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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Ultrafiltration organischer
Flüssigkeiten, insbesondere zur Behandlung von Blut zum Einsatz als künstliche tiere,
zur Durchführung von Plasmapherese, zur Konzentrierung und Hochreinigung von Eiweißlösungen,
Entsalzung biologischer Lösungen, Entfernung von Makromolekülen und Entfernung von
Kolloden. Derartige Vorrichtungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches sind
bekannt (US-PS 3 579 441 und DE-OS 27 15 733) Die Stoffabtrennung der aus den zu
behandelnden Flüssigkeiten abzutrennenden Stoffe erfolgt mit Hilfe mikroporöser
Membranen, welche als flache Zuschnitte in einer Vielzahl in einem kastenförmigen
Gehäuse angeordnet und zumeist von einem Stützgewebe aus monofilen Kunststoff-Fäden
abgestützt sind. Die Hauptschwierigkeiten bestehen darin, die einzelnen Strömungspfade
der zu behandelnden Flüssigkeit gegenüber den Strömungspfaden des Permeats gegeneinander
abzudichten. In der Regel dienen solche Filtereinheiten als Einweg-Artikel, d.h.
nach der einmaligen Verwendung werden diese aus Sterilitätsgründen vernichtet, da
eine Reinigung und eine Sterilisation unter wirtschaftlichen und medizinischen Gesichtspunkten
nicht vertretbar ist.
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Auf Grund der verschiedenen Einsätze müssen auch verschiedene Membranen
unterschiedlicher Struktur und auch unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung
verwendet werden. Dies bedeutet aber, daß nicht alle Verbindungstechniken geeignet
sind, um die Membranzuschnitte untereinander dichtend zu verbinden.
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Derartige mikroporöse Membranen eignen sich auch nicht dazu, von vornnerein
in Form von Enziosschläuchen gefertigt zu werden, wie dies beIspielsweise bei der
Herstellung von Kunststoff-Folien zum Einsatz für die Dialyse bekannt ist. Derartige
Dialyse-Folienschläuche können auch bereits als Halbfertig-Fabrikate eine eingezogene
Gewebeabstützung enthalten, was die Herstellung von Dialysatoren In Schlauchform-Bauweise
wesentlich erlaichtert.
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Ein weiteer Mangel der bakannten Filter@orrichtungen für den angegebenen
Einsatzzwe; ist darin zu sehen,daß durch eine punktförmige Anströmung des zu behandelnden
Fluide am Beginn des Strömungspfades nicht sofort die gesamte membranfläche überstreichbar
ist und sich somit an eirzelnen Stellen der Membranfläehe strömungstechnische Totzonen
ausbilden. Ei es kenn bei der Bewandlung von Blut zu Hämolyseerscheinunger und zur
Bildung von Blutgerinseln führen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln
eine Filtervorrichtung @ür den angegebenen Zwect derart zu optimieren, daß nsben
einer kostengünstigenFertigung eine effektivere Überströmung der Membranflächen
erfolgt, daßkurzschlußpfade und Totzonen vermieden werden und daß der Strömungswiderstand
fürdie zu behandeinde Flüssigkeit möglichst niedrig gehalten und über die gesamte
Membranfläche gleichbleibend gehalten wirt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen
Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen dieser Merkmale sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Der Erfindungsgedanke, der die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten
zuläßt ist in mehreren bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden
Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht auf das kastenförmige
Gehäuse mit dem eingelegten Stapel aus Filtrationselementen bei abgenommenem Gehäusedeckel,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung nach der Schnittlinie 2-2 in Fig.
1, Fig. 3 einen Querschnitt durch-ein Filterelement und durch die Anström- und Abströmkante,
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Filterelement im Fertigungsstadium, Fig. 5 eine Variante
zu Fig. 3, Fig. 6 eine Variante zu Fig. 3, Fig. 7 eine Draufsicht auf die beiden
Zuschnitte für das Filterelement gemäß Fig. 6, Fig. 8 einen Querschnitt durch die
Vorrichtung nach der Linie 8-8 in Fig. 1 und Fig. 9 einen Detailschnitt -durch die
Vorrichtung gemäß der Linie 9-9 in Fig. 1.
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Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus dem kastenförmigen Kunststoffgehäuse
1, mit dem Gehäusevorsprung 1' und dem das Gehäuse 1 verschließenden Deckel 12,
aus den Membranzuschnitten 2 bzw. 2' und der von zwei Membranzuschnitten eingeschlossenen
Membranstütze 3'. Eine Vielzahl der Filterelemente 2,3 sind zu einem Stapel 5" in
dem Gehäuse 1 untergebracht.
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Im einzelnen weist das Gehäuse 1 bodenseitig einen rohrförmigen Einlaß
4 auf, der an der Gehäusestirnseite in einer Verteilerkammer 13 für die zu behandelnde
Flüssigkeit F1 übergeht und weist weiterhin auf der gegenüberliegenden Seite eine
Verteilerkammer 14 auf, die in einen Auslaß 5 übergeht. Die parallel zur Strömungsrichtung
der Flüssigkeit F1 liegende eine Gehäuseseite weist einen Gehäusevorsprung 1' auf,
welcher die Zungen 9 der Membranzuschnitte 2,2' und die Zungen 10 der Membranstütze
3 aufnimmt und an den Stirnseiten der Zungen 9,10 eine Sammelkammer 15 für das Permeat
P aufweist. Die dem Gehäusevorsprung 1' gegenüberliegende Gehäusewand 16 bildet
eine im wesentlichen glatte Gehäusewand, die lediglich mehrere nach der Innenseite
weisende Distanzrippen 26 trägt, welche im Deckelbereich in Zapfen 21 übergehen.
Entsprechend sind über die übrigen Gehäusewände weitere Distanzrippen 26 und Zapfen
21 vorgesehen. Der Boden des Gehäuses 1 und der Deckel 12 weisen quer und längsverlaufende
Versteifungsrippen 27 auf, die nach außen vorstehen. Entsprechend den Abständen
der Zapfen 21 sind im Deckel 12 durchgehende Zapfenbohrungen 20 vorgesehen, die
den eingepaßten Deckel 12 durchsetzen und zur dauerhaften Verbindung des Gehäuses
1 mit dem Deckel 12 thermoplastisch so verformt werden, daß sie die Funktion von
Nieten übernehmen. Der Randbereich des Deckels 12 ist
im Querschnitt
im wesentlichen Z-förmig aufgebaut und der Z-Steg 23 dient teilweise zum Höhenausgleich
der Stapel-Toleranzen und ist teilweise als Deckelführung ausgebildet, wobei der
obere Z-Schenkel 22 die Zapfenbohrungen 20 aufweist, durch welche die auf dem Gehäuseoberrand
vorstehenden Zapfen 21 hindurchgreifen.
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Dabei geht der untere Z-Schenkel 24 sowohl in Längsrichtung als auch
in Querrichtung in die Andruckplatte über, mit welcher sich der Stapel S aus Filterelementen
gemäß Fig. 9 auf ein Sollmaß im Gehäuse zusammenpressen läßt. Die im Gehäusedeckel
12 angeordneten hochstehenden Versteifungsrippen 27 verhindern eine Durchwölbung
des Gehäusedeckels 12. Zusätzlich sind im Gehäuse Einspritzöffnungen 28 vorgesehen,
durch-die hindurch flüssiger Kunststoff 11 als Dichtungsmaterial in den dafür vorgesehenen
Freiraum zwischen dem Stapel S der Filterelemente und der Gehäuseinnenwand eingespritzt
werden kann.
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In einer ersten Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 bestehen die im
Gehäuse 1 untergebrachten Filterelemente jeweils aus zwei Membranzuschnitten 2,
die einseitig eine Zunge 9 aufweisen und aus einem entsprechend geformten Zuschnitt
für die Membranstütze 3. Die Membranstütze 3 in Form eines unverwobenen oder verwobenen
Netzwerkes aus monofilen Kunststoff-Fäden wird sowohl an der Anströmkante- 17'-'
als auch an der Abströmkante 18'' U-förmig von Schmelzkleberfolien 7 eingefaßt,
während die Membranzuschnitte 2, die Membranstütze zwischen sich einschließend,
durch Schmelzintegration überlappend mit dem Randbereich der Schmelzkleberfolie
7 verbunden werden. Gemäß Fig. 3 entsteht
eine nahezu kantenlose
U-förmige Anströmkante 17'' und Abströmkante 16''.
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Gemäß Fig. 4 erfolgt die Herstellung dieser Zuschnitte in Form eines
Endlosschlauches, der an den Schnittlinien 25,25' in die etwa T-förmigen Filterelemente
aufgeteilt wird.
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In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 werden die Filterelemente sinngemäß
hergestellt. Hierbei sind die Randzonen 3' der gitterartigen Membranstütze 3 durch
Kalandrierung oder Schmelzverformung in eine folienförrnige, weitgehend geschlossene
Oberfläche zur Aufnahme und Verbindung der Membranränder verformt. Die Verbindung
erfolgt entweder durch thermische Behandlung, durch Kleben oder durch Anlösen der
Kunststoffoberfläche.
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Auch in dieser Ausführungsform ist die Anströmkante 17 und Abströmkante
18 strömungsgünstig geformt und bildet gleichzeitig die flüssigkeitsdichte Verbindung
der drei aufeinanderliegenden Zuschnitte 2,3,2.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 7 ist die einlaßseitige Anströmkante
17' durch die Faltenkante 19 eines U-sörrr,ig gefalteten und die Membranstütze 3
einschließenden, einstückigen Membranzuschnittes 2' mit zwei nach der Faltung deckend
übereinanderliegenden Zungen 9',9' gebildet. Die Membranstütze 3 liegt dabei gemäß
Fig. 7 etwa deckend auf der einen Hälfte des Zuschnittes 2', wobei die Abströmkante
18' durch die beiden aufeinanderliegenden Randbereiche des Zuschnittes 2' gemäß
Fig. 6 gebildet sind. Auch hier erfolgt die Verbindung der beiden Membranlagen beispielsweise
durch Ultraschallverschweißung oder die vorstehend genannten
Verbindungsmethoden.
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Die lediglich an der Anströmkante und an der Abströmkante gedichteten
Filterelemente nach der Ausführungsform gemäß Fig. 3, oder Fig. 5 oder Fig. 6 werden
in das Gehäuse gemäß Fig. 1 eingebracht, wobei die Fixierungsrippen 26 des Gehäuses
1 für eine Ausrichtung in Längs- und Querrichtung der Filterelemente sorgen.
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Zur Abdichtung der Strömungspfade für die zu behandelnde Flüssigkeit
F1 gegenüber dem Permeatauslaß 6 weisen die Zungen 9 der Filterelemente auf der
Oberseite eine Klebschicht 8 auf, die in Form eines aufgetragenen Klebstoffes oder
aber in Form einer doppelseitigen Klebefolie oder einer Schmelzkleberfolie die Dichtfunktion
übernimmt. Die Stirnseite der Filterelemente im-Bereich der übereinanderliegenden
Zungen 9,10 ist im Bereich der Sammelkammer 15 für das Permeat offen, so daß dieses
gemäß Fig. 1 in Richtung auf den Permeatauslaß 6 abgezogen werden kann. Ist die
vorausberechnete Anzahl an Filterelementen in das Gehäuse gemäß Fig.1,2,8 und 9
eingebracht, so erfolgt mit Hilfe eines Druckstempels ein Anpressen der Filterelemente
in dem von den Fixierungsrippen 28 umschlossenen inneren Viereck und gleichzeitig
auch mit einem kleineren Hilfsstempel ein Anpressen des Zungenbereiches im Gehäusevorsprung
1 Durch den Klebstoffauftrag im Zungenbereich kann eine ge-ringfügige öfiendifferenz
der aufeinanderliegenden Zungen 9,10 entstehen Durch die getrennte Anpressung ist
sichergestellt, daß der yn der zu behandelnden Flüssigkeit F1 zu überströmen-de
Membranbereich über die ganze Fläche und in den einzelnen tagen planparallel ausge-
richtet
ist. In dieser fixierten Lage erfolgt das Ausspritzen der Freiräume zwischen Gehäusewand
16 und der gegenüberliegenden Gehäusewand bis in den Bereich des Gehäusevorsprunges
1'. Nach Aushärten des Kunststoffes 11 erfolgt das Aufsetzen des Gehäusedeckels
12 in der bereits beschriebenen Weise. Zum Ausgleich der Höhendifferenzen zwischen
der überströmten Membranfläche und der Zungenfläche sowie zum Abdichten eines Kurzschlußpfades
in der Ebene der obersten Membran erfolgt anschließend ebenfalls ein Ausspritzen
des Deckelbereiches mit Kunststoff beispielsweise durch die im Deckel angeordneten
Einspritzöffnungen 28.
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Sinngemäß wird verfahren, wenn der Deckel 12 direkt als Andruckplatte
während der Montage benutzt wird. Hierbei erfolgt direkt die Einspritzung des Kunststoffes
11 bzw. des dafür geeigneten Dichtungsmaterials durch entsprechend verteilt angeordnete
Einspritzöffnungen 26 seitlich bzw.
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im Deckel 12. Um die Höhendifferenz zwischen dem überströmten Bereich
und dem von der zu behandelnden Flüssigkeit F1 nicht überströmten Zungenbereich
auszugleichen, ist auf der Unterseite des Gehäusedeckels im Bereich des Gehäusevorsprunges
1' eine die zusätzliche Höhe der Zungen ausgleichende Ausnehmung und/oder eine in
der Ausnehmung angeordnete und von außen betätigbare Stempelplatte vorgesehen, die
eine gesonderte Anpressung der Zungen 9,10 zuläßt. Auch der für die Stempelpiatte
vorgesehene Stempelzapfen kann anschließend durch Schweißung oder Verformung am
Gehäusedeckel 12 festgelegt werden.
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Gleichermaßen kann der Hohlraum in diesem Bereich durch Dichtungsmittel
ausgefüllt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung kann die zu behandelnde Flüssigkeit
durch den Einlaß 4 eintreten, sich in der Verteilerkammer 13 über die gesamte Breite
der Membranzuschnitte verteilen und diese ganzflächig in Richtung auf die Verteilerkammer
14 überströmen und durch den Auslaß 5 austreten. Gleichermaßen kann das Permeat
P aus der Abstützebene der Membranstütze 3 in den einzelnen Lagen in Richtung auf
die Sammelkammer 15 und den Permeatauslaß 6 abgesaugt werden. Durch die besondere
Ausbildung der Filterelemente ist einerseits eine rationelle Fertigung und eine
rationelle Abdichtung der einzelnen Strömungspfade möglich, zum andern wird durch
die strömungsgünstigen Anströmkanten 17,17',17' und der zugeordneten Abströmkanten
wird der Flüssigkeit F1 ein geringer Strömungswiderstand und eine günstige Verteilung
geboten. Dadurch, daß die Abdlchtzone im Bereich des Permeatauslasses 6 außerhalb
der überströmten Fläche für die Flüssigkeit F1 angeordnet ist, können keine Totzonen
entstehen, in der die Flüssigkeit FA in ihrem freien Fluß von der Verteilerkammer
13 zur Verteilerkammer 14 gehemmt ist. Die Möglichkeit der individuellen Anpressung
des Gehäusedeckels 12 auf den Stapel S der Filterelemente von Vorrichtung zu Vorrichtung
sichert eine genaue und gleichmäßige Einstellung der Spalte zwischen überströmten
Membranzuschnitten.
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Als Dichtungsmaterial 11 für die Kunststoffdichtung können alle für
den Einsatz im Medizinbereich toxikologisch unbedenklichen Kunstharze, Kunststoffe
oder Kleber eingesetzt werden, wenn die Vorrichtung z.B, zur Behandlung von Blut
dient. Die Wahl der handelsüblichen Kunststoffe, Kleber und Kunstharze zur Abdichtung
richtet sich ganz allgemein nach dem Kriterium der Verträglichkeit mit dem zu behandelnden
Fluid (Gas oder Flüssigkeit) und der Verbindbarkeit mit dem Membran-, Membranstütz-
und Gehäusematerial
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