DE2803344A1

DE2803344A1 - Vorrichtung zur massenuebertragung zwischen fluiden unter zwischenschaltung einer membrane

Info

Publication number: DE2803344A1
Application number: DE19782803344
Authority: DE
Inventors: Erich Knothe; Gerhard Lorenz
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1978-01-26
Filing date: 1978-01-26
Publication date: 1979-08-02
Also published as: FR2415478B1; GB2013105B; FR2415478A1; GB2013105A; US4219422A; DE2803344B2; DE2803344C3; JPS54110184A

Description

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Beschreibung

Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer Membrane 5

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer Membrane und einer die Membrane tragenden, Strömungskanäle aufweisenden Membranstütze, welche zu einem Faltenpaket mit parallel verlaufenden Falten plissiert sind, die in Verbindung mit einem kastenförmigen Gehäuse mit Ein- und Auslässen Strömungskammern für die Fluide bilden.

Für die Durchführung von Dialysen, Ultrafiltrationen flüssiger oder gasförmiger Medien sind bereits eine Vielzahl von Filtrations- und Diffusionszellen der verschiedensten Bauarten bekannt. Insbesondere finden solche Filtrations- und Diffusionszellen bei der "Künstlichen Niere" Anwendung. Es haben sich dabei die verschiedensten Typen von Diffusionszellen herausgebildet, z.B. in Form von Plattendialysatoren, Schlauchdialysatoren und sog. Faltdialysatoren.

Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet beispielsweise ein Faltdialysator, wie er in der DE-OS 2252341 und DE-OS 260B75B beschrieben ist. Bei der ersten Ausführungsform wird eine Membran plissiert, so daß auf jeder Seite offene Taschen entstehen, in die einseitig zur Membranunterstützung Abschnitte eines Kunststoffnetzwerkes eingelegt werden und im zweiten Fall ist ein ebenfalls plissiertes Netzwerk

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in die βϊπβ Seite der Faltenöf-Fnungen eingelegt. Das zusammengedrückte Faltenpaket bildet in Verbindung mit einem kastenförmigen Gehäuse zwei Strömungskammern, durch welche die Flüssigkeit, im vorliegenden Fall Blut und Dialysat, durch zwei getrennte Kammern hindurchströmen kann, so daß aufgrund von Konzentrationsgradienten oder Druckgradienten ein Massenaustausch zwischen Blut und Dialysat erfolgen kann.

Die vorgeschriebenen Faltdialysatoren eignen sich gut zur industriellen Fertigung, da sie aus Endlosmaterial, nämlich der Membran und dem Netzwerk durch Parallelfaltung entstehen und auf diese Weise sich relativ kleine Vorrichtungen, d.h. Diffusionszellen, herstellen lassen.

Derartige Module sollen im Idealfall ein möglichstgeringes Blutvolumen aufweisen, eine gleichmäßige Verteilung des Blutflusses über die Dialysemembran ermöglichen, einen geringen Durchströmungswiderstand auf der Blutseite aufweisen, große Dialysierleistung, eine kompakte Bauweise und geringe Herstellkosten besitzen .

Die eingangs geschilderten bekannten Bauformen sind insofern verbesserungswürdig, als die Blutverteilung in die Faltentiefe hinein noch zu ungleichmäßig ist, die Herstellkosten noch zu hoch und die Membrananordnung und Gehäuseausbildung noch zu sehr auf spezifische Verwendungszwecke abgestellt sind.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit einfachen Mitteln eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß neben einer vereinfachten Fertigung eine größere Membranfläche für die Fluide zur Verfügung steht und die Führung der Fluide besser wechselnden Bedürfnissen angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Membranen unter Einschluß der Membranstütze gemeinsam zu einem Faltenpaket derart plissiert sind, daß die Falten drei parallel und getrennt voneinander verlaufende Strömungskammern bilden, wobei zwei Kammern durch die zur zugeordneten Gehäusewand hin offenen Falten und die dritte Kammer durch die von den Membranen eingeschlossene Membranstütze gebildet sind.

Mit dieser Ausbildung ist es möglich, drei verschiedene Fluide, und zwar Gase oder Flüssigkeiten oder in Kombination mit ein und derselben Vorrichtung zu behandeln, wobei die Variationsmöglichkeiten durch die Verwendung verschiedener Membranen noch vergrößert werden können. Auf diese Weise ist es möglich, mit ein und demselben Gehäuse entsprechend den Bedürfnissen diesen Modul als Dialysator, Ultrafiltrationseinrichtung oder auch als Oxygenator zu verwenden. Weitere erfindungsesentliche Merkmale sind in den Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Der Erfindungsgedanke, der die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zuläßt, ist in der beiliegenden Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel in Form eines Dialysators für eine "Künstliche Niere" in der

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beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Figur 1 in perspektivischer Ansicht mit herausgebrochener Gehäusestirnseite den Dialysator, Figur 2 einen Horizontalschnitt durch den Dialysator gemäß Figur 1 nach der Schnittlinie A-A, Figur 3 eine perspektivische Schnittdarstellung durch das Gehäuse und das Faltenpaket hinter der stirnseitigen Verklebung,
Figur 4 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch mehrere Schichten des Faltenpaketes und Darstellung der Verformung der Membran unter Einfluß der geförderten Fluide.

Gemäß Figur 1 besteht der Dialysator aus einem kastenförmigen Gehäuse 4, das auf seiner Oberseite einen ersten Einlaß 1a und einen ersten Auslaß 1b für das Blut und auf der gegenüberliegenden Seite einen zweiten Einlaß 2a und einen zweiten Auslaß 2b für das Blut sowie stirnseitig einen Einlaß 3a und einen Auslaß 3b für das Dialysat aufweist. Wie aus Figur 1, 2 und 3 ersichtlich ist, bilden die Ein- und Auslässe 1a, 2a, 1b, 2b für das Blut im Gehäuse 4 nach unten gerichtete Verteilerkanäle 11. Im kastenförmigen Gehäuse 4 ist die eigentliche Trennvorrichtung, bestehend aus den beiden Membranen 5 und 7 und die davon eingeschlossene Membranstütze 6 in Form eines Faltenpaketes angeordnet. Diese drei 'aufeinanderliegenden Lagen, nämlich Membran 5, Membranstütze B und Membran 7, werden nach Fixierung der Endlosbahnen an den Rändern gemeinsam plissiert und zu einem der Gehäusehöhe angepaßten Faltenpaket zusammengepreßt.

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Zur Bildung der drei Strömungskanäle I, II, III wird der Endbereich des Faltenpaketes mit einer Verklebung 8 oder Versiegelung versehen, die sich gemäß Figur 2 dichtend allseitig an das Gehäuse 4 anlegt und damit den Verteilerraum 9 und 10 für das Dialysat gegenüber dem übrigen Gehäuse 4 abdichtet. Die beiden Längskanten der Endfalten 12 sind auf der ganzen Länge ebenfalls mit einer dichtenden Verklebung oder Versiegelung versehen, so daß das Faltenpaket an beiden Stirnseiten lediglich im Bereich der Mittellage, also der porösen Membranstütze 6, offen ist. Als Membranstütze B gelangt vorzugsweise ein unverwobenes Netzwerk aus Kunststoff zur Anwendung, welches sich für diesen Zweck bereits bewährt hat. Die beiden Membranen 5 und 7 bilden somit in Verbindung mit der Membranstütze 6 einen in Gehäuselängsrichtung verlaufenden und im Bereich der Verteilerkammern 9 und 10 offenen Schlauch und damit die Strömungskammer III.

Die anderen beiden Strömungskammern I und II werden dadurch gebildet, daß sich die Längskanten des Faltenpaketes im Bereich zwischen den Ein- und Auslassen 1a, 2a, 1b, 2b dichtend an die Gehäuselängswände des Gehäuses und die über- und Unterseite des Faltenpaketes dichtend an den Gehäusebodsn und Gehäusedeckel anlegen. Die in die Einlasse 1a und 2a eingegebene Flüssigkeit gelangt über die Verteilerkanäle 11 in den Bereich der einzelnen, nach der jeweiligen zugeordneten Gehäuselängswand hin offenen Falten und wird gemäß Figur 2 gezwungen, bis in die Faltentiefe einzudringen und in Richtung des jeweiligen Ausganges 1b, 2b zu fließen.

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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nimmt also das in den Einlaß 1a eingeführte Blut den Strömungsweg und verläßt die Strömungskammer I durch den Auslaß 1b, während in gleicher Weise das in den zweiten Einlaß 2a eingeführte Blut den Strömungsweg 2 nimmt und durch den Auslaß 2b die Strömungskammer II verläßt. Vorzugsweise im Gegenstromverfahren durchfließt das Dialysat die Strömungskammer III durch den Einlaß 3a und durch die Verteilerkammer 10 auf dem Strömungsweg 3 das Gehäuse in Richtung der Verteilerkammer 9 und verläßt diese durch den Auslaß 3b.

Aufgrund des Konzentrationsgefälles zwischen Blut und Dialysat diffundieren die dem Blut zu entziehenden harnpflichtigen Stoffe durch die Membran 5 und 7 hindurch in den vom Netzwerk 7 abgestützten Hohlraum und werden aus diesem abgeführt. Wird an den Auslaß 3b für das Dialysat eine Unterdruckpumpe angeschlossen, so erfolgt aufgrund des Druckgefälles eine Ultrafiltration von der Blutseite zur Dialysatseite.

In Figur 5 sind in einer größeren Darstellung ausschnittweise die drei Strömungskammern I, II und III dargestellt. Dabei ist gleichzeitig die Wirkungsweise erkennbar, die von dem unverwobenen Netzwerk 6 auf die beiden Membranen 5 und 7 ausgeübt wird. Unter dem Flüssigkeitsdruck des Blutes in den beiden Kammern I und II werden die beiden Membranen 5 und in die Vielzahl der Freiräume des Netzwerkes 6 gedrückt, so daß das Blut in einer Vielzahl von kleinen engen Spalten den Dialysator durchfließen kann und dabei ein Austausch der harnpflichtigen Stoffe von den Kammern I und II in die Kammer III erfolgen kann.

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Wie aus Figur 2 erkennbar ist, ist es zweckmäBig, das Blut der Kammer I im Gleichstrom zum Blut in der Kammer II durch den Dialysator zu führen, es ist aber auch möglich, das Blut der Kammer I im Gegenstrom zum Blut der Kammer II zu führen. Aufgrund der drei getrennten Strömungskammern ist es grundsätzlich möglich, je nach Bedarf, die Flüssigkeiten oder Gase im Gleichstrom und/oder Gegenstrom durch das Gehäuse 4 strömen zu lassen. Auf diese Weise können drei ver-IQ schiedene Flüssigkeiten und/oder Gase durch die Strömungskammern I, II und III geführt werden, um durch die Membranen 5 und 7 hindurch die gewünschte Massenübertragung durchzuführen.

Es ist also auch beispielsweise möglich, anstelle des Dialysats durch die Kammer III Sauerstoff hindurchzuführen, so daß das Blut in den Kammern I und II mit Sauerstoff angereicht wird und die Vorrichtung somit als Oxygenator arbeitet. In gleicher Weise ist es auch möglich, anstelle der Blutführung in der einen Kammer eine Salzlösung oder dergleichen zu führen, um ganz bestimmte Massenübertragungen zu erreichen.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Membranen 5 und 7 zum Zweck der Dialyse von gleicher Art, z.B. aus regeneriertem Zellulose-Dialyse Material, hergestellt. Je nach Art der Flüssigkeit und je nach Verwendungszweck und je nach Art der durchzuführenden Massenübertragung können auch andere handelsübliche Membranen gleicher Art oder in Kombination mit Membranen anderer Eigenschaften, z.B. Membranen auf der Basis von Zellulosetriacetat und auf der Basis von Zellulosehydrat Verwendung finden.

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Der Vorteil der erfindungsgemäBen Ausführung gemäß Figur 1 bis 5 ist darin zu sehen, daß mit Hilfe eines Standardgehäuses eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten auf dem Gebist der Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer Membrane möglich geworden sind, wobei aufgrund des dreilagigen Faltmaterial bei kleinen Gehäuseabmessungen relativ große Austauschflächen für die hindurchgeförderten Fluide vorhanden sind. 1G

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Claims

28Q3344 SARTORIUS-MEMBRANFILTER GmbH 340G Göttingen, den 25.01.78 Weender Landstr. 94 - 108 SM 7803 Kö/tr Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer Membrane Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer Membrane und einer die Membrane tragenden, Strömungskanäle aufweisenden Membranstütze, welche zu einem Faltenpaket mit paral-IeI verlaufenden Falten plissiert sind, die in Verbindung mit einem kastenförmigen Gehäuse mit Ein- und Auslässen Strömungskammern für die Fluide bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Membranen (5, 7) unter Einschluß der Membranstütze CB) gemeinsam zu einem FaI-tenpaket derart plissiert sind, daß die Falten drei parallel und getrennt voneinander verlaufende Strömungskammern (I, II, III) bilden, wobei die Kammern (I, II) durch die zur zugeordneten Gehäusewand hin offenen Falten und die dritte Kammer CIII) durch die von den Membranen (5, 7) eingeschlossene Membranstütze C6) gebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Membranen C5, 7) von der gleichen Art sind.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Membrane als Dialysemembrane und die andere Membrane als Filtrationsmembrane ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der Membrane zur Dialyse oder Ultrafiltration von Blut die beiden durch die Falten gebildeten Kammern Cl, II) zur Blutführung und die durch die eingeschlossene Membranstütze (B) gebildete Kammer CIII) zur Führung des Dialysats bzw. Filtrats dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den drei Strömungskammern (I, II, III) zwei oder drei verschiedene Fluide führbar sind.

B. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluide im Gleich- und/oder Gegenstom im Gehäuse (4) geführt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstütze CB) als unverwobenes Netzwerk ausgebildet ist.

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