PL153255B1 - Sposób regeneracji filtrów membranowych - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA OPIS PATENTOWY 153 255 POLSKA

URZĄD

PATENTOWY

RP

Patent dodatkowy do patentu nr---Zgłoszono: 86 12 10 (P. 262898)

Pierwszeństwo--Zgłoszenie ogłoszono: 88 07 07

Opis patentowy opublikowano: 1991 08 30

Int. Cl.⁵ A61M 1/16 B01D 65/02 tiniiiu t64L«k

Twórcy wynalazku: Halina Goch, Małgorzata Hay, Stanisława Sabalińska, Jan Wójcicki, Wojciech Piątkiewicz, Wojciech Eckstein

Uprawniony z patentu: Centralne Laboratorium Surowic i Szczepionek, Warszawa (Polska)

Polska Akademia Nauk Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej,

Warszawa (Polska)

Sposób regeneracji filtrów membranowych

Przedmiotem wynalazku jest sposób regeneracji filtrów membranowych stosowanych w lecznictwie i przemyśle w urządzeniach służących do dializy i ultrafiltracji.

Tradycyjnie pojmowana rola filtracji, rozumiana jako proces usuwania cząsteczek ciał stałych z roztworu przy użyciu sączków z celulozy,uległa obecnie znacznemu rozszerzeniu. Nowoczesne filtry membranowe, produkowane z syntetycznych polimerów (polietylen, alkohol poliwinylowy, polisulfon i in.) zawierają mikropory o określonych wymiarach, dzięki czemu spełniają rolę sita molekularnego. Umożliwiają one prowadzenie rozdziału w oparciu o rozmiary cząsteczek i ich konfigurację.

Zastąpienie tradycyjnie używanych membran płaskich przez membrany kapilarne przyniosło dalszy postęp w tej dziedzinie. Pozwoliło to na miniaturyzację urządzeń i umożliwiło prowadzenie filtracji w przepływie.

W zależności od rozmiaru porów filtry membranowe mogą być używane: do usuwania związków drobnocząsteczkowych z roztworów białek (np. soli, mocznika, alkoholu i in.), do rozdzielania białek na frakcje o różnych masach cząsteczkowych, do zatężania białek, do usuwania pirogenów z płynów infuzyjnych lub wody destylowanej, do oddzielania elementów uorganizowanych (np. separacja krwi na składniki morfotyczne i osocze) i do hodowli tkankowej przy stałym dopływie płynów odżywczych. W przemyśle mleczarskim są one stosowane do zagęszczania mleka. Urządzenia kapilarne znalazły zastosowanie w lecznictwie jako dializatory (sztuczna nerka), separatory osocza (plazmaforeza), tzw. filtry numer dwa (usuwanie niepożądanych składników osocza, występujących w ilości szkodliwej dla zdrowia pacjenta). Filtry membranowe są również stosowane w przemyśle farmaceutycznym do przygotowywania roztworów elektrolitów wolnych od pirogenów (L. Henderson, E. Beans, Kidney Int., 14,522,1978), szczepionki przeciwbłonniczej (J. Cox, Appl. Environ. Microbiol., 29, 464, 1975), zatężenia preparatów krwiopochodnych (M. Guyot, Universite de Bordeaux II, These nr 2, 1984) i in.

153 255

Jednym z problemów związanych ze stosowaniem technik membranowych jest zmniejszenie się wydajności filtracji pod wpływem adsorpcji białek przez membranę oraz zatykanie porów przez makromolekuły i cząsteczki stałe, co prowadzi do zmniejszenia efektywnej powierzchni filtru. Wszystkie wymienione powyżej procesy są z natury rzeczy nieodwracalne. Jednakże istnieje możliwość usunięcia struktur i elementów osadzonych na powierzchni membrany, prowadząca do całkowitego odzyskania pełnej skuteczności działania filtru, co ma szczególne znaczenie dla filtrów przemysłowych przeznaczonych do wielokrotnego użycia.

Używane w lecznictwie filtry membranowe są przeznaczone do jednorazowego użytku. Są one jednak tak skonstruowane, że mogą być używane wielokrotnie (P. Simon i in., Rev. Fr. Transfus. Immunohematol., 24, 671,1981), a o możliwości powtórnego stosowania decyduje odmycie filtru po zabiegu.

Stosowane w produkcji membranowe filtry kapilarne mogą być przemywane różnymi środkami myjącymi np. roztworem podchlorynu lub podchlorynu i ługu sodowego (H. Lonsdale, Prace naukowe Instytutu Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej nr 57, Seria: Studia i Materiały, 21, 223, 1986). W podobny sposób traktowano dializatory krwi w przypadku kiedy zachodzi konieczność ich powtórnego użycia (P. Simon i in., Rev. Fr. Transfus. Immunohematol., 24,671,1981). Amerykańska firma Amicon zaleca dla laboratoryjnych membran ultrafiltracyjnych Diaflo stosowanie 0,1% roztworów enzymów proteolitycznych. We własnych badaniach, prowadzonych „in vitro“ nad separacją krwi i osocza, autorzy używali roztworów plazminy i trypsyny do regeneracji separatorów (W. Piątkiewicz i in., Intern. Soc. for Artificial Organs Congress, Kyoto, Japan, 1983 - doniesienie).

Zastosowanie do regeneracji membranowych filtrów kapilarnych tak drastycznego czynnika jakim jest podchloryn sodu jest szkodliwe dla obsługi, może powodować korozję urządzeń i nie daje pewności, że filtr został starannie odmyty.

Regeneracja filtrów membranowych przy użyciu enzymów proteolitycznych jest długotrwała i ryzykowna ze względu na możliwość pozostawienia po regeneracji części enzymu w formie zaadsorbowanej na powierzchni membrany.

W pracach poświęconych interakcji białek osocza z powierzchnią syntetycznych polimerów wykazano, że po kontakcie osocza z polimerem następuje adsorpcja białek, a zjawisku temu towarzyszy powstanie wiązań wodorowych, jonowych i hydrofobowych (T. Hobertt i in., J. Bioeng. Biomembr., 1, 61, 1977).

Założono, że efektywne odmywanie filtru membranowego po zabiegu lub zakończeniu określonego etapu produkcji nastąpi wtedy, gdy użyty czynnik regenerujący będzie zrywał wiązania utworzone podczas adsorpcji białek na powierzchni membrany. Powinien on być także nieszkodliwy dla ludzi.

Rozwiązanie zagadnienia według wynalazku następuje przez użycie roztworów mocznika, o odpowiednim stężeniu. Mocznik jest substancją, która w niewielkich ilościach znajduje się zawsze we krwi zdrowych ludzi. Stężone roztwory mocznika są stosowane do izolowania łańcuchów ciężkich i lekkich cząsteczki immunoglobuliny, gdyż zrywają one wiązania niekowalencyjne (wodorowe, hydrofobowe, jonowe) utrzymujące natywną strukturę cząsteczki (D. Vries i in., Europ. J. Biochem., 11, 370, 1969). Są one także używane w chromatografii powinowactwa do rozbijania kompleksów antygen - przeciwciało (W. Bensinger i in., J. Med., 304, 160, 1981).

Sposobem według wynalazku prowadzi się proces następująco: regenerację filtrów membranowych, przemytych po użyciu 0,15 molowym roztworem NaCl, przeprowadza się roztworem mocznika o stężeniu od 3 do 10 moli/1 w temperaturze od 10°C do 50°C, przez okres czasu od 5 minut do 2 h. Następnie filtr przemywa się roztworem 0,15 molowego chlorku sodowego lub wodą destylowaną. Po zakończeniu odmywania filtr nadaje się do powtórnego użycia. Jeżeli filtr nie może być natychmiast stosowany, należy go (jeśli konstrukcja na to pozwala) wysterylizować w autoklawie lub wypełnić roztworem formaliny i przechowywać w temperaturze 4°C do 8°C.

W zależności od rodzaju filtru skuteczność regeneracji oceniano na podstawie wyznaczania współczynnika ultrafiltracji lub prędkości ultrafiltracji albo klirensu dyfuzyjnego i konwekcyjnego. Wartości te porównywano z wartościami otrzymanymi dla filtrów fabrycznie nowych.

Współczynnik ultrafiltracji wyrażano w cm³/min.hPa.m², a prędkość ultrafiltracji w 1/h.m² przy ciśnieniu 1013 hPa.

153 255

Klirens dyfuzyjny wyliczano ze wzoru:

Kd —Qi -_S£(cm³/min)

Ci gdzie: Qi - prędkość przepływu roztworu dializowanego (cm /min); Ci - stężenie badanego składnika w zbiorniku; C2 - stężenie badanego składnika po przejściu przez dializator.

Klirens konwekcyjny wyliczono ze wzoru:

K_K= ^Qi‘^Ci~^Q2'^C2 (_cm ³/min)

Ci gdzie: Q2 - prędkość przepływu roztworu dializowanego pomniejszona o prędkość ultrafiltracji.

Regeneracja filtru membranowego zapewnia możliwość wielokrotnego używania tego samego filtru, co wpływa na znaczne obniżenie kosztów filtracji.

Sposób regeneracji według wynalazku odznacza się następującymi zaletami:

- substancja używana do regeneracji nie zmienia struktury membrany,

- czas trwania regeneracji jest krótki,

- stosowana procedura jest prosta,

- koszt regeneracji jest niewielki.

Przykład I. Regeneracja separatora po przeprowadzonej separacji krwi.

Do separacji krwi użyto separatora o powierzchni membrany kapilarnej 0,5 m². Membrana była wykonana z polipropylenu. Współczynnik ultrafiltracji dla fabrycznie nowego separatora wyznaczony przy użyciu 0,15 molowego roztworu NaCl wynosi 54,91 cm³/min.hPa.m². Następnie do separatora wprowadzono 8 molowy roztwór mocznika o temperaturze 37°C. Regenerację prowadzono w obiegu zamkniętym przez 0,5 h. Po usunięciu roztworu mocznika separator przemyto 31 0,15 molowego roztworu NaCl. Wyznaczony współczynnik ultrafiltracji dla separatora regenerowanego wynosił 56,34 cm /min.hPa.m .

Przykład II. Regeneracja tzw. filtru drugiego używanego do rozdziału składników osocza.

Do wydzielania z osocza składników o wyższej masie cząsteczkowej użyto filtru o powierzchni membrany kapilarnej 0,8 m². Materiałem, z którego była wykonana membrana był dwuoctan celulozy. Współczynnik ultrafiltracji dla filtru fabrycznie nowego wyznaczony przy użyciu 0,15 molowego roztworu NaCl wynosił 19,68 cm³/min.hPa.m². Po zakończeniu filtracji filtr przemyto 61 0,15 molowego roztworu chlorku sodowego i wyznaczono współczynnik ultrafiltracji, który wynosił 8,03 cm³/min.hPa.m² co oznaczało, że uległ on obniżeniu o 49%. Filtr wypełniono roztworem 8 molowego mocznika o temperaturze 37°C. Regenerację prowadzono stacjonarnie przez 0,5 h. Po usunięciu roztworu mocznika wartość współczynnika ultrafiltracji wyznaczona dla 0,15 molowego roztworu chlorku sodowego wynosiła 19,68 cm³/min.hPa.m², co świadczy o całkowitym odmyciu filtru.

Przykład III. Regeneracja filtru po zatężeniu 3% roztworu albumin osocza ludzkiego.

Do zatężania użyto filtru o powierzchni membrany kapilarnej 26 cm². Membrana była przygotowana z polisulfonu. Prędkość ultrafiltracji dla nowej membrany, wyznaczona dla 0,15 molowego roztworu NaCl przy ciśnieniu 1013 hPa, wynosiła 1291/h.m². Po zakończonym zatężaniu prędkość ultrafiltracji obniżyła się do wartości 491/h.m². Filtr wypełniono roztworem 8 molowego mocznika o temperaturze 23°C. Regenerację prowadzono stacjonarnie przez 0,6 h. Po odmyciu mocznika prędkość ultrafiltracji wyznaczona dla 0,15 molowego roztworu NaCl, przy ciśnieniu 1013 hPa, wynosiła 1361/h.m².

Przykład IV. Regeneracja filtru po usuwaniu alkoholu z frakcji V wyizolowanej z osocza metodą Cohna.

Do usuwania alkoholu użyto filtru o powierzchni membrany kapilarnej 46 cm³. Membrana była wykonana z polisulfonu. Prędkość ultrafiltracji dla nowej membrany wyznaczona dla 0,15 molowego roztworu NaCl, przy ciśnieniu 1013 hPa, wynosiła 321/h.m². Alkohol usuwano z roztworu białka metodą ultrafiltracji. Po zakończeniu procesu wyznaczono prędkość ultrafiltracji, która obniżyła się do wartości 211/h.m². Do filtru wprowadzono 8 molowy roztwór mocznika

153 255 o temperaturze 23°C. Regenerację prowadzono stacjonarnie przez 0,5 h. Po odmyciu mocznika prędkość ultrafiltracji wyznaczona dla 0,15 molowego roztworu NaCl wynosiła 311/h.m².

Przykład V. Regeneracja sztucznej nerki.

Do dializy użyto dializatora o powierzchni membrany płaskiej 1 m². Do wyznaczenia klirensu dyfuzyjnego i konwekcyjnego użyto roztworu mocznika o stężeniu 1,5 g/1. Wyznaczona dla fabrycznie nowego dializatora wartość klirensu dyfuzyjnego wynosiła 102cm/min, a dla klirensu konwekcyjnego 120 cm³/min. Po zabiegu klirens dyfuzyjny obniżył się do wartości 96 cm³/min, a klirens konwekcyjny do 115 cm³/min. Do dializatora wprowadzono 8 molowy roztwór mocznika o temperaturze 22°C. Regenerację prowadzono stacjonarnie przez 0,5 h. Przeprowadzone po regeneracji pomiary wykazały dla klirensu dyfuzyjnego wartość 100cm³/min, a dla konwekcyjnego 122 cm³/min.

Tabela

Efektywność regeneracji

Przykład nr	Rodzaj filtru	Rodzaj materiału	Efektywność regeneracji %
I	separator osocza	polipropylen	99,9
II	separator-filtr 2	dwuoctan celulozy	100,0
III	koncentrator	polisulfon	105,0
IV	koncentrator	polisulfon	96,9
V	dializator	kuprofan	98,0 i 102,0

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób regeneracji filtrów membranowych, przemytych 0,15 molowym roztworem chlorku sodowego, znamienny tym, że do filtru wprowadza się roztwór mocznika o stężeniu od 3 do 10 moli/1 w temperaturze od 10°C do 50°C, na okres czasu od 5 minut do 2h, a po tym czasie filtr przemywa się.

   Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz.

   Cena 3000 zł