JP5872321B2

JP5872321B2 - 透析液・原液水素還元装置

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Publication number: JP5872321B2
Application number: JP2012038694A
Authority: JP
Inventors: 柴田　猛; 猛柴田
Original assignee: 柴田　猛; 猛柴田
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: CN103285439A; JP2013172821A

Description

本発明は、透析液あるいは透析液用の原液を還元するための透析液・原液水素還元装置に関する。

血液透析は、腎臓の血液浄化機能を人工的に行う方法として広く知られている。２００７年の世界の血液透析患者は、およそ２００万人にのぼるという報告があり、年々増加傾向にある。血液透析は、ポンプなどを用いて体外に取り出した血液を、中空糸の集合体を備えたダイアライザに通し、血液内の老廃物を除去し、再び体内に戻すという操作を連続的に行う治療法である。腎機能障害を持つ患者は、週に２，３回、通院して、所定時間、血液透析の治療を受ける必要がある。

透析液は、血液中の各種イオンとブドウ糖を含む組成を持ち、複数の原液を混合し、あるいは粉末状態の原粉を水（ＲＯ水）に溶解して原液を作製してから複数の当該原液を混合して調整される。原液あるいは原粉（以後、総称して「原剤」と称する）は、一般的に、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム等の塩を含むＡ剤と、重炭酸塩を含むＢ剤とで構成される。これは、２価のカルシウムイオンあるいはマグネシウムイオンと、重炭酸塩とが反応して不溶性の炭酸塩を生成するからである。ブドウ糖は、上記Ａ剤に予め混合されている。

原剤を構成する上記Ａ剤に含まれるブドウ糖は経時的に分解し、ブドウ糖分解産物（例えば、グリオキサール）が生成される。ブドウ糖分解産物を含む透析液を治療に供すると、生体への酸化ストレスが惹起され、細胞障害や慢性炎症を引き起こすことが知られている。かかる問題を解決する手法として、透析液の調整時に使用する水（ＲＯ水）に所定量の水素ガスを溶存させておき、透析液原剤に水素溶存希釈水を混合するという方法が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）。

特開２００７−２８９２６７号公報特開２０１０−０６３６２９号公報

しかし、水素は、水中に多量に溶存しにくいため、水素ガスを希釈水中にてバブリングし、あるいは電気分解にて陰極側で電解還元水を得た場合でも、水中の水素濃度を高めることは難しい。透析液原剤中に含まれるブドウ糖分解産物の含有率には大きなバラツキがあるため、ブドウ糖分解産物の含有率の高い透析液原剤に対して、ＲＯ水中に溶存する僅かな水素ではブドウ糖分解産物を十分に還元することができない。

本発明は、かかる問題を解消すべくなされたものであって、酸化還元電位の低い透析液を製造することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の透析液・原液水素還元装置は、透析液あるいは透析液原剤の溶液中に水素ガスを溶解させ、酸化還元電位をより低くした還元透析液あるいは還元透析液原液を製造する装置であって、透析液あるいは透析液原剤の溶液中の気体を脱気するユニットであって少なくとも第一膜モジュールを含む脱気ユニットと、脱気ユニットから透析液あるいは透析液原剤の溶液を輸送する側に接続され、膜を隔てて存在する水素ガスを当該膜に形成される孔を通して透析液あるいは透析液原剤の溶液中に混合可能な第二膜モジュールと、第二膜モジュールの下流側に接続され、透析液あるいは透析液原剤の溶液を加圧してそれに含まれる水素ガスの溶解濃度を高めるための加圧タンクと、を備える。

本発明の別の透析液・原液水素還元装置は、加圧タンクの下流側に、当該下流側の透析液あるいは透析液原剤の溶液中の気体を脱気する第三膜モジュールを、さらに接続する。

本発明の別の透析液・原液水素還元装置は、さらに、第三膜モジュールの送気配管を、第一膜モジュールに透析液あるいは透析液原剤の溶液を送る送液配管に接続し、水素ガスの再混合を行う構成を備える。

本発明の別の透析液・原液水素還元装置は、さらに、第二膜モジュールに、水素ガスを供給するための水素ガス供給手段を接続する。

本発明によれば、酸化還元電位の低い透析液を製造することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る透析液・原液水素還元装置の模式図である。図２は、図１に示す透析液・原液水素還元装置を用いて水素ガス混合前の原液から、水素還元後の還元透析液原液を製造する流れを概略的に示すフローチャートである。図３は、図１に示す第二膜モジュールの構成（３Ａ）および中空糸の側壁を構成する膜を隔てて存在する水素ガスを中空糸内部の透析液の原液と混合して、原液中に水素ガスを溶解せしめる仕組みを説明するための模式図（３Ｂ）を示す。図４は、ブドウ糖を含む各種電解質（Ａ剤）を、水素を含有したＲＯ水（水素水）に溶解したときの水素濃度および酸化還元電位の各変化を示すグラフである。図５は、ブドウ糖を含まない重炭酸塩（Ｂ剤）を水素水に溶解したときの水素濃度および酸化還元電位の各変化を示すグラフである。

次に、本発明の透析液・原液水素還元装置の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず、水素ガスを溶解する対象となる透析液原剤について説明する。透析液原剤は、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム等の塩とブドウ糖を含むＡ剤および重炭酸塩を含むＢ剤とから成る。２価のカルシウムイオンあるいはマグネシウムイオンと重炭酸塩とが反応して不溶性の炭酸塩を生成するため、透析液を作製するまで、Ａ剤とＢ剤とを分離している。この実施の形態において、水素ガスを溶解させる対象となる原剤はＡ剤である。

図１は、本発明の実施の形態に係る透析液・原液水素還元装置の模式図である。

図１に示す透析液・原液水素還元装置１は、透析液原剤の溶液中に水素ガスを溶解させ、酸化還元電位をより低くした還元透析液原液を製造する装置である。透析液・原液水素還元装置１は、透析液原剤の溶液（以後、単に「原液」という）の供給側（上流側）から、水素ガスを溶存させた還元透析液原液の排出側（下流側）に向かって、フィルター１０、第一ポンプ２０、第一膜モジュール３０、第二膜モジュール４０、第二ポンプ６０、加圧タンク７０、第三膜モジュール８０の順に接続して成る。第二膜モジュール４０は、上記のラインとは別のラインにて、水素ガス供給手段の一例である水電解装置５０と接続されている。

フィルター１０は、原液に含まれる粒状物を濾過する機能を有する。原液が既に上記濾過の処理に供されている場合には、透析液・原液水素還元装置１にフィルター１０を設けなくても良いが、供されていない場合には、フィルター１０を設けるのが好ましい。フィルター１０は、不要な固体を分離できるものであれば、その形態を問わないが、好ましくはカートリッジ式のフィルターである。また、細菌やエンドトキシンをも除去する必要のある場合には、フィルター１０として膜モジュールを用いても良い。

原液は、管５を通って、フィルター１０に入り、そこで濾過されて、フィルター１０から管１２を経て、第一ポンプ２０に入る。管１２は、その内部に、管１２の内径を狭める機能を持つ狭径部材１５を有する。このため、第一ポンプ２０の直前の吸気側領域を陰圧にすることができる。第一ポンプ２０は、フィルター１０を通過した原液を、強制的に、第一膜モジュール３０側に送る機能を有する。この実施の形態では、第一膜モジュール３０と第一ポンプ２０は、原液中の気体（空気等）を脱気する脱気ユニットを構成する。ただし、第一ポンプ２０以外の送液手段が存在する場合には、第一膜モジュール３０のみにより脱気ユニットを構成することもできる。

第一膜モジュール３０は、原液からその中に含まれる気体を分離する機能を有する。第一膜モジュール３０は、その内部に、親水性の膜から構成される多数の中空糸を有する。このため、原液は、選択的に、第一膜モジュール３０内の中空糸の内部から中空糸の隔壁を通過して中空糸の外部へと移動できる。一方、原液に含まれる気体は、中空糸の隔壁を通過できず、中空糸の内部からこれにつながる第一膜モジュール３０の外部へと運ばれる。第一膜モジュール３０は、その長さ方向に所定の距離を隔てて２箇所の出口を有する。当該２箇所の出口は、管３５および管３６と接続する。管３６は、管３５に合流し、その合流箇所から管３７に接続し、第二膜モジュール４０の上流側に接続される。管３６は、第一膜モジュール３０の出口近傍に存在する滞留部位に液溜まりが生じてそこに菌が発生するのを防止すべく設けるようにしているが、当該出口近傍に滞留部位を形成しないようにすれば、設けなくても良い。また、第一膜モジュール３０は、中空糸の内部とつながる出口から管３２に接続する。管３２は、フィルター１０に接続される。第一膜モジュール３０の中空糸は、気体のみならず、液体もその内部を通す。すなわち、原液の全てが中空糸の隔壁を通過するわけではない。このため、管３２には、原液と、それに含まれる気体との両方が流れ得る。気体は、フィルター１０の上部に接続される管３３を経て、透析液・原液水素還元装置１の外部へと排出できる。管３３の途中には、バルブ３４を接続しているので、バルブ３４の開閉によって、気体の排出を調整できる。

第二膜モジュール４０は、脱気ユニットの一部を構成する第一膜モジュール３０から原液を輸送する側に接続され、膜を隔てて存在する水素ガスを当該膜に形成される孔を通して原液中に混合可能な構成部である。水素ガスは、原液と混合されると、原液に含まれるブドウ糖分解産物を還元し、原液に対してその酸化還元電位を低くする作用を及ぼす。第二膜モジュール４０は、その長さ方向に所定の距離を隔てて２箇所の入口を有する。当該２箇所の入口の内の１つは、キャップにて塞がれている。他方の入口は、水素ガス供給口４１であって、管４２を介して、水素ガス供給手段の一例である水電解装置５０につながる。水電解装置５０は、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発生させる装置であって、水素ガスを発生する電極側を管４２と接続する。

第二膜モジュール４０の下流側は、管４３に接続されている。管４３は、第二膜モジュール４０内の多くの中空糸の内部とつながる。管４３は、加圧タンク７０に接続され、その途中において第二ポンプ６０と接続される。ここで、第二ポンプ６０は、第二膜モジュール４０の下流側に接続され、第二膜モジュール４０から水素ガスを含む原液を加圧タンク７０に送る手段である。水素ガスは、水電解装置５０から管４２を通じて第二膜モジュール４０内の多くの中空糸の隔壁を通って中空糸の内部に入る。管３７を通じて第二膜モジュール４０内に供給されてきた原液は、第二膜モジュール４０内に供給されてきた水素ガスと混合される。水素ガスを含む液体は、第二膜モジュール４０から第二ポンプ６０を経由して、加圧タンク７０に入る。第二膜モジュール４０における原液と水素ガスとの混合に関しては、後に詳述する。

加圧タンク７０は、第二膜モジュール４０の下流側、より具体的には第二ポンプ６０の下流側に接続され、入ってきた溶液を加圧してそれに含まれる水素ガスの溶解濃度を高めるための容器である。また、加圧タンク７０は、それより下流側に配置される第三膜モジュール８０と、管７２を介して接続される。管７２は、その途中に、圧力調整バルブ７５を有する。圧力調整バルブ７５の調整により、加圧タンク７０内の圧力を調整することができる。加圧タンク７０内に供給された水素ガスを含む原液（以後、「還元透析液原液」という）は、圧力に依存して、水素ガスの溶存度を高めることができる。

第三膜モジュール８０は、加圧タンク７０の下流側に、還元透析液原液中の余剰の気体（水素ガス）を脱気する構成部である。第三膜モジュール８０は、第一膜モジュール３０と同様の構成を有する。還元透析液原液は、選択的に、第三膜モジュール８０内の中空糸の内部から中空糸の隔壁を通過して中空糸の外部へと移動できる。一方、還元透析液原液と混合している水素ガスに代表される気体は、中空糸の隔壁を気泡として通過できず、中空糸の内部からこれにつながる第三膜モジュール８０の外部へと運ばれる。第三膜モジュール８０は、その長さ方向に所定の距離を隔てて２箇所の出口を有する。当該２箇所の出口は、管８３および管８４と接続する。管８４は、管８３に合流する。還元透析液原液は、管８３から、次なる工程へと輸送される。また、第三膜モジュール８０は、中空糸の内部とつながる出口から送気配管としての管８２に接続する。管８２は、フィルター１０の下流側に接続される管１２の途中につながる。第三膜モジュール８０の中空糸は、水素ガスのみならず、液体もその内部を通す。すなわち、還元透析液原液の全てが、第三膜モジュール８０内の中空糸の隔壁を通過するわけではない。このため、管８２には、還元透析液原液と、それに含まれる水素ガスとの両方が流れる。水素ガスは、管１２を経て、第一膜モジュール３０内に送られる。すなわち、第三膜モジュール８０の管８２を、第一膜モジュール３０に原液を送る送液配管としての管１２に接続することによって、水素ガスの再混合が行われる。これによって、水素ガスを有効に利用できる。

ここで、水素ガス供給手段として、水電解装置５０を用いたが、これを用いずに、水素ガスを高圧にて封入した高圧水素ボンベを用いても良い。また、第三膜モジュール８０は、必ずしも配置していなくても良い。また、第三膜モジュール８０により分離された水素ガスを含む管８２を、管１２に接続せず、管３７に接続しても良い。また、管８２を管３２に接続して透析液・原液水素還元装置１の外部に開放しても良い。さらに、管３２は、フィルター１０に接続せずに、透析液・原液水素還元装置１の外部に開放しても良い。第一ポンプ２０および第二ポンプ６０の配置箇所およびその数は何ら限定されるものではなく、第一膜モジュール３０から加圧タンク７０に向けて送液すると共に加圧タンク７０を大気圧以上に加圧できるのであれば、どのような位置にいくつのポンプを配置しても良い。また、加圧タンク７０は、その入口側あるいは出口側の管とほぼ同じ径のチューブ形状のものでも良い。

図２は、図１に示す透析液・原液水素還元装置を用いて水素ガス混合前の原液から、水素還元後の還元透析液原液を製造する流れを概略的に示すフローチャートである。

透析液の原剤が液体の場合（この状態を、原液という）には、当該原液は、管５を経由して第一膜モジュール３０に送られ、直接、脱気処理に供される。一方、透析液の原剤が粉末の場合には、当該原剤を水に溶解して液体とし（液状にしたものも、原液という）、当該原液は、管５を経由して第一膜モジュール３０に送られ、脱気処理に供される。脱気処理は、原液中の溶存酸素等を除外する処理であり、その後の水素溶解処理において、液中に溶存する水素ガスの濃度を高めるのに寄与する。脱気処理後の原液は、次に、水素ガスと混合され、水素溶解処理に供される。原液中への水素ガスの溶解は、第二膜モジュール４０内で行われると共に加圧タンク７０内の高圧環境下でも行われる。水素ガスは、原液中のブドウ糖が分解して生成される分解生成物（例えば、グリオキサール）を還元するのに寄与する。加圧タンク７０から下流に送られる還元透析液原液中には、液中に溶解およびブドウ糖の分解生成物の還元後の余剰に存在する分子状態の水素ガスが含まれている場合がある。そこで、かかる場合に当該水素ガスを除去するべく、第三膜モジュール８０にて水素ガスを還元透析液原液から選択的に分離する工程を実行する。

図３は、図１に示す第二膜モジュールの構成（３Ａ）および中空糸の側壁を構成する膜を隔てて存在する水素ガスを、中空糸内部の透析液の原液と混合して原液中に水素ガスを溶解せしめる仕組みを説明するための模式図（３Ｂ）を示す。

第二膜モジュール４０は、スリーブ１００と、その内部に束ねて配置される多くの中空糸１０１とを備える。図３中、Ｆは原液の流れる方向を、Ｌは中空糸１０１中の原液を、それぞれ示す。第一膜モジュール３０側から送られてくる原液は、第二膜モジュール４０の中空糸１０１に入る。中空糸１０１は、図３中の一部Ｘで示すように、好ましくは、２００μｍ程度のチューブであって、その側壁に孔径１０〜５０オングストロームの孔１０２を多数備える膜から構成される。中空糸１０１の側壁に形成される孔１０２は、スリーブ１００に入ってきた水素ガスを通過させることのできる大きさである。中空糸１０１の下流側にて第二ポンプ６０を作動すると、中空糸１０１の下流側および側壁の内側が陰圧となる。この結果、中空糸１０１内の原液は、第二ポンプ６０の方向に流れ、水素ガスは、孔１０２から中空糸１０１の内部に入り、原液と共に第二ポンプ６０の方向に流れていく。一般的に、液体に気体を溶解させる場合、溶解困難であることに鑑みて、液中に気体をバブリングさせる方法が知られている。しかし、一般的なバブリングの手法では、泡の大きさがミリメータレベル〜数百ミクロンレベルと大きく、この実施の形態のように、透析液の原液中に瞬時に水素ガスを高濃度で溶解させるケースには不十分である。そこで、この実施の形態では、オングストロームオーダーの孔１０２を多数備える中空糸１０１の側壁を、それより小さな水素ガスの泡Ｖを原液中に発生させる手段として利用している。この結果、極めて小さな水素ガスの泡Ｖ（孔１０２の直径より小さな泡Ｖ）が原液中に形成され、原液に水素ガスをより高濃度で溶解させることができる。

このように、この実施の形態では、多数の中空糸１０１を束ね、かつ各中空糸１０１の側壁に多数の孔１０２を備え、管４２からスリーブ１００に入ってくる水素ガスを強制的に孔１０２の径より小さなオングストロームオーダーの泡として、中空糸１０１中の原液に生成するようにしている。このため、原液と水素ガスとの接触面積を著しく大きくすることができ、もって、原液へのより高濃度での水素ガス溶解が可能となる。なお、上記の実施の形態では、原液（Ａ剤）に水素ガスを溶解させる例にて説明したが、Ａ剤に代えてＢ剤に、あるいはＡ剤とＢ剤とから作製される透析液に水素ガスを溶解させて還元することによっても、透析液の酸化還元電位を大きく低下させることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
＜１．予備実験＞

図４は、ブドウ糖を含む各種電解質（Ａ剤）を、水素を含有したＲＯ水（以後、「水素水」と称する）に溶解したときの水素濃度および酸化還元電位の各変化を示すグラフである。図５は、ブドウ糖を含まない重炭酸塩（Ｂ剤）を水素水に溶解したときの水素濃度および酸化還元電位の各変化を示すグラフである。

各種液体の酸化還元電位は、東亜ＤＫＫ社製のポータブルｐＨ計（型番：ＨＭ−２１Ｐ）を用いて計測した。溶存する水素の濃度は、トラストレックス社製のポータブル溶存水素計（型番：ＥＮＨ−１０００）を用いて計測した。

酸化還元電位が−７９５ｍＶ、水素濃度が１．４７ｐｐｍの水素水５００ｇに、ブドウ糖を含む各種電解質（Ａ剤）１４３ｇを溶解すると、図４に示すように、５分後に、酸化還元電位が＋７３ｍＶ、水素濃度が０．４５ｐｐｍとなり、１０分後に、酸化還元電位が＋６９ｍＶ、水素濃度が０．１８ｐｐｍとなった。この結果より、水素水にＡ剤を溶解した場合には、溶解直後からの時間の推移に従って、水素濃度が低下し、酸化還元電位がマイナスからプラスに転じることがわかる。

一方、酸化還元電位が−６４２ｍＶ、水素濃度が１．２０ｐｐｍの水素水５００ｇに、ブドウ糖を含まない重炭酸塩（Ｂ剤）３５ｇを溶解すると、図５に示すように、５分後に、酸化還元電位が−６７７ｍＶ、水素ガス濃度が１．１４ｐｐｍとなり、１０分後に、酸化還元電位が−６６５ｍＶ、水素濃度が１．０８ｐｐｍとなった。この結果より、水素溶解水にＢ剤を混合した場合には、溶解直後からの時間の推移に従って、水素濃度が大きく変化せず、酸化還元電位も大きく変化せずにマイナスの電位を維持していることがわかる。

＜２．実験例＞
（１）試料
透析液原剤として、ブドウ糖を含む各種電解質（Ａ剤）およびブドウ糖を含まない重炭酸塩（Ｂ剤）を用意した。比較として、水道水、ＲＯ膜を通した水（ＲＯ水）も計測した。
（２）実験内容
ａ）Ａ剤、ｂ）Ｂ剤、ｃ）水道水、ｄ）ＲＯ水、ｅ）図１に示す透析液・原液水素還元装置を用いて水素ガスを溶解した改質Ａ剤、ｆ）単にＡ剤とＢ剤とを混合した従来型の透析液およびｇ）改質Ａ剤とＢ剤とを混合した改質透析液の７種類の試料の酸化還元電位を計測した。酸化還元電位の計測には、＜１．予備実験＞で用いたｐＨ計を用いた。ｅ）改質Ａ剤の製造に際して、第二膜モジュールとして、ニプロ社製の透析器ＰＥＳ−２５Ｓα（膜面積：２．５ｍ^２）を用いた。また、水素ガス供給手段として、水電解装置を用いて第二膜モジュールに水素ガスを供給した。加圧タンクには、１７Ｌの塩化ビニル製の円筒容器を用い、内圧０．３ＭＰａの条件を保持して行った。
（３）結果
表１に、ａ）〜ｅ）の各種試料の酸化還元電位を示す。

表１に示すように、改質Ａ剤は、水素ガスの溶解によって、酸化還元電位が＋４２９ｍＶから−４９８ｍＶまで低下した。この改質Ａ剤とＢ剤およびＲＯ水とを混合・希釈した改質透析液の酸化還元電位は、＋７０ｍＶであった。この値（＋７０ｍＶ）は、従来型の透析液の酸化還元電位（＋３２０ｍＶ）よりも著しく低い値であった。このように、Ａ剤に水素ガスを溶解させて還元することにより、透析液の酸化還元電位を大きく低下させることができた。

本発明は、酸化還元電位の低い透析液を製造する産業にて利用できる。

１透析液・原液水素還元装置
１２管（送液配管）
２０第一ポンプ（脱気ユニットの一部）
３０第一膜モジュール（脱気ユニットの一部）
４０第二膜モジュール
５０水電解装置（水素ガス供給手段の一例）
７０加圧タンク
８０第三膜モジュール
８２管（送気配管）
１０２孔

Claims

透析液あるいは透析液原剤の溶液中に水素ガスを溶解させ、酸化還元電位をより低くした還元透析液あるいは還元透析液原液を製造する透析液・原液水素還元装置であって、
上記透析液あるいは上記透析液原剤の溶液中の気体を脱気するユニットであって少なくとも第一膜モジュールを含む脱気ユニットと、
上記脱気ユニットから上記透析液あるいは上記透析液原剤の溶液を輸送する側に接続され、膜を隔てて存在する水素ガスを当該膜に形成される孔を通して上記透析液あるいは上記透析液原剤の溶液中に混合可能な第二膜モジュールと、
上記第二膜モジュールの下流側に接続され、上記透析液あるいは上記透析液原剤の溶液を加圧してそれに含まれる水素ガスの溶解濃度を高めるための加圧タンクと、
を備える透析液・原液水素還元装置。
前記加圧タンクの下流側に、当該下流側の前記透析液あるいは前記透析液原剤の溶液中の気体を脱気する第三膜モジュールを、さらに接続することを特徴とする請求項１に記載の透析液・原液水素還元装置。
前記第三膜モジュールの送気配管を、前記第一膜モジュールに前記透析液あるいは前記透析液原剤の溶液を送る送液配管に接続し、水素ガスの再混合を行うことを特徴とする請求項２に記載の透析液・原液水素還元装置。
前記第二膜モジュールに、水素ガスを供給するための水素ガス供給手段を接続することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の透析液・原液水素還元装置。