CN107405437A - 质量交换装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
描述一种质量交换器的使用方法。在该方法中，质量交换器包括用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和用于容纳处理剂的流动的第二通道，第一和第二通道具有设置在它们之间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在第一通道和所述第二通道之间转移。质量转移方法包括以下步骤：使待处理的液体沿着所述第一通道通过，并将液体和气体的混合物引入第二通道以提供两相处理剂。期望提供一种调节液体比如血液中的气体物质的浓度的方法，同时控制液体的温度并任选地调节该液体中的离子和/或溶解物质的浓度。通过这种方法和提供两相处理剂的质量交换器，可以同时将气态物质(例如氧气)输送到处理液体中，同时利用处理剂的液相的高热容来将显著的热量转移到处理液体中或从其转移。
Description
技术领域
本发明涉及质量交换装置及其使用方法，特别涉及用于改变液体样品的组成和温度的质量交换装置。
背景技术
有多种情况需要改变血液(或血液制品，比如填充细胞)的属性。这些情况包括输血、体外循环(CPB)、体外膜氧合(ECMO)和肾透析。可能更改的属性包括：
-氧气和二氧化碳浓度(输血、CPB、ECMO)
-温度(输血、CPB、ECMO)
-离子和溶解物质的浓度(输血、肾透析、CPB、ECMO)
目前这些改变是在不同的阶段进行的。
关于温度变化，可以将输血血液温热至室温，或者在给予患者之前用血液加热器加温。在其他情况下，血液可被冷却，例如在诸如体外循环的操作期间，其中患者保持在低温以减缓新陈代谢。在体外膜氧合中，可以根据需要将血液冷却或加热，以将患者维持在所需温度。
CPB和ECMO装置目前由两个阶段组成，即热交换阶段，随后是质量交换阶段。热交换阶段遵循管状(例如中空纤维)或板和框架式交换器的常规技术。已经提出了替代方案，其中通过用于质量交换的可渗透膜和用于热交换的不可渗透膜进行热交换和质量交换(例如参见美国专利3834544)。
气体交换可以通过微孔或透气膜进行。在输血中(以及在CPB和ECMO中)，这种交换是合乎需要的，从而在接近动脉条件(高氧和低二氧化碳)而不是静脉条件下将血液输送给患者。
可以通过合适的微孔膜实现离子和溶解物质交换。目前在专用的肾脏透析的质量交换器中进行。还需要调节输血血液中的离子和可溶物质浓度以使其更接近新鲜血液条件。特别地，希望恢复常规存储的输血血液的近鲜血液条件。
调节和校正离子和可溶物质浓度也是CPB和ECMO中的一种选择。经历CPB和ECMO的患者经常出现相关和并发的健康问题，这可能导致血液中不良物质的积累和/或所需物质的消耗。恢复这些物质的理想浓度的能力可以帮助患者恢复，并减少患者健康的风险，并从这些相关的健康问题中获益。
目前，热量转移、气体转移和可溶物质的转移只能相继或通过使用复杂的多层交换器(比如US3834544中的)进行。
期望提供一种调节液体比如血液中气体物质浓度的方法，同时控制液体的温度并任选地调节该液体中的离子和/或溶解物质的浓度。
发明内容
因此，在第一方面，本发明可以提供一种质量交换器的使用方法，其中，所述质量交换器包括：
用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和
用于容纳处理剂的流动的第二通道，
所述第一和第二通道具有设置在其间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在所述第一通道和所述第二通道之间转移，
所述方法包括以下步骤：使待处理的液体沿着所述第一通道通过，并将液体和气体的混合物引入所述第二通道以提供两相处理剂。
通过使用两相处理剂，可以同时将气态物质(例如氧气)输送到处理液体中，同时利用处理剂的液相的高热容来将显著的热量转移到处理液体中或从其转移。
使用两相处理剂的另一个好处是由于水性转移流体，微孔膜可用于ECMO氧合器。已经避免了在具有血液/气体交换的常规ECMO氧合器中使用微孔膜，因为在使用中微孔膜的孔被蛋白质阻断。这导致膜具有6至24小时的有用最大寿命，并且必须使用不具有完全穿透膜厚度的孔的较低效率的膜。含水萃取液可以减少或消除微孔膜中的孔堵塞。因此，更有效的微孔膜可用于ECMO应用。这样的膜还能够使异常的血浆组合物被纠正。可以设计合适的处理流体以添加不足的物质，和/或去除可能存在于血液中的任何不期望的物质。
本发明要求气体和液体都被引入到第二通道中，因此与仅通过在第二通道内发生的蒸发和/或冷凝过程产生两相处理剂的方法不同。随着气体和液体都被引入到第二通道中，所得到的两相流提供增强的气体转移，有利于更简单和更便宜的设计。此外，气相的存在增强了与其混合的液相的质量转移。
本发明还不同于将期望的气体组分溶解在处理液体中或与悬浮在处理液体中的物质结合的方法，以及不同于比如洗涤(吸收)和汽提(解吸)等过程。在洗涤(吸收)和汽提(解吸)中，两相气体/液体混合物的主要目的是促进两相之间的质量交换。
处理液体可以是血液(例如全血或血液制品，比如填充血细胞)。在其它实例中，处理液体可以是微生物培养物，因为通常需要对这些培养物的温度和组成进行密切控制。
通过本发明，可以提供液体(例如血液)的相对简单的一级处理，使得处理液体遵循穿过质量交换器的简单且短的流动路径。简单的路径避免产生低流量或停滞的区域，而一级处理减少液体通过装置的总停留时间。
在使用全血的应用中，比如CPB和ECMO，所得到的低停留时间可减少血液凝固所需的时间，从而降低血块的风险。此外，简单的短流动路径减少了红血细胞上的应力，并因此降低了溶血的倾向(当待处理的液体是血液制品时，这也是有利的)。这种简单的短流动路径对于其它液体混合物也是有益的，例如支持微生物生长的培养基，其中降低了装置内不需要的微生物生长的风险。
在某些情况下，待处理的液体和处理剂的液相分别在进入第一和第二通道时具有不同的温度。因此，例如在输送到患者之前，可以将血液温热至体温。在其他情况下，处理剂的液相可以具有与处理液体相同的温度，以便将处理液体的温度保持在所需水平。在其它情况下，处理剂的液相可能具有低于体温的温度。
在某些情况下，可渗透膜可渗透气体，但对液体不可渗透。在其他情况下，可渗透膜可以是微孔的，也就是说，它允许液体和溶解的物质通过它(除气体之外)。
在某些情况下，处理液体和处理剂彼此以逆流关系流动。这种布置可以提高传热速率和传质速率。在其他布置中，流动可以是并流的或交流的。
通常，质量交换器定向成使得第一和第二通道沿直立方向延伸。
在某些情况下，血液可能沿着第一通道向下流动。例如，在输血中，向下流动有助于从常规滴水架输送血液。在ECMO和CPB中也可能需要向下流动，以有助于确保血液中可能存在的任何气泡以与血流相反的方向行进，从而避免气泡与血液离开质量交换器并进入患者体内的风险。在其他情况下，可能需要向上的流动来从装置中吹扫气泡，然后通过气泡阱除去气泡。
可渗透膜可以例如以平面筛网的形式提供。在其他情况下，第二通道可以具有管状形状，其壁由可渗透膜提供。
优选地，处理剂通过两个入口端口引入质量交换器：用于气相的气体入口和用于液相的液体入口。两个端口分别与混合室流体连通，混合室与第二通道流体连通。两相在混合室中混合并通过质量交换器的第二通道。优选地，气体入口位于液体入口的上游，以促进良好的混合。
优选地，在其通过第二通道之后，将处理剂引入设置在质量交换器下游的分离室中。在分离室中，使两相处理剂的两相例如通过重力的作用分离出来。分离室可以包括两个出口，每个出口用于排出两相处理剂的各相的流动。
在某些实施例中，两相处理剂的液相可以在其通过质量交换器之后进行再生，例如通过离子交换器，比如离子交换树脂。该过程可以允许在其通过质量交换器期间对液相的组成的任何变化至少部分地相反。这可能允许液相被再循环。
两相处理剂的液相的再生可以在分离两相处理剂的两相之前或之后进行。优选地，在将液相从气相中分离之后进行该过程。
在第二方面，本发明可以提供一种用于根据本发明第一方面的方法的质量交换器，所述质量交换器包括：
用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和
用于容纳处理剂的流动的第二通道，
所述第一和第二通道具有设置在其间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在所述第一通道和所述第二通道之间转移，
其中，所述质量交换器还包括气体输送管道和液体输送管道，这两个输送管道与所述第二通道流体连通，其中，所述气体和液体输送管道中的一个或两个设置有在其横截面上延伸的可渗透壁，所述可渗透壁用于促进流体在输送管道的横截面上的均匀分布。
在实施例中，本发明可以提供一种质量交换器，所述质量交换器具有交换区域，包括：
用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和
用于容纳处理剂的流动的第二通道，
所述第一和第二通道具有设置在其间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在所述第一通道和所述第二通道之间转移，
其中，混合室设置在所述交换区域的上游，所述混合室配置成从液体入口和气体入口接收流体流，
所述混合室设置有至少一个分隔件，所述分隔件沿着从所述混合室引导到所述交换区域的方向定向。
在实施例中，本发明可以提供一种质量交换器，包括：
用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和
用于容纳处理剂的流动的第二通道，
所述第一和第二通道具有设置在其间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在所述第一通道和所述第二通道之间转移，
所述第二通道包括沿着流体通过所述通道的流动方向横向定向到所述可渗透膜的至少一个分隔件。
有效地，本发明允许同时独立地控制热和/或气体和/或溶解物质的转移。因此，它与已知的多相组合热和质量传递操作形成对比，其中相变热是显著的，并且转移过程是相关联的(比如蒸发、冷凝和灌注)。
附图说明
现在将参考以下附图，通过示例对本发明进行描述，其中：
图1示出了用于本发明第一方面的方法的第一质量交换器的示意性横截面图；
图2示出了用于本发明第一方面的方法的第二质量交换器的一部分的示意性横截面图；
图3示出了沿线A-A截取的图2的质量交换器的视图。
图4示出了用于本发明第一方面的方法的第三质量交换器的一部分的示意性透视图。
具体实施方式
参考图1，质量交换器10包括壳体11和位于壳体11内的多个管状管道12。管状管道12彼此对准成间隔开的关系，并被树脂块13a、b保持就位，树脂块在管道的上游和下游端设置在壳体11内。树脂块具有与管道12呈倾斜角度定向的自由表面13a'和13b'。
管状管道的壁可透过气体和任选的离子物质(例如，壁可以由气体可透过但不透液体的材料比如聚甲基戊烯或聚苯醚提供。可替代地，壁可以是微孔的，因此可以渗透小分子，包括气体、液体、溶解物质和离子物质)。混合室14设置在管状管道12的上游，并且与管道流体连通。混合室14布置成接收来自气体入口16和液体入口18的气流。气体入口16位于液体入口18的上游(相对于气体和液体通过管状管道的流动方向)。分离室20设置在管状管道12的下游并且与管道流体连通。分离室包括气体出口22和液体出口24，液体出口位于气体出口的下游(相对于气体和液体通过管状管道的流动)。
壳体11具有血液入口26和血液出口28。入口和出口26、28与壳体的内部容积30流体连通，内部容积30由壳体11的内壁、管道12的外表面和树脂块13a、13b的自由表面限定。块13a、b的自由表面的取向有助于确保血液能够平稳地行进通过壳体的内部容积，而不会突然改变方向，并且有助于避免形成这样的区域(例如邻近血液流动的主流)，其中血液可能再循环和停滞，导致停留时间足以使血液凝结发生。
在使用中，质量交换器10被定向成使得管状管道12沿直立方向延伸。使血液(比如全血或血液制品)流过外壳11的内部容积30，从血液入口26流到血液出口28。同时，使包括液相和气相的两相处理流体沿着管状管道12从混合室14流到分离室20。通过管道12的可渗透壁的物质的迁移允许根据需要调节血液的组成。例如，气相可以主要包含氧气，以使血液氧化和/或从血液中除去二氧化碳。气相还可以含有受控浓度的二氧化碳，以避免血液中的二氧化碳浓度过低，和/或可能含有小量的小心控制浓度的一氧化氮以减轻血液中一氧化氮的任何不足。
此外，管状管道的壁包括微孔膜时，液相中某些离子物质(例如钾和/或铁)的浓度可以保持在较低水平，以降低血液中这些物质的浓度。液相还可以含有对这种物质(其浓度需要降低)具有亲和性的组分。液相还可以含有期望转移到血液中的物质的浓度。
此外，可以选择液体的温度以促进与血液的热传递，从而根据需要调节血液的温度。例如，可以选择液相的温度以使血液接近体温。
两相处理流体的气相通过气体入口16进入混合室14，而处理流体的液相通过液体入口18进入混合室14。气体和液体混合物向下流过管状管道12，由相应的供应压力驱动。在管道液体低的地方，气流阻力较小，因此气体流入管道更快。这种更快的流动将液体从混合室14吸入该管道，以便校正不均匀分布。这有助于确保气体和液体在每个管道12内的合理均匀分布。
气相和液相在分离室20中分离。液相通过液体出口24排出，气相通过气体出口22排出。
在图1的实施例中，处理流体垂直向下流过质量交换器。在其他实施例中，处理流体可以垂直向上流过质量交换器，通过与图1的实施例类似的机构实现气体和液体通过每个管道的合理均匀分布。
在图1的实施例中，血液以与处理流体相同的方向流过质量交换器。这种布置被称为并流(co-current flow)。然而，逆流也是可能的，其中血液和处理流体沿相反方向流过质量交换器。
作为单独的气体和液体入口的替代方案，两相处理流体可以作为预形成的气体/液体混合物输送到质量交换器。
参考图2，图1的质量交换器的变体包括壳体11、管状管道12、树脂块13b和血液出口28，其全部对应于图1的等同特征。
图2的实施例配置成使得处理流体向上流过质量交换器，即相对于血液逆流。在替代实施例中，图2的质量交换器可被倒置，使得处理流体向下流过质量交换器。
气体供应室40设置在管状管道12的上游，并且设置有气体入口42。气体供应室通过多孔块44和位于邻近管状管道12的液体供应室46与管状管道12流体连通。液体供应室46设置有液体入口48。液体入口48经由可渗透壁49与液体供应室流体连通。
参考图3，液体供应室46设置有与质量交换器的流动轴线对准的分隔件50。
在使用中，气体通过气体入口42流入气体供应室40，然后继续流过多孔块44进入液体供应室46。提供多孔块有助于确保气体在其进入液体供应室46时在质量交换器的横截面上的合理均匀分布。
液体供应室包含从液体供应入口48经由可渗透壁49供应的液体。提供可渗透壁有助于确保液体进入液体供应室46的供应在入口48的宽度上的合理均匀分布。
进入液体供应室46的液体与气体混合以提供流入管状管道12的两相处理流体。通过限制气相和液相在液体供应室中分离的程度(例如如果质量交换器倾斜)，液体供应室中的分隔件50有助于保持两相流体中的气体和液体的均匀分布。
参考图4，质量交换器70包括彼此对准成间隔关系的多个可渗透筛网(screen)72。相邻成对的可渗透筛网在其之间限定流动通道，使得提供一系列处理流体通道74，处理流体通道与血液通道76交替。
处理流体通道74每个包括跨越每个相应通道在该通道的相应筛网之间延伸的多个分隔件78。因此，每个处理流体通道包括多个子通道。子通道沿着质量交换器的纵向轴线延伸。
血液通道通常沿着质量交换器的横向方向延伸，每个通道由相应成对的筛网和成对的成形元件80a、b限定，该成形元件80a、b与质量交换器的纵向轴线倾斜。成形元件80a、b有助于确保血液从血液入口82平稳地流到血液出口84，入口和出口设置在质量交换器的相对侧上。
处理流体通过一个或多个混合室、供应室和/或流体入口被引入处理流体通道，比如关于图1和图2所述。处理流体通道内的分隔件78有助于限制如果质量交换器倾斜的话气相和液相分离的程度。
在图4所示的实施例的变型中，血液通道和处理流体通道可以都沿着质量交换器的纵向轴线延伸。在这种情况下，血液入口和出口位于质量交换器的上游和下游端，并且不需要额外的成形元件。本发明设想并且包括使用在所有通道中实现接近均匀气体/液体混合物的替代方式，比如对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
Claims (18)
1.一种质量交换器的使用方法，其中，所述质量交换器包括：
用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和
用于容纳处理剂的流动的第二通道，
所述第一和第二通道具有设置在其间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在所述第一通道和所述第二通道之间转移，
所述方法包括以下步骤：使待处理的液体沿着所述第一通道通过，并将液体和气体的混合物引入所述第二通道以提供两相处理剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，待处理的液体是血液。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，待处理的液体是液体微生物培养物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，待处理的液体是填充细胞血液产物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，待处理的液体和处理剂的液相分别在进入所述第一和第二通道时具有不同的温度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述可渗透膜能够渗透气体，但对液体不可渗透。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述可渗透膜是微孔的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述处理剂的液相的组成使得使溶解的物质迁移穿过在待处理的液体与所述处理剂之间的可渗透膜。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述可渗透膜以平面筛网的形式提供。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，所述第二通道具有管状形状。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述质量交换器定向成使得所述第一和第二通道沿直立方向延伸。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，待处理的液体沿着所述第一通道沿向上的方向通过。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，待处理的液体沿着所述第一通道沿向下的方向通过。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述质量交换器包括气体入口和液体入口，所述气体入口和液体入口与混合室分开地流体连通，所述混合室与所述第二通道流体连通，其中，所述气体入口位于所述液体入口的上游，并且所述处理剂的气相被引入到所述气体入口中，并且所述处理剂的液相被引入到所述液体入口中。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述两相处理剂通过所述质量交换器之后，所述两相处理剂的液相被再生以至少部分地逆转在所述处理剂通过所述质量交换器期间在液相中发生的任何组成变化。
16.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的方法的质量交换器，所述质量交换器包括：
用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和
用于容纳处理剂的流动的第二通道，
所述第一和第二通道具有设置在其间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在所述第一通道和所述第二通道之间转移，
其中，所述质量交换器还包括气体输送管道和液体输送管道，这两个输送管道与所述第二通道流体连通，其中，所述气体和液体输送管道中的一个或两个设置有在其横截面上延伸的可渗透壁，所述可渗透壁用于促进流体在输送管道的横截面上的均匀分布。
17.如权利要求16所述的用于根据权利要求1-15中任一项所述的方法的质量交换器，所述质量交换器具有交换区域，包括：
用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和
用于容纳处理剂的流动的第二通道，
所述第一和第二通道具有设置在其间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在所述第一通道和所述第二通道之间转移，
其中，混合室设置在所述交换区域的上游，所述混合室配置成从液体入口和气体入口接收流体流，
所述混合室设置有至少一个分隔件，所述分隔件沿着从所述混合室引导到所述交换区域的方向定向。
18.如权利要求16所述的质量交换器，特别用于根据权利要求9所述的方法，所述质量交换器包括：
用于容纳待处理的液体的流动的第一通道；和
用于容纳处理剂的流动的第二通道，
所述第一和第二通道具有设置在其间的可渗透膜，以便允许所选择的物质在所述第一通道和所述第二通道之间转移，
所述第二通道包括沿着流体通过所述通道的流动方向横向定向到所述可渗透膜的至少一个分隔件。
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