DE3241315T1 - Verfahren und Vorrichtung zum hochwirksamen Ultrafiltrieren komplexer fließfähiger Medien - Google Patents

Description

US 82/00450

Verfahren und Vorrichtung zum hoch-wirksamen Ultrafiltrieren komplexer fließfähiger Medien (Fluiden).

Hintergrund der Erfindung:

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf mit verbesserter Wirksamkeit stattfindendes Ultrafiltrieren eines Fluids, das einen breiten Bereich der Komponentengrößenverteilung aufweist, und, des weiteren, auf das Entfernen einer Komponente mit einer Zwischengröße aus einem Fluid, das eine komplexe Zusammensetzung mit Komponenten hat, die das Filtrieren hindern.

2. Bezogene Anmeldung

Diese Anmeldung ist zum Teil eng auf die gleichzeitig schwebende Anmeldung "Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln von Blut und dgl." bezogen, die am gleichen Tage hiermit eingereicht worden ist und ein gemeinsames erfinderisches Wesen aufweist.

3. Beschreibung des Standes der Technik

Historisch gesehen bedeutete Filtrieren das Entfernen der größeren Teilchen oder Verbindungen aus einem Speisefluid durch Hindurchführen desselben durch ein poröses Filterelement. Dort, wo die Strömung des Speisefluids allein senkrecht zu der lokalen Ebene des Filters stattfindet, wird das Verfahren als Bortions-Filtern (batch filtration) bezeichnet, und der Filter verstopft möglicherweise infolge der Ansamm-

lunq

lung von größeren Teilchen oder Verbindungen in oder nähe den Poren. Wenn es zum Verstopfen kommt, wird das Filtrieren in dem Sinne unwirksam, daß entweder wesentlich größere Druckabfälle erforderlich sind, um eine gegebene Filtrierrate oder -Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, oder daß an anfängliche Filtriergeschwindigkeit nicht herangekommen werden kann. Unwirksamkeit kann sich auch aus osmotisch bedingten Rückdrücken in Fällen ergeben, in denen das Speisefluid eine Lösung von Verbindungen von niedrigem bis mäßigem Molekulargewicht umfasst, von denen einige von der Filtermembrane abgewiesen werden (z.B. Konzentrations-Polafisation).

Eine bekannte Alternative zum Portions-Filtrieren besteht darin, zumindest einen Teil der Speiseflüssigkeit parallel zu der lokalen Ebene des Filters zu leiten. Diese Technik ist beispielsweise dort nützlich, wo das Fluid eine Mischung von zwei Substanzen ist, die aus Molekülen von verschiedenen Größen bestehen (die Größe ist etwa proportional zum Molekulargewicht MW), von denen die größere von der Filtermembrane im wesentlichen abgewiesen wirdJ Molekulare Größe wird über einen Zirkulationsweg parallel zur Filtermembrane gesammelt, während das Filtrat, welches das Fluid von kleinerer molekularer Größe aufweist, nach Durchgang durch die Membrane unter dem Einfluß einer transmembranen Druckdifferenz gesammelt wird. Ein zweites Beispiel ist ein Speisefluid, das Zellen wie Bakterien , weiße Blutzellen oder -körperchen, rote Blutzellen oder-körperchen, Plattchen, Nährstoffe, usw. (nicht notwendiger Weise in Kombination) in einer Lösung oder einem Lösungsmittel enthält, wo ein Verfahren die Trennung der Zellen aus der Lösung oder dem Lösungsmittel erfordert. Nachfolgende Schritte können das weitere Trennen der Verbindungen in Lösung, wie oben und nachstehend erörtert, umfassen. Wir verwenden die Bezeichnung konvektives Filtrieren dort, wo eine wesentliche Strömung parallel zum Filter vorhanden ist.

Für ein komplexes Fluid, welches beispielsweise eine Kombination

nation von gelösten Stoffen, Suspensionen und möglicherweise Fluide von unterschiedlichen Molekulargrößen aufweist, haben sowohl das konvektive Filtrieren als auch das Portions-Filtrieren Verstopfungsprobleme , die zur Unwirksamkeit führen. Wie weiter unten in näheren Einzelheiten noch erläutert werden wird, besteht ein zweites Hauptproblem darin, daß die Molekulargewichtsverteilung des Filtrats sich ebenfalls mit der Unwirksamkeit ändern kann. Wo ein Filter erforderlich ist, um eine vorbestimmte molekulare Größe oder Teilchengröße zu diskriminieren, ist die Kontrolle über den Prozess heikel. So führt eine Vergrößerung des transmembranen Druckes

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zu dem Zweck, der Verstopfungsneigung entgegenzuwirken und eine akzeptable Filtriergeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, zu einer modifizierten MW-Verteilung in dem Filtrat, die für viele Anwendungen nicht akzeptabel ist.

Als ein einzelnes Beispiel eines Fluids, für welches Filtriertechniken derzeit unzulänglich sind, sei menschliches (oder tierisches) Blut in Betracht gezogen. Wie in Fig. 7 gezeigt, weist Blut eine extrem breite Molekulargewichts (MW)- Verteilung von Komponenten allein mit einer Verteilung von Zellgrößen auf. Wie in der oben angegebenen, gleichzeitig schwebenden Patentanmeldung beschrieben, erfordert die Behandlung eines Nierenpatienten ein genaues Entfernen einer kleineren Fraktion von Arten von niedrigem und mittlerem Molekulargewicht bei relativ niedrigen FIitrierdrücken. In ähnlicher Weise haben andere bekannte Fluide Filtrierprobleme, die durch das Verfahren und die Vorrichtung, die in dieser Anmeldung beschrieben werden, gebessert werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren für das wirksame Ultrafiltrieren von Fluiden zu schaffen, die einen weiten Bereich von Größen der Bestandteile aufweisen, wodurch

vernünftige

vernünftige Filtratgeschwindigkeiten bzw.-durchsätze und stabile Filtriereigenschaften erzielt werden können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesser~ te Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum wirksamen Ultrafiltrieren von Fluiden zu schaffen, die einen breiten Bereich von Größen der Komponenten aufweisen, wodurch vernünftige Filtratgeschwindigkeiten bzw.-durchsätze und stabile Filtriereigenschaften in einem kontinuierlichen Filtrierprozess erzielt werden können.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen einer Zwischenfraktion aus einem komplexen Fluid zu schaffen, das einen breiten Bereich von Komponentengrößen aufweist, und zwar durch ein Filtrierverfahren und eine Filtriervorrichtung, die zwei konvektive Filter von verschiedenen Abweisecharakteristiken vorsehen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführunqsformen

Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung wird ein wirksames Ultrafilirieren dadurch erreicht, daß das Speisefluid durch ein erstes konvektives Filter geleitet wird, das eine mittlere Sperrcharakteristik hat, und dann das FiItrat von den ersten kovektiven Filter durch eine zweites Filter geleitet wird, das eine kleinere Sperrcharakteristik aufweist, wodurch eine schwere Fra_ktion vom konvektiven Ausgang des ersten Filters erhalten wird, eine Zwischenfraktion vom konvektiven Ausgang des zweiten Filters erhalten wird und die leichte Fraktion im Filtrat des zweiten Filters erhalten wird.

Gemäß noch weiterer Ausführungen dieser Erfindung wird ein spektrum- und druck-effizientes Filtrieren in Konvektionsfiltern durch Intensivierungstechniken geometrischer und betrieblicher Art erreicht.

Gemäß

Gemäß einer weiteren Ausführungsfortn dieser Erfindung hat mindestens einer der konvektiven Filter eine Spiral-Geometrie, um behilflich zu sein, das Verstopfen des Filters zu verhindern.

Genäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung dargelegt für das Reziriculieren irgendeiner Ausgangsfraktion durch den konvektiven Filter zur Verbesserung von dessen Wirksamkeit.

Die vorstehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, mehr ins Besondere gehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, augenscheinlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Fig. 1 zeigt die Abweisecharakteristiken von vorbildlichen Filtern zur Verwendung in dieser Anmeldung.

Die Fig. 2 zeigt schematisch einen Teil eines Filtersystems zum Entfernen - als Beispiel - von Material mittleren MoIekulargewichts aus einem Speisefluid.

Die Fig. 3 zeigt die Charakteristiken "Filtratdurchsatz abhängig vom Druck" eines Filters, der für das Entfernen von Materialien niedrigen und mittleren Molekulargewichts aus einem Fluid geeignet ist.

Die Fig. 4 zeigt die Klärungs- oder Entfernungsrate bzw. -geschwindigkeit gelöster Spezien in Abhängigkeit vom Molekulargewicht als Funktion der Menge abgewiesener Materialien (z.B. Proteinen und/oder Zellen von sehr hohem Molekulargewicht), die auf der Filtermembranenoberfläche vorhanden sind.

Die

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Die Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Ultrafiltriersystems, das für Fluide geeignet ist, die einen breiten Bereich von Komponentenverteilung aufweisen.

Die Fig. 6A, 6B und 6C sind weitere Ansichten einer Filterkonfiguration , die für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist.

Die Fig. 7 legt wesentliche Komponenten des menschlichen Blutes, einschließlich Abfall-Materialien als Funktion von deren Molekulargewicht oder Zellgröße als Beispiel für ein komplexes Speisefluid dar.

Detaillierte Beschreibung

Viele biologische und industrielle Fluide bestehen aus einer wesentlichen Anzahl von Komponenten von sehr unterschiedlicher Größe oder sehr unterschiedlichem Molekulargewicht (MW). Als Beispiel ist in Fig. 7 das komplexe Spektrum von menschlichem Blut gezeigt,und es ist dort zu sehen , daß eine extrem große Zahl von idendifizierbaren Komponenten einen Molekulargrößenbereich überspannt, der fünf Größenordnungen wesentlich überschreitet. Um ein derart komplexes Fluid zwecks Entfernung eines vorgewählten Teiles des Spektrums zu filtern, muß sowohl den gesamt-spektralen Eigenschaften des Filters bzw. der Filter als auch der Tendenz verschiedener Komponenten, den Filter oder die Filter zu verstopfen, was zur Druckunwirksamkeit und/oder zu einer spektralen Degradation der Filter führt, sorgfältige Beachtung geschenkt werden. Die Unfähigkeit, diese Probleme für Blut zu lösen, hat beispielsweise die praktische Entwicklung eines wirksamen Ultrafiltrier-Systems zur Verwendung als künstliche Niere verhindert. Ähnliche Probleme bestehen hinsichtlich einer großer Zahl anderer komplexer Fluide.

Beim sogenannten Portions-Filtrier-Prozess,wird das Speisefluid

fluid im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Filters bewegt. Für Fluide wie Wasser, das schwebenden Sand enthält, ist das Portions-Filtrieren als halb-kontinuierlicher Prozess durchführbar, weil das Wasser durch den Sand, der sich auf der Anströmseite des Filters aufbaut, weiterfließen kann und das Filtrieren mit nur mäßigen Drucksteigerungen weitergeht. Das Portions-Filtrieren ist nicht geeignet für eine kontinuierliche Anwendung in Verbindung mit komplexen Fluiden wie das gesamte Blut, weil die größeren Bestandteile den Filter effektiv verstopfen und für einengegebenen Filtratdurchsatz große Druckanstiege hervorbringen. Das Filtrieren derart komplexer Fluide kann wirksamer und kontinuierlich gestaltet werden durch Verwendung eines konvektiven Filters, wo das Speisefluid etwa parallel zu der Filtermembrane strömt und so bestrebt ist, jene Bestandteile des Fluids wegzuschaffen, welche den Filtratdurchsatz herabsetzen. Die erforderliche Strömung des Filtrats senkrecht zur Filtermembrane kann dennoch Verstopfungsprobleme verusachen.

Das Verstopfen, auf das hier Bezug genommen wird, kann von zweierlei Art sein; Oberflächenverstopfung und Membranporenverstopfung. Die Oberflächenverstopfung wird durch abgewiesene Materialien verursacht, welche sich auf der Oberfläche (Speisef luidseite) der Filterm'embrane ansammeln. Die Menge und/oder Dichte dieser Art von Verstopfung kann durch die Methoden, Einrichtungen und Verfahren gesteuert werden, die in dieser Offenbarung beschrieben oder angesprochen sind. Die zweite Art des Verstopfens bezieht sich auf Fluidenbestandteile, die sich innerhalb der Membranen-Ultrastruktur verfangen. Diese Art ist, im allgemeinen, weniger durch konvektive Geschehnisse innerhalb des Speisekanals betroffen, obwohl ein kleinerer Beitrag von Geschehnissen innerhalb des Speisekanals doch möglich ist. Die grundsätzlichen Metnbranen-FiItriereigenschaften würden im letzteren Falle geändert, wobei sich eine unterschiedliche geradlinige Grenze bezüglich

gepufferter

A-

gepufferter Salzlösung ergeben könnte (z.B. würde die gerade Linie der Fig. 3 im Uhrzeigersinn gedreht). Die anfänglichen technischen Konzepte hinsichtlich des Metnbranenporenverstopfens sowie auch andere Begrenzungsphänomene sind in dem Papier "Quantitation of Membrane-Protein-Solute Interactions during Ultrafiltration" in Transactions of the American Society for Artifical Internal Organs. Band 24, Seite 55, 1978 dargelegt. Eine mehr generelle und vollständige Beschreibung vielfältiger Begrenzungsphänomene, die dieses Papier ergänzt, wurde im Juli 1980 als Kapitel mit dem Titel "Ultrafiltration of Plasma and Blood" in dem Buch Advances in Biotnedical Enginnering, Teil II von D.O. Cooney (Marcel Dekker, Ing., New York und Basel) veröffentlicht.Jl)ie Fig. 3 zeigt wie die Oberflächenverstopfung die Filtrierwirksamkeit durch ihren Einfluß auf die Beziehung zwischen Filtratdurchsatz und Transmembranendruck betrifft. In dieser Figur ist der Filtratdurchsatz oder die Filtratgeschwindigkeit für eine gepufferte Salzlösung (Lösung "gepuffert salinisch") proportional zum Druck. Wenn jedoch Proteine , ähnlich denjenigen, die sich im Blut finden, zu dem Speisefluid hinzugefügt werden, verschwindet die Linearität und der Druck weicht von der idealen Grenze sehr dramatisch bei und oberhalb eines bestimmten Filtratdurchsatzes ab, der durch die Natur des Speisefluids, die Filtermembrane und die Strömungsbedingungen (als Beispiele) bestimmt ist. Die Fig. 3

^ ^{y M} Bzw.Effizienz

zeigt auch graphisch die Definition der Wirksamkeit/ die hier benützt wird; die Wirksamkeit ist das Verhältnis des Filtratdurchsatzes (filtrate/ N_ß auf der nicht-linearen Kurve zum Filtratdurchsatz N auf der geraden Kurve bezüglieh gepufferter Salzlösung bei dem gleichen Transtnembranendruck. Es ist ersichtlich, daß die Wirksamkeit abnimmt, wenn der Druck vergrößert wird. Bedingungen niedriger Wirksamkeit bei hohem Druck können zu einer Gel- oder Niederschlag-Bildung auf der Membranenoberfläche führen, wie dies durch den angegebenen verbotenen Betriebsbereich angemerkt ist.

Bisher

Bisher waren Versuche, bestimmte komplexe Fluide, wie Blut, durch Ultrafiltration zu behandeln, wegen unwirksamer Filter entweder erfolglos oder von begrenztem Erfolg. Es bestehen zwei Hauptprobleme. Erstens wird, ob'zwar die Wirksamkeit begünstigt werden kann, indem man sich durch Verminderung des Druckes und des Filtratdurchsatzes von beispielsweise dem Punkt D zum Punkt B in Fig. 3 bewegt, der Durchsatz unannehmbar niedrig und kann nur dadurch vergrößert werden, daß der Filter größer gemacht wird. Bei bekannten Konfigurationen von Filtern für Blut-Anwendungen, vergrößert eine Flächenvergrößerung die Gesamtmenge der Proteinablagerung und verschlimmert bei Vielkanalkonstruktionen die Degradation des Filtratdurchsatzes mit der Zeit infolge von Konzentrationseffekten. Sobald Regionen des Filters anfangen, unwirksam zu werden,fällt entweder der Filtratdurchsatz oder der Transmembranendruck (TMP) wächst. Das zweite Hauptproblem besteht darin, daß sich die Zusammensetzung des Filtrats ändert, wenn der Filter unwirksam betrieben wird. Dies zeigt die Fig. 4, wo zu sehen ist, daß das Filtrat bei einer Änderung der Bedingungen vom Punkt A (kein Protein) zu den Punkten B,C und D (vergrößert Druck,Proteinablagerung und Dichte oder Dichtheit) in Fig. 3 weniger und weniger von de.n Arten mit mittlerem Molekulargewicht enthält. So kann zum Beispiel im Falle der Nierenanwendung die Klär-Rate oder-Geschwindigkeit auf einen so niedrigen Wert sinken ( z.B. Kurve D) daß die üblichen Hämodialyse-Geschwindigkeiten (für Vergleichszwecke dargestellt) wirksamer sind als Häroofiltrationsreinigungen.

Die Figuren 3 und 4 typifizieren die Probleme des Aufrechterhaltens der Wirksamkeit und spektralen Unversehrtheit bei einem konvektiven Filter zum Trennen von Fluiden in zwei Fraktionen. Es ist häufig der Fall, daß das Endprodukt der Filtration eine Zwischenfraktion ist, die dann einen zweiten Filter erfordert, der unterschiedliche Charakteristiken aufweist.

Eines

Eines der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung von zwei oder mehr konvektiven Ultrafiltern zum Erzielen der Trennung der Zwischenfraktionen, wodurch die Zwischenfraktionen in einem kontinuierlichen Prozess entfernt werden können. In Fig. 1 sind die verallgemeinerten Ab- oder Zurückweisecharakteristiken zweier unterschiedlicher Filtermembranen gezeigt. Die Membrane II weist die schwersten (oder größten) Teilchen ab, während sie die mittleren und leichten Fraktionen durchläßt, während die Membrane vom Typ I sowohl die mittleren als auch die größten Komponenten abweist und die leichtesten Komponenten durchläßt. Wenn nun gemäß Fig. 2 zwei konvektive Filter in der dargestellten Weise miteinander verbunden werden, sind die leichten und die mittleren Fraktionen das Filtrat des primären Filters (das die Membrane vom Typ II enthält); diese Fraktionen werden dann in dem sekundären Filter (das die Membrane vom Typ I enthält) getrennt. In dem gezeigten allgemeinen Fall sind diese Franktionen getrennt als Ausstöße eines kontinuierlichen Prozesses verfügbar. Abhängig von den in dem Filtrat des primären Filters vorhandenen Komponenten kann sowohl beim Betrieb des sekundären Filters als auch beim Betrieb des primären Filters, wie oben beschrieben, ein Problem hinsichtlich der Filtrationswirksamkeit und spektralen Unversehrtheit vorhanden sein. Verschiedene Verstärkungs« oder Verbesserungstechniken, die nachstehend in näheren Einzelheiten dargelegt werden, können diese Probleme bei einem dieser Filter oder bei beiden Filtern verbessern.J~Um eine wirksame Ultrafiltration durch einen oder durch beide der Filter in Fig. 2 zu erzielen und aufrechtzuerhalten, müssen diese speziell gestaltet und betrieben werden, wobei eine oder mehrere Formen der Intensivierung benutzt werden, die hier definiert werden als:

1. Oberflächenstörungen in engen Strömungskanälen

2. Irreguläre aber kontrollierte Kanalgeometrien

3. Membranenladungseigenschaften (Abweiser)

4. Sekundärfluß...

4. Sekundärflußinduktion durch Kanaleinsätze (Gitter, Bänder etc.)

5. Extern aufgebrachte Kräfte und/oder Bewegungen (physikalische Bewegung, Ultraschall_> elektrisches Potential, Druckstörungen, Pulsströmung, etc)

. 6. Stufung von Einrichtungen

7. Unabhängige Manipulation von Strömungsgeschwindigkeiten in der Vorrichtung

^ 8. Bevorzugte Geometrien in Verbindung mit Intensivierungsmethoden

9. Unabhängige Steuerung von biochemischen und biophysikalischen Bedingungen während des Filtrierens.

Die Fig. 6 zeigt verschiedene Ansichten von Teilen eines geeigneten Filters. Ein komplexes Speisefluid wie Blut FF geht durch die Länge L des Filters zwischen den Membranen 90 hindurch. Elemente 200 stellen schematisch ein Gitter dar, das dazu dient, die Membranenelemente 90 in einem geeigneten Abstand zu halten, einigen Strömungswiderstand in den Strömungsweg des Speisefluids einzubringen (wodurch

W eine gleichförmige Strömung erhalten wird) und Sekundärströmungen zu induzieren, die behilflich sind, die Membrane rein zu halten. Die in dem gezeigten Modell enthaltene Membrane ist auf eine Unterlage oder einen Träger 400 hinreichend porös gegossen, um ein leichtes Strömen des Filtrats zum durchlässigen Sammelrohr 500 hin zu gestatten. Für die Nierenmaschine hat die Gesamtfläche der Membrane 9 in Fig. 5

2 wunschenswerterweise die Größenordnung von 0,7 m fur intermetierende Anwendungen bei einem durchschnittlichen Erwachson^n. Die Höhe H des Strömungsweges des Speisefluids liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,25 - 1 mm; ein zu kleiner Wert bringt einen übermässigen Widerstand in den

Strömunqsweq

Strömungsweg des Speisefluids ein, während ein zu großer Wert zu unwirksamen Filtrationsbedingungen und einem unpraktizierbaren großen Filter führt.

Damit die konvektiven Filter Wirksamkeit erzielen und aufrechterhalten, ist es zwingend, daß jegliche Behinderungen in den konvektiven Pfad die effektive Breite des Kanales (d.i die aktive Membrane) nicht merklich unter ihren Nominalwert W reduzieren. Wenn z.B. der Filter aus einer Vielzahl von hohlen Fasermembranen in paralleler Anordnung besteht, von denen jede einen Bohrungsdurchmesser H aufweist, kann es zu einem raschen Zustopfen einer wesentlichen Anzahl der Fasern durch Speisefluxdkonzentration kommen, und die wirksame Fläche wird unannehmbar vermindert. Wenn, unter Bezugnahme auf Fig. 6A, in dem Kanal eine lokale Behinderung auftritt, muß das Speisefluid fähig sein, sowohl anströmseitig als auch äbströmseitig der Behinderung weiter zu strömen. Ein grobes geometrisches Kriterium für solch eine Bedingung ist, daß W mindestens so groß sein sollte wie L. Dieses Erfordernis erfüllen am leichtesten Spiralfilter, die auch kompakt und verhältnismäßig leicht zu fertigen sind. Die Fig. 6B und 6C zeigen einen Querschnitt eines Spiralfilters.· Die Membrane 9 (Fig. 5 ) enthält eine Hülle ,wobei die Unterlagen

400 von zwei gegenüberliegenden Membranelementen 90 in Konstehen sind takt 99/und an den Außenkanten 66 zusammengeklebt/. Die Hülle und das Blutgitter 200 sind beide um einen zentralen hohen Kern 500 herumgewickelt, der als Leitung für den Filtratstrom dient. Die poröse Unterlage 400 von der Hülle 9 öffnet sich nur auf Löcher 300, die zum hohlen Teil des Kernes 500 führen; der Filtratstrom geht von der Filtereinheit durch das Filter senkrecht zur Zeichnung. Nähere Einzelheiten der Konstruktion eines Spiralfilters finden sich im Westmoreland U.S. Patent 3, 367, 504, welches dessen Verwendung für die Entsalzung von Seewasser beschreibt.

Etliche unterschiedliche Kombinationen von spiralförmig gewundener Konstruktion haben zu der Erzielung der hohen Wirksamkeit

samkeit geführt, die für diese Anmeldung nötig ist. In Blickrichtung auf den Querschnitt senkrecht zur Strömungsfläche haben Prototypen einen Filtrat-Maschenabstandshalter enthalten. Durch Giessen der Membrane direkt auf ein poröses, offenes inkompressibles Substrat, wurde der Filtrat-Abstandshalter eleminiert, so daß eine bestehende Konstruktion aus dem speisefluidseitigen Abstandshalter und der hier in der Zeichnung gezeigten Membrane besteht. Die Membranenhülle ist durch Zusammenkleben der Kanten des porösen Substrats mit einem wasserbeständigen Klebstoff hergestellt, z.B. dem Urethan-Klebstoff von der Hexel Corporation. Andere bei der Modul-Konstruktion verwendete Klebstoffe schließen medizinische Silikone (z.B. Dow Corning Corp.) und möglicherweise Polymethylemthacralat oder andere Klebstoff-Strategien, die auf diesem Gebiet gebräuchlich sind, ein. Die Substrat-Materialien waren Dacron-Trikot oder Segeltuch, Versteift mit einem Melamin-Harz, während andere Materialien wie das Du-Pont Reemay, ebenfalls mit Erfolg verwendet wurden. Zwei Arten von Membranen wurden für diesen Zweck mit, offensichtlich, äquivalenten Ergebnissen entwickelt. Die erste Art ist ein asymmetrisches Zellulose-Acetat in gewisser Weise / den Membranen von umgekehrter Osmose, die für die Entsalzung entwickelt wurden. Anders als bei der Anwendung mit umgekehrter Osmose kann es nö-tig sein, einen freien Durchgang von Elektrolyten unter Abweisung der schweren Fraktionen zuzulassen. Die Membrane kann in passender Weise abgeändert werden entweder durch Ansatz- und Ausheiz-bedingungen oder nur durch die Ausheiz-bedingungen. Beispielsweise Ansätze waren der Glyzerin_perchlorat-Zellulose~acetat-Ansatz mit abgewandeltem Ausheizen und das für eine kurze Zeitperiode bei weniger als 80 Grad Celcius oder 80 Grad Celcius ausgeheizte Zellulose-acetat. Die exacten Ausheizbedingungen ändern sich mit unterschiedlichen Zellulose-acetat-Ansätzen und bringen eine akzeptable Membrane hervor. Die zweite Art von Membrane, die bei der Hämofiltration benutzt werden kann, ist eine Modifikation der neueren Dünnfilmtechnologie

bezüglich

324Ί3Ί5

bezüglich umgekehrter Osmose. Die zusammengesetzten Dünnfilmmerabranen für umgekehrte Osmose sind, typisch, eine Unterlage ähnlich der oben beschriebenen (Substrat), eine Polysulfon-Zwischenmembrane und ein dünner Deckfilm (200-500 Angstroem) auf der Oberseite des Polysulfons, Ein Deckfilm für umgekehrte Osmose war ein Polyamid-Ansatz. Die Abwandlungen der Hämofiltration können die eine oder andere von zwei Arten sein. Die erste besteht darin, einen hinreichend dicken Polysulfon-Film zu gießen, mit Porengrößen derart, daß die Abweise-Charakteristiken ähnlich der Kurve A in Fig. 4 erreicht werden. Es sei bemerkt, daß diese Abweise-Charakteristiken,die in der Figur als Kurve A gegeben sind, einen annehmbaren Durchlaß von größeren Molekülen für Hämofiltrationszwecke, und zwar mit der Absicht für den Zweck einer künstlichen Niere, Moleküle durchzulassen, die normalerweise im Urin vorhanden sind, darstellen wurden. Ein gleichzeitiges Membranenkriterium wäre ein unbedeutender Durchgang von Molekülen von einem Molekulargewicht von 45.000 und mehr. Dies ist besser mit Bezug auf Fig. 7 zu verstehen, die das Spektrum von Molekülen und geformten Elementen im Blut zeigt. Die zweite Modifikation der Dünnfilraverbundtechnologie für umgekehrte Osmose

würde einen dünneren Guß der Polysulfonbasis mit einem noch dünneren oberen Film als demjenigen, der bei umgekehrter Osmose verwendet wird, erlauben. Auch hier ist wieder das Kriterium ein leichter Durchgang von Elektrolyten und Endprodukten des Metapolismus mit unbedeutendem Durchgang der größeren Plasmaproteine. Alle oben beschriebenen Modifikationen können leicht von technischem Personal, das in der Membranentechnologie versiert ist, durchgeführt werden.

Um eine wirksame Hämofiltration zu erreichen, muß der speiseflussigkeitsseitige Abstandshalter 200 bestimmte Eigenschaften aufweisen. Viele dicke komerzielle Gitter werden wegen ihrer Unwirksamkeit hinsichtlich einer Begünstigung des Wegschaffens des abgewiesenen Materials von der Membranenoberfläche

branenoberflache nicht funktionieren. Andererseits können extrem dünne Gitter zu einem zu großen Druckabfall führen, was die transmembrane Druckdifferenz beeinträchtigt. Ein Abstandshalter, der funktioniert hat, ist das Vexar von DuPont (Polyäthylen), mit zwölf Strängen pro Zoll und mit einer Gesamtdicke von etwa 0,025 Zoll. Die bevorzugte Ausrichtung besteht darin, die Maschenlinien unter einem Winkel von etwa 45 Grad zur Strömungsrichtung anzuordnen, wie dies in Fig. 6A gezeigt ist.

Ein bevorzugtes Gußmaterial zum Ummanteln des Spiralfilters und zum Leiten des Speisef luidstrotnes und des Filtratstromes ist Polycarbonat oder ein äquivalentes,, bioverträgliches Material. Das gleiche Material wurde für das Filtratsammelrohr benutzt, auf das die zusammengerollte Spiralanordnung gewickelt ist. Die gewickelte Anordnung ist hinreichend kleiner als der Innendurchmesser des Polycarbonat-Gehäuses, um das Einbringen der gewickelten Anordnung in den Polycarbonat-Mantel unter Verwendung von Silikon-Klebstoff zu ermöglichen.

Filter gemäß der vorhergehenden Beschreibung können möglicherweise noch nicht wirksam, d.h. ohne zu verstopfen, arbeiten, wenn/nicht anai Fluid-Rückspeise- oder Rückkopplungsweg oder mehrere solche Wege benutzt . Wenn z.B. das Fluid Blut ist, so hat es sich für die Aufrechterhaltung der Wirksamkeit als wesentlich herausgestellt, einen großen Teil des Blutes, das den Filter am Ausgang 5 verläßt, zu rezirkulieren, indem es beim Eingangskanal wieder eingeführt wird, und zwar mit einer Rezirkulationsgeschwindigkeit, die das R-fache der Eingangs-Blutströmungsgeschwindigkeit FF beträgt. R muß wesentlich größer als 2 bei einem nominalen FF von 200 bis 250 c/min. sein; Werte in der Größenordnung von 3-8 sind nötig, um eine hohe Wirksamkeit mit den bisher benutzten und oben beschriebenen Filtermembranen und Einrichtungen zu erreichen. Obzwar es bisher noch keine verständliche und exakte theoretische Basis für die Beziehung des Wertes von R

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zu den Filterparametern und der Blutzusammensetzung gibt, sind die meisten Faktoren bekannt, und zumindest zwei Faktoren werden für wesentlich gehalten. Als erstes begünstigt die Verwendung großer Rezirkulationstnengen R die zusammensetzungsmäßige Homogenität des Blutes entlang der Länge seines Strömungsweges durch den Kanal 4. Ein typischer Bereich von Eingangsdurchsätzen der Blutströmung sind 200-250 ccm/min. bei einem typischen Filtratdurchsatz von 80 ecm/ min. Ohne Rezirkulation würde dann der Plasmateil des Blutes bis zu der Zeit, zu der er den Ausgangskanal 5 erreicht, etwa die Hälfte seines Wassers verlieren. Wenn beispielsweise R gleich 4 ist, dann liegt der Filter-Eingangsdurchsatz im Bereich von 1000-1250 ccm/min., so daß das Abziehen von 80-100 ccm/min. an Wasser zu einer weitaus geringeren prozentualen Änderung in der Blutzusammensetzung abwärts der Länge L des Filters führt. Zweitens führt der vergrößerte Strömungsdurchsatz durch das Filter mit Rezirkulation zu einer vergrößerten "Schrubb"- Tätigkeit an der Filtermembrane, wodurch die Verstopfungsneigung herabgesetzt wird. Wenn der begrenzte Strömungsdurchsatz des Blutzutritts vergrößert wird, kann der Wert von R herabgesetzt werden und dennoch große Wirksamkeiten erzielen.

In ähnlicher Weise können auch die Zwischenfraktion und/oder die leichte Fraktion durch das konvektive Filter I und/oder das konvektive Filter II rezirkuliert werden, um deren Wirksamkeit zu steigern. Für andere Fluide als Blut,welche die schweren (zelligen) Komponenten möglicherweise nicht enthalten, die den konvektiven Filter abschrubben,um die Neigung zum Verstopfen durch mittleren Komponenten herabzusetzen, können dem Speisefluidstrom zusätzliche Komponenten am Eingang des konvektiven Filters zugesetzt werden, um die Schrubb-Wirkung zu fördern. Kugelige Teilchen tragen zur Erzielung einer hohen Wirksamkeit bei, können aber nicht so cjut sein wie nicht-kugelige Teilchen oder Teilchen, die eine ungleichförmige Dichte aufweisen,oder Teilchen, die flexibel

sind

sind, wie die zelligen Komponenten von Blut^Zusätzlich zu oder anstelle von den oben beschriebenen spezifischen Intensivie^^un<3^s techniken können andere die Wirksamkeit begünstiqende Techniken angewendet werden. Oberflächenstörungen in ^y ^ Weise ^

engen Strömungskanälen können auf verschiedene/erzielt werden. Eine besteht darin, daß die dem Speisekanal zugewendete Membrane Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist, welche beispielsweise dadurch erhalten werden können, daß die Membrane über eine darunterliegende Matrix gegossen wird, die die Bildung von Störungen im endgültigen Membranenprodukt fördert, ®xe andere Methode besteht darin, die Membrane mittels eines unregelmäßigen Plastikeinsatzes zu lagern, und zwar mit einem transmembranen Druck, der ausreicht, um die Membrane über die Störung zu deformieren, welche typisch in den Plastikhalter eingeformt ist. Ein Beispiel für unregelmäßige aber kontrollierte Kanalgeometrien würde das enge Aufwickeln des Speisekanals, periodische oder asymmetrische Oberflächenwellungen parallel zur Unterseite, oder das Falten des Strömungskanales, all dies in einer Weise, um eine Strömungsablenkung in Strömungsrichtung zu induzieren, umfassen. Für Speisefluide, die geladene Moleküle oder Teilchen enthalten, die abzuweisen sind, kann die Membrane so konstruiert werden, daß sie fixierte Abweiseladungen enthält. Zusätzlich zu der im einzelnen erfaßten Wirksamkeitsverbesserung durch Schirme kann ein rohrförmiger Blutkanal nützen, und zwar durch Verwendung eines Bandes zum Herstellen einer Spiralströmung (Sekundärströmungen) zusätzlich zur axialen Strömung durch das Röhr. Beispiele für extern aufgebrachte Kräfte können die Anwendung einer Oberflächenladung (in Abwesenheit einer bedeutsamen Membranenladung), die durch Einsetzen von Elektroden entweder in die Membrane oder die Trägerstruktur induziert wird, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Auf diese Weise unterstützt eine Polarisation parallel zur Filtratströmung das Wegstoßen der abgewiesenen Materialien von der Membranen-Oberfläche. Elektroden wurden dadurch gebildet, daß metallisierte

te Gitter zum Tragen der Membrane zusammen mit metallisierten Begrenzungsflächen für den Strömungskanal gegenüber der Membranenoberfläche verwendet wurden. Eine andere Intensivierungstechnik ist die Verwendung von Ultraschall zum Verbessern der Filtrationswirksamkeit. Anstelle der Metallisierung muß das Material beispielsweise piezoelektrische Eigenschaften haben. Um eine wirksame Bewegung durch Ultraschall zu erzielen, wären diskrete, in den Filter integrierte Kristalle eher erforderlich als einzelne kontinuierliche Schalltreiber (z.B. Reeds oder elektromagnetisch angetriebene Membranen) welche lediglich niedrige Frequenzen in dem Speisekanal erzeugen würden. Ultraschall kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden, einschließlich Kristalle, die direkt dem Speisekanal ausgesetzt sind. Dies ist der elektrisch am meisten wirksame Weg der Übertragung von Ultraschallfrequenz. Es ist auch der am wenigsten wirksame bei der Förderung der Filtrationswirksamkeit, während er die Möglichkeit einer "Wärme"-Schädigung für das Blut schafft. Ein elektrisch wenig'wirksamer Weg der Ultraschallerzeugung besteht darin, die Wandlerflächen parallel zur Richtung der Speiseströmung anzuordnen, und zwar entweder in der oder unterhalb der Membranenstruktur. Obwohl elektrisch weniger wirksam, ist die Verstärkung oder Verbesserung der Filtra» tion durch die Membrane mit dieser Ausrichtung die wirksamste. Der Ultraschall reagiert mit jeder und mit allen akustischen Zwischenflächen, wobei eine solche wesentliche Zwischenfläche die Grenzfläche Membrane/Fluid ist. Ultraschalltechniken schließen die Verwendung einer einzelnen Frequenz, von Frequenzspektren und Kombinationen von Frequenzen abhängig von der Anwendung ein. Beispiele einer physikalischen Bewegung umfassen eine "Waschmaschinen"-Agitation, kontinuierliche Rotation mit speziellen Rotationsdi_chtungen oder - Verbindungselementen, oder lineare Vibration, all dies auf das gesamte Filtermodul angewendet. Das Stufen von Einrichtungen umfaßt die Verwendung von mehr als einer Einrichtung, und zwar in paralleler und/ oder sequentieller Weise. Dies gestattet die direkte Ein-

führung

-7.0-

führung von gereinigtem Filtrat in die Speiseströmung zwischen jedem Modul. Dies verdünnt den Speisestrom, wodurch eine wirksamere Filtration in jedem Modul ermöglicht wird, jedoch gewöhnlich auf Kosten eines vergrößerten Oberflächen-Gesamtinhalts (mehr Module) mit begleitender Verbesserung hinsichtlich der Gesamtreinigung oder effektiven Filtration. Diese Kompromisse sind der Durchführung des Stufens eigen, und quantitative Berechnungen können von Personen, die in der Kontrolle oder Steuerung von Filtrations-Phänomenen versiert sind, vorgenommen werden. Die Stufung kann in Makrostufen erfolgen, wobei die ausgewählte Rückeinfüh,rung von Filtrat konstruktiv entlang eines sonst kontinuierlichen Strömungskanals erzielt werden kann. "Stufen" soll auch die Einbeziehung jeglicher Methode des intermetierenden "Aufmischens" des Speisestromes zwecks Eleminierung jeglicher Komponentpolarisation innerhalb des Speisestroms umfassen. Eine andere Variante des Stufens, die sich ebenfalls als wirksam erwiesen hat, iat das Abwechseln von aktiven und inaktiven Filterbereichen. Dieses Konzept erfüllt etwas das sequentielle Mischen, auf das oben angespielt worden ist. Ohne irgendeine andere Intensivierungs-Methode würde das Zurückmischen durch Difusionsprozesse im Falle von abgewiesenen Molekülen Zustandekommen. Mit gleichzeitiger Anwendung anderer Verbesserungs- oder Intensivierun.gs-Methoden, könnten konvektive Arten des Transports die Difusion unterstützen. Unabhängige Manipulation von Strömungsdurchsätzen oder- Geschwindigkeiten in der Vorrichtung umfasst, allgemein, jegliches zusätzliches Pumpen oder jegliche zusätzliche Strömungstätigkeit zusätzlich zu dem einfachen Durchbringen, das für praktisches Filtrieren nötig ist. Bei einer der bevorzugten Gestaltungen der Hämofiltration wurden Einzelheiten hinsichtlich der Verwendung der Rezirkulation angegeben, aber die Erfindung würde auch mechanische Schwingungsbewegungen umfassen, um eine Wirbelausbreitung und/oder Fluidauffüllung aus zur Speiseflußhauptströmung senkrechten Vertiefungen oder Rillen zu verursachen, als Beispielo für bevorzugte Geometrien in Verbindung mit . ■ . ■ anderen

anderen Intensivierungsmethoden. Das direktere Beispiel ist hier die Verwendung von Hämospiralfilter-Modulen mit Gittern, die eine hohe Wirksamkeit zu induzieren vermögen, und zwar in Verbindung mit einer Rezirkulation des austretenden Fluids zurück zum Einlaß. Da das Hämatokrit die Herstellung optimaler Wirksamkeit bzw. Leistungsfähigkeit betrifft, ist die Variation der Wiedereinführung des Filtrats zwischen dem Moduleinlaß und -Auslaß auch eine Methode der Verbesserung der Effizienz des Filterns, wobei dies als eine der Ausführungen im Hinblick auf biophysikalische Bedingungen anzusehen ist. Zusätzlich zu den bereits abgedeckten Methoden, umfaßt die unabhängige Kontrolle von biochemischen und biophysikalischen Bedingungen den pH-Wert im Speisekanal (von größerer Bedeutung an der Membranenoberfläche), die Kontrolle über die Ladung ander Membranenoberfläche und das fraktionelle Verhältnis von Filtrat-zu Speisefluidrückführung.

Wenn, allgemein gesprochen, das komplexe Speisefluid selbst Partikel- oder Zellgrößen von mehr als 0,1 Mikron (und vorzugsweise von mehr als 1 Mikron) aufweist, sind Hilfspartikel unnötig. Das heißt, daß es eine Kategorie von komplexen Fluiden gibt, die natürliche Partikel, riesige Makromoleküle oder aktives oder inaktives Zellmaterial enthalten, mit denen ein wirksam.es, leistungsfähiges Filtrieren ohne Hinzufügen von Hilfspartikeln durch den Apparat land die Methoden erzielt werden kann, die oben unter Bezugnahme auf das Blutbeispiel beschrieben wurden. Komplexe Fluide in dieser Kategorie umfassen Blut oder Lymphflüssigkeiten von Mensch und Tier, mikrobische oder zelluläre Suspensionen (z.B. bakteriell, Pflanzenzellen, Blut oder Lymphflüssigkeiten von Tieren, mikrobische oder zelluläre Suspensionen (z.B. bakteriell, Pflanzenzellen, Tierzellen, etc.) Fleischprodukte und Nebenprodukte, Pflanzenextrakte, Suspensionen von Algen oder Fungi , pflanzliche Nahrungsmittel und Getränke, die Partikel wie Frucht -.mark enthalten, Fruchtmarkprodukte, Suspensionen mit Aktivkohle,

Farben

Farben, Latex-Suspensionen, Stärke, photografische Emulsionen, Druckerschwärze, Abfallströme wie Maschinenöl, Kraftfahf.zeugöl und andere Ölsuspensionen oder -Emulsionen, die man behandeln oder wiederbehandeln (z.B. wiedergewinnen) möchte.

Ideale Kandidaten für den Apparat und die, Techniken, die oben in dieser Anmeldung beschrieben wurden, schließen bakterielle Medien oder Medien anderer Kulturen (zum Ernten gewachsener Komponenten,einschließlich Proteine) und das Entfernen von Antigenen, Viren oder Bakterien aus Fluidströmen ein.

Ein spezifischeres Beispiel ist die Herstellung von antikrebsartigen Substanzen(z.B. Interferon) durch Stimulieren der Zellaktivität. Das Interferon-Molekül ist ausreichend groß, um der Isolation durch den schematischen Prozess unterzogen zu werden, den Fig. 2 zeigt, wo das Speisefluid Zellkulturen in einem Brühe-Medium enthalten kann. Interferon ist ein großes, zerbrechliches Molekül, das wesentlich größer als die normalen Nährstoffe und viel kleiner als die Zellen ist, die es produzieren, so daß es in die Strategie der Figur 2 paßt und als Zwischenfraktion entfernt werden kann. Das Speisemedium in Fig. 2 würde die Lebendzellen oder Totzellen- Fragmente, das Interferon und die Nährstoffe des Brühematerials enthalten. Das erste Filtermodul in Fig. 2 (mit der Membrane vom Typ II) würde z.B. eine Nuclepore-Membrane mit einer Porengröße vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,9 Mikron enthalten. Mit der Rezirkulation in der spiralförmig gewundenen Modul-Zelle gemäß Fig. 5 könnten eine Schlammansammlung an der oder nahe bei der Membranenoberfläche vermindert und Bedingungen für hohe Leistungsfähigkeit bzw. Wirksamkeit hergestellt werden. Für diese Anwendung können eine pulsierende Strömung oder pulsierende Drücke etwas besser sein als eine Konstantstrom-Rezirkulation. Poren von etwa 0,4 Mikron und darüber sorgen

für

für einen leichten Durchgang des Interferons und des Nährmittelfluids (Brühe) während das Zellmaterial abgewiesen wird. Ein Vorteil dieses Prozesses ist die sanfte Behandlung des Interferon-Moleküls. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber gegenwärtigen Methoden des Konzentrierens dieser wertvollen Substanz. Der Filtratstrom aus der Membrane vom Typ II würde dann durch ein zweites Filtratmodul behandelt, in dem die Membrane vom Typ I überaus ähnlich derjenigen sein könnte, die als Kurve A in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Falle würde der Filtratstrom durch die Membrane vom Typ I nur die Nährstoffmaterialien (die Brühe> in einer Wasserlösung) enthalten und könnte zu dem Zellwachs- oder Interferonherstellungs-Prozess als Teil des Gesantprozesses (nicht dargestellt) zurückgebracht werden. Der die Zwischenfraktion enthaltende Abfuhr- oder Abstrom aus dem Modul mit der Membrane vom Typ I würde das Interferon in einem konzentrierteren Zustand als in irgendeinem anderen Teil des gezeigten Prozesses enthalten. Dieser Strom könnte dem Vielfachstufen-Prozess mit Modulen vom Typ I unterzogen werden, um sanft ein weiteres Konzentrieren des Interferons durchzuführen. Ein einzigartiger Vorteil dieses Schemas besteht darin, daß der Filtratprozess sanft abläuft, was ein absolutes Erfordernis bei der Interferonproduktion ist. Die Interferonproduktion wird gegenwärtig in Portions-Systemen durchgeführt, während das Filtrieren, Trennen und Konzentrieren von Interferon kontinuierlich eingerichtet werden könnte. Dies ist ein weiterer entscheidender Vorteil. Für diose Anwendung wäre das Modul mit der Filtermembrane vom Typ I den Wirksamkeits- oder Leistungsfähigkeits-Intensivierungsmethoden nicht besonders zugänglich, da weder das Interferon noch die Nährstoffbrühe Makromoleküle oder Teilchen von hinreichender Größe und Konzentration enthalten würden, um das hohe Wirksamkeits- oder Leistungsfähigkeitspotential der Intensivierungsmethoden hervorzurufen.

In ähnlicher Weise könnten Tiere für die Antikörperproduktion beerntet werden. In das Tier (z.B. eine Kuh) würde ein An-

tigen eingebracht werden, und das Imunsystem würde zu dem Antigen Antikörper produzieren. Die Antikörper würden entweder zeilvermittelt oder in dem Globulinteil des Plasrnaproteinsspektrums vorhanden sein. .Folgt man dem Itnunoglobolin-Beispiel, dann ist die Figur 2 anwendbar, wenn die Kuh wesentliche Antikörper bildet. Die Membrane vom Typ II wäre wieder eine Membrane mikroporöser Art für Plasmapheresezwecke. Es gibt kommerzielle Zellulose- und Polysulfon-Membranen (von Millipore Corp., Enka Corp., Gelman Corp. und anderen) mit gewundenen Kanalstrukturen, die anstelle der Nuclepore-Membrane benutzt werden können, >die beim Interferonprozess als Beispiel angegeben worden ist. Plasma, wie es in Fig. 7 definiert ist, würde durch die Poren hindurchgehen, während alle Blutzellen abgewiesen wurden. Die Membrane vom Typ I ist eine speziell gestaltete Ultrafiltrationsmembrane mit Durchlaß von Molekülen bis zu einem Molekulargewicht von etwa 100.000. Eine geladene Membrane würde die Trennung der Albumin-Moleküle von den Globulin-Molekülen intensivieren, während eine pH-Änderung auch die isoelektrischen Punkte des Proteins für eine Begünstigung der selektiven Trennung verschieben könnte. Ein anderer möglicher Coprozess wäre das Gelatinieren der Proteine oder die Kryo-Ausscheidung. Eine perfekte Membrane oder eine solche ,die entweder mit einem elektrischen Feld oder Kreuzstromfraktionierung arbeitet, könnte die selektive Trennung der Imunoglobuline von den verbleibenden Plasmaproteinen durchführen. Die unerwünschten Plasmaproteine und alles Material von niedrigem Molekulargewicht würden in dem von der Membrane vom Typ I kommenden Filtratstrom enthalten sein und könnten zu dem Tier zurückgeleitet werden. Der Abstrom würde konzentrierte Imunoglobuline enthalten und könnte einer weiteren Behandlung oder Konzentrierung unterzogen werdenjEine weitere bedeutende Anwendung wäre das Ernten von Proteinen aus Zellprozessen. Auch hier ist wieder der entscheidende Schritt die Trennung eines Proteins von großen Molekulargewicht von Riesenzelleri, die in einer kontrollierten Umgebung gehalten werden müssen. Der

innewohnende Vorteil besteht darin, daß der die Zwischenfraktion

3 2 A Ί 3 1

fraktion enthaltende Abstrom bereits hinsichtlich des Proteins (s.h. wieder Fig. 2) konzentriert ist und die Kulturmedien und Zellen durch Kombinieren der Ströme schwerer und leichter Fraktion zurückgemischt werden können. Der erste Trennschritt in dem Modul vom Typ II würde den vorstehend und nachfolgend beschriebenen Hochwirksamkeits- bzw. Hochleistungstechniken unterzogen, während das die Membrane vom Typ I enthaltene Modul des zweiten Filtrats /⁺ Intensivierung der Wirksamkeit bzw.; Leistungsfähigkeit unterzogen würde, ihm. jedoch Teilchen zugesetzt werden könnten. Das gleiche Zeil trennungserf ordernis ist d'em Gesamtprozess der Verwendung von Sonnenenergie mit Photosynthese zum Erzeugen von hochenergethischen Molekülen eigen, die dann für Nahrungszwecke oder Energieerzeugungszwecke (Synfuel, Biomasse) nützlich sind. Andere medizinische Anwendungen schließen das Trennen von cerbrospinaler Flüssigkeit und die Produktion (on-line production) von cardioplegischer Lösung ein. /⁺nicht ihm eigenen Methoden der

Das vorstehende Material hat komplexe Fluide beschrieben, die ausreichend große Teilchen oder Zellen aufweisen, so daß all die Intensivierungsmethoden potentiell anwendbar sind. Wo diese großen Teilchen oder Zellen nicht vorhanden sind, sind bestimmte der sich auf die Dynamik der Strömung im Speisefluidkanal beziehenden Techniken zum Herbeiführen von Wirksamkeit bzw. Leistungsfähigkeit nicht sehr hilfreich. Für solche komplexe Fluide sind andere der beschriebenen Intensivierungstechniken dennoch geeignet (z.B. Ultraschall, geladene Membranen, etc.). Solche komplexe Fluide wären hinzugefügten Teilchen oder Zellen zugänglich, um den ganzen Bereich der oben beschriebenen Techniken zur Intensivierung der Wirksamkeit bzw. Leistungsfähigkeit zu ermöglichen. Nach dem Filtrieren körnten die Hilfsteilchen oder-zellen, falls gewünscht, durch zusätzliches Filtrieren, Zentrifugieren oder andere geeignete übliche Techniken entfernt werden. Eine andere Klasse von komplexen Speisefluiden kann Moleküle aufweisen, die genügend klein oder von solcher geometrischer

Form

Form sind, daß selbst die Teilchenzugabe hinsichtlich der Wirksamkeit bzw. Leistungsfähigkeit unwirksam sein könnte. Gerade für diese letztgenannte Klasse werden die Doppelkonvektivfiltermethode und der Doppelkovektivfilterapparat (möglicherweise in Verbindung mit Rückkopplungs- oder Rezirkulationstechniken, geladenen Membranen, etc.) zu Ergebnissen führen, die der bestehenden Technologie der Trennung mittels Membranen überlegen sind. Nachstehend werden Anwendungen oder komplexe Fluide aufgezählt, die ungenügende Zellen oder Partikel für eine Eigeninduzierung aller Intensivierungsmethoden Enthalten : Rekombinierende Produkte der Gentechnik, ein Teil der chemischen oder klinischen Analysesysteme , Abwasserbehandlung, Reinigung von zufließenden Wasserströmen, Farben, RNA/DNA-Bearbeitung,Enzymtechnik, Bearbeitung von Molkereiprodukten einschließlich Molke, Bearbeitung von Nahrungsmitteln wie Tomatensaft, die Behandlung des Abflusses oder Zuflusses von Wäschereien, ein Teil des Recyclings von Flüssigkeiten für die Tjockenreinigung, die Gelatineproduktion, die Behandlung von Wachs und Wachsprodukten, die Herstellung von flüssigen Nahrungsmitteln, die Wiederbehandlung von Stahlbeizflüssigkeit, die Polymerbehandlung, das Entwässern von metallischen Kolloiden, die Behandlung von öligen Emulsionen, und Produktionen oder Bearbeitungen, die Schlangengift oder dgl. oder andere Gifte und Toxine betreffen. Wo die Teilchenzugabe eine verbesserte Leistungsfähigkeit oder Wirksamkeit fördert, werden bestimmte Parameter bevorzugt. Obzwar homogene harte kugelige Teilchen dazu beitragen, eine höhere Leistungsfähigkeit oder Wirksamkeit zu erzielen, sind flexible kugelige Teilchen oder flexible Teilchen von ungleichförmiger Dichte oder Gestalt wirksamer.

Obzwar die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungen im Besonderen beschrieben und dargestellt worden ist, versteht es sich für den Fachmann, daß bei ihr zahlreiche Änderungen in Form und Detail vorgenommen und

Teile

-Vt-

Teile weggelassen werden können ohne von dem Wesen und dem Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (19)

1. ' P at entansprüche

   »-" 1. Apparat zum Filtrieren von Komponenten vorbestimmten Molekulargewichts aus einem komplexen strömungsfähigen Medium
   (Fluid), gekennzeichnet durch eine konvektive Filtriereinrichtung zum Trennen des Fluids in eine schwere Fraktion mit Komponenten hohen Molekulargewichts und eine Fraktion eines komplexen Filtrats, das Komponenten von niedrigerem Molekulargewicht als die schwere Fraktion aufweist, wobei die

   ^w Filtriereihrichtung mindestens eine Verstärkungs- oder Verbesserungseinrichtung (Intensivierungseinrichtung) zum Aufrechterhalten der Wirksamkeit oder Leistungsfähigkeit (Effizienz) während des Filtrierens aufweist.
2. 2. Apparat zum Filtrieren von Komponenten vorbestimmten Molekulargewichts aus einem komplexen Fluid, gekennzeichnet durch eine konvektive Filtriereinrichtung zum Trennen des Fluids
   iri eine erste Fraktion mit Komponenten von hohem Molekulargewicht und eine Fraktion einestkomplexen Filtrats mit Komponenten von niedrigerem Molekulargewicht als die erste Fraktion, wobei die Einrichtung eine Spiralgeometrie-Intensivierungseinrichtung zum Aufrechterhalten der Effizienz während der Filtrierperiode aufweist.
3. 3. Apparat nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtriereinrichtung mindestens zwei
   Intensivierungseinrichtungen zum Aufrechterhalten der Effizienz der Filtration auf deren Dauer aufweist.
4. 4. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren Einrichtungen zum Rezirkuliereri eines Teiles der schweren Fraktion durch die konvektive Fi1triereinrichtung zur Verbesserung der Filtriereffiziehz aufweist.
5. 5.Apparat

   5. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine Einrichtung zum Rezirkulieren eines Teiles der Filtratfraktion durch die konvektive Filtriereinrichtung zur Verbesserung der Filtrations-Effizienz aufweist.
6. 6. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die komvektive Filtriereinrichtung eine Einrichtung mit geladener Membrane zum Zurückstossen ausgewählter Bestandteile in dem Blut aufweist.
7. 7. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine erste Rezirkulationseinrichtung zum Rezirkulieren eines Teiles der schweren Fraktion durch die konvektive Filtriereinrichtung und eine zweite Rezirkuliereinrichtung zum Rezirkulieren eines Teiles der Filtratfraktion durch die konvektive Filtriereinrichtung zur Verbesserung der Filtrations-Effizienz aufweist,
8. 8. Apparat zum Filtrieren von Komponenten vorbestimmten Molekulargewichts aus einem komplexen Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß er in Kombination

   eine erste konvektive Filtriereinrichtung zum Trennen des Fluids in eine schwere· Fraktion mit Komponenten von hohem Molekuargewicht und eine Filtratfraktion mit Komponenten von niedrigerem Molekulargewicht als die schwere Fraktion, und

   eine zweite konvektive Filtriereinrichtung zum Aufnehmen der Filtratfraktion und Trennen dieser Filtratfraktion in eine Zwischenfraktion mit Komponenten eines mittleren Molekulargewichts und eine leichte Fraktion mit Komponenten von niedrigerem Molekulargewicht als demjenigen der Zwischenfraktion

   aufweist.
9. 9. Apparat

   9. Apparat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten konvektiven Filtriereinrichtung und der zweiten konvektiven Filtriereinrichtung mindestens eine eine Spiralgeometrie-Intensivierungseinrichtung zum Aufrechterhalten der Effizienz während der Dauer der Filtration aufweist.
10. 10. Apparat nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste konvektive Filtriereinrichtung eine Einrichtung mit geladener Membrane zum Zurückstoßen ausgewählter Bestandteile in dem Blut aufweist.
11. ^w 11. Apparat nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine Rezirkuliereinrichtung zum Rezirkulieren eines Teiles der schweren Fraktion durch die erste Filtriereinrichtung zum Erhöhen der Eff zienz während der Trennung beinhaltet.
12. 12. Apparat nach einem der Ansprüche 8 bis 10, des weiteren gekennzeichnet durch eine erste Rezirkuliereinrichtung zum Rezirkuliereinrichtung zum Rezirkulieren eines Teils der schweren Fraktion durch die Konvektivfiltereinrichtung, eine zweite Rezirkuliereinrichtung zum Rezirkulieren eines

    ν Teils der Filtratfraktion durch die konvektive Filtriereinrichtung , wobei beide rezirkulierten Teile die Filtrat ions-Effizienz vergrößern.
13. 13. Apparat nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß er des weiteren eine Einrichtung zum Rekombinieren der schweren Fraktion und der leichten Fraktion aufweist.
14. 14. Verfahren zum Trennen vom Komponenten vorbestimmten Molekulargewichts von einem komplexen Fluid, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Fluid durch einen konvektiven Filter zum Trennen des Fluids in eine schwere Fraktion mit Komponenten von hohem Molekulargewicht und eine Fraktion eines

    komplexen

    komplexen Filtrats mit Komponenten von niedrigerem Molekulargewicht als demjenigen der schweren Franktion gefiltert wird, wobei der Filter mindestens eine Intensivierungseinrichtung zum Aufrechterhalten der Effizienz des Filterns auf dessen Dauer aufweist.
15. 15.Verfahren zum Trennen von Komponenten vorbestimmten Molekulargewichts von einem komplexen Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid/Spirafßonve^€ivflitereinrichtung zum Trennen des Fluids in eine schwere Fraktion mit Komponenten von hohem Molekulargewicht und eine komplexe Filtrationsfraktion mit Komponenten von niedrigerem Molekulargewicht als demjenigen der schweren Fraktion gefiltert wird.
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch

    gekennzeichnet, daß es des weiteren das Rezirkulieren eines

    hindurch Teils der schweren Fraktion durch die Filtriereinrichtung/

    zur Verbesserung der Filtrations-Effizienz einschließt.
17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren das Rezirkulieren eines Teils der Filtratfraktion durch die Filtriereinrichtung hindurch zum Verbessern der Filtrations-Effizienz einschließt.
18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren das komplexe Fluid in der Konvektivfiltereinrichtung einer geladenen Membraneneinrichtung zum Zurückstoßen geladener Bestandteile in dem Blut ausgesetzt wird.
19. 19. Verfahren zum Trennen von Komponenten vorbestimmten Molekulargewichts von einem komplexen Fluid, gekennzeichnet durch die Schritte des:

    Hindurchführens eines Fluids durch eine erste konvektive Filtriereinrichtung zum Trennen des Fluids in eine schwere Fraktion mit Komponenten von hohem Molekulargewicht und eine Filtratfraktion mit Komponenten von niedrigerem Molekulargewicht als demjenigen der schweren Fraktion,

    und