DE2929655A1

DE2929655A1 - Vorrichtung zur massenuebertragung zwischen fluiden

Info

Publication number: DE2929655A1
Application number: DE19792929655
Authority: DE
Inventors: Erich Knothe; Gerhard Lorenz
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1979-07-21
Filing date: 1979-07-21
Publication date: 1981-02-12
Also published as: US4304669A; GB2062491B; GB2062491A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer aus zwei Mem-

_ς branen und einer dazwischenliegenden Membranstütze bestehenden Membraneinheit, welche zu einem Faltenpaket plissiert und in einem kastenförmigen, umschließenden Gehäuse mit Ein- und Auslässen für die Fluide derart angeordnet ist, daß die Falten und die eingeschlossene Membranstütze mehrers getrennte, par-

_1n allele Strömungswege bilden. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise für die Durchführung einer Ultrafiltration bekannt durch die DE-OS 25 18 614. Weiterhin ist ein Dialysator für die Behandlung von Blut nach der Faltenbauweise bekannt (DE-OS 26 08 758), bei dem eine Membran zusammen mit einer Mem-

_1t. branstütze in Form eines Netzwerkes gemeinsam zu einem Faltenpaket plissiert sind. Hierbei dienen die beiden getrennten Strömungswege für die Führung des Dialysats und des Blutes.

Die Erfindung betrifft gleichzeitig eine Weiterbildung der ei-_2Q genen Patentanmeldungen P 28 03 344, P 28 06 237 und P 28 51 776. Derartige Faltdialysatoren eignen sich gut zur industriellen Fertigung, da sie aus Endlosmaterial, nämlich der Membran und der Membranstütze durch Parallelfaltung entstehen und auf diese Weise sich relativ kleine Vorrichtungen, d.h. Filterzellen herstellen „j. lassen.

Derartige Filterzellen sollen im Idealfall ein möglichst geringes Blutvolumen aufweisen, eine gleichmäßige Verteilung des Blutflusses über die Membrane ermöglichen, einen geringen Durch- __n strömungswiderstand auf der Blutseite.aufweisen, große Dialysierleistung, eine gute Ultrafiltrationsrate, eine kompakte Bauweise und geringe Herstellkosten besitzen.

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Letzteres ist besonders wichtig, da diese Filterzellen nach der Einmal-Verwendung aus Sicherheitsgründen weggeworfen werden, wenn sie bestimmungsgemäß als künstliche Niere eingesetzt werden.

Die bekannten Filterzellen nach dem Faltungsprinzip sind insofern verbesserungswürdig, als die Blutverteilung von der Seite her in die Faltentiefe hinein und deren Weiterführung* in Längsrichtung, d.h. parallel zu den Falten noch zu ungleichmäßig ist und sich damit noch nicht eine gleichmäßige Blutfilmdicke über die gesamte Fläche der Membranen erzielen läßt. Im übrigen ist bei der Verwendung eines einfachen Gewebes oder bei Verwendung eines unverwobenen Netzwerkes der dadurch resultierende Strömungswiderstand noch zu groß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine Vorrichtung der eingangs genannten Bauart im Sinne dieser Zielsetzung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch unter Schutz gestellten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen untsr Schutz gestellt.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung für den Einsatz als künstliche Niere näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 in perspektivischer Ansicht mit herausgebrochener Gehäusestirnseite den Filter nach der Schnittlinie 1-1 in Fig. 2 mit einem größeren Detailausschnitt der Faltung,

Figur 2 einen Horizontalschnitt durch den Filter nach der Schnittlinie 2-2 in Fig. Ϊ, *

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Figur 3 in Perspektivansicht die Faltung und Strömungsführung auf den Membranen und der Membranstütze und

Figur 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 2. 5

Gemäß Fig. 1 besteht der Filter aus einem kastenförmigen Gehäuse 4 aus zwei Halbschalen 4a,4b, das auf seiner Oberseite einen ersten Einlaß 1a und einen ersten Auslaß 1b für das Blut B und auf der gegenüberliegenden Seite einen zweiten Einlaß 2a und einen zweiten Auslaß 2b für das Blut B sowie stirnseitig einen Einlaß 3a für Dialysat D und einen Auslaß 3b für das Dialysat und/oder Filtrat D/F aufweist. Wie aus Fig. 1 und 2 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 in Farm eines Faltenpaketes, bestehend aus den beiden Membranen 5 und 7 und die davon eingeschlossene Membranstütze 6 angeordnet. Diese drei aufeinanderliegenden Lagen, nämlich Membran5, Membranstütze 6 und Membran 7, werden nach Fixierung der Endlosbahnen an den Rändern, gemäß Fig. 3, gemeinsam plissiert und zu einem der Gehäusehöhe angepaßten Faltenpaket zusammengepreßt. Bei der Faltung werden die Endbereiche an den Stirnseiten der Faltenrinnen mit einer Raupe aus Kunstharz 8 verklebt, so daß lediglich stirnseitig der schlauchartige Strömungsweg der Membranstütze B offen bleibt.

Zur Bildung der drei Strömungskammern, I,II,III wird nicht nur der Endbereich des Faltenpaketes mit einer Verklebung 8

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oder Versiegelung versehen, die sich gemäß Fig. 2 dichtend allseitig an das Gehäuse 4 anlegt und damit den Verteilerraum 9 und 10 für das Dialysat gegenüber dem übrigen Gehäuse 4 abdichtet, sondern die beiden Längskanten der Endfalten 12 sind auf der ganzen Länge ebenfalls mit einer dichtenden Verklebung 8 oder Versiegelung versehen, so daß das Faltenpaket an beiden Stirnseiten lediglich im Bereich der Mittellage, also der Msmbranstütze B, offen' ist.

Zur besseren Strömungsführung weist die Membranstütze 6 eine zu den parallelen Strömungswegen quer verlaufende, zickzack-förmige bis sinuswellenförmige Querschnittsstruktur aus Wellenbergen und Wellentälern auf, wobei die in Richtung der parallelen Strömungswege verlaufenden Wellenrücken 6' und Wellenrinnen 6'¹ einen zick-zack-förmigen bis sinuswellenförmigen Querversatz aufweisen, d.h. die Wellenrücken 6' bilden eine gemeinsame BBzugsebenen und die Wellenrinnen 6'' ebenfalls eine gemeinsame Bezugsebene, laufen zueinander parallel jedoch zick-zack-förmig bis sinuswellenförmig.

Diese Struktur kann erfindungsgemäB dadurch erreicht werden, daß ein Kunststoffgewebe in der Struktur eines Fischgratköpers oder eines Zickzackköpers ausgebildet und als Membranstütze gemeinsam mit den beiden Membranen 5 und 7 plissiert wird. Durch diese Struktur wird eine definierte Strömungsrichtung erzeugt und zum andern sichergestellt, daß beim übereinanderfalten sich die Erhebungen aus der Membranstütze der einen Falte nicht in die Vertiefungen der Membranstütze der anderen Falte eindrücken.

In einer anderen Ausführungsform ist erfindungsgemäß dia Mernbranstütze 6 aus einer fluiddichten Folie gebildet, wie dies

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in dsm Detailausschnitt gemäß Fig. 1 schematisch angedeutet ist.

Gelangt als Membranstütze 6 ein Gewebe aus monofilsn Kunststoffäden in Fischgratköper-Bindung ader Zickzackköper-Bindung zur Anwendung, bilden die beiden Membranen 5 und 7 somit in Verbindung mit der Membranstütze 6 einen in Gehäuselängsrichtung verlaufenden und im Bereich der Verteilerkammer und 10 offenen Schlauch und damit die Strömungskammer III.

Die anderen beiden Strömungskammern I und II werden dadurch gebildet, daB sich die Längskanten des Faltenpaketes im Bereich zwischen den Ein- und Auslassen 1a, 2a, 1b, 2b dichtend an die Gehäuselängswände des Gehäuses 4 und die Cber- und Unterseite des Faltenpaketes dichtend an den Gehäuseboden und Gehäusedecke anlegen. Das in die Einlasse 1a und 2a eingegebene Blut gelangt über die Verteilerkanäle 11 in den Bereich der einzelnen, nach der jeweiligen zugeordneten Gehäuselängswand hin offenen Faltenrinnen und wird gemäß Fig. 2 gezwungen, bis in die Faltentiefe einzudringen und in Richtung des jeweiligen Ausganges 1b, 2b zu fließen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel durchfließt also das in den Einlaß 1a eingeführte Blut die Strömungskammer I und verläßt diese durch den Auslaß 1b, während in gleicher Weise das in den zweiten Einlaß 2a eingeführte Blut durch den Auslaß 2b cie Strömungskammer II verläßt. Vorzugsweise im Gegenstromverfahren durchfließt das Dialysat die Strömungskammer III durch den Einlaß 3a und durch die Verteilerkammer 10 das Gehäuse 4 in Richtung der Verteilerkammer 9 und verläßt diese durch den Auslaß 3b?

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-B-

Aufgrund des Konzentrationsgefälles zwischen Blut und Dialysat diffundieren die dem Blut zu entziehenden harnpflichtigen Stoffe durch die Membran 5 und 7 hindurch in den von der Membranstütze B abgestützten Hohlraum und werden aus diesem abgeführt. Wird an den AuslaB 3b für das Dialysat eine Unterdruckpumpe angeschlossen und der FIuB durch den Einlaß 3a für das Dialysat mit einer Schlauchklemme gedrosselt oder ganz gesperrt, so erfolgt aufgrund des Druckgefälles eine Ultrafiltration von der Blutseite zur Dialysatseite. Auf diese Weise lassen sich größere Mengen Blutwasser kurzzeitig dem Blut entziehen.

Die simultane Hämodialyse und Hämofiltration kann dadurch noch weiter optimiert werden, das an Stelle von zwei Membranen gleichen Typs eine spezielle Dialysemembrane mit einer speziellen Filtrationsmembrane kombiniert wird. So kann z.B. eine Dialysemembrane auf der Basis von Zellulosehydrat mit einer asymmetrischen Ultrafiltrationsmembrane auf der Basis von Zellulosetriacetat kombiniert werden.

Eine weitere Optimierung ist dadurch möglich, daß sichergestellt ist, daß das Dialysat nur mit der Dialysemembrane in Berührung tritt und das Filtrat in einem separaten Strömungsweg von der Filtrationsmembrane abgeführt wird, wobei es üblich ist, das verbrauchte Dialysat und das Filtrat gemeinsam zu verwerfen. Insofern ist ein separates Auffangen des Filtrates nicht zwingend notwendig.

Zu diesem Zweck ist die bei Verwendung eines Gewebes der vor beschriebenen Webart gemeinsame Strömungskammer in der Membranstütze B durch die fluiddichte Folie gemäß Detailpunkt Fig. 1 und Fig. 3 noch einmal unterteilt in einen Strömungsweg III für das Filtrat und in einen Strömungsweg IV ^für das Dialysat.

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Der Strömungsweg III für das Filtrat ist somit gebildet durch die Filtrationsmembrane 7 und die Membranstütze 6 einerseits und der Strömungsweg IV für das Dialysat durch die Dialysemembrane 5 und die Membranstütze 6 andererseits und zwar derart, daß beide Stirnseiten des Faltenpaketes eine streifenförmige Abdichtung 8 der beiden aufeinanderliegenden Membranen 5,7 in den Falten aufweist und eine Abdichtung der Filtrationsmembrane 7 mit der zugewandten Seite der Membranstütze 6 nur an der Stirnseite vorgesehen ist,in der das Dialysat stirnseitig zwischen der Dialysemembrane 5 und der ihr zugewandten Seite der Membranstütze 6 eintritt, während die gegenüberliegende Stirnseite des Faltenpaketes in der Ebene der Membranstütze für den Austritt des Dialysats und des Filtrats offen ist.

Gemäß Fig. 2, 3 und 4 bedeutet dies, daß im Bereich der Verteilerkammer 10 die Filtrationsmembrane 7 dichtend mit Hilfe einer Kleberaupe ß¹ mit der ihr zugewandten Seite der Membranstütze 6 verklebt ist und somit der Strömungsweg III für das Filtrat auf der Dialysat-Einlaßseite verschlossen und auf der Dialysat-Austrittseite offen ist. Dialysat und Filtrat werden somit gemeinsam aus der Verteilerkammer 9 abgeführt und verworfen.

Fig. 3 macht deutlich die Führung der Fluide in einer Vielzahl von parallelen zick-zack-förmigen Strömungsbahnen. Schneidet man eine solche zick-zack-förmige Strömungsbahn gemäß Fig.l bzw. Fig. 3 in Längsrichtung, so erscheint in der Längsschnittdarstellung gemäß Fig. 4 die Membranstütze B als geschnittene Welle.
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In dem schematisch vereinfachten Teillängsschnitt nach Fig. 4 ist zwischen der oberen Membranfläche und dem Gehäuse 4 einsr-

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seits und zweckmäßigerweise auch zwischen der unteren Membranfläche und dem Gehäuse 4 andererseits eine Andruckplatte 15 eingefügt. Diese drückt das Faltenpaket im Bereich zwischen den Verteilerkanälen 11 auf ein SollmaB zusammen, damit die Flächen der Membranen 5,7 erstens parallel verlaufen und zweitens eine definierte Kanalhöhe in den Faltenrinnen erreicht wird. Wird die Stärke des Klebers 8, Θ' an den Stirnseiten zur Abdichtung der Faltenrinnen gegenüber den Verteilerkammern 9 und 10 etwas stärker gewählt als die erwünschte Kanalhöhe in den Faltenrinnen, so ergeben sich Btwas größere Kanalhöhen im Bereich der Verteilerkanäle 31. Das hat zur Folge, daß das darin geführte Fluid z.B. Blut besser in die Faltentiefe dringen kann.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungen ist darin zu sehen, daß mit Hilfe eines Standardgehäuses eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer Membraneinheit möglich geworden sind, wobei aufgrund des drei· lagigen Faltmaterial bei kleinen Gehäuseabmessungen relativ große Austauschflächen für die hindurchgeförderten Fluide vorhanden sind.

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Leerseite

Claims

SARTORIUS GMBH SM 7907 Weender Landstraße Kö/kl Göttingen Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden Ansprüche

1. Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer aus zwei Membranen und einer dazwischenliegenden ^,Strömungskanäle aufweisenden Membranstütze bestehenden Membraneinheit, welche zu einem Faltenpaket plissiert und in einem kastenförmigen, umschließenden Gehäuse mit Ein- und Auslassen für die Fluide derart angeordnet ist, daß die Falten und die eingeschlossene Membranstütze mehrere getrennte, parallele Strömungswege bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstütze [6) eine zu den parallelen Strömungswegen quer verlaufende zick-zackförmige bis sinuswellenförmige Querschnittstruktur aus Wellenbergen und Wellentälern aufweist, und daß die in Richtung der parallelen Strömungswege verlaufenden Wellenrücken (6*) und Wellenrinnen CB*') einen zick-zack-förmigen bis sinuswellenförmigen Querversatz aufweisen.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstütze (6) durch ein Kunststoffgewebe in der Struktur eines Fischgratköpers oder eines Zickzackköpers gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstutze (6) aus einer fluiddichten Folie gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstütze (6) aus einer fluiddichten Folie gebildet und sandwichartig zwischen einer Filtrationsmembrane (7) und einer Dialysemembrane (5) eingeschlossen, gemeinsam mit diesen zu einem Faltenpaket derart plissiert ist, daß durch die Falten auf jeder Faltenseite je eine mit einem Ein- und Auslass (1a,1b,2a,2b) versehene erste und zweite Stromungskammer (I u. II) und daß zwischen der Membranstütze (6) und der Filtrationsmembrane (7) einerseits ein Strömungsweg (III) für das Filtrat und daß zwischen der Membranstütze (6) und der Dialysemembrane (5) andererseits ein weiterer Strömungsweg (IV) für das Dialysat gebildet ist, und daß beide Stirnseiten des Faltenpaketes eine streifenförmige Abdichtung (Θ) der beiden aufeinanderliegenden Membranen (5,7) in den Falten aufweisuiund eine Abdichtung der Filtrationsmembrane (7) mit der zugewandten Seite der Membranstütze (B) nur an der Stirnseite vorgesehen ist, in der das Dialysat stirnseitig zwischen der Dialysemembrane (5) und der ihr zugewandten Seite der Membranstütze (6) eintritt, wahrend die gegenüberliegende Stirnseite des Faltenpaketes in der Ebene der Membranstütze (6) für den Austritt des Dialysats und Filtrats offen ist, wobei beide Stirnseiten des Faltenpaketes jeweils in einer Verteiler kammer (9,10) mit Anschlüssen (3a,3b) enden. *

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