DE2213159A1 - Ultrafiltrations-Trennvorrichtung - Google Patents

Ultrafiltrations-Trennvorrichtung

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DE2213159A1
DE2213159A1 DE19722213159 DE2213159A DE2213159A1 DE 2213159 A1 DE2213159 A1 DE 2213159A1 DE 19722213159 DE19722213159 DE 19722213159 DE 2213159 A DE2213159 A DE 2213159A DE 2213159 A1 DE2213159 A1 DE 2213159A1
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Description

Dr. F Zumstein son. - Dr. E- Assrnann Dr.ltKoanlgsberger - Dipl. Phye. R.:Ho!ibeuer
Dr. Γ-. 2urii.">tein jun. Patentanwälte
8 Mönchen 2, Bräuhauwtraöe 4/111
SC 3884
RHONE-POULENC S.A., Paris, Frankreich
Ultrafiltrations-Trennvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung, die insbesondere zur Reinigung von Blut verwendbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch (a) eine Ultrafiltrationsbaugruppe, die eine durch eine Ultrafiltrationsmembran in zwei Kammern unterteilte Zelle aufweist, wobei die erste Kammer mit Leitungen zur Zuführung und zum Abziehen der zu behandelnden Flüssigkeit ausgestattet ist, und die zweite Kammer mit einer Abzugsleitung für das Ultrafiltrat versehen ist, (b) Einrichtungen, die ermöglichen, in der ersten Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe einen Druck auszubilden, der höher als der in der zweiten Kammer der gleichen Baugruppe herrschende Druck ist, und (c) einen Dialysator, der durch eine ionische Membran in zwei Kammern unterteilt ist, wobei die erste Kammer dieses Dialysators einerseits eine Zuführungsleitung, die mit der Abzugsleitung für das Ultrafiltrat, das aus der Ultrafiitrationsbaugruppe stammt, verbunden ist, und andererseits eine Abzugsleitung, die mit der Abzugsleitung der ersten Kammer der Ultrafiltrationsbau-
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gruppe verbunden ist, aufweist, wobei die zweite Kammer dieses Dialysators ihrerseits mit Zuführungs- und Abzugsleitungen ausgestattet ist, so daß diese von einer "Reinigungslösung für das Ultrafiltrat" genannten Flüssigkeit durchströmt werden kann.
Die als Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendeten Ultrafiltrationsbaugruppen können beliebige bekannte derartige Baugruppen, insbesondere die aus den französischen Patentschrift 1 252- 995, 1 512 555 und 1 583 221, der US-Patentschrift 3 31H 024 und der kanadischen Patentschrift 819 509, sowie dem Artikel von R.W. Baker [j. Appl. Polym. Sei. (I969) 13, 309 - 376] bekannten, sein.
Die Membranen und infolgedessen die Kammern der Baugruppen selbst können beispielsweise in ebener, konischer spiraliger oder rohrförmiger Form (Baugruppen mit Hohlfasern: im folgenden umfasst der Ausdruck Membran die Hohlfasern) vorliegen. Selbstverständlich kann man ausserdem eine einzige Ultrafiltrationsbaugruppe durch eine Reihe von einzelnen Baugruppen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, ersetzen.
Die in der Ultrafiltrationsbaugruppe verwendeten Ultrafiltrationsmembranen können jedem beliebigen bekannten Typ angehören: Es sind dies die für Moleküle (Lösungsmittel oder gelöster Stoff)mit niedrigem Molekulargewicht permeablen und für Moleküle mit -, hohem Molekulargewicht impermeablen Membranen, wobei die Grenze des Molekulargewichts zwischen filtrierenden Molekülen und nicht-filtrierenden Molekülen bei etwa 1000 bis 40 000 liegt.
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Ira spezielleren verwendet man in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen Membranen, die befähigt sind, die Verbindungen mit hohem Molekulargewicht und Bestandteile des Bluts (Blutkörperchen, Proteine, Thrombozyten, Fibrinogen und dergleichen) zurückzuhalten und Wasser und Salze und die Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht (Harnstoff, Harnsäure, Kreatinin, Zucker und dergleichen) durchgehen zu lassen.
Verwendbare Ultrafiltrationsmembranen sind beispielsweise in der Encyclopedia of Polymer Science and Technology, J£ 765 - 780 und in den französischen Patentschriften 1 521 021 und 1 58^ 659 beschrieben.
Als Haupttypen für verwendbare Ultrafiltrationsmembranen kann, man die mikroporösen Membranen, die asymmetrischen Membranen (mit Haut), die komplexen Polyelektrolyt-Membranen vom biionischen Typ und die Membranen vom Gel-Typ (nicht-mikroporös, jedoch mit lockerer Struktur), nennen.
Die Ausbildung eines Drucks in der zweiten Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe, der niedriger als der in der ersten Kammer herrschende ist, erfolgt üblicherweise mittels einer Pumpe. Es kann sich um eine Pumpe mit Uberdruckwirkung, die stromauf von der ersten Kammer angeordnet ist, oder vorzugsweise um eine Pumpe mit Unterdruckwirkung, die stromab von der zweiten Kammer angeordnet ist, handeln.
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Der in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendete Dialysator kann irgendein bekannter Dialysator sein, insbesondere ein Dialysator der in der französischen Patentschrift 1 597 874 beschriebenen Art. Die Membranen und infolgedessen die Kammern des Dialysators selbst können beispielsweise eine ebene, konische, spiralige oder r.ohrförmige (Dialysator mit Hohlfasern) Form haben. Selbstverständlich kann man außerdem einen .einzigen Dialysator durch eine Reihe von einzelnen Dialysatoren, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, ersetzen.
Die in dem Dialysator der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren ionische Membranen genannten Membranen sind Membranen, die zumindest ein Polymeres mit Anionen- oder Kationenaustauschergruppen enthalten. Diese Gruppen können insbesondere (gegebenenfalls in Salzform überführte Carbonsäure-, Sulfonsäure-, Phosphonsäure- oder Phosphinsäuregruppen oder Sulfonium-, Phosphonium- oder Ammoniumgruppen, insbesondere quaternäre Ammoniumgruppen, sein.
Unter den ionischen Membranen werden vorzugsweise die Membranen verwendet, die einerseits eine Permselektivität (gemessen wie in der französischen Patentschrift 1 584 I87) über 50 %, vorzugsweise über 70 %, und andererseits eine Harnstoff/NaCl-Selektivität über 5* vorzugsweise über 10, besitzen. Die Harnstoff /NaCl-Selektivität (mit S„_ bezeichnet) einer Membran wird auf folgende Weise gemessen: In eine Zelle mit zwei Kammern, die durch die Membran getrennt sind, bringt man in die erste Kammer eine wässrige Lösung mit einer Konzentration von 0,1m Harnstoff und 0,1 m NaCl und in die zweite Kammer eine wässrige Lösung, deren Konzentration an Glucose derart ist, daß die osmotischen Drucke der beiden Kammern gleich sind, ein. Die Selektivität S ist dem Verhältnis der UberfUhrungs^oeffi-ien-
US .j
ten von Harnstoff und Natriumchlorid gleich: S1 = Harnstoff
US η
uNaCl
Diese Koeffizienten werden ihrerseits mittels der Gleichung
0 = A . U . ^C . T
? Π 9 t- ■* 0 / I) H 0 7 BAD ORIGINAL
berechnet, in der # das Gewicht des durch die Membran hindurch während der Zeitspanne T überführten gelösten Stoffes bezeichnet, ^C den lo.garithmi sehen Durchschnitt der Konzentrationsunterschiede zwischen den beiden Kammern der Dialyse-Vorrichtung zu Beginn und am Ende der Zeitspanne T bedeutet und A die Oberfläche der verwendeten Membran ist.
Die oben definierten ionischen Membranen können unverstärkt oder durch einen externen oder internen permeablen Träger, wie beispielsweise ein Textilvlies, verstärkt sein. Sie können dem homogenen oder heterogenen Typ angehören.
Als Polymere oder Copolymere, die sich insbesondere zur Herstellung der in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendbaren ionischen Membranen eignen, kann man die folgenden nennen:
- die sulfonierten Styrol-Divinylbenzöl-Copolymeren
- die chlormethylierten und quaternisierten Styrol-Divinylbenzol-Copolymeren
- die quaternisierten Vinylalkohol-Vinylpyridin-Copolymeren
- die sulfatierten Äthylen-Vinylalkohol-Copolymeren
- die mit Epichlorhydrin kondensierten und dann aminierten Äthylen-Vinylalkohol-Copolymeren
- die quaternisierten Acrylnitril-Vinylpyridin-Copolymeren
- die aus Polyhydroxy<M.thern (Polykondensationsprodukte von Bisphenol mit Epichlorhydrin) durch kondensation mit Epichlorhydrin und anschließende Aminierung erhaltenen Polykondensate
- die sulfonierten Polyarylätherfulfone
- die sulfonierten oder chlormethylierten und dann aminierten Tetrafluoräthylen-Styrol-Copolyneren
- die In 3aIzform Übergeführten oder nicht in Salzform Uber-KUführten Acrylriltrilmethallylsulfonsäure-CopoLymeren.
BAD ORIGINAL
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind insbesondere als künstliche Nieren zur Reinigung von Blut und insbesondere zur Entfernung von Ausscheidungsprodukten, wie beispielsweise Harnstoff, verwendbar. Bei dieser Anwendung unterzieht man das Blut einer gewöhnlichen Ultrafiltration und reinigt dann das Ultrafiltrat durch Dialyse.
Das Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung dieses Blutultrafiltrats stellt ebenfalls einen Gegenstand der Erfindung dar. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ultrafiltrat in einem Dialysator, der mit einer ionischen Membran ausgestattet ist, zirkuliert und dann in den Blutkreislauf zurückgeführt wird, wobei die zweite Kammer dieses Dialysators von einer Lösung durchströmt wird, die einen osmotischen Druck hat, der geringer als der osmotische Druck des Ultrafiltrats oder gleich diesem ist.
Die Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema zur Erläuterung der erfindungsgemässen Vorrichtungen und des" Betriebs der Verfahrens gemtss der Erfindung und
Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung, wie sie bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird.
Das in Fig. 1 dargestellte Schema zeigt eine als künstliche Niere verwendete erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Ultrafiltrationsbaugruppe ist bei 1 gezeigt, wobei die Ultrafiltrationsmembran mit 2 bezeichnet ist. Der Dialysator ist bei dargestellt, wobei seine ionische Membran mit 12 bezeichnet ist. Die erste Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe wird mittels der Leitung 3 mit Blut aus einem Blutgefäß des zu behandelnden Patienten gespeist. Die Leitung 4 ermöglicht, dan Blut, abzuzieh? η und es in «Ine Vene des Patienten :'u re ·
'UP) H 't D ' ΜΠ0 /
injizieren. Das Ultrafiltrat wird aus der Ultrafiltration baugruppe über die Leitung 8 abgezogen und in die erste Kammer des Dialysators 11 eingeführt. Nach Durchführung der Dialyse wird dieses Ultrafiltrat über die Leitung 9, die in die Leitung 4 unter Bildung der Leitung 10 mündet, in den Blutkreislauf geführt (man kann die Leitung 9 auch direkt mit einer Vene des Patienten verbinden). In der zweiten Kammer des Dialysators 11 zirkuliert die Reinigungslösung für das ultrafiltrat, die bei 5 eingeführt und bei 6 abgezogen wird. Der Umlauf der verschiedenen Flüssigkeiten kann durch nicht dargestellte Pumpen sichergestellt werden.
Das bei 8 umlaufende Ultrafiltrat besteht im wesentlichen aus einer wässrigen Lösung von Salzen oder Säuren (NaCl, KCl, MgCIp, CaCIp, CH^COONa, Harnsäure), sowie anderen Produkten mit niedrigem Molekulargewicht (Harnstoff, Kreatinin, Zuckern)
Die Reinigungslösung für das Dialysebad ist eine Lösung mit einem osmotischen Druck, der geringer als der.oder gleich demjenigen des Ultrafiltrats ist. Im allgemeinen besteht diese Lösung einfach aus Wasser. Der osmotische Druck wird mit irgendeinem üblichen Mittel eingestellt, beispielsweise durch Zugabe von Zuckern zu dieser Reinigungslösung oder durch Ausbildung eines Unterdrucks in dieser Reinigungslösung mittels einer Pumpe.
Der osmotische Druck der Reinigungslösung für das Ultrafiltrat kann konstant sein oder dagegen variabel sein. Man kann insbesondere diesen osmotischen Druck dem osmotischen Druck des Ultrafiltrats während gewisser Zeitspannen gleich machen und dann diesen letzteren osmotischen Druck während anderer Zeitspannen herabsetzen. Auf diese Weise bewirkt man praktisch die zeitliche und intermittierende Miktion je nach Ermessen.
2 0 9 H Λ Π / i) 8 Ü 7
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem durch Sicherheitseinrichtungen, insbesondere Filter für Teilchen und Blasenfallen, vervollständigt werden. Die Filter für Teilchen haben hauptsächlich den Zweck, die Einführung von Koagulaten in" den Blutkreislauf des Patienten zu vermeiden, und die Blasenfallen haben den Hauptzweck, die Einführung von Luft in diesen gleichen Blutkreislauf zu verhindern. Diese verschiedenen Sicherheitseinrichtungen werden vorteilhafterweise in der Leitung 10 angeordnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besitzen außer ihrer Wirksamkeit den Vorteil, ein Gerät mit vermindertem Volumen zu erfordern, was die Herstellung von transportablen künstlichen Nieren ermöglicht.
Eine Verbesserung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt schließlich einen weiteren Gegenstand der Erfindung dar. Gemäß dieser Verbesserung strömt die Reinigungslösung für das Ultrafiltrat in geschlossenem Kreis, wobei sie aufeinanderfolgend in den Dialysator der erfindungsgemäßen Vorrichtung und in eine Vorrichtung zur Entfernung von Ausscheidungsprodukten geführt wird, Bei dieser Arbeitsweise sind die Einführungsleitung und die Abzugsleitung für die Flüssigkeit der zweiten Kammer des Dialysators der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Vorrichtung zur Entfernung von Ausscheidungsprodukten verbunden.
Die bei dieser bevorzugten Ausführungsform verwendete Vorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt. Sie unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß Fig. 1 nur durch die zusätzliche Vorrichtung 21 zur Entfernung von Ausscheidungsprodukten.
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Diese Vorrichtung zur Entfernung von Ausscheidungsproduktenbesteht beispielsweise aus einer Absorptionsvorrichtung im allgemeinsten Sinne des Ausdrucks, der die Adsorption umfaßt. Diese Entfernung kann durch einen physikalischen Mechanismus oder durch einen chemischen Mechanismus stattfinden. Im ' Spezielleren kann man als Adsorptionsvorrichtung Säulen von Aktivkohle und Ionenaustauscherharzen nennen. Die in Frage stehenden A.us Scheidungsprodukte sind im wesentlichen Harnstoff, Harnsäure und Kreatinin.
Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel
In einer Vorrichtung, wie der in Fig. 1 gezeigten, führt man die Reinigung eines menschlichen Bluts mit einem Harnstoffgehalt von 1 g/Liter durch.
Die Membran der Ultrafiltrationsbaugruppe 1 weist eine Oberfläche von 0,2 m und eine Dicke von 4o/U in feuchtem Zustand auf. Sie besteht aus einem Aerylnitril-Natrium-methallylsulfonat-Copolymeren (mit einem Gehalt von 9 Gew.-J^ Methallylsulfonat, berechnet für das trockene Polymere), die mit Wasser unter Druck bei 1450C behandelt ist (was ihr eine Struktur vom "Gel"-Typ verleiht; Permeabilität für Wasser
•ζ Ρ
0,06 enr/min . cm unter 2 bar).
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Eine an der Leitung 8 angeordnete Pumpe bewirkt einen Druckunterschied νοηβΟΟ mm Hg zwischen den beiden Kammern der Ultrafiltrationsbaugruppe.
Die Membran des Dialysators 11 besitzt eine Oberfläche von
0,86 cm , eine Dicke von 33 M in trockenem Zustand* eine Permselektivität von 77 % und eine Selektivität s„„ von 28.
us
Sie besteht aus einem Polymeren, das auf folgende Weise hergestellt ist: Ein 2,2-Bis-(hydroxyphenyl)-propan/Epichlorhydrin-Polykondensat (reduzierte Viskosität, gemessen bei 25°C mit einer Lösung von 2 g/l in Dimethylformamid: 36 cnr/g) wird mit Epichlorhydrin bei 62°C in Anwesenheit von BP 3-Ätherat kondensiert. Das erhaltene Produkt (Cl - 8;1 %) wird mit einer Lösung von (CH-,),N in Dimethylformamid bei 700C aminiert. Stickstoffgehalt: 1,95 %» Chlorgehalt: 7,17 %·
Das Blut wird in die Ultrafiltrationsbaugruppe in einer Menge von 200 cnr/min eingeführt. Der Durchsatz des Ultrafiltrats in der Leitung 8 beträgt 20 cnr/min.
Die Reinigungslösung für das Ultrafiltrat ist eine wässrige Glucoselösung mit einem Gehalt von 56 g/l. Ihr Durchsatz beträgt 1 l/min.
Unter Arbeiten in dieser Weise entfernt man den Harnstoff in einer Menge von 1 g/Stunde. Das Natriumchlorid des Bluts wird nur in einer Menge von 0,5 g/Stunde entfernt.
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Claims (5)

Patentansprüche
1., Trennvorrichtung, die insbesondere zur Reinigung von Blut verwendbar ist, gekennzeichnet durch (a) eine. Ultrafiltrationsbaugruppe, die eine durch eine Ultratfiltrationsraembran in zwei Kammern unterteilte Zelle aufweist, wobei die erste Kammer mit Leitungen zur Zuführung und zum Abziehen der zu behandelnden Flüssigkeit ausgestattet ist und die zweite Kammer eine Abzugsleitung für die ultrafiltrierte Flüssigkeit aufweist, (b) Einrichtungen, die ermöglichen, in der ersten Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe einen Druck auszubilden, der größer als der in der zweiten Kammer der gleichen Baugruppe herrschende ist, und (c) einen Dialysator, der durch eine ionische Membran in zwei Kammern unterteilt ist, wobei die erste Kammer dieses Dialysators einerseits eine Zuführungsleitung, die mit der Abzugsleitung der zweiten Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe verbunden ist, und andererseits eine Abzugsleitung aufweist, die mit der Abzugsleitung der ersten Kammer der Ultrafiltrationsbaugruppe verbunden ist, und wobei die zweite Kammer dieses Dialysators ihrerseits Zuführungs- und Abzugsleitungen aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ionische Membran eine Permselektivität über 50 %, vorzugsweise über 70 %, und eine Harnstoff/NaCl-Selektivität über 5* vorzugsweise über 10, aufweist.
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3« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ionische Membran ein Polymeres aus der Gruppe von
- sulfonierten Styrol-Divinylbenzol-Copolymeren «
- chlormethylierten und quaternisierten Styrol-Divinylbenzol-Copolymeren,
- quaternisierten Vinylalkohol-Vinylpyridin-Copolymeren
- sulfatierten Äthylen-Vinylalkohol-Copolymeren
- mit Eplchlorhydrin kondensierten und dann aminierten Äthylen-Vinylalkohol-Copolymeren
- quaternisierten Acrylnitril-Vinylpyridin-Copolymeren
- Polykondensaten, erhalten aus Polyhydroxyäthern (Produkten der Polykondensation von Bisphenol mit Epichlorhydrin) durch Kondensation mit Epichlorhydrin und anschließender Aminierung
- sulfonierten Polyaryläthersulfonen
- sulfonierten oder chlormethylierten und dann aminierten Tetrafluoräthylen-Styrol-Copolymeren und
« gegebenenfalls in Salzform überführten Acrylnitril-Methallylsulfonsäure-Copolymeren
umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speise- und Abzugsleitungen des Dialysators mit einer Vorrichtung zur Entfernung von lusscheidungsprodukten aus Blut, insbesondere Harnstoff, verbunden sind.
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5. Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung eines Blutultrafiltrats, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Ultrafiltrat in einem Dialysator, der eine ionische Membran, aufweist, zirkuliert und dann wieder in den Blutkreislauf reinjiziert wird, wobei die zweite Kammer des Dialysators von einer Reinigungslösung für das Ultrafiltrat genannten Lösung durchströmt wird, die einen osmotischen Druck aufweist., der kleiner als der osmotische Druck des Ultrafiltrats oder gleich diesem ist,
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