DE2842958A1

DE2842958A1 - Dialysehohlfadenmembran mit laengswellen

Info

Publication number: DE2842958A1
Application number: DE19782842958
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Chem Dr Henne
Original assignee: Akzo GmbH
Current assignee: Akzo Patente 5600 Wuppertal De GmbH
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1978-10-02
Publication date: 1980-04-10
Also published as: JPS5549107A; DE2842958C2; BE879110A; JPS5850761B2

Description

Dialysehohlfadenmembran
mit Längswellen Die Erfindung betrifft eine Dialysemembran aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, in Form eines Hohlfadens mit durchgehendem Hohlraum.
Aus der DE-PS 736 321 ist ein Hohlfaden aus regenerierter Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, mit einem durchgehendem Hohlraum bekannt.
Aus der US-PS 32 28 877 ist es bekannt, daß die nach der genannten DE-PS 736 321 hergestellten Hohlfäden als Dialysemembranen und als Membranen zur umgekehrten Osmose geeignet sind.
Aus der US-PS 38 88 771 sind Hohlfäden aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurden, bekannt, die eine definierte Membranstruktur aufweisen und entlang der gesamten Achse der Faser eine gleichmäßige Wandstärke und einen genau kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Außerdem sind die Hohlfäden hoch verstreckt und weisen eine hohe Zugfestigkeit auf.
Bei derartig hoch verstreckten Hohlfäden aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurden, findet man als Maß für die Orientierung eine Doppelbrechung# b n von 0,03. Obwohl die durch Verstreckung und Orientierung erzielbare höhere Festigkeit sicherlich wünschenswert wäre, ist sie für die Quellbarkeit der Membran und damit für die Wirksamkeit bei der Dialyse von großem Nachteil.
Aus der GB-PS 859 325 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hohlfäden bekannt, deren Querschnitt längs der Fadenlänge periodisch oder aperiodisch schwankt. Als Fadenmaterial werden synthetische thermoplastische Polymere eingesetzt. Die erhaltenen Fäden sollen als Füllmaterial für Polster, Matratz(an, Kissen und Ähnliches verwendet werden.
Bei der Dialyse, beispielsweise der Hämodialyse, ist es erforderlich, daß die Membranwände von den Dialyseflüssigkeiten vollständig und ohne Behinderung umspült werden.
Werden Dialysemembranen, in Form von Hohlfasern, die zu Bündeln zusammengefaßt sind, eingesetzt, so neigen Hohlfasern mit genau kreisförmigem Querschnitt in einem Bündel aus etlichen Tausend Hohlfasern mit einer Faserdichte von etwa 500 bis l.ooo je cm2 leicht dazu, sich auf ihrer ganzen Länge fest aneinander zu schmiegen, ähnlich dem Glasplatteneffekt zweier planparalleler Platten.
Durch dieses Aneinanderhaften ist der Zugang der Dialysatflüssigkeit zu den Zwischenräumen zwischen den Hohlfasern erschwert und die Flächen, an denen die Hohlfasern aneinanderhaften, bleiben für den Stoffaustausch ungenutzt, wodurch die Effektivität des Hohlfadenmoduls verringert wird.
Der Stoffaustausch wird aber auch durch die Strömungsverhältnisse im Inneren der Membran verringert, weil bei der laminaren Strömung sich an der Membranwandung eine Grenzschicht ausbildet, die an Metaboliten verarmt ist. Das hat zur Folge, daß die den Stoffaustausch bestimmende Konzentrationsdifferenz geringer wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, Dialysehohlfäden aus regenerierter Cellulose so zu gestalten, daß das Aneinanderhaften der Hohlfäden weitgehend verhindert wird, und die Ausbildung eines laminaren Strömungsprofils im Inneren der Hohlfasern gestört wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Dialysehohlfadenmembran, deren Querschnitt senkrecht zur Fadenachse über die Länge des Fadens periodisch schwankt.
Vorzugsweise entsprechen die äußeren Begrenzungen im Längsschnitt des Fadens zwei im Abstand voneinander verlaufenden Kurvenzügen einer Schwingungsgleichung.
Hergestellt werden die erfindungsgemäßen Hohlfäden durch Koagulation einer aus einer Hohlfadendüse extrudierten Cellulose-Cuoxamlösung in verdünnter Natronlauge, wobei die Spinnlösung zur möglichst weitgehenden Vermeidung der Verstreckung und Orientierung unmittelbar nach Verlassen der Spinndüse in das Koagulationsbad geleitet wird. Zur Ausbildung des durchgehenden Hohlraumes wird durch die zentrale Bohrung in bekannter Weise eine hohiraumbildende Flüssigkeit geleitet, beispielsweise Halogenkohlenwasserstoffe, Kohlenwasserstoffe und Ester, wobei Isopropylmyristat sich als vorteilhaft erwiesen hat. Es hat sich aber auch gezeigt, daß Wasser und wässrige Lösungen, beispielsweise Lösungen von Carboxymethylcellulosesalzen hervorragend als hohlraumbildende Flüssigkeiten geeignet sind.
Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Hohlfadenform wird durch eine periodische Änderung der gepumpten Mengen an Spinnlösung und/oder hohlraumbildender Flüssigkeit bzw. des Förderdruckes der Pumpe erreicht. Durch die periodische Änderung der Pumpmengen bzw. des Förderdruckes ergibt sich eine zeitlich periodisch schwankende Querschnittsänderung des extrudierten Hohlfadens, die in Längsrichtung einer Wellenform analog ist. Durch gezielte Variation der Pumpmenge und/oder des Förderdruckes der Förderpumpen lassen sich unterschiedlich geformte Hohlfäden erzeugen, wobei in besonderer Ausgestaltung der Erfindung die äußeren Begrenzungen im Längsschnitt den Kurven für eine periodisch erregte gedämpfte Schwingung entsprechen. Derartig geformte Hohlfäden lassen sich besonders vorteilhaft zu Bündeln zusammenfassen, die ohne jede Behinderung mit Dialysatflüssigkeit umspült werden können und damit einen schnellen und wirksamen Stoffaustausch durch die Membran gewährleisten.
Bei erfindungsgemäßen Dialysemembranen nach einer weiteren besonderen Ausgestaltungsform entsprechen die Begrenzungen im Längsschnitt den Kurven für eine Sägezahnschwingung. Derartig geformte Hohlfäden verkrallen sich bei der Bildung des Hohlfaden-Bündels ineinander und geben dadurch ein sehr stabiles, sich selbst abstützendes Bündel mit einer Vielzahl von Kanälen für die Durchströmung des Bündels mit Dialysatflüssigkeit.
Bei den erfindungsgemäßen Dialysemembranen läßt sich die Schwankung des Querschnittes der Hohlfäden in einem relativ großen Bereich ohne Nachteil für die Dialyse verwirklichen.
Bevorzugt beträgt der minimale Querschnitt zwischen 30 und 85% des Maximalquerschnittes.
Der Außendurchmesser der erfindungsgemäßen Hohlfäden beträgt an den Stellen mit maximalem Querschnitt 10 bis 1000/um, vorzugsweise 50 bis 600/um. Die Wandstärke beträgt 1 bis 100/um, vorzugsweise 5 bis 50/um.
Da die Dialyse mit einer Dialysemembran bei einer Schwankung des Querschnittes unterschiedlichen und manchmal gegenläufigen Einflüssen unterworfen ist, ist es in manchen Fällen von Vorteil, solche Einflüsse durch eine entsprechende Zu- und/oder Abnahme der Wandstärke auszugleichen.
Beispielsweise wird bei Erregung der Schwankung durch Beeinflussung des Pumpens der hohlraumbildenden Flüssigkeit die Wandstärke an den Stellen größeren Querschnittes verringert, während die Wandstärke an den gleichen Stellen vergrößert wird, wenn bei konstandem Pumpen der hohlraumbildenden Flüssigkeit die Pumpe für die Spinnlösung zur Erregung der Schwankung beeinflußt wird. Der Innenquerschnitt der Hohlfaser unterliegt dann geringeren Schwankungen als der Außenquerschnitt.
Erfindungsgemäße Fäden lassen sich aber auch durch eine periodische Schwankung der Abzugsgeschwindigkeit des Hohlfadens von den Spinndüsen und durch das Koagulationsbad erzeugen, indem z.B. die Fäden mittels Riffelwalze gefördert werden.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen erfindungsgemäße Hohlfaserabschnitte im Längsschnitt in unterschiedlicher Ausführungsform.
Figur 1 zeigt schematisch den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Dialysemembran, deren Begrenzungen etwa einer Sinusschwingung entsprechen. 1 ist die aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, bestehende Membranwand der Hohlfaser 2.
Figur 2 zeigt schematisch den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Dialysemembran, deren Begrenzungen etwa einer Sägezahnschwingung entsprechen. Auch hier ist 1 die aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, bestehende Membranwand der Hohlfaser 2.
In Figur 3 ist schematisch der Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Dialysemembran dargestellt, deren Begrenzungen etwa einer gedämpften und periodisch erregten Sinuswelle entsprechen. Hier ist ebenfalls 1 die aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, bestehende Membranwand der Hohlfaser 2.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1 - Herstellung einer erfindungsgemäßen Dialysemembran.
Aus einer Hohlfadenringdüse, an deren ringförmigem Spalt die Spaltbreite auf die Hälfte der üblichen Spaltbreite verringert war und bei der das Verhältnis Spaltbreite zur Spalthöhe ca 1 : 20 betrug, wurde eine Cuoxam-Celluloselösung ausgepreßt, wobei der Spinndruck periodisch erhöht wurde. Die Cuoxam-Celluloselösung hatte einen Cellulosegehalt von 9 Gew.-%, einen Ammoniakgehalt von 6,5 Gew.-% und einen Kupfergehalt von 4,0 Gew.-%. Dia Viskosität dieser Spinnlösung betrug 2300 Poise. Gleichzeitig wurde durch die Innenbohrung der Hohlfadenspinndüse Isopropylmyristat als hohlraumbildende Flüssigkeit gepumpt. Die extrudierte Spinnlösung wurde unmittelbar unterhalb der Spinndüse in ein Natronlaugebad geleitet. Anschließend wurde der koagulierte Faden durch ein Wasserbad, ein Schwefelsäurebad und dann durch eine längere Waschstrecke geleitet, der dann der Trockner folgte. Die Aufwicklung geschah im Anschluß an die Trocknung zum Teil auf einer Spule und zum Teil in einem Strang.
Auf einem etwa 20cm langen Fadenstück wurden die Abmessungen des Hohlfadens bestimmt. Der Durchmesser beim Maximalquerschnitt betrug 305/um. Die Querschnittsfläche im Minimum betrug 35% des Maximalquerschnittes. Die Wellenform entsprach einer stehenden Sinuswelle mit einer Wellenlänge von ca. 5 mm, ermittelt aus Dickenmessungen in 2mm Abständen.
Der Hohlfaden hatte eine Zugfestigkeit, gemessen bei 50% Luftfeuchtigkeit und 23 OC, von 25 . 103 cN/mm2.
Die Dehnung betrug 25%. Die Doppelbrechung 4 n lag bei 0,016.
Beispiel 2 - Verwendung der erfindungsgemäßen Dialysemembran zur Hämodialyse.
Die nach Beispiel 1 hergestellten Hohlfäden wurden zu einem Bündel von 6000 Fäden zusammengefasst und in einem Hohlfadentestdialysator eingebaut.
Bei einem standardisierten Lösungsfluß von 200 ml/min . m2 2 und einem Dialysatfluß von 500 ml/min . m wurde bei einer Wassertempera#tur von 37 0C eine Ultrafiltrationsrate von 4,1 ml/h . m2 . mm . Hg ermittelt. Die Clearance für Harnstoff in wässriger Lösung betrug 150 ml/min. Die Clearance für Vitamin B12 in wässriger Lösung betrug 42 ml/min.
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Claims

Patentansprüche 1. Dialysemembran aus Cellulose, die aus Cuoxamlösungen regeneriert wurde, in Form eines Hohlfadens mit durchgehendem Hohlraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt senkrecht zur Fadenachse des Hohlfadens über die Länge des Fadens periodisch schwankt.
2. Dialysemembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Längsschnitt des Fadens die äußeren Begrenzungen symmetrisch zur Fadenachse zwei im Abstand voneinander verlaufenden Kurvenzügen einer Schwingungsgleichung entsprechen.
3. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungen im Längsschnitt den Kurven einer periodisch erregten, gedämpften Schwingung entsprechen.
4. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungen im Längsschnitt den Kurven für eine Sägezahnschwingung entsprechen.
5. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt im Minimum 30 bis 85% des Maximalquerschnittes beträgt.
6. Dialysemembran nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Hohlfadens entsprechend der periodischen Schwankung des Querschnittes zu- und/ oder abnimmt.