DE2944172A1 - Hohlfaserdialysator - Google Patents

Description

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Hohlfaserdialysator

A k ζ ο GmbH Wuppertal

Die Erfindung betrifft einen Hohlfaserdialysator, bestehend aus einem Hohlfaserbündel und einem Gehäuse, welches aus der Hohlfaseruiamantelung und den Zu- und Ablaufanschlußteilen zusammengesetzt ist, mit denen die freien Enden des Kohlfaserbündels mit Hilfe einer Vergußmasse flüssigkeitsdicht verbunden sind.

Hohlfaserdialysatoren der genannten Art sind hinreichend bekannt, beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 339 341, und werden in geringfügig voneinander abweichenden Ausführungsformen hergestellt.

Bei allen bisher bekannten Dialysatoren war die Gehäuse-

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form die eines Zylinders oder eines Prisma. Für Zylinder und Prismen gilt gemäß der Definition, daß es Körper sind, die von zwei parallelen Ebenen begrenzt sind, die einander kongruent sind. Die Verbindungslinie entsprechender Punkte der Schnittflächen des Körpers sind zueinander parallele Geraden. Beim Zylinder ist der Zylindermantel von einer geschlossenen Leitlinie begrenzt. Beim Prisma sind die Grundflächen parallele Kongruente Drei-, Vier- oder Vielecke. Die Seitenflächen des Prismas sind Parallelogramme.

Zum Zwecke des Dialysatorbaues werden die Hohlfasern, in der Regel von Spulen kommend, zu einer Vielzahl von Tausenden assembliert, wobei man sich bekannter Techniken aus der Verarbeitung von textlien Fäden bedient. So können aus einer begrenzten Anzahl von Spulen die Hohlfasern zu einem Strang parallel nebeneinanderliegend, zu einem Strang mit Uberkreuzung der einzelnen Lagen, zu einem ungeordneten in Längen aufgeschnittenen Bündel, zu einem geordneten Bündel durch Anwendung von Web-, Wirk- und Legetechniken assembliert werden, um in genügender Anzahl gemäß der angestrebten Membranoberfläche des Dialysators in ein Gehäuse eingesetzt zu werden, in welchem die Kopfenden durch Vergußmassen zwischen den Fasern abgedichtet werden, um den Innenraum der Hohlfasern vom Außenraum luft- und flüssigkeitsdicht voneinander zu trennen.

Da Hohlfasern industriell in der Regel in einem kontinuierlichen Prozeß hergestellt werden, ist man bestrebt, sie auf kreisrund geformte Garnträger zu wickeln, weil nur hierbei die Windegeschwindigkeit gleichförmig und in Übereinstimmung mit der Liefergeschwindigkeit auf den

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Herstellungsmaschinen eingestellt werden kann.

Große Probleme entstehen nun bei der überführung der auf runder oder vieleckiger (quasi runder) Unterlage gewickelten Faserpakete in eine gestreckte, geradlinige Paketform, die erforderlich ist, weil alle Dialysatorgehäuse in ihrer Längsachse eine Gerade bilden.

Einige Probleme sind:

Störung der gewählten Legeordnung, Förderung der Kanalbildung durch Spaltung des Paketes, Faserverbiegung, Faserknickung, ungleiche Länge zwischen innerem und äußerem Wickelradius, dadurch Mehrfachschnitt, hohe Abfallrate an Vieleckunterstützungspunkten.

Bei den erwähnten Web-, Wirk- und Legetechniken werden zwar die Nachteile der Aufbiegung von der gekrümmten in eine geradlinige Form dadurch vermieden, daß man die Längsachse der Fasern beim Assemblierprozeß in gestreckter Form in die spätere Längsrichtung des Dialysatorgehäuses legt und nur in der senkrecht dazu verlaufenden Richtung krümmt. Jedoch erfordern solche Verarbeitungsprozesse einen nicht unerheblichen Arbeitsaufwand an speziell dazu eingerichteten Maschinen.

Die Hohlfadenpakete für bekannte Dialysatoren werden . heute durch Wicklung auf vieleckige Haspel erzeugt, bei denen die geraden Anteile verwandt, die stark gebogenen Zwischenabschnitte verworfen werden, weil sie zu dezentralisierten Bündelkopfenden und zu Druckstellen in Hohlfasern führen.

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Auch für den Fall der Herstellung aus geschlossenen Strängen entsteht ein relativ hoher Schnittabfall dadurch, daß die völlig gebogenen Enden einen wesentlichen Teil der Gesamtlänge des Dialysators ausmachen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die geschilderten Nachteile des bisher üblichen Dialysatorbaues ohne Einbußen an Effektivität beim Dialysator zu vermindern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Hohlfadendialysator der eingangs geschilderten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Hohlfaserummantelung in ihrer Längsausdehnung gekrümmt ist und daß die Hohlfasern des Hohlfaserbündels parallel zu ihrer Aufwickelkrümmung zusammengefaßt und parallel zur Gehäusekrümmung im Gehäuse angeordnet sind.

Vorzugsweise sind die Krümmungslinien der Hohlfaserummantelung parallele Kreisbögen. Je mehr der Krümmungsradius des Dialysators mit demjenigen des kreisrunden Aufnahmeorgans der Hohlfasern und damit auch der Aufwickelkrümmung der Hohlfäden übereinstimmt, um so besser bleiben die Fasern in der beim Wickeln erteilten Ordnung und um so weniger besteht die Gefahr für Verbiegungen oder Knickungen der Hohlfasern.

Vorzugsweise wählt man die Krümmungsradien der Aufwicklung und des Dialysatorgehäuses gleich großm indem man gekrümmte-Halb- oder Teilschalen des Dialysatorgehäuses auf den Umfang einer Trommel aufbringt und die Hohlfasern beim Drehen-

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der Trommel in die Halb- oder Teilschalen ablegt.

Den gewickelten Strang schneidet man nun in gewünschte Längen verlustfrei auf, die entweder durch entsprechende Gehäuseabschnitte vorher bestimmt waren, oder man zerschneidet den gesamten Strang in gleich lange Teilbündel gleichzeitig mit dem Gehäuseteil, das vorher als geschlossener Ring auf die Wickelwalze gelegt war.

Die durch die Aufwickelspannung verursachte Schrumpfneigung des Stranges wirkt sich beim ersten Schnitt am Wickelumfang durch ein Auseinanderklaffen der Schnittenden aus. Nur die verbleibende Gesamtlänge ist in gleich lange Abschnitte aufzuschneiden.

Die schalenförmigen gekrümmten Gehäuseteile werden durch einen ebenso gekrümmten Deckel oder eine Teilschale von oben verschlossen und von der Wickelwalze abgenommen. Das in der Ummantelung befindliche Hohlfaserbündel wird dann in üblicher Weise weiter verarbeitet, d.h., an beiden Enden mit einem Kunstharz luft- und flüssigkeitsdicht vergossen, zur öffnung aller Fasern aufgeschnitten, mit Abschlußkappen versehen, die für den Flüssigkeitsein- bzw. -auslauf des Innenkompartiments der Hohlfasern ausgestattet sind.

Man kann aber auch zunächst die vom Hohlfaserspinnen benötigte Innenflüssigkeit entleeren, das Hohlfaserbündel trocknen und dann einbetten. Trotz Aufwicklung der Fäden in trockenem Zustand ist es überraschend, wie gut die durch die Verlegung während der Aufwicklung gegebene Ordnung im Falle der erfindungsgemäßen gekrümmten Gehäuseart aufrechterhalten bleibt. Dies ist wichtig zur Erzielung eines

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guten Dialysatdurchflusses. Der Fließwiderstand im Dialysat kann daher auf sehr einfache Weise durch Variation des Verkreuzungswinkels der Hohlfaden zueinander geregelt werden.

Sehr kleiner Verkreuzungswinkel, d.h., eine quasi parallele Wicklung, führt zu einem hohen Füllgrad und hohen Fließwiderstand, ein großer Verkreuzungswinkel zu niedrigem Füllgrad und geringem Fließwiderstand.

Diese wichtigen Größen für einen guten Dialysator können auf ganu einfache Weise erzielt werden und benötigen kein Fixieren durch Fremdfäden, Weben, Wirken, oder auf andere Weise, weil durch die Beibehaltung der gekrümmten Form die einmal abgelegte Fadenordnung erhalten bleibt.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Hohlfaserdialysators besteht darin, daß ein geordnetes Hohlfaserbündel nicht nur mit einem Hohlfaden, sondern vorzugsweise mit einer Vielzahl bis zu etwa 100 Hohlfaden ohne Schwierigkeiten hergestellt werden kann, was die Mittelung und Vergleichmäßigung der Permeabilitätswerte von Dialysatoren sehr wesentlich beeinflußt. So sinkt z.B. aus statistischen Gründen die Streuung der Ultrafiltrationsrate von Dialysatoren aus 100 Spulen auf den γ 100 ten Wert ^₀- _aecfen_ über der Streuung von Dialysatoren aus nur einer Spule. Bei den heute bekannten Web-Wirkmaschinen zur Herstellung von geordneten Hohlfasermatten ist eine solche Steigerung auf 100 Spulen noch nicht durchführbar.

Der Radius der Wickelwalze, der vorzugsweise dem Krümmungsradius des Dialysatorgehäuses gleich ist, soll dabei mög-

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liehst groß gewählt werden, damit

1. der äußere Umfang des Wickelpaketes sich nicht wesentlich, d.h., weniger als 5% vom inneren Umfang unterscheidet,

2. der Dialysator handlich bleibt und bei der Verpackung nicht zu sperrig ist.

Erfindungsgemäß beträgt der Krümmungsradius der Kreisbögen 30 cm bis 4 m, wobei unter Krümmungsradius der der kürzesten Verbindungslinie verstanden werden soll. Der Krümmungsradius der längsten Verbindungslinie ist dann um die Höhe der Stirnfläche größer. Ein brauchbares Mittelmaß für den Radius ist beispielsweise 100 cm. Dabei beträgt die Umfangsdifferenz für ein 2 cm dickes Bündel lediglich 2%, ist also für den Fließwiderstand unbedeutend, und die Krümmung erscheint für einen 25 cm langen Dialysator recht niedrig, er bleibt handlich.. Wesentlich höhere Krümmungsradien machen den Dialysator im äußeren Erscheinungsbild den heute üblichen ähnlicher, machen jedoch ein entsprechendes Aufwickelaggregat unbequem, aber nicht unmöglich. Wesentlich kleinere Krümmungsradien als beispielsweise 10 cm würden bei einem 2 cm dicken Wickelpaket bereits eine Umfangsdifferenz von 20% erzeugen, was für den Fließwiderstand zu groß und für den nicht permeablen, in der Vergußmasse liegenden Anteil an Hohlfasern bereits unzulässig hoch wäre.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Herstellungsart besteht in der Vermeidung von Hohlfaserabfall.

Bei der Wicklung auf eine Wickeltrommel mit Schnitten, die in radialer Richtung vorgenommen werden, entsteht praktisch

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kein Schnittabfall. Diese Art der Aufteilung der Hohlfaser wird aber erst durch die Erfindung ermöglicht, da solche Hohlfasern nur in dem erfindungsgemäßen Hohlfaserdialysator verwendet werden können.

Zur Einstellung von Füllgrad und Fließwiderstand eignet sich in gewissem Umfang auch die Auswahl der Querschnittsform und -größe der Stirnflächen. Je nachdem welche Strömungsverhältnisse und Durchflußcharakteristiken erwünscht sind, werden Stirnflächen des Gehäuses bevorzugt, die von einem Kreis, einer Ellipse oder von einem Rechteck begrenzt sind. Bei einem Rechteck sind die Ecken vorzugsweise abgerundet. Das Rechteck schließt selbstverständlich auch das Quadrat mit ein.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Hohlfadensialysators besteht darin, daß die Hohlfäden des Hohlfadenbündels in einem "on-line" -Prozess mit einer Hohlfadenmaschine hoher Produktionsgeschwindigkeit hergestellt werden können.

Die schonende Wicklungsart auf einen relativ wenig gekrümmten Wickelkörper, die Vermeidung von Fadenunordnung durch Streckung der ursprünglich gekrümmten Form und die Nutzung der im ungespulten Zustand sehr gleichmäßigen runden Form der Hohlfaden, die bis zum fertigen Dialysator ohne Störung oder Verletzung erhalten bleibt, sind entscheidende Vorteile, die durch den erfindungsgemäßen Hohlfadensialysator möglich wurden.

Zur Verdeutlichung der Erfindung dienen die Figuren 1 bis

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Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt des erfindungsgemäßen Hohlfadendialysators. Die Ummantelung (1) enthält die Hohlfasern (2) des Hohlfaserbündels. Die Ummantelung trägt die Zu- und Ablaufanschlußteile (3). Die freien Enden des Hohlfaserbündels sind mit Hilfe einer Vergußmasse (4) flüssigkeitsdicht mit den Zu- und Ablaufanschlußteilen (3) verbunden. Durch die Anschlüsse (5) wird die zu dialysierende Flüssigkeits - beispielsweise Blut in die Hohlfasern eingeleitet bzw. wieder aus diesen zurückgeführt. Durch die Anschlüsse (6) wird die Dialysatflüssigkeit eingeleitet bzw. abgeführt.

Die Krümmungsradien(7) der parallelen, gekrümmten Verbindungslinien sind bis maximal der Höhe der Stirnflächen der Ummantelung größer als derjenige, welcher der kürzesten Verbindungslinie zugeordnet ist. Alle Krümmungsradien haben den gleichen Krümmungsmittelpunkt.

Die Figuren 2 bis 5 zeigen die bevorzugten Querschnittsformen der Stirnflächen.

Figur 2 zeigt eine kreisförmige,

Figur 3 eine elliptische Stirnfläche, während

Figur 4 eine rechteckige Stirnfläche und

Figur 5 eine solche mit abgerundeten Ecken zeigt.

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Claims (9)

29U172I A3GW31914 Patentansprüche

1. Hohlfaserdialysator, bestehend aus einem Hohlfaserbündel und einem Gehäuse, welches aus der Hohlfaserummantelung und den Zu- und Ablaufanschlußteilen zusammengesetzt ist, mit denen die freien Enden des Hohlfaserbündels mit Hilfe einer Vergußmasse flüssigkeitsdicht verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfaserummantelung in ihrer Längsausdehnung gekrümmt ist und daß die Hohlfasern des Hohlfaserbündels parallel zu ihrer Aufwickelkrümmung zusammengefaßt und parallel zur Gehäusekrümmung im Gehäuse angeordnet sind.

2. Hohlfaserdialysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungslinien der Hohlfaserummantelung parallele Kreisbögen sind.

3. Hohlfaserdialysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Kreisbögen dem Krümmungsradius der Aufwickelkrümmung der Hohlfasern entspricht.

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4. Hohlfaserdialysator nach den Ansprüchen 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Kreisbögen 30 cm bis 4 m beträgt.

5. Hohlfaserdialysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Kreisbögen 1 bis 2 m beträgt.

6. Hohlfaserdialysator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Hohlfaserummantelung von einem Kreis begrenzt sind.

7. Hohlfaserdialysator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Hohlfaserummantelung von einer Ellipse begrenzt sind.

8. Hohlfaserdialysator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Hohlfaserummantelung von einem Rechteck begrenzt sind.

9. Hohlfaserdialysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken des Rechteckes abgerundet sind.

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