlußwänden 14 bzw. 16 an den Enden. Die Kolonne kann an verschiedenen Stellen im Dialysat-System eingesetzt werden, und die jeweilige Stellung hängt von der Konstruktion oder anderen Bedingungen ab. Die Dialys.at-Lösung gelangt in Kolonne 10 durch Stutzen 18, der eine Verbindung zu öffnung 20 in Abschlußwand 14 herstellt. Die Dialysat-Lösung läuft aus Kolonne 10 im Stutzen 22 aus, dex eine Verbindung zu öffnungen 24 in Wand 16 herstellt. Haupt- · zweck der Kolonne 10 ist es, Harnstoff aus der zirkulierenden Dialysat-Lösung zu entfernen, sodaß die Lösung ständig in der künstlichen Niere verwendet werden kann und Harnstoff vom Blut des Patienten adsorbiert.
An Wand 14'schließt sich ein leerer Zwischenraum 26 im Innern der Kolonne 10 an. Aufgabe des Zwischenraums 26 ist es, die über Stutzen 18 einlaufende Dialysat-Lösung aufzunehmen und über den Querschnitt der Kolonne zu verteilen. An Zwischenraum 26 schließt sich eine erste Schicht 28 an, die anfänglich aus einem trockenen, pulverförmigen Gemisch aus Magnesiumgilikat, Mägnesiumtrisilikat, Talk und Aluminiumoxyd besteht. Diese Materialien lassen sich auch einzeln oder in anderen Kombinationen verwenden. Normalerweise reicht die Verwendung eines einzigen Materials der obigen Gruppe aus, wobei Urease dem Pulver beigegeben.wird. Nur gewisse Aluminiumoxydtypen ergaben zufriedenstellende Ergebnisse, doch sind die Gründe für das Versagen der einen oder anderen Type nicht-ersichtlich. Anscheinend hängt die Möglichkeit, ein bestimmtes Aluminiumoxyd zu verwenden, von dessen Herstellungsverfahren ab.
Außer als trockenes Pulver kann die Urease auch als Flüssigkeit, d.h., in Lösung, der ersten Schicht 28 zugegeben werden.
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Es kann auch zweckmäßig sein, die Urease erst zuzugeben, v/enn der Durchlauf der Dialysat-Lösung durch Kolonne 10 bereits begonnen hat. In anderen Fällen.kann die Urease erst nach einigem Betrieb der Kolonne 10 zugeführt werden. Eine handelsübliche Urease-Type kann verwendet werden. Da Urease bei Kontakt mit der Dialysat-Lüsung zur Gelbildung neigt, wird die Urease mit dem Talk oder einem anderen der oben genannten Materialien, vermischt. Dadurch werden die Urease-Teilchen getrennt gehalten, was ihre Auflösung in der Dialysat-Lösung'erleichtert. Ein Filtergewebe kann auf die Oberfläche der ersten Schicht aufgelegt werden, um zu verhindern, daß die einströmende Dialysat-Lösung die Oberfläche der Schicht 28 wegspült.
Die direkt unter der ersten Schicht 28 angebrachte zweite Schicht 30 besteht aus einem oder mehreren Materialien der oben genannten Gruppe, das nicht mit Urease vermischt ist· Bei Zumischung von Urease zur ersten Schicht 2Θ wird die nächst der zweiten Schicht 30 befindliche Urease beim Durchgang der Dialysat-Lösung ausgewaschen. Bei 'Veglassung der zweiten Schicht ■30 ginge diese Urease dann in das Zirkonphosphat über. Um dies au vermeiden, wird die zweite Schicht 30 eingesetzt, die die aus der ersten Schicht 28 ausgewaschene Urease zurückhält« Die Urease wird an der Oberfläche der Teilchen der oben genannten Gruppe adsorbiert und wird dadurch -wasserunlöslich. Da Wasser den Hauptbestandteil der Dialysat-Lösung darstellt, bleibt die Urease praktisch ungelöst in der Dialysat-Lösung, doch wird dadurch die Fähigkeit der Urease Harnstoff zu hydrolysieren in keiner Weise beeinträchtigt. ^
Die sich an die zweite Schioht 30 anschließende dritte Schicht 32 erstreckt sich fast bis an Wand 16 am Ende der Kolonne und besteht aus feinkörnigem Zirkonphosphat. Ein Filtergewebe 34 ist zwischen der Zirkonphosphatschicht 32 und den den Durchfluß ausrichtenden Rippen 36 eingelegt. Rippen 36 richten den Durchfluß des Dialysats auf Auslaßöffnung 24 in
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V/and 16. Der zwischen den Rippen 36 und der Öffnung 24 verbleibende Räum 38 ermöglicht die Ansammlung der Dialysat-Lösung am Stutzen 22. '
Bei der durch Stutzen 18 in Kolonne 1Ö eintretender» Dialysat-Lösung handelt es sich um die für diese Zwecke verwendete Standardlösung, die von der (nicht dargestellten) künstlichen Niere aufgenommene Schlackenstoffe des Patienten enthält, darunter Harnstoff, Kreatinin und Harnsäure. Beim Durchgang der Dialysat-Lösung durch Schicht 28 der Kolonne 10 wird der Harnstoff in Ammoniumkarbonat gemäß folgender Gleichung umgewandelt:
0
H2N-C-NH2 + 2H2O ■ , .(NH4)2C03
Unter geeignet gewählten Betriebsbedingungen' ist praktisch die gesamte Harnstoffmenge umgesetzt worden, wenn die Lösung in die Zirkonphosphatschicht 32 eintritt. Die durch Stutzen 18 einlaufende Lösung kann beispielsweise 20 Milligramm Stickstoff des im Blut enthaltenen Harnstoffs pro 100 Milliliter Lösung enthalten. Der Stickstoffgehalt hat sich beim Eintritt der Lösung in Schicht 32 auf 1 - 2 Milligramm verringert» 'Nach dem Durchgang durch die Urease ändert sich die Karnstoff-Konzentration nicht mehr. Die aus Kieselgur bestehende Schicht 30 hält alle kolloidalen Bestandteile der Dialysat-Lösung zurück und verhindert damit den Wiedereintritt von Teilchen in den Flüssigkeitskreislauf im System.
Beim Durchfluß durch das Zirkonphosphat werden die Ainmoniumionen gegen Natrium- und Wasserstoffionen ausgetauscht, was zur Folge hat, daß die Ammoniumionenkonzentration in der Ausgangsleitung 22 im wesentlichen auf Null abgesunken ist. Die folgende Reaktion findet statt:
+ Zr(NaP04)2.H20 ► Zr(NH4PO4)2'H3O + 2Na
Am Ausgangsstutzen 22 ist damit die Harnstoff-Konzentration.auf 1-2 Milligramm pro 100 Milliliter reduziert, während die
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Ainmoniuinionenkonzentration praktisch auf Null abgesunken ist. Die durch Stutzen 18 und 22 laufende Lösung besteht zu 99$ aus Wasser. Bei dem in der Beschreibung erwähnten Zirkonphosphat handelt es sich im wesentlichen um Ionenaustauscher auf Zirkonphosphatbasis, beispielsweise die in der obigen Gleichung erwähnte Natriumform von Zirkonphosphat. Andere Arten von Zirkonphosphaten, die als Ionenaustauscher wirken können, lassen sich verwenden.
Die Urease enthaltende Schicht 28 befindet sich nächst dem oberen Ende der Kolonne 10, da Schicht 30 unter Schicht gelegen ist. Die gesamte Umwandlung des in der einlaufenden Dialysat-Lösung enthaltenen Harnstoffs findet in der Ureaseschicht am oberen Ende der Kolonne 10 statt, sodaß genügend Zeit zur Absorption der Ammoniumionen beim Durchgang der Lösung durch die gesamte Länge der Schicht 32 aus Zirkonphosphat unterhalb der Ureaseschicht zur Verfügung steht. Ea wird dadurch verhindert, daß Ammoniumionen aus der Kolonne austreten, bis das Absorptionsmittel gesättigt ist. Kolonne 10 absorbiert damit die Ammoniumionen, die bei der durch Urease eingeleiteten Umwandlung von Harnstoff zu Ammoniumkarbonat gebildet werden. Falls die Urease über die gesamte Länge der Kolonne verteilt wäre, würde ein großer Teil der Aüunoniumionen aus der Kolonne austreten, da dann nicht genügend Zeit zur Absorption beim Kontakt mit dem Absorptionsmittel zur Verfügung stünde. Urease in irgendeiner geeigneten Form kann in Schicht 28 verwendet werden, und außer Zirkonphosphat können andere Absorptionsmittel, die Ammoniumionen im geeigneten Ausmaß absorbieren, eingesetzt werden.
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Claims (10)

P A T E IT T A N S P R Ü O H E
1. Kolonne zur Entfernung von Harristoff aus einer zirkulierenden Dialysat-Lösung, gekennzeichnet durch einen flehälter (Kolonne 10) mit einer ersten Öffnung (20) zur Einleitung einer Dialysat-Lösung, die Harnstoff aus dem Blut des Patienten absorbiert hat; Mittel zur Zurückhaltung von Urease, die wasserunlöslich und am Ende des Behälters (10) gelegen sind und eine aus der Gruppe Magnesiumsilikat, Magnesiumtrisxlikat und Aluminiumoxyd bestehende Substanz zur Zurückhaltung von Urease durch Adsorption umfassen; eine zweite,, im Behälter angebrachte Öffnung (24) zum Ausfluß der Dialysat-lösung; und ein zwischen der Urease (Schicht 28) und der zweiten Öffnung (24) angebrachtes Absorptionsmittel, in das die Dialysat-Lösung aus der Urease enthaltenden Schicht (28) fließt,
2. Kolonne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste aus Urease und eine der genannten Substanzen bestehende Schicht (28) und eine zweite, aus den genannten Substanzen bestehende Schicht (30), die die erste Schicht (28) vom Absorptionsmittel abtrennt und aus der ersten Schicht (28)-entfernte Urease adsorbiert.
3. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Magnesiumsilikat als Substanz zur Urease-Adsorption verwendet wird. "
4. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Magnesiumtrisilikat als Substanz zur Urease-Adsorption verwendet wird,
5. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß . Aluminiumoxyd als Substanz zur· Urease-Adsorption verwendet wird,
6. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz zur Adsorption von Urease eine Mischung der Verbindungen Magnesiumsilikat, Magnesiumtrisilikat und Aluminiumoxyd ist. · -
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7. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz zur Adsorption von Urease ein trockenes Pulver ist.
8. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dais die Urease in die erste Schicht (28) eingebracht wird, ehe die Dialysat-Lösung durch die Kolonne geleitet wird.
9. Kolonne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Urease vor dem Einbringen in fester Form vorliegt.
10. Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Urease nach Durchleitung der Dialysat-Lösung durch die Kolonne (10) zugeführt wird und anfänglich in fester Form vorliegt.
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