DE3587885T2

DE3587885T2 - Filtration einer flüssigen Suspension.

Info

Publication number: DE3587885T2
Application number: DE3587885T
Authority: DE
Inventors: Donald W Schoendorfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-21
Filing date: 1985-03-20
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2005-03-21
Also published as: CA1261765A; AU616463B2; NZ211527A; ATE50156T1; DE3575868D1; EP0177564A1; JPH0423544B2; WO1985004112A1; EP0177564A4; DE3587885D1; AU4152085A; JPH0555153B2; AU2875289A; JPS61501494A; JPH03155871A; US5194145A; EP0177564B1; US5738792A; ATE108693T1

Description

Die Erfindung betrifft die Membranfiltration einer Substanz aus Flüssigkeitssuspensionen, insbesonder biomedizinische Anwendungen einer derartigen Technologie. Sie ist besonders relevant hinsichtlich der Abtrennung oder Fraktionierung der Bestandteile von Blut, jedoch nicht darauf beschränkt.
Verfahren zum Abtrennen und Sammeln bestimmter Bestandteile von Vollblut werden für viele therapeutische, medizinische und experimentelle Anwendungen in großem Umfang eingesetzt. Die Plasmapherese (die Abtrennung von flüssigem Plasma von den roten und weißen Blutkörperchen von Vollblut) bildet die Grundlage umfangreicher Plasmalagerungs- und -bereitstellungssysteme und wird auch zunehmend in der therapeutischen Apherese eingesetzt. Plasma wird von einzelnen Spendern gesammelt durch Entnahme von Vollblut, Abtrennen des Plasmas und vorzugsweise Rückleiten von Fraktionen mit hohem Hämatokrit (Fraktionen mit hohem Prozentsatz roter Blutkörperchen) zum Spender. Die Plasmapherese durch Fliehkraftabscheidung wird in großem Umfang in Laboratorien eingesetzt, ist jedoch im wesentlichen ein diskontinuierliches Arbeitsverfahren, das nur begrenzt geeignet und wirtschaftlich praktikabel ist. Eine kontinuierliche Abtrennung durch Zentrifugieren ist erwünscht, wenn das Plasma schnell und mit nur minimalen Unannehmlichkeiten für den Spender entnommen werden soll, und nach dem heutigen Stand der Technik kann dies nicht mit vertretbarem Kostenaufwand durchgeführt werden. Bluthandhabungs- und -sammelsysteme müssen vollkommen steril sein, und dies bedeutet in der Praxis, daß sämtliche mit dem Blut in Kontakt gelangenden Elemente kostengünstige Einwegteile oder -vorrichtungen sein müssen. Viele Fachleute haben daher mit Membranfiltrationsverfahren experimentiert, wobei eine Membran mit geeignet kleiner Porengröße (z. B. 0,5 um) eingesetzt wird, um Plasma aus dem Blut zu filtern. Wegen der viskosen und komplexen Beschaffenheit von Vollblut ist eine einfache Filtration nicht ausreichend, weil durch Ablagerung (Verstopfen von Poren mit zellförmiger Substanz) der Übertragungswirkungsgrad durch die Membran schnell herabgesetzt wird.
Diese Probleme wurden von einer Anzahl Fachleute erkannt, und es wurde versucht, das Scherprinzip zur Steigerung des Wirkungsgrades einzusetzen. Der Transport von Vollblut quer über eine Membranoberfläche, die sich relativ zu einer gegenüberliegenden Oberfläche bewegt, erzeugt Scherkräfte an der Blutschicht und damit die Tendenz, die zellförmige Substanz in Bewegung zu halten und sie von den Membranporen wegzuheben, so daß das Ablagerungsproblem wesentlich vermindert wird. Die Fachleute haben einen im allgemeinen zunehmenden Zusammenhang zwischen dem Scherwert und dem Wirkungsgrad des Filtrationsverfahrens beobachtet, wobei durch unerwünschte Auflösung der Blutkörperchen oder Hämolyse eine Obergrenze gesetzt ist, die bei bekannten Vorrichtungen typischerweise bei maximalen Scherwerten von 7 500 bis 10 000/s&supmin;¹ liegt.
Die Membranfiltration schien mit verschiedenen flachen Membranausbildungen tatsächlich eine praktische Grenze erreicht zu haben, und zwar wegen verschiedener Druckverluste und Strömungsdiskontinuitäten. In der Praxis ist für derartige Konfigurationen eine erhebliche Membranoberfläche erforderlich, um das Sammeln von Plasma mit annehmbarer Geschwindigkeit von einem Einzelspender zu ermöglichen. Die Kosten für die Membran sind jedoch hoch, und der Wirkungsgrad des Systems nimmt mit der Einsatzdauer ab. Somit ist das erstrebte Ziel einer kostengünstigen Einwegvorrichtung bisher mit einem zuverlässig arbeitenden System nicht erreicht worden.
Vor einiger Zeit wurde jedoch ein deutlicher Fortschritt bei der mit Membranfiltration arbeitenden Blutabtrenntechnologie unter Verwendung einer anderen Konstruktion erzielt, die in der Veröffentlichung EP-A-0 112 152 beschrieben ist, angemeldet am 13. Dezember 1983, veröffentlicht am 27. Juni 1884 und unter Beanspruchung einer Priorität vom 13. Dezember 1982. Die in dieser Patentanmeldung beschriebene Konstruktion erlaubt Filtrationsgeschwindigkeiten, die mehr als zehnmal höher sind als bei bekannten Membranfiltrationsvorrichtungen mit einer gegebenen Oberfläche. Eine mit einer Membran überdeckte Schleuder mit einem inneren Sammelsystem ist in einem ortsfesten Gehäuse angeordnet, und Blut wird in den Raum zwischen der Schleuder und dem Gehäuse zugeführt, wobei es sich sowohl in Umfangsrichtung um das Gehäuse als auch entlang der Längsachse zu einem im Abstand befindlichen Auslaßbereich bewegt. Eine praktische Vorrichtung, die einen Spalt von 0,030'' (0,076 cm) und eine Drehzahl von etwa 3 600 min&supmin;¹ bei einem Schleuderdurchmesser von 1'' (2,54 cm) und einer Länge von 3'' (7,5 cm) hat, ermöglicht eine Plasmaausbeute mit einem Durchsatz von etwa 45 ml/min und mit hoher Plasmagewinnung (z. B. mehr als 70%). Es wird eine Plasmagewinnung von 0,9 ml/cm²/min wird gegenüber herkömmlichen Flachplattensystemen mit etwa 0,039 ml/cm²/min und Hohlfasersystemen, die Werte von 0,013 ml/cm²/min erzielen. Die damit erzielte deutliche Verbesserung des Filtrationswirkungsgrades macht eine kostengünstige Einwegvorrichtung für die Plasmapherese zum erstenmal praktikabel und ermöglicht es, zwei bis drei Bluteinheiten bequem und schnell zu übertragen, während der Rest mit hohem Hämatokrit zum Spender zurückgeführt wird.
Die zwischen einer rotierenden Schleuder und einem konzentrischen Gehäuse bestehenden Strömungsbedingungen sind zwar gründlich untersucht worden und werden als Couette-Strömung bezeichnet; aber die Extraktion eines Filtrats durch eine Membran an der Schleuder stellt einen speziellen Fall mit potentiell weitreichenden Einsatzmöglichkeiten dar. Gattungsmäßig umfaßt diese Konfiguration eine Anzahl von Systemen, bei denen ein in einem Bad rotierendes Membranelement dazu verwendet wird, das Anhaften von teilchenförmigen Substanzen in dem Bad am Filter zu verhindern oder einzuschränken, während Filtrat in das Innere der Schleuder gesaugt wird. Spezielle Beispiele hierfür sind in einem Artikel von M. Lopez-Leiva, "Ultrafiltration at Low Degrees of Concentration Polarization: Technical Possibilities" in Desalination (Niederlande), Band 35, Seiten 125 bis 128 (1980) aufgezeigt, der sich mit der Konzentration von Milchprodukten befaßt, sowie in der US-A- 4 184 952 (Shell Oil) angegeben, die sich mit der Extraktion von Öl aus basischen Ablagerungen und Wasser befaßt. Diese Veröffentlichungen deuten jedoch in keiner Weise darauf hin, daß die von Fischel in der Plasmapherese erzielte erhebliche Verbesserung auch nur möglich sein könnte, und sie enthalten auch keine Erklärung des Abtrennmechanismus in einem derartigen System. Die Patentanmeldung von Fischel stellte die Hypothese auf, daß ein "Scher-Zentrifugierungseffekt" auftritt, wobei die Zentrifugalkräfte eine Wanderung der zellförmigen Substanz nach außen in Richtung zur ortsfesten Wand bewirken, während eine plasmareiche Schicht an der Oberfläche bleibt. Einschränkende Faktoren hinsichtlich der Leistungsfähigkeit dieses Systems wurden unter Bezugnahme auf Bedingungen zur Aufrechterhaltung der laminaren Strömung zwischen der Schleuder und der Außenwand beschrieben, während gleichzeitig eine ausreichende Fliehkraft ausgeübt wird, um eine Wanderung der Zellen nach außen zu erreichen. Damit wollte sich die Anmeldung von anderen Rotationsströmungssystemen unterscheiden, bei denen eine Relativbewegung zwischen zwei konzentrischen Zylindern zur Ausbildung von lokalisierten zellförmigen Strukturen, die als Taylor-Wirbel bezeichnet werden, zwischen den Wandungen führt.
Taylor-Wirbel wurden ebenfalls in der Literatur und in einer Anzahl von Vorrichtungen gründlich untersucht, insbesondere wurden von Brumfield in der US-A-3 771 658, der US-A-3 771 899 und der US-A-4 212 741 vorgeschlagene Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen (Oxigenatoren), die diese Effekte ausnutzen, in Betracht gezogen. Die meisten Untersuchungen von Taylor-Wirbeln behandeln theoretische Aspekte, und nur wenige Systeme, die die Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen umfassen, wurden unter Anwendung dieser Prinzipien erfolgreich realisiert. Es sind keine Taylor-Wirbel nützenden Systeme bekannt, in denen die Dynamik des Flüssigkeitsmediums zwischen den Teilen durch kontinuierliche Extraktion von Bestandteilen aus dem Medium beeinflußt oder geändert wird.
Es ist ersichtlich, daß dann, wenn ein Filtrat aus einem komplexen empfindlichen lebenden System, wie z. B. Vollblut, extrahiert wird, viele komplexe Faktoren zu berücksichtigen sind. Nachfolgend wird aufgezeigt, daß die Betriebsart des Fischel-Systems keine laminare Strömung unter den oben genannten Bedingungen erzeugt und daß die Entnahme des Plasmas selbst Kräfte erzeugt, die erheblich über die auf die Blutkörperchen wirkenden Fliehkräfte hinausgehen. Das spezielle Plasmapheresesystem von Fischel funktioniert zwar mit dem beschriebenen Wirkungsgrad, aber weitere Verbesserungen hinsichtlich der Grenzen und Optimierungen dem Verfahrens sind möglich durch die Anwendung von Konfigurationen und Betriebsbedingungen, die sämtliche wichtigen Systemanforderungen berücksichtigen, um eine ganz andere Betriebsart auszubilden und zu verbessern.
Ein Artikel von W. Tobler in "Escher Wyss Mitteilungen", 2/1978-1/1979, Seiten 21 bis 23, beschreibt ein System zum Filtern einer Flüssigkeitssuspension, das ein Gehäuse mit einer Innenoberfläche, die eine Filtermembran trägt, und einen Rotor aufweist, der für eine Drehbewegung innerhalb des Gehäuses montiert ist und eine Außenoberfläche aufweist, die zusammen mit der Innenoberfläche des Gehäuses einen Spalt bildet, um die Flüssigkeitssuspension aufzunehmen. In diesem Filter trägt der Rotor eine Filtermembran auf seiner Außenoberfläche, und das Filtrat geht hindurch in den Innenraum des Rotors, um an dem unteren Ende herauszufließen. Das Gehäuse weist eine ringförmige Kammer auf, in welche das Filtrat durch die Filtermembran strömt und aus dem das Filtrat dann aus der Vorrichtung herausfließt.
Das Filtersystem gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus trennbaren Teilen, die jeweils zwei Endbereiche haben, wobei die Endbereiche Endlager für den Rotor bilden, und Halteeinrichtungen aufgebaut ist, die die Teile lösbar gegen eine radiale Trennung halten, daß die Innenoberfläche des Gehäuses ein Netzwerk von Oberflächennuten aufweist, daß jedes der trennbaren Teile eine entsprechende Filtermembran aufweist, die lösbar an ihrer Innenoberfläche angebracht ist und die Oberflächennuten überdeckt, und daß eine Passage in dem Gehäuse vorgesehen ist, die mit den Oberflächennuten in Verbindung steht, wenn die trennbaren Teile verbunden sind, und somit das Filtrat erhält, welches durch die Filtermembran hindurchgeht.
Die US-A-4 212 741 beschreibt eine Blutverarbeitungsvorrichtung mit einem zylindrischen Motor, der eine semipermeable Membran trägt und innerhalb eines geteilten Gehäuses angeordnet ist, das aus zwei Hälften gebildet ist. Die Erfindung verbessert nicht nur den Zugang zu dem Innenraum des Filters, sondern ermöglicht auch das Entfernen und Ersetzen der Membranen.
Die vorliegende Anmeldung ist eine Ausscheidung aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 85 901 785.7 (jetzt EP-B-0 177 564). Hinsichtlich einer detaillierteren Diskussion der Strömungsphänomene, die in Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung auftreten, wird auf die EP-B-0 177 564 Bezug genommen. Zusammenfassend wird ein Betriebsschema für eine Couette- Strömung vorgegeben, wobei der radiale Spalt, der Schleuderdurchmesser und die Winkelgeschwindigkeit für eine gegebene Flüssigkeitssuspension so gewählt werden, daß starke, aber kontrollierte Taylor-Wirbel entlang der Länge der Schleuder ausgebildet werden. Die starke Wirbelwirkung erzeugt eine Serie von aneinandergrenzenden ringförmigen Wirbelzellen um die Schleuder herum, die sich entlang der Länge der Schleuder bewegen und sich in der Richtung einer inneren Zirkulation abwechseln. Die Wirbelwirkung ist ausreichend stark, damit die Zellen den radialen Spalt im wesentlichen ausfüllen, und in Suspension befindliche Substanz wird in eine komplexe Bahn gezwungen, die sowohl an der Schleuder- als auch der Außenwandfläche orthogonale Geschwindigkeitskomponenten aufweist. Es kann eine Substanz durch eine Oberflächenmembran sowohl von der inneren (Schleuder-)Oberfläche als auch der äußeren (ortsfesten Wand-)Oberfläche oder der Außenoberfläche allein filtriert werden. Die Geschwindigkeitskomponenten an der Membranoberfläche tragen wesentlich zu dem hohen Scherwert bei, der durch die relative Schleuder-Wand-Bewegung ausgebildet wird, und führen zu einer inneren Spülbewegung innerhalb des radialen Spaltes, die die Tendenz hat, die Membran von Substanzen zu reinigen, die sich sonst an den Membranporen absetzen würden, während das Filtrat schnell extrahiert wird.
Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung sind besonders nützlich bei der Überwindung der vielen und schwerwiegenden Probleme bei Hemapheresesystemen, eignen sich aber gleichermaßen gut für eine Vielzahl von anderen Anwendungsgebieten. Das Konzept erscheint überall dort brauchbar, wo die Gesamtviskosität des Systems die Ausbildung von kräftigen Taylor-Wirbeln über eine Länge der Schleuder ermöglicht, und zwar trotz einer konstanten Filtratextraktion, und wo die Dichte von festen oder teilchenförmigen Substanzen innerhalb der Suspension das Mitreißen von Substanzen innerhalb der zirkulierenden Wirbel erlaubt.
Ein Merkmal von Systemen gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Oberflächentopologie der Membran relativ zu der Art der filtrierten Suspension gewählt wird. Um die Wirbelwirkung zu verstärken und ein Verstopfen der Membran durch Blut zu minimieren, wird z. B. eine Membran mit glatter Oberfläche verwendet, deren Oberflächenunregelmäßigkeiten nicht größer als die Porengröße sind. Ungeachtet der Tatsache, daß Membranoberflächenabweichungen bei vielen handelsüblichen Membranen äußerst klein sein können, können sie doch rote Blutkörperchen hämolysieren und einfangen, während gleichzeitig die lokalen Oberflächeneffekte der Wirbelwirkung verringert werden. Somit werden sehr gute Ergebnisse erzielt, wenn unter diesen Bedingungen Membranen mit glatten Oberflächen eingesetzt werden.
Systeme gemäß der Erfindung setzen die Filtermembran in die äußere ortsfeste Wand ein, so daß sich eine Anzahl von konstruktionsmäßigen Vorteilen und eine nur minimale Verminderung des Betriebswirkungsgrades ergeben. Die Oberflächen der ortsfesten Membranen können leicht ausgetauscht werden, so daß das System als Abscheider für diagnostische Anwendungen oder für Zwecke einsetzbar ist, bei denen das System über längere Zeiträume kontinuierlich betrieben wird. Bei dieser Art von Abscheider wird der Wirbelstrom durch eine Schleuder ausgebildet, die innerhalb eines konzentrischen geteilten Gehäuses gehalten wird, das geöffnet werden kann, um in Längsrichtung verlaufende Filtermembranen auszutauschen. Eine externe magnetische Antriebseinrichtung dreht die Schleuder mit einer Winkelgeschwindigkeit, die unter Bezugnahme auf den Spalt und die Viskosität der Suspension sicherstellt, daß starke Wirbel vorhanden sind, die ein Überspülen bewirken und ein Verstopfen der Membran verhindern. Bei einer geringfügig niedrigeren Extraktionsrate, als sie bei einem inneren Membransystem verwendet wird, das mit einer gegebenen Schleuder-Oberflächengeschwindigkeit betrieben wird, wird dennoch ein hoher Entnahmeprozentsatz erzielt. In vielen Fällen kann die Geschwindigkeit oder die Spaltabmessung vergrößert werden, um einen höheren Entnahmeprozentsatz zu erreichen. Das System bietet weitere Vorteile, wenn es für diagnostische oder analytische Zwecke eingesetzt wird, weil die Membran austauschbar ist und die Vorrichtung durch Spülen der Membran zwischen den einzelnen Betriebsperioden wiederholt einsetzbar ist.
Ein spezielles Beispiel eines Systems für eine sehr gute Plasmapherese arbeitet mit maximierten Spaltabständen bei einer gegebenen Drehzahl in Verbindung mit Taylor-Zahlen im Bereich von 70 bis 250 (vorzugsweise 100 bis 250) und Scherwerten von 7 500/s&supmin;¹ bis maximal 10 000/sW1. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß Porengrößen im Bereich von 0,1 bis 1,0 um anwendbar sind, wobei diese größer und wirksamer als die bisher angewandten sind. Zusätzlich kann der Blutstrom durch die Abtrennvorrichtung entgegen der Schwerkraft geführt werden, wenn dies für bestimmte Zwecke erwünscht ist. Sofern eine minimale Membranoberfläche erwünscht ist, wird ein relativ kleiner Bereich von Spaltgrößen und Winkelgeschwindigkeiten verwendet, um maximierte und konstante Plasmadurchsätze zu erzielen. Bei einem Rotor mit einem Durchmesser von 1'' (2,54 cm) wird beispielsweise die Spaltabmessung im Bereich zwischen etwa 0,018'' (0,046 cm) und 0,030'' (0,076 cm) für Winkelgeschwindigkeiten des Rotors von 3 000 bis 3 600 min&supmin;¹ liegen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der Erfindung wird sich unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ergeben. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise weggebrochene kombinierte Perspektivansicht mit einem Blockdiagramm eines Plasmapheresesystems gemäß der Erfindung der EP-B-0 177 564;
Fig. 2 eine vergrößerte und vereinfachte perspektivische Teilansicht der Plasmatrennvorrichtung in der Anordnung gemäß Fig. 1, wobei Wirbelströmungs-Charakteristiken gezeigt sind;
Fig. 3 eine vergrößerte seitliche Schnittansicht der Anordnung von Fig. 2, wobei Wirbelströme gezeigt sind, die in der Literatur beschrieben sind und im Betrieb beobachtet werden;
Fig. 4 ein Diagramm von Änderungen der Plasmaabgabe bei gegebenem Eingangsstrom mit Änderungen in dem Zusammenhang zwischen dem Spalt und der Winkelgeschwindigkeit bei einer Schleuder gegebener Größe;
Fig. 5 ein Diagramm, das Plasmaflußänderungen bei verschiedenen Spaltgrößen und im übrigen konstanten Faktoren zeigt;
Fig. 6 eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht eines Systems gemäß der Erfindung unter Verwendung einer ortsfesten Membran;
Fig. 7 eine seitliche Schnittansicht des Systems gemäß Fig. 6; und
Fig. 8 eine etwas idealisierte und nicht maßstabsgerechte Perspektivansicht eines Teiles einer Filtrationsmembran, wobei die Oberflächenunregelmäßigkeiten bei einem Membrantyp gezeigt sind.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, in der die einzelnen Elemente nur verallgemeinert dargestellt sind, ist ein Plasmapheresesystem 10 ein besonders geeignetes Beispiel für ein Bluttrennsystem. Vollblut wird von einem Spender mittels einer Nadel 12 entnommen, die als Einzelnadel dargestellt ist, obwohl auch ein Doppelnadelsystem verwendet werden kann. Einmalschlauchleitungen werden verwendet, um das Blut vom Spender zu leiten und es mit einem Antikoagulansstrom von einem Vorrat 13 zusammenzuführen (die Strömungsregelung für das Antikoagulans ist von irgendeiner bekannten Art und daher nicht gezeigt). Eine Eingangsblutpumpe 14, z. B. eine peristaltische oder Druckrollenvorrichtung, fördert bei Aktivierung durch eine zugeordnete Blutpumpensteuerung 16 den kombinierten Strom zu einem Transmembrandrucksensor 18 sowie zu einer Wegwerf- oder Einmal-Plasmatrennvorrichtung 20. Die Plasinatrennvorrichtung 20 ist als Schleuder 22 ausgebildet und weist Magnetelemente 23 auf, die mit dem einen Ende integral ausgebildet und um eine zentrale Längsachse innerhalb eines ortsfesten Gehäuses oder einer Scherwand 24 drehbar sind. Die Schleuder 22 ist zwischen einem Paar von Positionierhalterungen 25, 26 aufnehmbar, die entlang der Mittelachse voneinander beabstandet und nur allgemein dargestellt sind. Die obere Halterung 25, die nur bruchstückhaft gezeigt ist, bildet einen Positioniersitz für einen nicht rotierenden oberen Bereich der Trennvorrichtung 20. Am oberen Ende wird ferner eine magnetische Antriebseinrichtung 27 (nicht im einzelnen dargestellt), die die mit der Schleuder 22 integralen Magnetelemente 23 umschließt und damit magnetisch gekoppelt ist, von einem Antriebsmotor 28 gedreht. Die untere Halterung 26 nimmt das untere Ende des ortsfesten Gehäuses 24 auf und bildet eine Öffnung, durch die ein mit der Mittelachse koaxialer Plasmaauslaß 30 Plasma ausleiten kann.
Die Oberfläche der Schleuder 22 kann von einer Filtermembran 40 einer für die Blutfiltration herkömmlicherweise eingesetzten Art überdeckt sein, die Oberflächenöffnungen im Größenbereich von 0,1 bis 1,0 um hat. Bei dem vorliegenden System werden jedoch erhebliche Vorteile erzielt, wenn Membranen mit bestimmten physikalischen Eigenschaften und einer Porengröße im Bereich von 0,8 bis 1,0 um eingesetzt werden, wie nachstehend näher erläutert ist. Unter der Membran 40 ist die Schleuderoberfläche so ausgebildet, daß sie eine Vielzahl von Umfangsnuten 42 bildet, die durch Längsnuten 44 miteinander verbunden sind, die ihrerseits über radiale Leitungen 46 mit einer zentralen Sammelleitung 48 in Verbindung stehen. Die Sammelleitung 48 steht über eine Dichtungs- und Lager-Endgruppe (nicht im einzelnen gezeigt) mit dem Plasmaauslaß 30 in Verbindung.
Während Blut vom Spender in den Spalt zwischen der Schleuder 22 und der Innenwand des konzentrischen Gehäuses 24 über einen tangentialen Bluteinlaß 50 zugeführt wird, der über einen flexiblen Schlauch (nicht im einzelnen gezeigt) mit der Bluteingabepumpe 14 gekoppelt ist, wird ein Rücklaufstrom mit hohem Hämatokrit aus einer tangentialen Auslaßöffnung 52, die vom Einlaß entlang der Längsachse der Trennvorrichtung 20 beabstandet ist, abgezogen. Ein flexibler Schlauch (ebenfalls nicht im einzelnen gezeigt) verbindet den Auslaß 52 über eine peristaltische Gepackte-Zellen-Pumpe 53, die von einer Steuereinheit 54 betätigbar ist, mit einem Reservoir 55 mit hohem Hämatokrit. Der Betrieb der Trennvorrichtung 20 kann dadurch vom Spender getrennt werden, so daß mit einer Einzelnadelvorrichtung abwechselnde Pump- und Rücklaufzyklen anwendbar sind. Gepackte Zellen werden an der Nadeleinheit wieder in den Spender infundiert, und zwar über eine Rücklaufpumpe 56 in einer Rücklaufleitung 57 zwischen der Nadeleinheit 12 und dem Reservoir 55. Eine Rücklaufpumpensteuereinheit 59 betreibt die Rücklaufpumpe 56 mit Geschwindigkeiten und zu Zeiten, die durch das Steuersystem bestimmt sind, das Einrichtungen (nicht gezeigt) zur Erfassung des Pegels im Reservoir 55 aufweisen kann.
Die Trennvorrichtung 20, deren mechanischer Betrieb in der eingangs genannten Fischel-Anmeldung im einzelnen beschrieben ist, extrahiert Plasma aus dem Vollblutstrom durch die Membran 40. Das Plasma strömt durch die Membran 40 in die Umfangs- und Längsnuten 42, 44 an der Oberfläche der Schleuder 22 und von dort durch die radialen Leitungen 46 in den zentralen Sammler 48. Das gesammelte Plasma in dem zentralen Sammler 48 fließt durch den Plasmaauslaß 30 in einen Plasmasammelbeutel 52. Der typische Spender liefert zwei bis drei Einheiten von Plasma in 30 bis 45 Minuten; dies ist ein mit der Blutabgabe vom Spender und der Rückführung mit hohem Hämatokrit zum Spender verträglicher Wert, der keine Unannehmlichkeiten oder erhebliche Gefahren mit sich bringt. Wie in der Fischel-Anmeldung bereits angegeben, bleibt der Extraktionsdurchsatz im wesentlichen konstant. Bei richtiger Durchführung ist das Plasma klar und goldfarben und im wesentlichen vollständig frei von Zellenbeschädigungen und daraus resultierender Hämolyse.
Es ist jedoch außerordentlich wichtig, einen maximalen zuverlässigen Plasmadurchsatz zu erzielen, und zwar ohne traumatisierende Wirkung auf das Blut einerseits bzw. ohne die Ausbildung eines empfindlichen oder instabilen Plasmapherese-Vorganges andererseits. Weitere Vorteile sind dann hinsichtlich des Wirkungsgrades der Plasmaextraktion, einer möglichen Kostensenkung der teuren Filtermembran sowie der erforderlichen Spenderzeit möglich. Die Anmelderin weicht vollständig von der Ansicht ab, daß eine kontrollierte laminare Strömung ausgebildet werden muß, wobei eine Schichtenbildung einer plasmareichen Schicht an der Membranoberfläche sowie eine nach außen gerichtete radiale Migration von zellenförmiger Substanz im Blut erfolgen. Statt dessen induziert die Anmelderin eine starke Wirbelbildung in Form von aufeinanderfolgenden, abwechselnd zirkulierenden Ringwirbeln um die Schleuder herum, welche den Spalt zwischen der Schleuder und der Scherwand einnehmen. Diese Wirbelbildung ist von einem als Taylor-Wirbel bezeichneten Typ, der zuerst von G.I. Taylor 1923 vorgeschlagen und von ihm in Phil. Trans. Am., Band 233, Seiten 289 bis 293, "Stability of Viscous Liquid Contained Between Two Rotating Cylinders" beschrieben wurde. Frühere theoretische und computersimulierte Untersuchungen der Taylor-Erscheinung (von denen es sehr viele gibt) gehen davon aus, daß die in einer Couette-Struktur erzeügte Strömung unter geeigneten Bedingungen eine kontinuierliche Folge von ringförmigen Wirbelzellen entlang der Längsachse des Zylinders ausbildet. Wie die idealisierten Teilansichten der Fig. 2 und 3 zeigen, die nicht maßstabsgerecht sind, hat jede Zelle eine Zirkulationsströmung innerhalb der Ebene eines. Querschnitts, der zur zentralen (Rotations-)Achse der Schleuder radial ist, wobei die Zirkulationsrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Zellen abwechselt. Die Perspektivansicht von Fig. 2 zeigt die im allgemeinen spiralförmigen Strömungen innerhalb einer einzelnen Zelle und die Gegenrotation abwechselnder Zellen innerhalb der Reihe. Die Schnittdarstellung von Fig. 3 ist eine computererzeugte Näherung von Strömungen innerhalb eines Querschnitts, der entlang der Schleuderachse und bei einem bestimmten Radius relativ zu der Achse verläuft.
Die meisten bisherigen Untersuchungen betreffen jedoch stabile Flüssigkeitssysteme, die unter konstanten Betriebsbedingungen gehalten werden. Bisher gibt es nur wenige Vorschläge für die praktische Nutzung des Effektes, obwohl die theoretischen Untersuchungen sehr ausgedehnt waren und sind.
Die Taylorzahl, wie sie nunmehr genannt wird, wurde von G.I. Taylor als das Produkt aus der Reynoldszahl und der Quadratwurzel des Spaltes zwischen dem Rotor und dem Gehäuse, geteilt durch die Quadratwurzel des Rotors definiert. Die Wirbel beginnen aufzutreten, und zwar überlagert der tangentialen Strömung, die durch die relataive Rotation induziert wird, wenn die Taylorzahl größer als 41,3 ist. Viele der in der Vergangenheit durchgeführten Untersuchungen haben eine Relativbewegung dadurch induziert, daß entweder das Gehäuse oder die zentrale Spindel oder beide gedreht wurden. Bei den folgenden Beispielen wird nur die zentrale Spindel gedreht, obwohl die Filtermembran 40 auf der Oberfläche der Schleuder 22 sowie auf der ortsfesten Zelle angeordnet sein kann. Es ist auch möglich, die Wirbelwirkung und andere Strömungsbedingungen in einer Vielzahl von anderen Konfigurationen und mit anderen Medien zu nutzen, wie nachstehend erläutert wird.
Eine wichtige Überlegung besteht darin, daß die gesamte nutzbare Oberfläche der Membran 40 veranlaßt wird, an dem Extraktionsvorgang teilzunehmen, obwohl sich die Suspension durch die Extraktion von Filtrat ständig ändert. Die Wirbelwirkung wird bevorzugt auf den Wert gesteigert, bei dem die Taylorzahl größer als 70 und besonders bevorzugt größer als 100, aber üblicherweise nicht größer als etwa 250 über die Gesamtlänge der Filtermembran ist, und zwar ungeachtet der beträchtlichen Viskositätserhöhung infolge der Extraktion von Plasma. Da die Wirbelzellen den radialen Spalt ausfüllen und die Membranoberfläche in enger tangentialer Beziehung überspülen, werden Geschwindigkeits- und Kraftkomponenten beträchtlicher Größe angrenzend an die Oberfläche der Membran 40 induziert, die orthogonal zu den Kräften sind, die durch die Rotation der Schleuder 22 induziert werden. Diese Zirkulationsbewegung, verbunden mit der Konvektion längs der Achse der Schleuder 22, trachtet ständig danach, etwa anhaftende Zellen von der Oberfläche der Membran 40 zu entfernen, und sorgt für die Auffüllung mit verfügbarem Plasma für die Filtration durch die Membranporen. Jeder gegebene Punkt auf der Membran 40 wird in zeitlich sich ändernder Weise von der Substanz gespült, die sich abwechselnd in paralleler und antiparalleler Richtung relativ zur Rotationsachse der Schleuder bewegt. Die existierenden Zirkulationskräfte unterstützen somit die Scherkräfte, die auf das Blut durch viskose Widerstandskräfte ausgeübt werden, tangential zur Oberfläche der rotierenden Membran 40.
Wie Fig. 3 zeigt, findet gleichzeitig ein ständiger Austausch sowohl von Plasma als auch von zellförmigen Komponenten zwischen aneinandergrenzenden Zellen statt, obwohl das Plasma wahrscheinlich leichter als die zellförmige Substanz in Längsrichtung transportiert wird. Der Austausch führt dazu, daß ein etwaiger Hämatokritgradient über den Spalt angrenzend an die Schleuder wesentlich verringert wird, obwohl ein an Intensität zunehmender Farbgradient in Richtung vom Einlaß zum Auslaß beobachtet werden kann. Dennoch erreicht das System die gewünschte Wirkung der Nutzung sämtlicher Teilbereiche der gesamten Schleuder 22 mit im wesentlichen gleichem Wirkungsgrad. Da die Wirbelzellen nicht statisch sind, sondern sich ständig abwärts in Richtung zum Auslaß 52 bewegen, wird jede gegebene Teilfläche an der Membran nacheinander verschiedenen Wirbelkräften ausgesetzt, was etwaigen Tendenzen zum Aufbau von Zellablagerungen entgegenwirkt. Die spiralförmige Bewegung der Wirbelzellen während der Bewegung der Blutmasse bewirkt, daß die Wirbelzellen relativ zu der zentralen Achse unter einem Winkel oder geneigt angeordnet sind.
Die Umfangsrotation innerhalb der Taylor-Wirbelzelle darf keine so hohe Geschwindigkeit ausüben, daß eine nach innen zur rotierenden Schleuder gerichtete Bewegung rote Blutkörperchen mit so hoher Geschwindigkeit gegen die Membran schleudert, daß eine Zellablagerung an der Membran induziert wird. Andererseits kann das Auftreffen von Zellen an der ortsfesten Außenwand nicht so kräftig sein, daß eine schädliche Turbulenz verursacht wird. Beide Zustände können bei starker Wirbelwirkung innerhalb eines annehmbaren Scherbereiches auftreten, wobei die Folgen einerseits eine Verstopfung der Membranporen und damit einhergehend eine Erhöhung des Transmembrandruckes und eine Verminderung von Plasmafluß und andererseits der Eintritt von Zellbeschädigungen und Hämolyse sind.
Eine Bestätigung der Existenz der Wirbelzellen wurde auf verschiedene Weise erhalten. Im Gegensatz zu der Theorie der "Scherzentrifugierung" sind erhebliche Plasmadurchflüsse oder -durchsätze erreicht worden unter Anwendung einer Membran, die an der ortsfesten Scherwand angeordnet ist, wie es in Verbindung mit den Fig. 6 und 7 beschrieben wird. Es ist ersichtlich, daß keine wesentliche Plasmaextraktion resultieren würde, wenn die gesamte Masse so stark zentrifugiert würde, daß Zellen nach außen wandern und sich an der Außenfläche dicht anlagern würden. Obwohl ferner die Schleudermasse gleichförmig aussieht, wenn sie durch eine durchsichtige Scherwand mit bloßem Auge betrachtet wird, macht die Verwendung einer synchronisierten Stroboskoplampe und von Hochgeschwindigkeits-Blitzlichtaufnahmen das Vorhandensein der Wirbelzellen deutlich. Unter Stroboskoplicht erscheinen die Wirbel wie in den beim Stand der Technik gezeigten Fotografien, etwa in Fig. 7 eines Artikels von J.E.R. Coney et al., in "A Study Of Fully Developed, Laminar, Axial Flow And Taylor Vortex Flow By Means of Shear Stress Measurements" in O.-Mech. Eng. Sci., Band 21, Nr. 1, 1979, Seiten 19 bis 24. Ferner wird die Wirbelzellenbildung noch besser sichtbar, wenn der Abscheider mit einem Gemisch kleinster Reflexionskristalle in Wasser betrieben wird. Auch wurden Experimente durchgeführt, bei denen in Suspension befindliche Substanz in Form hohler Mikrokügelchen in einer Wassersuspension durch den Abscheider geschickt wurde. Dabei wurde in dem System das schwerere Wasser ohne weiters durch die Membran filtriert, was nicht erfolgt wäre, wenn eine Schichtung der schwereren Flüssigkeit an der Außenseite der leichteren teilchenförmigen Substanz vorhanden gewesen wäre. Somit ist die theoretische Existenz von Wirbeln durch unterschiedliche direkte Nachweise bestätigt worden.
Eine Steigerung der Effektivität der Wirbelwirkung unter gleichzeitiger Verminderung traumatischer Vorfälle ergibt sich aus der selektiven Steuerung der Oberflächencharakteristiken der Membran 40. Die spülende tangentiale Strömung in einem starken Wirbel, wie dies hier der Fall ist, bringt hochempfindliche rote Blutkörperchen (in einem Blutstrom) in enge, aber tangentiale Beziehung zu der Membranoberfläche. Handelsübliche Membranen haben zwar ein festes Aussehen und fühlen sich glatt an (zumindest auf einer Seite), ihre Submikron-Charakteristiken können aber mit viel größeren Substanzen in Wechselwirkung treten, die über die Oberfläche strömen. Es wird daher bei diesem Plasmapheresesystem bevorzugt, eine Membran einzusetzen, die Oberflächenstörungen aufweist, deren Größenordnung unter der Porengröße liegt. Während eine Porengröße von beispielsweise etwa 0,9 um den Durchtritt von roten Blutkörperchen hemmt, wird durch eine mittlere Änderung an der Oberfläche von weniger als dieser Porengröße eine weitaus größere Freiheit gegen Festhalten oder Beschädigung der Zellen gewährleistet. Eine Reihe von Analysen unter Verwendung jeweils verschiedener Membranen bestätigt, daß die Hämolyse (nachgewiesen durch zunehmend stärkere Rotfärbung) grob proportional zu Oberflächenunregelmäßigkeiten zunimmt. Außerdem tritt eine Blockierung durch den Einschluß von Zellen als Erhöhung des Transmembrandruckes auf. Membranen können zwar hinsichtlich ihrer Dicke stark unterschiedlich sein (z. B. von 10 bis 40 um), aber Oberflächenvorsprünge und -vertiefungen sollten die genannte Beziehung zur Porengröße nicht überschreiten, wenn das Medium Blut ist.
Fig. 8 zeigt ein Elektronenmikroskopbild einer geeigneten Membran 40. Diese spezielle Membran ist eine "Nuclepore" (Warenzeichen)-Polycarbonatmembran; eine andere häufig geeignete Membran ist "Gelman polysulfone 650" (Warenzeichen), aber die Oberflächeneigenschaften dieses Produktes scheinen zu variieren, was vielleicht auf die Verwendung eines Oberflächentensids zurückzuführen ist. Dagegen erscheint eine Nylonmembran (z. B. "Cuno 66" (Warenzeichen) von AMF) glatt und fühlt sich schlüpfrig an, hat jedoch bei Untersuchung mit starker Vergrößerung ein komplexes Submikron-Oberflächenmuster von Vorsprüngen und Vertiefungen. Es wird angenommen, daß diese Art von Oberfläche lokale Steigerungen der Scherbeanspruchung erzeugt und infolgedessen rote Blutkörperchen in einem Ausmaß beschädigt und einfängt, das durch Sichtprüfung nachweisbar ist. Ferner hat sich gezeigt, daß diese spezielle unregelmäßige Oberfläche Blutplättchen aktiviert, die sich kumulativ aneinander festlegen und eine Barriere auf der Membran aufbauen, so daß die Poren blockiert werden.
Der Charakter der Membranoberfläche ist auch unter einem anderen Gesichtspunkt wichtig, denn wenn eine Oberflächenaktivierung von Zellen während der Filtration beginnt, setzt sie sich fort, wenn der Rotor angehalten wird, etwa während eines Rückführungszyklus. Während der Einsatzzeit einer Wegwerf- oder Einmalvorrichtung können somit ein erheblicher Verlust an poröser Oberfläche und eine starke Erhöhung des Transmembrandruckes eintreten.
Die Erhöhungen des Plasmaflusses, in Bezug auf die Scherungszunahme, sind aus Fig. 4 ersichtlich, die den maximalen stabilen Plasmafluß gegenüber der Winkelgeschwindigkeit für einen bestimmten Blutströmungsdurchsatz zeigt (100 ml/min). Die Kurven bezeichnen die Änderungen, die sich mit einer Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Spaltgrößen unter den im übrigen genannten Bedingungen von Spalt, Umdrehungsgeschwindigkeit und Durchmesser einstellen. Bis zu bestimmten Pegeln ist die Erhöhungsrate im wesentlichen linear, aber danach verläuft sie steiler. Tatsächlich kann der Bereich, in dem die Erhöhung des Plasmaflusses steiler ansteigt, nunmehr als der Bereich identifiziert werden, in dem die Taylor-Wirbel einsetzen. Unter Anwendung der vorher angegebenen Taylor-Gleichung zur Bestimmung des Einsetzens von Wirbelzellen beginnt die Taylor-Strömung im Bereich von 1 100 bis 1 250 min&supmin;¹ für einen Spalt von 0,018'' (0,046 cm), bei 2 600 min&supmin;¹ für einen Spalt von 0,012'' (0,030 cm) und bei mehr als 4 600 min&supmin;¹ für einen Spalt von 0,008'' (0,020 cm). Obwohl der Scherwert des kleineren Spaltes wesentlich höher ist, so daß der Plasmafluß theoretisch größer sein sollte, wenn der Scherwert der bestimmende Faktor wäre, ist dies nur dort der Fall, wo die Rotationsgeschwindigkeiten niedrig genug sind, um unterhalb der Taylor-Instabilität für die Spalte von Fig. 4 zu liegen. Unterhalb von 1 000 min&supmin;¹ z. B. hat der kleinere Spalt einen überlegenen Plasmafluß. Dagegen ergibt sich beim größeren Spalt ein erheblich größerer Plasmafluß, und zwar um einen mehrfach höheren Faktor, wenn Wirbelzellen richtig ausgebildet sind und Amplituden haben, welche die Spalte ausfüllen und für eine kräftige Zellenzirkulation sorgen. Bei bevorzugten Beispielen arbeiten die vorliegenden Systeme mit einer Taylorzahl von 180 bis 200.
In "Experiments On The Stability Of Viscous Flow Between Rotating Cylinders, VI, Finite-Amplitude", Proc. Rav Soc., London, Band 283, 1965, Seiten 531 bis 546, haben Donnelly et al. festgestellt, daß die Amplitude des Taylor-Wirbels sich mit der Quadratwurzel der Differenz zwischen den Taylorzahlen bei der Betriebsdrehzahl und der kritischen Taylorzahl ändert. Donnelly et al. verwendeten jedoch einen etwas anderen Ansatz für die Taylorzahl, wobei die Taylorzahl proportional zu dem Quadrat der Drehzahl ist, so daß ein direkter Vergleich mit Werten, die aus der vorher genannten Gleichung abgeleitet sind, nicht möglich ist. Ungeachtet dessen erhöht sich die Amplitude der Wirbelzellen mit der Taylorzahl, wobei die Zellen sich zuerst an der rotierenden Wand ausbilden und dann nach außen ausdehnen und den radialen Spalt ausfüllen. Wenn die Wirbelzelle den Spalt im wesentlichen ausfüllt, so ergeben sich durch die viskose Bremswirkung an der Schleuderoberfläche lokale Umfangskräfte, die viel größer als die vergleichbaren Kräfte an der ortsfesten Außenwand sind. Durch die Wirbelzellenzirkulation ergibt sich eine Spülbewegung in orthogonaler Richtung an beiden Wänden, und offenbar ist diese an der bewegten Wand auch größer als an der ortsfesten Wand. Die Wirbelzellenzirkulation an der Außenwand kann durch Erhöhen der Rotordrehzahl auf den Wert gesteigert werden, der ursprünglich an der Innenwand existierte. Jede Wand oder beide Wände können eine Filtermembran aufweisen, um einen höheren Filtrationswirkungsgrad als ein Flachplattensystem und andere bekannte Systeme zu erzielen.
Da die Amplitude der Taylor-Wirbelausbildung mit zunehmender Drehzahl schneller als der Scherwert ansteigt, tragen die günstigen Auswirkungen der Taylor-Wirbelausbildung erheblich zu der größeren Steigerung des Plasmaflusses bei. Relativ größer bemessene Spalte ergeben eine Erhöhung der Taylor-Wirbelamplitude von einem niedrigeren Drehzahl-Schwellwertbereich aus und infolgedessen eine stärkere Wirbelwirkung bei annehmbarem Scherwert. Es gibt jedoch eine Grenze, an der die Wirbelbildung stärker als die Scherung wird, was nachteilige Auswirkungen hat, und zwar hauptsächlich aufgrund der radial nach innen gerichteten tangentialen Kräfte, die während starker Wirbelwirkung ausgeübt werden und dazu tendieren, eine Zellenablagerung an der bewegten Membran zu bewirken. Wenn dies eintritt, ergeben sich eine Verringerung des Plasmaflusses und eine Erhöhung des Transmembrandruckes. Wie in Fig. 5 dargestellt, führt gerade die Verwendung einer großen Spaltgröße von 0,040'' (0,10 cm) zu einer solchen Leistungsminderung. Fig. 5 zeigt Änderungen der prozentualen Entnahme gegenüber der Spaltgröße bei einer gegebenen Drehzahl von 3 600 min&supmin;¹. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß bei Spaltgrößen von mehr als 0,030'' (0,076 cm) die Charakteristiken erheblich abfallen. Ein Verstopfen der Membran verlangt vom System den Versuch, die Filtration zu forcieren, und führt zu erheblich größeren Problemen hinsichtlich einer Zellenbeschädigung.
Ein anderer begrenzender Aspekt ist die Zellenzerstörung, die bei zu starker Wirbelwirkung auftreten kann, und zwar wegen der nach radial nach außen gerichteten Bewegung von Zellen mit solcher Geschwindigkeit, daß sie auf die ortsfeste Wand auftreffen, was zur Hämolyse führt. Dies tritt jedoch in den meisten Fällen im Anschluß an das Zellenablagerungsproblem auf.
Die Hämolyse muß in Plasmapheresesystemen gemäß der Erfindung vermieden oder minimiert werden, aber man muß erkennen, daß es keinen streng definierten Wert oder Grenzwert hinsichtlich des Ausmaßes der zulässigen Zellenbeschädigung gibt. Objektive Betriebskriterien, wie etwa der Scherwert, sind keine präzisen Determinanten dahingehend, ob ein unannehmbar hoher Hämolysewert in diese dynamischen Systeme eingeführt wird. Schergrenzwerte für Flachplattenvorrichtungen wurden bisher im Bereich von 7 500 s&supmin;¹ angenommen, aber die vorliegenden Systeme, die die Wirbelzellenwirkung ausnutzen, arbeiten mit mehr als 12 000 sW1 ohne signifikante Hämolyse.
Die gleichen Prinzipien der Wirbelwirkung werden in Verbindung mit der Konfiguration der vorliegenden Anmeldung eingesetzt, wie es die Fig. 6 und 7 zeigen, auf die nachstehend Bezug genommen wird. Dabei ist eine Trennvorrichtung 70 für diagnostische und andere analytische Anwendungen gezeigt, wobei kleine Proben entnommen und in ihre Bestandteile getrennt werden, um einzeln untersucht zu werden. Die Vorrichtung gemäß Fig. 6 und 7 betrifft auch die Trennung von Blut und die Verwendung von abgetrenntem Plasma oder Serum, jedoch in einem diagnostischen Verfahren. Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß die Konstruktions- und Arbeitsprinzipien auch auf andere abgetrennte Bestandteile und völlig verschiedene Flüssigkeitssuspensionen anwendbar sind.
In der Abtrennvorrichtung 70 gemäß Fig. 6 und 7 ist das zylindrische Gehäuse 72 als lösbares Teil aufgebaut, so daß sein Inneres zugänglich ist. Bei diesem Beispiel besteht das Gehäuse 72 aus zwei getrennten Hälften 74, 75 mit integralen oberen und unteren Enden, die im zusammengefügten Zustand eine im wesentlichen geschlossene Zelle bilden. Die getrennten Hälften 74, 75 werden durch Halterungen, wie z. B. Klemmringe 77, 78 zusammengehalten. Dichtungen (nicht gezeigt) können zwischen den aneinanderliegenden Flächen der getrennten Hälften 74, 75 unter der Voraussetzung angeordnet sein, daß die Konzentrizität der Innenoberfläche aufrechterhalten wird. Die Innenwand jeder geteilten Hälfte 74, 75 ist durch eine oder mehrere abnehmbare Filtermembranen 80, 82 bestimmt, die z. B. mit abziehbarem Kleber an den aneinandergrenzenden Stegen 86 eines Netzwerkes 84 von Nuten an den Innenoberflächen des Gehäuses befestigt sind, wobei dieses Nutennetzwerk 84 in jeder Hälfte 74, 75 Verbindungsbahnen durch radiale Öffnungen 87 für einen Plasma- oder Serumstrom zwischen der Innenoberfläche der Membran 80 oder 82 und einer Auslaßleitung 90 bzw. 92 bildet. Die Auslaßleitungen 90, 92 für Filtrat sind miteinander verbunden, so daß ein Ablauf für die Fraktionierung oder Analyse durch zugeordnete Geräte erhalten wird. Ebenso wie bei dem System gemäß Fig. 1 sorgt das Leitungssystem unter jeder Membran 80 oder 82 für einen adäquaten verbundenen Strömungsquerschnitt, um die Einführung eines erheblichen Widerstandes gegen den Filtratstrom zur jeweiligen Auslaßleitung 90, 92 zu vermeiden. Die Membranen 80, 82 können entfernt und ausgewechselt werden, indem sie von der Kleberunterlage abgenommen werden, die nicht stark zu sein braucht, da das Gehäuse 72 und die Membranen 80, 82 ortsfest sind. Es kann aber auch der Kleber mit Chemikalien gelöst und ein frischer Kleber aufgebracht werden, oder es kann auch eine mechanische Befestigungsmöglichkeit alternativ vorgesehen werden, wenn nur die Konzentrizität der Gehäuseinnenfläche aufrechterhalten wird.
Der Vollbluteinlaß 94 für diese Konstruktion ist tangential zur Gehäuseinnenwand an einen unteren Bereich des Gehäuses angeschlossen, während der Auslaß 96 tangential zur Innenwand in der Nähe eines oberen Endes des Gehäuses 72 angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses 72 ist eine zylindrische Schleuder 97 angeordnet, die zwischen ihren Enden ein inneres magnetisches Element 98 trägt. Die Schleuder kann ein glattes Teil mit plattierter Oberfläche sein, dessen Außendurchmesser die gewählte Spaltabmessung relativ zu der durch die Membranen 80, 82 gebildeten Innenwand des Gehäuses 72 ergibt und das die Gehäusewandsegmente miteinander verbindet. Die Endoberflächen der Schleuder 97 sind von den Endoberflächen des Gehäuses 72 ebenfalls um einen vorbestimmten Wert beabstandet. Das gesamte Gehäuse ist in seinem mittleren Bereich von einer drehbaren magnetischen Antriebseinrichtung 100 umschlossen, die in betriebsmäßiger Relation zu dem Magneten 98 in der Schleuder 97 angeordnet ist. Die Antriebseinrichtung ist unter geringfügiger vertikaler Verlagerung von dem magnetischen Element 98 angeordnet, so daß eine Tendenz besteht, die Schleuder 97 nach oben vorzuspannen und die Schwerkraft zu reduzieren, die auf die untere Endwand des Gehäuses wirkt. Endlager 102, 103 lagern die Schleuder 97 für eine Rotation um die zentrale Achse.
Ein Bluteingabesystem 106, das nicht nur einen Vollblutvorrat, sondern auch, falls erwünscht, einen Vorrat an Antikoagulansmittel und Kochsalzlösung aufweisen kann, ist an den Bluteinlaß zum System angeschlossen. Ein Vorrat an Spüllösung 108 wird alternativ an denselben Einlaß 94 angeschlossen, wobei die Spüllösung manuell oder automatisch die Bluteingabe ersetzt. Durch das System filtriertes Plasma oder Serum wird vom Auslaß 96 zu einem Analysegerät 110 geleitet. Typischerweise braucht die Vollblutprobe nur groß genug zu sein, um eine hinreichend lange stabile Filtratextraktionsperiode zu erlauben,. so daß eine adäquate Plasma- oder Serumprobe erhalten wird (typischerweise im Bereich von 5 bis 30 ml).
Der Betrieb des Systems mit Vollbluteinleitung basiert wiederum auf der Ausbildung einer verstärkten Wirbelströmung durch die gesamte Länge der Filtermembranen 80, 82. Dazu dreht die magnetische Antriebseinrichtung 100 die innere Schleuder 97 synchron über ihre magnetische Kopplung mit dem magnetischen Element 98 mit einer Drehzahl in der Größenordnung von 3 600 min&supmin;¹, wobei angenommen wird, daß die Schleuder wiederum einen Durchmesser von etwa 1'' (2,54 cm) hat. Unter Anwendung eines Spaltes von 0,018 bis 0,030'' (0,046 bis 0,076 cm), der im Hinblick auf die Blutviskosität und andere Bedingungen in geeigneter Weise eingestellt ist, werden Wirbel erzeugt, die den radialen Spalt zwischen der Schleuder 97 und dem Gehäuse 72 ausfüllen. Die Existenz kräftiger Wirbel, die den Spalt vollständig ausfüllen, ist kritischer als im Beispiel gemäß Fig. 1, wenn die Membranoberfläche statisch ist. Da die Wirbel in der Nähe der Schleuderoberfläche beginnen und nach außen wachsen, bis sie die Außenwand überspülen, ist es erwünscht, sicherzustellen, daß Verluste durch Wirbelstromdämpfung an der ortsfesten Wand eine geeignete kräftige Wirbelwirkung an der Außenfläche nicht verhindern. Die Taylorzahl wird daher um 5 bis 10% über die Werte erhöht, die vorher in Bezug auf das System von Fig. 1 angegeben wurden, indem man z. B. die Rotationsgeschwindigkeit erhöht. Bei Vornahme dieser Änderung wird keine Hämolyse beobachtet. Die durch die Rotation der Innenschleuder 97 bewirkten zentrifugalen Verlagerungseffekte, die dazu tendieren, zellförmige Substanz und andere schwerere Substanzen an der Oberfläche der Membranen 80, 82 abzulagern, werden durch die überspülende Wirbelbewegung an der Membranoberfläche überwunden.
Praktische Systeme gemäß diesem Beispiel haben Plasmafiltrationsraten mit durchschnittlichem Hämatokrit (38 bis 44% Blut) erzielt, die weit über den Werten liegen, die mit den besten bekannten Parallelplattenverfahren erreichbar sind. Der Plasmafluß für einen stabilem Ausfluß ohne Anzeichen von Porenverstopfung war um etwa 5 bis 10% niedriger als die 70 %ige Entnahme und der Wert von 39 bis 43 ml/min, der mit dem System gemäß Fig. 1 mit einer Schleuder von 1'' (2,54 cm) erreicht wurde. Der Plasmadurchsatz wurde ohne wesentliche Abnahme der Eigenschaften während der Extraktion von 2 bis 3 Einheiten (500 bis 750 ml) Plasma aufrechterhalten. Die Plasmaentnahme ist stabil und für die Erzielung eines höheren Durchsatzes durch Anwendung höherer Schleudergeschwindigkeiten oder anderer Variablen geeignet. Die wirksame Membranoberfläche kann relativ vergrößert werden, weil dadurch, daß die Membran ortsfest ist, nur eine ausreichende Stützfläche benötigt wird, um sie konzentrisch zu halten. Infolgedessen zeigt dieses System außerdem, daß die Stärke des gesteigerten Wirbelzustandes und die durch die orthogonalen Strömungskomponenten an der Membranoberfläche vorhandene Spülwirkung nicht nur zu einer neuen Filtrationstechnik unter Anwendung hoher Scherwerte geführt haben, sondern daß zugleich auch eine hochwirksame Reinigungswirkung vorgesehen ist.
Mit den ortsfesten Membranen 80, 82 um die Schleuder 97 herum kann das System gemäß Fig. 6 und 7 aufeinanderfolgende Proben relativ kleiner Filtratmengen aus Eingaben liefern, die über das Vollblutsystem 106 von vielen verschiedenen Quellen stammen. In einem Diagnosesystem, in dem die Eigenschaften des Plasmas allein bedeutsam sind, ist die Verunreinigung kein Problem, und die durch die Wirbelwirkung bedingte Oberflächenreinigung kann einen hohen Filtrationswirkungsgrad über einen beträchtliche Zeitraum aufrechterhalten. Alternativ kann zwischen Vollblutproben Kochsalzlösung vom Eingabesystem 106 zugeführt werden, um eine Reinigung des System durchzuführen, oder die Membranen 80, 82 können als weitere Alternative durch den Einsatz von Spüllösung aus dem Vorrat 108 gereinigt werden. Wenn der Filtrationswirkungsgrad unter einen gewählten Wert in nicht wiederherstellbarer Weise absinkt, braucht nur das System abgeschaltet, das Gehäuse 72 entleert und dann das Gehäuse 72 geöffnet zu werden, und dann werden die vorher eingesetzten Filterelemente durch neue Filtermembranen 80, 82 ersetzt.
Bei dem Beispiel gemäß Fig. 6 und 7 erfolgt der Durchgang von Vollblut von einem unteren Einlaß zu einem höher gelegenen Auslaß, aber die wesentliche Wirbelwirkung und die spiralförmige Vorwärtsbewegung der Wirbelzellen werden nicht beeinträchtigt, auch wenn der Nutzstrom sich entgegen der Schwerkraft nach oben bewegt. Wie bei dem vorherigen Beispiel bleiben die Wirbel nicht ortsfest, sondern bewegen sich kontinuierlich aufwärts, so daß ständig Teilflächen der Oberfläche der Filtermembranen überspült werden.
Eine Anzahl von weiteren Variationen dieses Systems, einschließlich seiner Verwendung für die Konzentration roter Blutkörperchen oder Blutplättchen, ist für den Fachmann offensichtlich. Die Abtrennvorrichtung kann als preiswerte Wegwerf- oder Einmalvorrichtung für diagnostische oder herkömmliche Plasmapherese-Anwendungszwecke hergestellt werden. Die Gehäusekonstruktion für eine Wegwerf- oder Einmaleinheit, die kleine Blutproben aufbereitet, kann so ausgelegt sein, daß eine Rückhaltekammer für die abgegebenen gepackten Zellen vorgesehen ist, so daß die Einheit einschließlich des zu beseitigenden Blutes nach dem Sammeln der erforderlichen Filtratmenge weggeworfen werden kann.

Claims

1. System zum Filtern einer Flüssigkeitssuspension umfassend

- ein Gehäuse (72) mit einer Innenoberfläche, die eine Filtermembran trägt, und

- einen Rotor (97), der für eine Drehbewegung innerhalb des Gehäuses montiert ist und eine Außenoberfläche aufweist, die zusammen mit der Innenoberfläche des Gehäuses einen Spalt bildet, um die Flüssigkeitssuspension aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (72) aus trennbaren Teilen (74, 75), die jeweils zwei Endbereiche haben, wobei die Endbereiche Endlager (102) für den Rotor bilden, und Halteeinrichtungen (77, 78) aufgebaut ist, die die Teile lösbar zusammenhalten, um eine im wesentlichen abgeschlossene Zelle zu bilden,

daß die Innenoberfläche des Gehäuses ein Netzwerk (84) von Oberflächennuten aufweist,

daß jedes der trennbaren Teile (74, 75) eine entsprechende Filteriemembran (80) aufweist, die lösbar an ihrer Innenoberfläche angebracht ist und die Oberflächennuten überdeckt, und

daß eine Passage in dem Gehäuse vorgesehen ist, die mit den Oberflächennuten in Verbindung steht, wenn die trennbaren Teile verbunden sind, und somit das Filtrat erhält, welches durch die Filtermembran hindurchgeht.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Membranoberfläche glatt ausgebildet ist mit Abweichungen, die nicht größer sind als die Porengröße der Membran.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Membran-Porengröße im Bereich von 0,1 bis 1,0 um liegt.

4. System nach Anspruch 3, bei dem die Membran-Porengröße im Bereich von 0,8 bis 1,0 um liegt.

5. System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, das eine Antriebseinrichtung aufweist, die mit dem Rotor durch das Gehäuse magnetisch gekoppelt ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Breite des Spaltes 0,046 bis 0,076 cm (0,018 bis 0,03 Inch) beträgt.

7. System nach Anspruch 6, bei dem der Durchmesser des Rotors ungefähr 2,5 cm (1 Inch) beträgt.

8. Verfahren zum Filtern einer Flüssigkeitsuspension unter Verwendung des Systems nach Anspruch 1, bei dem die Dimensionen des Spaltes und die Drehzahl der Schleuder so gewählt sind, daß über die gesamte Länge der Filtermembranen Taylor-Wirbel in dem Spalt gebildet werden, wobei die Taylorzahl in dem Bereich von 100 bis 250 liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Taylorzahl im Bereich von 180 bis 200 liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Flüssigkeitssuspension Blut ist.