DE2653875C3

DE2653875C3 - Vorrichtung für die Ultrafiltration

Info

Publication number: DE2653875C3
Application number: DE2653875A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Dietmar Nußbaumer; Ludwig 3406 Bovenden Weickhardt
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1976-11-26
Filing date: 1976-11-26
Publication date: 1981-06-25
Also published as: DE2653875B2; DE2653875A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Ultrafiltration, insbesondere für die Filtration von Blut, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der US-PS 3910841 ist ein Dialysemodul bekannt, bei dem eine Cuprophan-Membran mit asymmetrischer Ausdehnung verwendet wird; eine solche Membran dehnt sich also in einer Richtung mehr aus als in der Querrichtung. Nähere Angaben über die Abmessungen der spaltförmiger. Filterkammern können dieser Druckschrift nicht entnommen werden.

Sowohl bei der Dialyse als auch bei der Ultrafiltration wird angestrebt, das zu filtrierende Medium, beispielsweise Blut, als dünnen Film auszubilden, da sich dann ein besonders guter Wirkungsgrad ergibt. Deshalb sind spaltförmige Filterkammern entwickelt worden, bei denen zwischen zwei Membranen ein solcher dünner Film erzeugt wird.

Während bei einer Dialyse-Membran der Transportmechanismus, d. h,, die Geschwindigkeit des Transportes durch die Membran, von der Permeabilität der Membran begrenzt wird, hängt bei einer Vorrichtung fur die Ultrafiltration der Durchfluß durch die Membran irr wesentlichen von der Dicke der blutseitig auftretenden Belegung der Membran ab, die auf Ablagerungen auf der Oberfläche der Membran zurückzufahren ist. Bei einer zu starken Belegung der Membran ist schließlich kein Durchfluß mehr möglich, d. h., eine- solche Vorrichtung kann nicht mehr arbeiten.

Außerdem verringert sich durch diese Belegung der beiden Membranen die Breite des Spaltes, so daß auf das durchströmende Medium starke Scherkräfte ausgeübt werden, die zu einer Beschädigung oder gar Zerstörung der empfindlichen Bestandteile des zu filternden Mediums, insbesondere Blutes, führen können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der trotz Ausbildung eines sehr dünnen und

gleichmäßigen Films aus dem Medium nur äußerst geringe Ablagerungen auf der Membran auftreten und damit die auf diesen Film einwirkenden Scherkräfte noch unschädlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im ϊ kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt

Die mit der Frfindung erzielten Vorteile beruhen auf to der experimentell festgestellten Tatsache, daß die Ausbildung des sogenannten »Sekundärfilters«, also der auf der Oberfläche der Membran abgelagerten Schicht, direkt proportional von der Spalthöhe abhängt. Deshalb muß die Spalthöhe möglichst klein gehalten werden, um auch diese Sekundärschicht dünn zu halten. Die untere Grenze der Spalthöhe wird einerseits durch die Größenordnung der in dem zu filtrierenden Medium vorhandenen Moleküle und andererseits von der zulässigen Druckbelastung des zu filtrierenden Mediums bestimmt. Die obere Grenze der Spalthöhe hängt im wesentlichen von der Ausbildung dieses Sekundärfilters ab. Wenn die Höhe jeder spaltförmigen /rJlterkammer im Bereich zwischen 8 und 150 μ liegt, bildet sich nur eine äußerst dünne Sekundärschicht aus, während andererseits alle in der Praxis interessierenden Moleküle ausgefiltert werden können.

Ein weiterer Einflußfaktor bei einer solchen Vorrichtung ist die Strömungsgeschwindigkeit, die das zu filtrierende Medium auf der Filterfläche hat. Bei einer Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt nämlich eine Zunahme der Aufkonzentration und damit eine Erhöhung der Viskosität, wodurch der Strömungswiderstand erhöht und damit die Strömungsgeschwindigkeit weiter verringert wird. Wenn eine im angegebenen J5 Bereich liegende Spaltlänge verwendet wird, tritt bei gleicher Spalthöhe an allen Stellen, die gleich weit von der Aufgabestelle des zu filtrierenden Mediums entfernt sind, der gleiche Strömungswiderstand und damit die gleiche Strömungsgeschwindigkeit auf, so daß eine solche Vorrichtung einen sehr guten Wirkungsgrad hat.

Als günstig hat sich erwiesen, wenn die Breite der spaltförmigen Filterkammer mit der Entfernung von der Aufgabestelle des zu Filtrierenden Mediums derart zunimmt, daß die dadurch bestimmte, lokale Verringerung des Strömungswiderstand infolge der Viskositälszunahme des der Filtration unterlugenden Mediums ausgeglichen wird. Auch diese Maßnahme trägt zur lokalen Konstanthaltung des Strömungswiderstandes bei. so

Die Filterkammern sind im allgemeinen zwischen nebeneinander angeordneten Filterplatten ausgebildet, auf denen das Filtermedium gehalten ist, wobei die Höhe der spaltförmigen Filterkammern durch den Abstand zwischen übereinander liegenden Filtermedien und/oder zwischen einem Filtermedium und einer Wand eines die Filterplatten umschließenden Gehäuses festgelegt ist.

Die oben definierten Abmessungen für die Filterkammern können durch enge mechanische Toleranzen der Konstruktionsteile einer solchen Vorrichtung eingehalten werden. Wenn der dafür erforderliche Aufwand jedoch zu hoch ist, kann gemäß einer alternativen Ausführungsiorm dafür gesorgt werden, daß sich der lokal gleiche Strömungswiderstand von selbst einstellt.

Dies kann einerseits dadurch erreicht werden, daß in der spaltförmigen Filterkammer zwischen dem Filtermedium und der Filtermatte ein flaches, elastisches, poröses Druckkissen angeordnet wird.

Die gleiche Wirkung läßt sich auch dadurch erzielen, daß zwischen zwei Filterplatten mit darauf liegendem Filtermedium ein elastisches, undurchlässiges Druckkissen angeordnet wird, welches jeweils eine Wand der spaltförmigen Filterkammer bildet

Das Druckkissen dient als Druckausgleichskörper, der sich an seiner Oberfläche während des Durchströmens der Flüssigkeit entsprechend den Druckverhältnissen verformt Dadurch wird über die Flüssigkeit überall der gleiche lokale Strömungswiderstand erzeugt

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist die Vorrichtung rechteckige Filterplatten auf, deren spaltförmige Filterkammern von einer gemeinsamen, in Richtung der langen Seite erstreckenden Zuführungseinrichtung mit zu filtrierendem Medium beaufschlagt und parallel zu den Schmalseiten durchströmt werden; dabei verlaufen die Ablaufrillen für das Filtrat in jeder Filterplatte im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung der spaltförmigen FilterksTimern unter dem Filtermedium. Durch diese Anordnung der Ablaufrillen wird das Eindrücken des Filtermediums in die Rillen begrenzt so daß sich die gewünschte Spalthöhe sehr exakt einstellen läßt

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung.

F i g. 2 ist ein Schnitt längs der Uni« H-II von F i g. 1.

Fig.3 zeigt schematisch einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung.

F i g. 4 zeigt einen Teil des Schnittes längs der Linie IV-IV von Fig.3.

F i g. 5 ist ein Schnitt längs der Linie V-V von F i g. 4.

F i g. 6 zeigt in einer Ansicht wie F i g. 3 eine erste Modifizierung der Vorrichtung in der Ausführung von Fig. 3.

F i g. 7 zeigt in einer Ansicht wie F i g. 6 eine zweite Modifizierung der Vorrichtung.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem im wesentlichen quaderförmigen Gehäuse 1, in welchem übereinander eine Vielzahl von im wesentlichen rechteckigen plattenförmigen Filterelementen 10 gegeneinandergehalten angeordnet sind. Jedes Filterelement 10 besteht aus einer Vielzahl von ;rn wesentlichen rechteckigen Filterplatten 2, die je Filterelemente 10 in der in F i g. 1 gezeigten Weise hintereinander angeordnet sind. Jeder Filterplatte 2 ist eine sich über die eine ganze Längsseite erstreckende Zuführung 4 für zu filtrierendes Medium und auf der gegenüberliegenden Längsseite eine Abführung 5 für das filtrierte Medium zugeordnet. Die Zuführung 4 und die Abführung 5 je Filterplatte 2 sind zwischen zwei aufeinanderliegenden Filterelementen 10 gebildete Kanäle. Längs der einen Schmalseite eines jeden Filterelementes 10 erstreckt sich eine jeweils mit einem Einlaß 3 im Gehäuse 1 verbundene Zuleitung 7 und auf der gegenüberliegenden Längsseite eine jeweils mit einem Auslaß 6 im Gehäuse 1 verbundene Ableitung 8 für das filtrierte Medium. Die Zuleitung 7 und die Ableitung 8 sind Kanäle, die wie die Zuführung 4 und die Abführung 5 der Filterplatten 2 ausgebildet sein können.

Zwischen den einzelnen Filterplatten 2 sind spaltförmige Filterkammern 16 ausgebildet, die parallel zu den Schmalseiten der I üierpla'.ten 2 zwischen der Zuführung 4 und der Abführung 5 verlaufen. Die spaltförmigen Filterkammern 16 werden bei dem gezeigten

Ausführungsbeispiel von zwei Filtermedien I ( aus für die Ultrafiltration geeignetem Material begrenzt, die zwischen Stegen 12 von übereinanderliegenden Filterplanen 2 gehalten sind. Der Abstand der Stege 12 fixiert die Breite einer jeden spaltförmigen Filterkammer 16. In Diirchströmungsrichtung ist jede Filterkammer 2 mit zu den Stegen 12 parallelen Vorsprüngen 13 versehen, auf denen die Filiermedien 11 aufliegen. Zwischen den Vorsprüngen 13 werden Filtratrillen 9 gebildet, über die das durch die Filtermedien 11 filtrierte FiItrat abgeführt ^:" wird, was in Fig. 2 durch den Pfeil 14 veranschaulicht ist. Aus dem Gehäuse 1 wird das Filtrat über Aiislaßstiitzen 14' abgeführt, wobei jedoch auch ein im Gehäuse befindlicher Sammelkanal vorgesehen werden kann, so daß ein einziger Abfiihrstutzen genügen würde. '

Die Länge der spaliförmigen Filterkammern 16 ist durch den Abstand zwischen der Zuführung 4 und der

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erwähnt, ist die Breite einer jeden Filterkammer 16 durch den Absland der Siege 12 fixiert. Die Höhe einer '" jeden spaliförmigen Filierkammer 16 ist durch den Absland zwischen den Filtermedien 11 gegeben und ist in F i g. 2 mit 15 bezeichnet. Man sieht, daß dieser Abstand etwas zwischen einem Minimum und einem Maximum variiert, wobei das Minimum durch den ■'· Absland der Filtermedien 11 aufliegend auf den Vorsprüngen Π vorgegeben ist. während sich der maximale Absland zwischen den sich etwas in die f-iltratablaiif rillen 9 einwölbenden Filtermedien 11 ergibt. Die Spalthöhe 15 beträgt bei dem gezeigten '" Aiisführungsbeispiel etwa 50 μ.

Bei der in den F i g. 3 bis 5 gezeigten Ausführungsform sind die Filterplatten 2 kreisförmig ausgebildet und von einem zylindrischen Gehäuse I umschlossen. Die Filterplatten. 2 die in genau festgelegten Abständen '"' übereinander angeordnet sind, haben radiale Stege 12 (Fig. 4). auf denen das Filiermedium 11 aufliegt. Dadurch erhält man sich radial zum.Außenumfang des Gehäuses 1 hin erweiternde spaltförmige Filterkammern 16. wobei diese Erweiterung so festgelegt ist, daß -" Hip Ahnahnir Hp*. Slrömiinpswidprstnndps infnlpe der Zunahme der Breite der Kammern 16 durch die Steigerung des .Strömungswiderslandes infolge der Viskositälserhöhung des der Filtration unterliegenden Mediums aufgrund der Aufkonzentration ausgeglichen wird.

Die Zuführung des zu filtrierenden Mediums erfolg! über einen im zentralen Bereich des Gehäuses 1 angeordneten F.inlaß 3 und über dazu fluchtend ausgerichtete, auf der gleichen Achse liegende Zuführungen 7. von denen aus das zu filtrierende Medium in die spaliförmigen Filterkammern 16 strömt, wobei eine derartige Kammer auch zwischen der cinhiDscitigen Wand des Gehäuses 1 und dem Filtermedium Il der benachbarten Filterplatte 2 ausgebildet ist. In I 'mfanasrichtung sind auf jeder Filterplatte 2 verlaufende Filiratnblaiifrillcn 9 vorgesehen, die /wischen Vorspriin gen 13. wie dies aus F i g. 5 zu ersehen ist. ausgebildet sind. Vi>n diesen \ l!!r?.'?hlaiifrillpn 9 wird das I ihrai über radiale Kanäle, veranschaulich! durch die Pfeile 14. und eine im minieren Bereich des Gehäuses I liegende, zur Mittelachse parallele Ableitung 8 zum Filtraiabführstutzen 14' geführt. Das filtrierte Medium wird längs der gehäuseumfangsseitigcn Abführung 5 zu einein Auslaß 6 auf der Oberseite des Gehäuses I geführt, der ebenfalls im zentralen Bereich des Gehäuses I angeordnet ist.

Die in den F i g. 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen der Vor '-ehtiing entsprechen im wesentlichen der von Fig. 3.

Bei der in F i g. 6 gezeigten Ausführungsform ist zwischen dem Filtermedium 11 und der Filterplatte 2 ein elastisches poröses Druckkissen für die selbsttätige Einstellung des Strömungswiderstandes angeordnet. Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist zwischen den auf den Filterplatten 2 aufliegenden Filterrr.edien 11 ein elastisches Druckkissen 18 mit einer undurchlässigen Außenhaut angeordnet. Dieses Druckkissen dient ebenfalls zur selbsttätigen Einstellung des Strömungswiderstandes. Die Druckkissen 17 und 18 sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen ringförmig ausgebildet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

U Vorrichtung für die Ultrafiltration, insbesondere für die Filtration von Blut, mit mehreren spaltförmigen Filterkammern, die auf wenigstens einer Seite von einem Filtermedium begrenzt sind, unter dem sich ein Filtratablauf befindet, weiterhin mit einer Zuführung für das zu filtrierende Medium und mit einer Abführung für das durch das Filtrieren aufkonzentrierte Medium, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe jeder spaltförmigen Filterkammer (16) zwischen 8 und 150 μ und die Spaltlänge zwischen 50 und 150 mm liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalthöhe 10 bis 120 μ beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltlänge 10 bis 120 mm beträgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der spaltförmigen Filterkammern (16) mit der Entfernung «on der Aufgabestelle (4) des zu filtrierenden Mediums derart zunimmt, daß die dadurch bestimmte lokale Verringerung des Strömungswiderstandes durch den lokalen zusätzlichen Widerstand infolge der Viskositätszunahme des der Filtration unterliegenden Mediums ausgeglichen wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmigen Filterkammern (16) zwischen übereinander angeordneten Filterplatten (2) ausgebildet sind, auf denen das Filtermedium (II) gehalten ist, wobei die Höhe dieser spaltförmigen Filterkammern (16) durch den Abstand zwischen übereinanderliegenden Filtermedien (11) und/oder zwirnen einem Filtermedium (11) und einer Wand eines die Filterplatten (2) umschließenden Gehäuses (1) festgelegt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder spaltförmigen Filterkammer (16) zwischen dem Filtermedium (11) und der Filterplatte (2) ein flaches elastisches poröses Druckkissen (17) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Filterplatten (2) mit aufliegendem Filtermedium (11) ein elastisches undurchlässiges Druckkissen (18) angeordnet ist, welches jeweils die eine Wand der spaltförmigen Filterkammer (16) bildet.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch rechteckige FiI-terplatten (2), deren spaltförmige Filterkammern (16) von einer gemeinsamen, sich im Bereich der langen Seite erstreckenden Zuführung (4) mit zu filtrierendem Medium beaufschlagt sind und parallel zu den Schmalseiten durchströmt werden, wobei die Ablaufrillen (9) für das Filtrat in jeder Filterplatte (2) unter dem Filiermedium (11) im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung der spaltförmigen Filterkamftiefn (16) verlaufen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere rechteckige Filterplaiten (2) in einer Ebene hintereinander angeordnet sind, wobei für die Zuführung des zu filtrierenden Mediums eine zu den Schmalseiten parallele Zuleitung (7) auf der einen Seite des so gebildeten Filterelementes (10) und für die Abführung des filtrierten Mediums eine zu den Schmalseiten parallele Ableitung (8) auf der anderen Seite des

Filterelementes (10) vorgesehen ist,
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterplatten (2) kreisförmig ausgebildet sind, wobei die Zuführung (4) des zu filtrierenden Mediums und die Abführung (14') des Ritrates im zentralen Bereich des die Filterplatten (2) umschließenden Gehäuses (1) vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Außenumfang der Filterplatten (2) und der Gehäusewand vorgesehene Sammelkammer für das filtrierte Medium.
12. Vorrichtung nach Anspruch U. gekennzeichnet durch einen im zentralen Bereich des Gehäuses (1) vorgesehenen Auslaß (6) für das Abführen des filtrierten Mediums.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die die spaltförmigen Filterkammern (16) seitlich begrenzenden Stege (12) sich längs Radien der kreisförmigen Filterplatten (2) erstrecken.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterplatten (2) und Filterelemente (10) aus Kunststoff bestehen.