WO1998042424A1 - Vorrichtung und verfahren zur separation von in einem fluid enthaltenen teilchen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur separation von in einem fluid enthaltenen teilchen Download PDF

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Jean-Denis Rochat
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    • A61M2206/10—Flow characteristics
    • A61M2206/16—Rotating swirling helical flow, e.g. by tangential inflows

Definitions

  • the present invention relates to a device for separating particles contained in a fluid by means of a separating arrangement which has at least one supply line and at least two discharge lines, and to a method using this device.
  • the devices and the method are particularly suitable for the treatment of biological fluids, e.g. Milk or blood, in the latter case known under the term plasmapheresis.
  • biological fluids e.g. Milk or blood
  • plasmapheresis This is understood to mean the separation of solid blood components and plasma after a blood sample has been taken, the plasmapheresis usually being carried out by means of a separation arrangement having a centrifuge.
  • the object of the present invention is to provide a device for the separation of particles contained in a fluid, which is particularly simple in construction, has a high separation efficiency and requires considerably lower production and operating costs, and to specify an associated method.
  • the device according to the invention which is suitable for the treatment of a large number of biological or non-biological fluids and is used in particular for the treatment of blood, whereby platelets and plasma can be collected at the same time, has the advantage of a considerably smaller space requirement, since instead of a previously customary one Centrifuge a fixed hollow chamber is used, in one end of which the fluid is introduced tangentially at a predetermined speed in such a way that the desired separation takes place by the centrifugal forces occurring on the inner wall of the hollow chamber with the associated laminar flow, so that at the other end of the hollow chamber one discharge line can remove the dense particles contained in the fluid, while the other discharge line removes the fluid itself, in particular plasma.
  • the laminar flow of the blood results in a better separation and less damage to the dense blood cells than in the separate on by means of a centrifuge, provided that a minimum flow and a minimum tangential speed are maintained.
  • the dimensions of the in particular cylindrical hollow chamber in the order of magnitude of approximately 10 mm in diameter and 10 mm in length require little construction effort and a drastic reduction in production costs.
  • FIG. 1 schematically shows a side view of a device according to the invention
  • Figure 2 is a plan view of this device
  • Figure 3 is a schematic representation of a leukocyte filter with the inventive device
  • FIG. 4 shows a series connection of several devices according to the invention
  • Figure 6 shows a part of the hollow chamber with the nozzle.
  • 1 denotes a cylindrical hollow chamber, the axis of which is designated 2.
  • a cylindrical hollow chamber it is also possible to use a conical hollow chamber that tapers in the direction of axis 2, or a bell-shaped or mushroom-shaped or also conical hollow chamber (FIGS. 5a to 5d) or a hollow chamber of any shape.
  • a supply line 3 running in a plane essentially perpendicular to the axis 2 opens into a short nozzle 11 such that the fluid introduced through the supply line 3 into the hollow chamber 1 and mixed with the solid particles tangentially onto the Inner wall of the hollow chamber 1 hits.
  • an arrangement 4 for increasing the pressure of the fluid in particular a pump, is provided in the feed line 3, as is a nozzle 11 (FIG. 6), which is preferably in the hollow chamber is integrated.
  • the nozzle 11 may have a round or elongated cross-section so as to produce the desired laminar, spiral flow of the fluid on the inner wall of the hollow chamber to the other end thereof. Because of the high pressure of the fluid introduced into the hollow chamber, the separation works in every position of the device.
  • first discharge line 5 which runs in a plane essentially perpendicular to the axis 2, from which, after separation, the dense particles, for example dense, heavy blood components, emerge.
  • This discharge line 5 also opens tangentially at the other end of the hollow chamber 1, as shown in particular in Figure 2, namely offset to
  • a second discharge line 6 is provided at this other end of the hollow chamber 1, which extends essentially in a plane arranged parallel to the axis 2 or containing the axis 2.
  • This second discharge line 6 serves for the removal of the fluid freed from the dense particles contained in the fluid, e.g. of the less dense blood plasma.
  • the discharge lines can be straight or curved.
  • FIG. 1 further shows that a measuring device 9 is provided in the lower section of the hollow chamber 1, which is connected to a control arrangement 10, which in turn has an arrangement 8 for changing the cross section of the discharge line 5 and an arrangement 12 for changing the cross section of the discharge line 6 connected is.
  • the measuring device 9 in particular an optical sensor, determines the degree of separation at the other end of the hollow chamber 1; If the boundary between the solid separated particles shifts to the fluid, the control arrangement 10 ensures a change in the passage cross section of the discharge line 5 or the discharge line 6 with the aid of the arrangements 8, 12.
  • FIG. 4 shows that the discharge line 5 of the hollow chamber 1 is connected to the feed line 3 'of a downstream hollow chamber 1', so that fluid emerging from the discharge line 5 and already freed from a large part of the dense particles undergoes a further separation step in the subsequent one Hollow chamber 1 'is subjected.
  • the pumps 4, 4 'of the devices can also be omitted.
  • Figure 5a shows that the shape of the hollow chamber 1 can be conical
  • Figure 5b shows that the shape can be conical with an inwardly curved wall
  • Figure 5c shows that the shape can be mushroom-shaped
  • Figure 5d shows that the shape can be bell-shaped can. Any rotationally symmetrical shapes are possible.
  • the method according to the invention for the separation, in particular of whole blood, with the device shown consists, through the supply line 3 and the nozzle 11, the cross-sectional area of which is smaller than that of the supply line 3, tangentially at a predetermined, high speed in the upper section a hollow chamber, so that due to the laminar, spiral flow on the inner wall of the hollow chamber 1 occurs on the way between one end and the other end, the desired separation, the dense components by the tangentially discharging discharge line 5 are removed, while the fluid freed from these particles, that is
  • FIG. 3 shows the device according to the invention as a leukocyte filter.
  • the blood contained in a blood bag 13 flows through the supply line 3 under pressure into the hollow chamber 1, the leukocytes 14 being separated and remaining in the hollow chamber when the discharge line 5 is closed.
  • the blood freed from leukocytes emerges through the discharge line 6 and is collected in a further bag 15.
  • the pump can be omitted, only gravity being used.

Abstract

Die Vorrichtung zur Separation von dichten Teilchen aus dem Fluid weist eine Trennanordnung auf in Form einer rotationssymetrischen feststehenden Hohlkammer, in deren einem Ende mindestens eine im wesentlichen radiale Zufuhrleitung tangential mündet und in deren anderem Ende eine im wesentlichen radiale Abfuhrleitung tangential mündet sowie eine im wesentlichen axiale Abfuhrleitung mündet, wobei das zu behandelnde Fluid mit einem vorgegebenen Druck durch eine Düse in die Hohlkammer eingeleitet wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Separation von in einem Fluid enthaltenen Teilchen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Separation von in einem Fluid enthaltenen Teilchen mittels einer Trennanordnung, die mindestens eine Zufuhrleitung und mindestens zwei Abfuhrleitungen aufweist, sowie ein Verfahren unter Verwendung dieser Vorrichtung.
Die Vorrichtungen und das Verfahren eignen sich insbesondere zur Behandlung von biologischen Fluiden, wie z.B. Milch oder Blut, wobei sie im letzteren Fall unter dem Begriff Plasmapherese bekannt sind. Darunter wird die apparative Trennung von festen Blutbestandteilen und Plasma nach einer Blutentnahme verstanden, wobei die Plasmapherese üblicherweise mittels einer eine Zentrifuge aufweisenden Trennanordnung erfolgt.
Es gibt zahlreiche Geräte zur automatisierten Blutspende, der sogenannten Hämapherese, mit denen gezielt die benötigten Blut omponenten gesammelt werden können, wie z.B. Erythrozyten, Thrombozyten, Leukozyten, Plasma etc., die alle nach dem Zentrifugalprinzip arbeiten und nicht nur einen erheblichen Raumbedarf, sondern auch ein hohes Gewicht in der Grössenordnung von 20 bis 200 kg aufweisen und dementsprechend teuer sind. Diese Zellseparatoren, die bei der Vollblutentnahme eingesetzt werden, benötigen ferner eine extrakorporale Blutmenge in der Grössenordnung von 500 ml, wobei ein maximaler Durchfluss nicht überschritten werden darf, um eine zufriedenstellende Arbeitsweise der für die Separation eingesetzten Zentrifuge zu gewährleisten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Separation von in einem Fluid enthaltenen Teilchen zu schaffen, die besonders einfach im Aufbau ist, einen hohen Wirkungsgrad der Separation aufweist und erheblich geringere Herstellungs- und Betriebskosten bedingt, sowie ein dazugehöriges Verfahren anzugeben.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 12 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung, die zur Behandlung von einer Vielzahl von biologischen oder nicht-biologischen Fluiden geeignet ist und insbesondere zur Behandlung von Blut dient, wobei gleichzeitig Thrombozyten und Plasma gesammelt werden können, weist den Vorteil eines erheblich geringeren Raumbedarfs auf, da anstelle einer bisher üblichen Zentrifuge eine feststehende Hohlkammer verwendet wird, in deren eines Ende das Fluid mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit tangential derart eingeleitet wird, dass die gewünschte Separation durch die an der Innenwand der Hohlkammer auftretende Zentrifugalkräfte mit der dazugehörigen laminaren Strömung erfolgt, so dass am anderen Ende der Hohlkammer durch die eine Abfuhrleitung die dichten, im Fluid enthaltenen Teilchen entnommen werden können, während durch die andere Abfuhrleitung das Fluid selbst, insbesondere Plasma, entnommen wird. Durch die laminare Strömung des Bluts wird eine bessere Trennung und eine geringere Schädigung der dichten Blutkörperchen als bei der Separati- on mittels einer Zentrifuge ermöglicht, sofern ein minimaler Durchfluss und eine minimale Tangentialgeschwindigkeit eingehalten werden.
Die Abmessungen der insbesondere zylindrischen Hohlkammer in der Grössenordnung von ca. 10 mm Durchmesser und 10 mm Länge erfordern einen geringen Bauaufwand sowie eine drastische Reduzierung der Herstellungskosten.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Seitenansicht einer erfin- dungsgemässen Vorrichtung;
Figur 2 eine Draufsicht auf diese Vorrichtung;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Leukozyten-Filters mit der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Figur 4 eine Hintereinanderschaltung mehrerer er- findungsgemässer Vorrichtungen;
Fig. 5a - 5d verschiedene Ausgestaltungen der Hohlkammer;
Figur 6 ein Teil der Hohlkammer mit der Düse.
In den Figuren, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, bezeichnet 1 eine zylindrische Hohl- kammer, deren Achse mit 2 bezeichnet ist. Anstelle einer zylindrischen Hohlkammer kann auch eine konische Hohlkammer verwendet werden, die sich in Richtung der Achse 2 verjüngt, oder auch eine glockenförmige oder pilzförmige oder auch konische, nach innen gewölbte Hohlkammer (Fig. 5a bis 5d) oder aber eine Hohlkammer mit beliebiger Form.
An einem Ende der Hohlkammer 1 mündet eine in einer im wesentlichen senkrecht zur Achse 2 angeordneten Ebene verlaufende Zufuhrleitung 3 in einer kurzen Düse 11, derart, dass das durch die Zufuhrleitung 3 in die Hohlkammer 1 eingeleitete, mit den festen Teilchen versetzte Fluid tangential auf die Innenwand der Hohlkammer 1 trifft. Um dieses Fluid mit einer vorgegebenen, relativ hohen Geschwindigkeit in den oberen Abschnitt der Kammer 1 einzuleiten, ist in der Zufuhrleitung 3 eine Anordnung 4 zur Druckerhöhung des Fluids, insbesondere eine Pumpe vorgesehen, sowie eine Düse 11 (Fig. 6), die vorzugsweise in die Hohlkammer integriert ist. Die Düse 11 kann einen runden oder langgestreckten Querschnitt aufweisen, um so die gewünschte, laminare, spiralförmige Strömung des Fluids an der Innenwand der Hohlkammer bis zu deren anderem Ende zu erzeugen. Wegen des hohen Drucks des in die Hohlkammer eingeleiteten Fluids funktioniert die Separation in jeder Lage der Vorrichtung.
Am anderen Ende der Hohlkammer 1 ist eine erste, in einer im wesentlichen senkrecht zur Achse 2 angeordneten Ebene verlaufende Abfuhrleitung 5 vorgesehen, aus der nach erfolgter Separation die dichten Teilchen, z.B. dichte, schwere Blutbestandteile, austreten. Diese Abfuhrleitung 5 mündet ebenfalls tangential am anderen Ende der Hohlkammer 1, wie insbesondere Figur 2 zeigt, und zwar versetzt zur
Zufuhrleitung 3.
Ferner ist an diesem anderen Ende der Hohlkammer 1 eine zweite Abfuhrleitung 6 vorgesehen, die sich im wesentlichen in einer parallel zur Achse 2 angeordneten oder die Achse 2 enthaltenden Ebene erstreckt. Diese zweite Abfuhrleitung 6 dient zur Entnahme des von den dichten im Fluid enthaltenen Teilchen befreiten Fluids, z.B. des weniger dichten Blutplasma. Die Abfuhrleitungen können gerade oder gekrümmt sein .
Figur 1 zeigt ferner, dass im unteren Abschnitt der Hohlkammer 1 eine Messeinrichtung 9 vorgesehen ist, die mit einer Steueranordnung 10 verbunden ist, welche wiederum mit einer Anordnung 8 zur Veränderung des Querschnitts der Abfuhrleitung 5 und einer Anordnung 12 zur Veränderung des Querschnitts der Abfuhrleitung 6 verbunden ist. Die Messeinrichtung 9, insbesondere ein optischer Sensor, stellt dabei den Separationsgrad am anderen Ende der Hohlkammer 1 fest; verschiebt sich die Grenze zwischen den festen separierten Teilchen zum Fluid, so sorgt die Steueranordnung 10 für eine Veränderung des Durchlassquerschnitts der Abfuhrleitung 5 oder der Abfuhrleitung 6 mit Hilfe der Anordnungen 8, 12. Dadurch wird sichergestellt, da die Menge des zugeführten Fluids gleich der Summe der Mengen der aus den beiden Abfuhrleitungen 5 und 6 austretenden Bestandteile und der Ort der optimalen Trennung feststeht, dass ein möglichst hoher Separationsgrad eingehalten wird, d.h., dass im Fall von eingeleitetem Vollblut in die Hohlkammer 1 ein möglichst hoher Anteil von festen Blutbestandteilen durch die Abfuhrleitung 5 entnommen wird, wohingegen das von den festen Blutbestandteilen befreite Blutplasma durch die Abfuhrleitung 6 austritt.
Zur Erhöhung des Separationsgrades ist es auch möglich, mehrere erfindungsgemässe Vorrichtungen kaskadenförmig hintereinander zu schalten, wobei in Figur 4 zwei derartige Vorrichtungen schematisch dargestellt sind; diese Figur lässt erkennen, dass die Abfuhrleitung 5 der Hohlkammer 1 mit der Zufuhrleitung 3' einer nachgeschalteten Hohlkammer 1' verbunden ist, so dass aus der Abfuhrleitung 5 austretende, bereits von einem Grossteil der dichten Teilchen befreites Fluid einem weiteren Separationsschritt in der an- schliessenden Hohlkammer 1' unterworfen wird. Die Pumpen 4, 4' der Vorrichtungen können auch entfallen.
Figur 5a zeigt, dass die Form der Hohlkammer 1 konisch sein kann, Figur 5b zeigt, dass die Form konisch mit nach innen gewölbter Wand sein kann, Figur 5c zeigt, dass die Form pilzförmig sein kann und Figur 5d zeigt, dass die Form glockenförmig sein kann. Es sind beliebige, rotationssymme- trische Formen möglich.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Separation, insbesondere von Vollblut, mit der dargestellten Vorrichtung besteht also darin, durch die Zufuhrleitung 3 und die Düse 11, deren Querschnittfläche kleiner als die der Zufuhrleitung 3 ist, das Blut mit einer vorgegebenen, hohen Geschwindigkeit tangential in den oberen Abschnitt einer Hohlkammer einzuleiten, so dass aufgrund der laminaren, spiralförmigen Strömung an der Innenwand der Hohlkammer 1 auf dem Weg zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende die gewünschte Abtrennung auftritt, wobei die dichten Bestandteile durch die tangential mündende Abfuhrleitung 5 entnommen werden, während das von diesen Teilchen befreite Fluid, d.h. das
Blutplasma, durch die etwa mittig mündende Abfuhrleitung 6 entnommen wird.
Eine Erhöhung des Separationsgrades ist dadurch möglich, dass mehrere erfindungsgemässe Vorrichtungen kaskadenförmig hintereinander geschaltet werden, so dass das aus der ersten Hohlkammer austretende Fluid durch einen oder mehrere weitere Behandlungsschritte auch noch von den letzten dichten Teilchen befreit werden kann. Selbstverständlich sind die dargestellte Vorrichtung und das dargestellte Verfahren nicht auf die Behandlung von Blut beschränkt, sondern eignet sich für eine Vielzahl von biologischen Fluiden, die dichte suspendierte oder emulgierte Teilchen aufweisen, wie z.B. Milch.
In Figur 3 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung als Leukozytenfilter dargestellt. Das in einem Blutbeutel 13 enthaltene Blut fliesst durch die Zufuhrleitung 3 unter Druck in die Hohlkammer 1, wobei die Leukozyten 14 abgetrennt werden und in der Hohlkammer verbleiben, wenn die Abfuhrleitung 5 verschlossen wird. Das von Leukozyten befreite Blut tritt durch die Abfuhrleitung 6 aus und wird in einen weiteren Beutel 15 aufgefangen. Auch hierbei kann die Pumpe entfallen, wobei nur die Schwerkraft ausgenutzt wird.

Claims

Patentansprüche
I.Vorrichtung zur Separation von im Blut enthaltenen dichten Teilchen oder eines oder mehrerer im Blutplasma enthaltenen Proteine mittels einer Trennanordnung, die die folgenden Bauteile aufweist:
mindestens eine rotationssymmetrische feststehende Hohlkammer (1) ,
mindestens eine Zufuhrleitung (3), wobei die Zufuhrleitung (3) in einer im wesentlichen senkrecht zur Achse (2) der Hohlkammer (1) angeordneten Ebene verläuft und am oberen Ende der Hohlkammer (1) tangential mündet,
mindestens zwei Abfuhrleitungen (5, 6) , wobei eine erste Abfuhrleitung (5) am unteren Ende der Hohlkammer (1) tangential mündet, die in einer im wesentlichen senkrecht zur Achse (2) der Hohlkammer (1) angeordneten Ebene verläuft und eine zweite Abfuhrleitung (6) am unteren Abschnitt der Hohlkammer (1) mündet, die axial zur Achse (2) angeordnet ist,
ein als eine sich verjüngende Düse (11) ausgebildetes, am oberen Ende der Hohlkammer (1) mündendes Ende der Zufuhrleitung (3) , die in die Hohlkammer integriert ist,
eine Pumpe (4) zur Erzeugung eines Drucks, um das Blut oder Blutplasma mit vorgegebenem Druck durch die Düse (11) hindurch tangential in das obere Ende der Hohlkammer (1) einzuleiten, so dass eine Laminarströmung in ihr aus- gebildet wird,
eine an den mit den Abfuhrleitungen versehenen Enden der Hohlkammer angeschlossene Messeinrichtung (9) ,
eine mit der Messeinrichtung (9) verbundene Steueranordnung (10) und
je eine den Querschnitt der beiden Abfuhrleitungen (5, 6) verändernde Anordnung (8, 12), die mit der Steueranordnung (10) verbunden ist.
2.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammer eine zylindrische Form aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammer eine konische Form aufweist.
4.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammer eine konische Form mit nach innen gewölbter Wand aufweist .
5.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammer eine glockenförmige Form aufweist.
6.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammer eine pilzförmige Form aufweist.
T.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennanordnung mehrere Hohlkammern (1, 1') aufweist, wobei jeweils eine der Abfuhrleitungen (6) mit der Zufuhrleitung (3') der, in Strömungsrichtung des Fluids gesehen, nachfolgenden Hohlkammer (1') verbunden ist und wobei die mit den nachfolgenden Hohlkammern verbundenen
Zufuhrleitungen eine Pumpe oder keine Pumpe aufweisen.
8.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (9) ein optischer, an dem mit den Abfuhrleitungen versehenen Ende der Hohlkammer (1) angeordneter Sensor ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (11) einen langgestreckten Querschnitt aufweist.
10. Verfahren zur Separation von im Blut enthaltenen dichten Teilchen oder eines oder mehrerer im Blutplasma enthaltenen Proteine unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
es wird Vollblut oder Blutplasma durch die Zufuhrleitung mit einer derartigen Geschwindigkeit in das obere Ende der Hohlkammer tangential eingeleitet, dass aufgrund der laminaren, spiralförmigen Strömung entlang der Innenwand der Hohlkammer zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende eine Separation der dichten Teilchen vom Blut oder der Proteine vom Blutplasma auftritt und die dichten Teilchen oder die Proteine durch die eine Abfuhrleitung austreten, während das verbleibende Blut oder Plasma über die andere Abfuhrleitung austritt,
das Vollblut oder das Plasma werden durch die Zufuhrleitung mit einem von der Pumpe erzeugten Druck eingeleitet, das Vollblut oder das Plasma werden durch eine sich verjüngende Düse eingeleitet,
der Separationsgrad wird mittels der Messeinrichtung festgestellt, die Steueranordnung bewirkt eine Veränderung des Durchlassquerschnitts einer oder beider Abfuhrleitungen mit Hilfe der den Querschnitt der Abfuhrleitungen verändernden Anordnung, wenn sich die Grenze zwischen den dichten Teilchen und dem Blut bzw. der Proteine von Plasma verschiebt, so dass sichergestellt wird, dass die Menge des zugeführten Blutes oder Plasmas gleich der Summe der Mengen der aus den beiden Abfuhrleitungen austretenden Bestandteile ist, und so ein hoher Separationsgrad eingehalten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trennanordnungen kaskadenartig derart hintereinander geschaltet werden, dass das Blut oder das Plasma die Trennanordnungen zur Erzeugung des Separationsgrades nacheinander durchfliesst .
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