DE2406077C2 - Diffusionsvorrichtung, - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Diffusionsvorrichtung, insbesondere Dialysator, mit einem Stapel von durch halbdurchlässigen Membranen voneinander getrennten Platten, wobei zu beiden Seiten der Membranen zwei getrennt, gegeneinander abgedichtete Strömungspfade festgelegt sind und jede Platte eine profilierte Membran-Stützfläche aufweist, die mit mehreren Reihen von abstehenden Vorsprüngen besetzt ist.

Aus der DE-OS 17 92 446 ist ein Dialysator der angegebenen Art bekannt. Bei diesem ist eine Membran zwischen zwei Platten angeordnet, welche mit sich zur Membran öffnenden Nuten ausgebildet sind. Die Nuten verlaufen durchgehend und parallel zueinander über die jeweilige Platte. Die Anordnung der Platten ist so getroffen, daß die Nuten, durch die zwischen der Membran und der entsprechenden Platte Strömungspfade gebildet werden, zueinander senkrecht ausgerichtet sind. Nachteilig ist, daß sich der bekannte Dialysator nicht für den Einsatz dünner Membranen eignet. Dünne Membranen müssen über die Platten gespannt sein, um ein Durchhängen und damit Blockieren der Strömungskanäle zu vermeiden. Wenn die Membranen befeuchtet oder benäßt werden, dehnen sie sich in der zur Spannrichtung senkrechten Richtung stärker als in der Spannrichtung aus. Bei der bekannten Lösung sind die Nuten auf den gegenüberliegenden Seiten der Membran zueinander parallel angeordnet Die Spannrichtung verläuft quer zur Strömungsrichtung, in der dann die größere Ausdehnung der Membran erfolgt Dadurch läßt sich keine ausreichende Abstützung ultradünner Membranen erhalten. Diese würden vielmehr in die ίο Nuten durchhängen.

Aus der DE-OS 19 28 395 sind Einweg-Membranen bekannt die in einer Plastikhülle angeordnet sind. Die Membran mit der sie umgebenden Plastikhülle wird zwischen profilierten Platten angeordnet. Dabei wird die Plastikhülle durch den durch den Zwischenraum zwischen der Membran und der Plastikhülle hindurchtretenden Fluidstrom gegen die anliegende profilierte Platte gedrückt, so daß die Hülle dem Profilmuster folgt. Es ist nicht sichergestellt, daß sich die Hülle wirklich an das Profil anlegt so daß die Gefahr besteht, daß Strömungspfade blockiert werden, wodurch die aktive Membranfläche verringert wird. Ebenso wie die DE-OS 17 92 446 läßt die DE-OS 19 28 395 nicht erkennen, auf welche Weise dem oben erwähnten Problem des Durchhängens einer feuchten Membran begegnet werden kann, wenn ultradünne Membranen verwendet werden sollen.

Aus der DE-OS 19 64 635 ist eine Vorrichtung zum Trennen von Fluiden mittels Membrandiffusion bekannt. Die Membranen liegen auf übereinander geschichteten Sieben, wobei an die Membran folgend zuerst ein besonders feinmaschiges und dann ein grobmaschigeres Sieb angeordnet ist. Die einander gegenüberliegenden grobmaschigen Siebe werden durch Abstützungen auf Abstand voneinander gehalten. Nachteilig ist bei dieser bekannten Membrananordnung, daß die Membran nur auf einer Seite von einem Fluidstrom überströmt werden kann, da sich auf ihrer anderen Seite die Siebanordnung befindet, wodurch

*o eine Überströmung mit einem Fluid praktisch nicht durchführbpr ist. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß die aktive Fläche der Membran durch das vorgesehene Stützsieb stark verringert ist. Auch bilden sich bei der bekannten Membrananordnung gemäß der DE-OS 19 64 635 keine Strömungspfade aus.

Auch die aus der DE-OS 23 04 702 und den DE-PS 77 956 und 8 71 840 bekannten Lösungen lassen keine Maßnahmen erkennen, die den sicheren Einsatz ultradünner und damit äußerst wirkungsvoller Membranen ohne Gefahr einer Verstopfung der Strömungspfade durch die Membranen erlauben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Diffusionsvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß auch bei Verwendung besonders dünner Membranen gute Strömungseigenschaften gewährleistet sind und ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membranen, die auf den Platten über den Vorsprüngen angeordnet sind, in der einen Richtung gespannt und gestrafft sind, und daß der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Vorsprünge in den in der allgemeinen Spannrichtung liegenden Reihen größer ist als der Mittenabstand der Vorsprünge in den quer zur allgemeinen Spannrichtung verlaufenden Reihen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Vorsprünge auf den Plattenseiten ist es möglich, ultradünne

Membranen zu verwenden, ohne daß die verschieden starke Dehnung der Membran parallel bzw. quer zur Spannrichtung ein Durchhängen der Membran bewirkt, wodurch die Strömungspfade verstopft werden könnten. Ferner kommt als Vorteil hinzu, daß der zwischen der Membran und der anliegender, Plattenseite hindurchgehenden Strömung durch die Vorsprünge nur ein sehr geringer Widerstand entgegengesetzt wird. Würde beispielsweise statt der Vorsprünge zwischen der Platte und der Membran ein Sieb zur Abstützung der Membran angeordnet, ergäbe sich für die Fluidströmung ein sehr großer Widerstand und dadurch ein beachtliches Druckgefälle der Strömung zwischen dem Randbereich, an dem das Fluid eintritt und demjenigen, an dem es austritt

Bevorzugte konstruktive Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen näher beschrieben.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsforrnen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt :o

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Dialysators ic· einem Zwischenstadium der Fertigung seines Gehäuses,

F i g. 2 eine schematische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen einer beim Dialysator gemäß 2^r, F i g. 1 verwendeten Platte und der darüberliegenden Membran sowie die typischen Strömungsbahnen der Dialyselösung und des Bluts veranschaulicht,

Fi g. 3 eine Aufsicht auf eine bevorzugte Plattenkonstruktion zur Verwend jng beim erfindungsgemäßen so Dialysator,

F i g. 4 eine in stark vergrößertem Maßstab gehaltene Teilaufsicht auf die eine Ecke der Platte gemäß F i g. 3,

F i g. 5 einen Querschnitt durch eine weiter abgewandelte Ausführungsform eines im wesentlichen der r, Vorrichtung gemäß F i g. 1 entsprechenden Dialysators, jedoch mit unterschiedlicher Plattenkonstruktion,

Fig.b eine in vergrößertem Maßstab gehaltene schematische Aufsicht auf die eine Ecke des Plattenstapels der Vorrichtung gemäß Fig. 5. in welcher in ιί gestrichelten Linien die Art und Weise der Anordnung der Rippen einer angrenzenden Platte gegenüber den Rippen der dargestellten Platte veranschaulicht isi,

F i g. 7 einen in stark vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt durch die Platten der Vorrichtung gemäß Fig.5, aus welchem das Verhältnis zwischen den Membranen und den betreffenden Rippen der Platten sichtbar ist.

Bei der in der Fi g. 1 dargestellten Diffusionsvorrichtung ist ein Stapel aus Platten und Membranen auf die in der US-PS 37 30 750 allgemein beschriebene Weise zusammengesetzt und zwischen zwei hohle Schalen 30, 32 eingesetzt, die aus einem Kunststoff-Gußleil bestehen können. Die Schalen 30, 32 sind unter Festlegung einer inneren Kammer einander zugewandt, wobei die Trennlinie zwischen den beiden Schalen mittels zweier Flansche 34,36 verspannt ist.

Bei Verwendung als Blutdialysator tritt Blut in die Vorrichtung gemäß F i g. 1 über einen Zulaß 42 ein und wird über eine Verteilerkammer 44 längs der Seitenkan- t>o tenflächen der gestapelten Platten und Membranen über abgeschrägte Verteilerbereiche der Platten ver teilt, welche nach Art der Verbindungskammern 10 gemäß Fig. 3 der US-PS 33 70 350 wirken. Die Tiefe der Verteilerkarnmer 44 nimmt vom Zulaß 42 aus in alle Richtungen ab.

Das aus der Verteilerkammer 44 zuströmende Blut strömt zwischen den einander zugewandten Membranen benachbarten Platten hindurch und wird dann in einer durch die Schale 32 gebildeten Sammlerkammer gesammelt, deren Aufbau derjenigen der Verteilerkammer 44 entspricht. Hierauf wird das Blut über einen Auslaß 54 aus der Vorrichtung ausgetragen.

Die Dialyselösung (oder Sauerstoff, falls die Vorrichtung als Blutoxygenator verwendet werden soll) kann über einen Einlaß 56 in die Vorrichtung eintreten, wobei diese Lösung in einen Verteilerraum eintritt, in welchem die Dialyselösung auf die Enden des Stapels der Platten 52 verteilt wird. Die Dialyselösung tritt sodann in Platteneinlässe 62 ein, die jeweils aus einer in der Rückseite jeder Platte ausgebildeten Nut bestehen, die gegenüber den Enden 64 der Platten offen sind. Die Dialyselösung strömt dabei ohne Unterbrechung durch Dichtschultern 66 in den Plattenstapel ein.

Die Einlasse 62 erstrecken sich über ein ausreichendes Stück durch die Dichtschultern 66 hindurch, um eine zufriedenstellende Abdichtung der Plattenenden zu gewährleisten. Eine jede Platte 52 vollständig durchsetzende Öffnung 68 dient als Verbindung zwischen dem Einlaß 62 und einem Strömungskanal 70. Letzterer ist eine in der Vorderseite jeder Platte ausgebildete Nut zur Verteilung der Dialyselösung über die eine Plattenseite.

Sodann strömt die Dialyselösung vom Strömungskanal 70 über die profilierte Fläche 72 zu einem zweiten Strömungskanal 74 (Fig. 3), an welchem die Lösung gesammelt wird.

Der zweite Strömungskanal kommuniziert mit einer Plattenauslaßeinrichtung 76, die bezüglich Konstruktion und Arbeitsweise die Anordnung aus dem Einlaß 62 und der Öffnung 68 entspricht.

F i g. 2 veranschaulicht schematisch den quer über die Platte 52 verlautenden und von dieser durch die Membran 39 getrennten Blutströmungspfad 49, während der Dialysat-Strömungspfad 80 gemäß F i g. 2 über den Einlaß 62 in die Platte hinein und auf vorher beschriebene Weise verläuft.

Die profilierte Fläche 72 der Platte 52 weist gemäß F i g. 4 Reihen von abstehenden Vorsprüngen 82 auf, die typischerweise im wesentlichen Pyramidenform aufweisen und eine Höhe von etwa 0,05 bis 0,5 mm besitzen. Beispielsweise können Vorsprünge 82 mit einer Höhe von 0,15 mm den größten Teil der Platte bedecken. Vorzugsweise sind die einander abwechselnden Vorsprungreihen gegenüber den benachbarten Reihen jeweils seitlich versetzt angeordnet, so daß Blut und Dialyselösung einander schneidende Nuten 83 durchströmen, welche zwischen den Dialyselösung-Strömungskanälen 70, 74 verlaufen, wodurch ein leichtes Durchmischen sowohl des Bluts als auch der Dialyselösung bei der Strömung über die Plattenfläche gewährleistet wird.

Die Mittelpunkte der Vorsprünge 82 sind in den quer zur allgemeinen Richtung des Blutstroms 81 über die Plattenfläche und im wesentlichen parallel zu den Strömungskanälen 70, 74 verlaufenden Reihen mit einem Abstand D\ von etwa 0,3 bis 1,5 mm angeordnet, so daß enge Rillen oder Nuten 83 festgelegt werden.

Der Vorteil dieser Ausbildung zeigt sich besonders bei \ ei wendung von ultradünnen Membranen mit einer Dick: von höchstens etwa 20 μ, da hierbei die große Vielzahl von kleinen und dicht nebeneinanderliegenden Vorsprüngen eine zufriedenstellende Abstützung für die dünne Membran bietet, wodurch ein Aufschlitzen oder ein Durchhängen der Membran in die Strömungskanäle zwischen den Vorsprüngen verhindert wird. Dp infolge

dieser Plattenkonstruktion eine ultradünne Membran verwendet werden kann, wird der Diffusionsgrad zwischen den auf gegenüberliegenden Seiten der Membran strömenden Fluiden im Vergleich zu den bekannten, herkömmlichen Diffusionsmembranen, welche erheblich dicker sind, wesentlich verbessert.

Der Strömungswiderstand über die Platten 52 wird dadurch verringert, daß die Mittelpunkte der Vorsprünge 82 in parallel zur Blutströmungsrichtung 81 verlaufenden Reihen auf einen größeren Abstand voneinander angeordnet werden als in den vorher beschriebenen Querreihen. Dieser Abstand O2 beträgt üblicherweise etwa das 2- bis 3fache des Abstands D\, d. h. etwa 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise etwa das 3fache des Abstands Dy Ein bevorzugter Abstand D, ist 0.5 mm, während der Abstand Ch vorzugsweise 1,5 mm beträgt.

Gemäß Fig.4 sind die pyramidenförmigen Vorsprünge 82 auf ihrer langen Achse typischerweise etwa 0,5 mm und auf ihrer kurzen Achse 0,2 bis 0,3 mm lang.

Die Dialyse-Membrane wird über den Platten 52 und Vorsprüngen 82 angeordnet und in solcher Richtung gespannt bzw. gestrafft, daß der Mittenabstand zwischen den Vorsprüngen 82 in der Spannrichtung der Membran größer ist als der Vorsprung-Mittenabstand quer zur Spannrichtung der Membran. Mit anderen Worten: Die Membran, bei der es sich typischerweise um eine Membran auf Cellulosebasis für Blutdialysatoren handelt, wird quer über die Platte 52 gelegt, während sie im wesentlichen parallel zur Richtung 81 leicht gespannt oder gestrafft wird. Wie erwähnt, beträgt der Abstand zwischen den Vorsprüngen senkrecht zur Strömungsrichtung 81 etwa ''/3 des Vorsprungsabstands in Strömungsrichtung 81.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß eine Dialysemembran auf Cellulosebasis und dergleichen im benetzten Zustand bestrebt ist, sich auszudehnen, wobei der Dehnungsgrad senkrecht zur Spannrichtung größer ist als in Spannrichtung. Wenn der Dehnungs- bzw. Expansionsgrad der feuchten Membran zu groß ist, kann die Membran durchsacken und die Dialysat-Strömungskanäle 83 zwischen den Vorsprüngen 82 blockieren. Die Vorsprünge 82 sind daher zur Berücksichtigung dieses größeren Durchsackens der Membran senkrecht zur Strömungsrichtung 81 dichter beieinander angeordnet. Wenn die Membran auf den Platten quer zur Strömungsrichtung 81 gespannt wird, kann der Abstand zwischen den Vorsprüngen 82 entsprechend modifiziert werden, um ein unzulässiges Durchsacken der Membran zu verhindern.

An den Flächen einander benachbarter Platten sind als Abstandsstücke dienende Stege bzw. Rippen 84 ausgebildet, die jeweils mit den Stegen oder Rippen der *> anschließenden Platte übereinstimmen, wodurch die Vorsprünge 82 an den einander zugewandten Platten daran gehindert werden, sich während des Zusammenpressens des Plattenstapels zwischeneinander zu verlagern.

1" Die Fig. 5 bis 7 zeigen Längsschnittansichten einer der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ähnelnden Vorrichtung, die eine abgewandelte Plattenkonstruktion aufweist.

Der größte Teil jeder Platte ist mit einander abwechselnden Reihen von parallelen, kurzen Stegen oder Rippen Π6 besetzt, die typischerweise höchstens etwa 0,05 bis 0,5 mm hoch, etwa 1 bis 1,5 mm lang und wesentlich schmäler (0,3 mm) sind, wobei die Rippen der einander abwechselnden Reihen gegenüber den Rippen der benachbarten Reihen Winkel festlegen. Vorzugsweise legen alle kurzen Rippen 116 spitze Winkel zu den Kanten der betreffenden Platte zwischen den Dichtschultern 112 fest, wobei auf der Platte mindestens in einer Richtung und vorzugsweise in beiden Richtungen eine ungerade Zahl der Reihen dieser Rippen vorgesehen ist, so daß die kurzen Rippen 116 der flächig aneinander anliegenden Platten die entsprechenden Rippen der benachbarten Platte kreuzen und berühren und dabei eine Abstandhalte- und Stützfunktion zwischen den Platten übernehmen. Dieser Zustand ist in

JC F i g. 7 veranschaulicht, in welcher zwei einander benachbarte Membranen durch die einander kreuzenden Rippen 116, 116' zweier benachbarter Platten gehalten und verspannt werden. Die in Fig.6 in gestrichelten Linien eingezeichneten Rippen 116' veranschaulichen das gleiche Prinzip. Bei Verwendung der einander kreuzenden Rippen 116 sind die langen Stege oder Rippen 84 (F i g. 3) nicht mehr erforderlich, und außerdem wird hierbei eine gleichmäßigere Plattenunterstützung gewährleistet Die Dialyselösung wird dabei in entsprechenden Sammelkanälen 118, welche den Teilen 110, 114 entsprechen, aufgefangen und sodann über einen Sammler 60 und einen Auslaß 57 abgeführt

In Fig. 7 sind die Rippen 116 aus Gründen der Deutlichkeit in vergrößertem Maßstab und in einer kleineren Zahl von Reihen dargestellt, als dies in der Praxis normalerweise der Fall wäre. Ein typischer Rippenabstand 117 zwischen den Rippen benachbarter Reinen beträgt etwa 0,2 mm.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Diffusionsvorrichtung, insbesondere Dialysator, mit einem Stapel von durch halbdurchlässige Membranen voneinander getrennten Platten, wobei zu beiden Seiten der Membranen zwei getrennte, gegeneinander abgedichtete Strömungspfade festgelegt sind und jede Platte eine profilierte Membran-Stützfläche aufweist, die mit mehreren Reihen von abstehenden Vorsprüngen besetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (39), die auf den Platten (52) über den Vorsprüngen (82) · angeordnet sind, in der einen Richtung gespannt oder gestrafft sind, und daß der Abstand (Dt) zwischen den Mittelpunkten der Vorsprünge in den in der allgemeinen Spannrichtung liegenden Reihen größer ist als der Mittelabsland fA) der Vorsprünge in den quer zur allgemeinen Spannrichtung verlaufenden Reihen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (82) einander abwechselnder Reihen kreuzende Fluidum-Strömungskanä-Ie über die Platten (52) hinweg festlegend seitlich versetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (O₂) zwischen den Vorsprüngen (82) in den in der allgemeinen Spannrichtung liegenden Reihen mindestens doppelt so groß ist, wie der Vorsprungsabstand (D]) in den quer dazu verlaufenden Reihen und daß die allgemeine Spannrichtung längs der allgemeinen Richtung der Fluidum-Strömungskanä-Ie liegend ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran höchstens 20 μίτι dick ist und daß die Vorsprünge (82) in den quer zur allgemeinen Spannrichtung liegenden Reihen 0,3 bis 1,5 mm voneinander entfernt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (39) aus Zellulosematerial besteht.