DE3423737A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen dosierten entnahme oder zugabe von kleinen fluidmengen - Google Patents

Description

X - A3GW32O91

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen dosierten Entnahme oder Zugabe von kleinen Fluidmengen

A k ζ ο GmbH

Wuppertal

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen dosierten Entnahme oder Zugabe von kleinen Fluidmengen über einen längeren Zeitraum durch Erzeugen und Aufrechterhalten von kleinen gleichmäßigen Fluidströmen sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Zum Erzeugen kleiner gleichmäßiger Fluidströme wurden bisher den jeweiligen Anforderungen entsprechend die unterschiedlichsten Einrichtungen verwendet, so beispielsweise Kapillaren/ also feinste Röhrchen,aus Glas oder Metall, einzelne, gegebenenfalls scharfkantige, Bohrungen in Platten, Zylinder, die entlang einer Mantellinie mit einer Kerbe versehen waren und in einem nur einen durch die Kerbe gebildeten Kanal freilassenden Rohr eingepaßt waren, u. dgl.

A3GW32O91

Die Herstellung solcher Einrichtungen ist technisch aufwendig. Zudem besteht bei solchen Einrichtungen die Gefahr, daß der äußerst feine Strömungskanal durch kleinste Teilchen ganz oder teilweise verstopft und der Fluidstrom damit ganz oder teilweise unterbrochen wird. Verfahren, bei denen ein Fluid durch eine Membran strömt, sind ebenfalls bekannt, so beispielsweise die umgekehrte Osmose oder die Dialyse. Poröse Membranen wurden bisher beispielsweise zum Filtern, so bei der Ultrafiltration, oder zum Abtrennen einer Flüssigkeit skomponen te aus einer Flüssigkeit, beispielsweise zur Abtrennung (Gewinnung) von Blutplasma aus Vollblut, zur Blutoxygenation, zur Gastrennung, zur Transmembrandestillation und anderen Trennverfahren verwendet.

Ziel aller dieser bekannten unter Verwendung von Membranen durchgeführten Verfahren ist es, möglichst hohe Fluidströme durch die Membranen, sogenannte Durchflußraten, zu erzielen, wobei im Verlaufe dieser Verfahren im allgemeinen eine allmähliche Abnahme der transmembranen Fluidströme stattfindet und die Membran demzufolge zur Wiederherstellung des gewünschten ursprünglich hohen transmembranen Fluidstroms regeneriert, durch (Rück-)Spülung gereinigt oder ersetzt werden muß.-

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei welchem mit einfachen Mitteln, also mit erheblich geringerem technischen Aufwand, kleine gleichmäßige Fluidströme erzeugt und - falls gewünscht - über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden können und das aus diesem Grunde die kontinuierliche Entnahme oder Zugabe von kleinen Fluidmengen

"ö ·

- if - A3GW32O91

über einen längeren Zeitraum aus einem bzw. zu einem Fluidreservoir oder Fluidstrom gestattet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zur kontinuierlichen dosierten Entnahme oder Zugabe von kleinen Fluidmengen über einen längeren Zeitraum durch Erzeugen und Aufrechterhalten von kleinen gleichmäßigen Fluidströmen erfindungsgemäß mindestens ein sehr kleiner gleichmäßiger Fluidstrom mit einer für das Fluid durchlässigen Membran erzeugt und aufrechterhalten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für flüssige, dampfförmige und gasförmige Fluide sowie für technische und medizinische Einsatzzwecke gleichermaßen gut geeignet, wobei insbesondere im medizinischen Bereich seine Vorteile zur Geltung kommen. Hier nämlich eignet.es sich hervorragend, beispielsweise bei der blutigen Herzkatheterisierung, bei der blutigen Blutdruckmessung, zur langsamen kontrollierten Zugabe von Medikamenten, zur kontinuierlichen Insulininfusion, zur Entnahme von Rückenmark/ Wundflüssigkeit oder Gehirnflüssigkeit und ähnlichen in der Medizin üblichen Verfahren, bei denen die Zugabe oder Entnahme kleinster Flüssigkeitsmengen über beispielsweise in Stunden zählende Zeiträume erfolgt.

Eine Kathetereinrichtung für die Herzkatheterisierung, bei welcher der geringe Flüssigkeitsstrom zum Durchströmen des Mikrokatheters mit einer Kapillare erzeugt wird, ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 566 bekannt.

Im technischen Bereich ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil beispielsweise zur kontinuierlichen Entnahme

A3GW32O91

einer geringen Gasmenge aus einem Gasstrom oder -reservoir zur Überwachung der Zusammensetzung des Gases mittels Massenspektroskopie oder Gaschromatografie/ zum Beispiel bei Abluft, Abgasen oder Rauchgasen^oder zur kontinuierlichen Entnahme einer geringen Flüssigkeitsmenge aus einem Flüssigkeitsstrom oder -reservoir zur Analyse der betreffenden Flüssigkeit, beispielsweise bei der Abwasserüberwachung oder bei der Kontrolle und Steuerung chemischer Verfahren einsetzbar.

Unter sehr kleinen Fluidströmen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Fluidströme im Bereich von 1 ml/Tag bis 100 ml/h verstanden. Die jeweils gewünschte Fluidmenge läßt sich durch geeignete Auswahl und Bemessung der Membran und Anwendung einer geeigneten Druckdifferenz an der Membran einstellen. Als Maß für den druckabhängigen transmembranen Durchfluß wird üblicherweise die sogenannte Ultrafiltrationsrate (UFR) angegeben, die den transmembranen Durchfluß einer Membran für Wasser gemessen in Milliliter pro Quadratmeter Membranfläche pro Stunde und pro Druckeinheit gemessen in Millimeter Quersilbersäule angibt.(ml/m²-h-mm Hg).

Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere Membranen mit einer für Wasser im Bereich von 2 bis 500 ml/m²·h-mm Hg und ganz besonders solche mit einer im Bereich von 15 bis 100 ml/m²'h-mm Hg liegenden Ultrafiltrationsrate. Eine Methode zur Bestimmung dieser für Membranen typischen Kenngröße wird weiter unten angegeben.

Geeignete Membranen stehen in großer Vielfalt als Flachfolien, Schlauchfolien, Rohre, dünne Schläuche oder .Hohl-

- -5-·- A3GW32O91

fasern (auch Hohlfäden oder Kapillaren genannt) zur Verfügung. Die Auswahl der für den jeweiligen Verwendungszweck am besten geeigneten Membran ist ohne weiteres, allenfalls nach Durchführung einfacher Versuche, möglich.

Als zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet haben sich dabei Membranen erwiesen, die aus aus einer Cellulose-Cuoxam-Lösung regenerierter Cellulose, aus Cellulose-Acetat, aus ganz oder teilweise verseiftem Cellulose-Acetat, aus Nylon oder Polypropylen bestehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil insbesondere im medizinischen Bereich mit Membranen durchgeführt werden, die Poren mit einer maximalen Porengröße von 0,2 μπι aufweisen, da mit solchen Membranen gleichzeitig eine Sterilfiltration des hindurchtretenden Fluids erreicht wird. Es ist jedoch auch möglich, eine solche Sterilfiltration, eine andere übliche (Vor-)Filtration und/oder bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Flüssigkeit das Abtrennen von in der Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen vor dem erfindungsgemäßen Erzeugen und Aufrechterhalten des sehr kleinen gleichmäßigen Fluidstroms durchzuführen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein unbeabsichtigt in dem Fluid enthaltenes Fremdteilchen nicht zu einer nennenswerten Beeinträchtigung des gewünschten Fluidstroms durch die Membran führt, da die dem Fluid zum Hindurchtreten zur Verfügung stehende Membranfläche in jedem Fall ein Vielfaches der Größe des Teilchens beträgt und das Teilchen allenfalls nur einen unbeachtlichen

Jir - A3GW32O91

Teil dieser Fläche für den Durchfluß sperren kann. Bei Kapillarröhrchen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, dagegen konnte ein einziges Fremdteilchen bereits zu einer Blockierung des feinen Strömungskanals, zumindest aber zu einer nennenswerten Verengung desselben und damit zu einer erheblichen Beeinträchtigung des Durchflusses führen.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit wenigstens einer Membran in Hohlfadenform durch geführt, da es hierbei möglich ist, die erforderliche Membranfläche auf kleinstem Raum unterzubringen. Selbst bei Verwendung nur eines Hohlfadens ist zudem die Verstopfungsgefahr vergleichsweise gering, da selbst die für kleinste Fluidströme noch geeigneten Hohlfäden einen wesentlich größeren Durchmesser haben können, als die bisher üblichen Kapillaren usw., denn das den Fluidstrom bestimmende Mittel ist hierbei die Hohlfadenwandung bzw. deren Poren und die Fläche der Hohlfadenwandung wiederum ist noch größer als der Lumenquerschnitt der Hohlfäden. Die Herstellung von Vorrichtungen, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, unter Verwendung von Hohlfäden ist zudem mit erheblich geringerem technischen Aufwand möglich, als die Herstellung der bisher dafür verwendeten oben beispielshalber genannten Einrichtungen. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren Hohlfäden besteht zudem eine noch weitaus geringere Verstopfungsgefahr, da es bei sorgfältiger Vorbereitung und Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeschlossen ist, daß - wenn überhaupt - eine Verstopfung mehrerer Hohlfäden eintritt. Eine Schwankung des Fluidstroms in der Größenord-

L J

A3GW32O91

nung von 5% kann im allgemeinen hingenommen werden. Aus diesem Grunde hat sich eine Hohlfadenanzahl von maximal 20 als äußerst praktikabel erwiesen, weil dabei selbst bei einer - äußerst selten vorkommenden - völligen Verstopfung eines Hohlfadens der transmembrane Pluidstrom um lediglich 5% reduziert würde.

Andererseits ist die mit 20 Hohlfaden erreichbare Membranfläche für die meisten Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Verfahrens noch klein genug, um den gewünschten sehr kleinen Fluidstrom noch sicher einstellen zu können. Eine Bemessung der von dem Fluid durchströmbaren Membranfläche ist darüber hinaus über eine entsprechende Bemessung der Länge und/oder des Durchmessers der Hohlfäden möglich und auf einfachste Weise realisierbar. Wird eine Verringerung des Fluidstroms durch eine eventuelle Verstopfung von bis zu 10% hingenommen, so kann aus den oben dargelegten Gründen das erfindungsgemäße Verfahren auch mit nur 10 Hohlfäden durchgeführt werden.

Bei Verwendung einer größeren Anzahl von Hohlfaden ergibt sich darüber hinaus der Vorteil, daß bei einem Hohlfadenbündel mit einem zu großen transmembranen Durchfluß dieser durch Verschließen eines oder mehrerer Hohlfaden auf einfache Weise auf den Sollwert reduziert werden kann.

Hohlfaden sind zudem mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand in beliebiger Länge mit äußerst gleichbleibender Qualität und reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar und zu Hohlfadenbündeln und diese wiederum zu für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Einheiten zu verarbeiten.

A3GW32O91

Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete, an der Membran einzustellende Druckdifferenz richtet sich nicht nur nach der gewünschten Fluidmenge, sondern kann beispielsweise auch von den Membraneigenschaften abhängen, so beispielsweise wenn zum Erzeugen eines transmembranen Fluidstromes ein bestimmter membranspezifischer Mindestdruck überschritten werden muß. Jedoch können auch andere Kriterien für die anzuwendende Druckdifferenz eine Rolle spielen, so beispielsweise bei der Herzkatheterisierung oder Blutdruckmessung, bei denen sich die anzuwendenden Drücke nach dem jeweiligen Blutdruck richten. Eine hierbei übliche Druckdifferenz liegt beispielsweise im Bereich von 200 bis 300 mm Hg.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch bei einer so geringen Druckdifferenz wie beispielsweise 2 oder 3 mm Hg durchgeführt werden. Auch ist es möglich, die erforderliche Druckdifferenz durch Erzeugen von Unterdruck nach der Membran zu erreichen. Das Einstellen, Aufrechterhalten und überwachen auch sehr niedriger Druckdifferenzen an der Membran stellen an sich kein technisches oder meßtechnisches Problem dar und sind mit den hierfür üblichen bekannten Mitteln und Maßnahmen zu bewerkstelligen. Ihre praktische Realisierbarkeit richtet sich lediglich nach dem jeweils zulässigen technischen Aufwand. Das Zuführen des Fluids zu der Membran kann zweckmäßigerweise aus einem Vorratsgefäß über eine starre oder flexible Zuleitung, also ein Rohr oder einen Schlauch, erfolgen. Zum Erzeugen des zum Erreichen des gewünschten Fluidstroms erforderlichen Druckes unmittelbar vor der Membran kann das Vorratsgefäß in einer entsprechenden Höhe über der Membran angeordnet werden, wobei das Vorratsgefäß dann offen oder mit einer Belüftung versehen sein muß, die

A3GW32O91

- insbesondere bei medizinischer Anwendung - gegebenenfalls nur den Zutritt sterilgefilterter Luft zulassen darf. Als Vorratsgefäß kann jedoch auch ein geschlossener Behälter verwendet werden, in welchen zum Erzeugen des erforderlichen Druckes vor der Membran ein entsprechender Druck, beispielsweise mit Hilfe eines Gasdruckpolsters, eingestellt wird.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es wie auch bei den bisher üblichen gattungsgemäßen Verfahren notwendig sein, irgendeinen Teil der fluidführenden Leitung vor oder nach der Membran mit einem kurzzeitigen Fluidstoß. zu beaufschlagen. So ist es beispielsweise bei der Herzkatheterisierung oder Blutdruckmessung erforderlich, den in das Herz bzw. eine Arterie des Patienten eingeführten Meßkatheter von Zeit zu Zeit zu spülen, da trotz des ständigen Druchströmens des Meßkathers mit beispielsweise physiologischer Kochsalzlösung ein teilweises Verstopfen desselben durch Tromben stattfindet, wodurch die Blutdruckmessung verfälscht wird. Oder: Nach einer Blutentnahme durch einen solchen Katheter ist es notwendig, diesen zunächst wieder freizuspülen, um anschließend die Blutdruckmessung und Überwachung der Herztätigkeit wieder ungestört durchführen zu können. Der für diese beispielshalber genannten und ähnliche Fälle erforderliche kurze vergleichsweise kräftige Spülstrom wird vorzugsweise durch kurzzeitiges überbrücken der Membran erreicht. Es ist eine Vielzahl speziell hierfür geeigneter und bestimmter Einrichtungen bekannt, die auch beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können. Eine wesentlich einfachere Einrichtung, die das Überbrücken der Membran auf wesentlich einfachere Weise ermöglicht, wird weiter unten vorgestellt.

l·« - A3GW32O91

Je nach Anwendungsgebiet kann es auch von Vorteil sein, die Membran durch kurzzeitiges Queranströmen, wie beispielsweise bei der Cross-Flow-Filtration üblich, von eventuellen Ablagerungen freizuspülen und die dabei erhältliche, die eventuellen Ablagerungen enthaltende Spülflüssigkeit getrennt aufzufangen oder, abzuleiten und zu verwerfen.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse mit einer Fluid-Zuführöffnung und einer Fluid-Abführöffnung und einer in dem Gehäuse fluiddicht angeordneten fluiddurchlassigen Membran,die den von dem Gehäuse eingeschlossenen Innenraum in eine erste und in eine zweite Kammer unterteilt, wobei die Fluid-Zuführöffnung in der ersten Kammer und die FTuid-Abfuhröffnung in der zweiten Kammer mündet.

Vorzugsweise wird die fluiddurchlässige Membran durch wenigstens einen Hohlfaden gebildet, der mit seinem offenen Ende in die erste Kammer mündet und in die zweite Kammer hineinragt und dessen anderes Ende verschlossen ist.

Die Membran kann auch durch wenigstens einen Hohlfaden gebildet werden, dessen beide offenen Enden in die erste Kammer münden und dessen U-förmig ausgebildeter Teil in die zweite Kammer hineinragt.

Die offenen Enden sind vorzugsweise in einer Vergußmasse eingebettet, so daß die Hohlfadeneinbettung zusammen mit den Hohlfadenwandungen die Trennwand zwischen der ersten und fder zweiten Kammer bilden, wobei die Einbettung fluiddicht mit dem Gehäuse verbunden ist, so daß das Fluid nur

A3GW32O91

durch die Wandung der Hohlfaden in die zweite Kammer treten kann.

Bei im wesentlichen geraden Hohlfaden können die in die zweite Kammer hineinragenden Hohlfadenenden auch dadurch verschlossen sein, daß sie vollständig in einen Vergußmasseblock eingegossen sind.

Die Möglichkeit, Membraneinheiten mit unterschiedlicher Membranfläche in einheitlich bemessenen Gehäusen anzuordnen und damit eine zu große Typenvielfalt zu vermeiden/ ist dabei dadurch gegeben, daß die Hohlfaden den jeweiligen Anforderungen entsprechend auf unterschiedlicher Länge eingebettet und damit fluiddicht verschlossen und die fluiddurchlässige Membranfläche dadurch ebenfalls unterschiedlich groß bemessen werden können.

Das Einstellen der gewünschten Ultrafiltrationsrate ist bei Verwendung mehrerer Hohlfäden auch durch das völlige Verschließen des offenen in die erste Kammer mündenden Endes eines oder mehrerer Hohlfaden bis zum Erreichen des gewünschten Wertes möglich.

Zum Erzeugen eines kurzen Flüssigkeitsstoßes durch Überbrücken der Membran wie oben beschrieben ist die Einbettung der offenen Hohlfadenenden vorzugsweise in einem flexiblen Schlauch angeordnet. Diese Anordnung gestattet es nämlich durch einseitige Verformung des Schlauches im Bereich der Einbettung einen Fluiddurchlaß zwischen Einbettmasse und Schlauch herzustellen und diesen jederzeit wieder rückgängig zu machen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform hierzu ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt.

A3GW32O91

Ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im medizinischen Bereich vorgesehen, so sind alle Teile der Vorrichtung den hierfür geltenden Vorschriften entsprechend auszubilden, insbesondere sind die einzelnen Teile aus den hierfür gebräuchlichen blutverträglichen Werkstoffen herzustellen. Als Einbettmasse für die Hohlfaden hat sich Polyurethan dabei besonders bewährt.

Bei Hohlfadenbündeln hat sich für den Durchmesser des Hohlfadenbündels ein Wert als sehr brauchbar erwiesen, der etwa ein Drittel der Bündellänge beträgt. Die Hohlfadenlänge sollte zur Erleichterung der Verarbeitung mindestens 20 mm betragen, wobei die fluiddurchlässige Länge der Hohlfäden jedoch erheblich geringer sein kann. So kann bei einer Hohlfadenlänge von.beispielsweise 30 mm die Einbettlänge 25 mm betragen, so daß die freie, das heißt fluiddurchlässige effektive Länge 5 mm beträgt.

Kleine gleichmäßige Fluidströme können erfindungsgemäß auch dadurch erzeugt werden, daß mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen parallel geschaltet und die einzelnen individuell erzeugten Fluidströme zusammengeführt werden.

Auch ist es erfindungsgemäß möglich, den erfindungsgemäß erzeugten Fluidstrom mit einem auf andere Weise erzeugten größeren Fluidstrom zusammenzuführen, um auf diese Weise einen sehr genau dosierten größeren Fluidstrom zu erhalten.

A3GW32O91

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen in vereinfachter schematischer teilweise geschnittener Darstellungsweise:

Figur 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer flachen Membran,

Figur 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit U-förmig ausgebildeten Hohlfäden,

Figur 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit geradlinig verlaufenden Hohlfäden,

Figur 4 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 5 und 6 eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 7 und 8 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 9 den Aufbau einer Meßeinrichtung zur Bestimmung der Ultrafiltrationsrate von Hohlfasern (Hohlfäden).

342373

-M- A3GW32O91

Figur 1 zeigt die in dem rohrförmigen Gehäuse 2 eingespannte Membran 1, durch die der von dem Gehäuse 2 umgebene Innenraum in die erste Kammer 3 und die zweite Kammer 3 unterteilt wird. Die Durchflußrichtung ergibt sich aus den eingezeichneten Richtungspfeilen. In der ersten Kammer 3 vor der Membran 1 kann ein höherer Druck eingestellt werden als in der zweiten Kammer 4 nach der Membran 1, wodurch ein Hindurchströmen eines Fluids von der ersten Kammer 3 durch die Membran 1 hindurch in die zweite Kammer 4 bewirkt wird. Durch Einstellen einer entsprechenden Druckdifferenz zwischen der ersten Kammer 3 und der zweiten Kammer 4 kann somit die pro Zeiteinheit gewünschte Fluidmenge durch die Membran 1 hindurchgefördert und gleichmäßig dosiert werden. Das Fluid wird der ersten Kammer 3 durch die Zuführöffnung 3a zugeführt und durch die Abführöffnung 4a aus der zweiten Kammer weggeführt.

Bei der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung besteht die Membran 1 aus mehreren U-förmig ausgebildeten Hohlfäden 1, die mit ihren offenen Enden in einem Vergußmasseblock 5 eingebettet sind, der fluiddicht mit dem Gehäusemantel 2 verbunden ist. Im übrigen ist die Funktionsweise dieser Vorrichtung die gleiche wie die der in Figur 1 dargestellten und zuvor beschriebenen Vorrichtung. Durch die Verwendung von Hohlfäden ist es jed-Qch' möglich, die erforderliche Membranfläche in einem Gehäuse mit einem kleineren Strömungsquerschnitt und insgesamt kleineren Abmessungen unterzubringen und bei gleicher Membrandicke höhere Druckdifferenzen anzuwenden, als dies bei einer flachen Membran der Fall ist. Da bei den U-förmig ausgebildeten Hohlfäden 1 beide Enden jedes Hohlfadens 1 in der ersten Kammer 3 münden, ist ein Durchfluß auch hier nur durch die als Membran wirkende Wandung der Hohlfäden 1 möglich.

3 Λ 2 3 7 3 7"

A3GW32O91

In Figur 3 wird die Membran 1 durch mehrere im wesentlichen geradlinig verlaufende Hohlfaden 1 gebildet, die mit ihrem einen offenen Ende in dem Vergußmasseblock 5a eingebettet sind und in die erste Kammer 3 münden und mit ihrem anderen Ende in dem Vergußmasseblock 5b eingebettet sind und in die dritte Kammer 6 münden. Die dritte Kammer 6 ist über die Fluidleitung 7 mit dem Absperrorgan 8 verbunden. Die Vergußmasseblöcke 5a und 5b sind fluiddicht mit dem Gehäusemantel 2 verbunden. Der Strömungsverlauf ist durch die eingezeichneten ausgezogenen Pfeile angedeutet. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Vorrichtung tritt das Fluid aus der ersten Kammer 3 in die Hohlfaden 1, d.h. also in deren Lumen, ein, tritt durch die Wandung der Hohlfäden 1, also die Membran 1, hindurch in die zweite Kammer 4 und verläßt die Vorrichtung durch die öffnung 4a im Gehäuse 2, an die üblicherweise eine in Figur 3 jedoch nicht dargestellte Fluidleitung angeschlossen ist. Zum Wegspülen von Ablagerungen, die sich gegebenenfalls an der Innenseite der Hohlfadenwandungen gebildet haben, kann das Absperrorgan 8 kurzzeitig geöffnet werden. Die dabei sich ergebende Flußrichtung ist durch den gestrichelten Pfeil angedeutet.

In Figur 4 ist eine Vorrichtung zur blutigen Blutdruckmessung bzw. Herkatheterisierung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Flüssigkeit, beispielsweise physiologische Kochsalzlösung, befindet sich in der geschlossenen Kammer 10 des Behälters 9. Die Kammer 10 ist durch die biegsame gas- und flüssigkeitsundurchlässige Membran 12 von der Druckkammer 11 des Behälters 9 getrennt.

A3GW32O91

Die Druckkammer 11 ist über die Fluidleitung 13 mit einer nicht dargestellten druckerζeuqenden Einrichtung verbunden. Durch Einstellen eines Überdruckes in der Druckkammer 11 wird auch in der Flüssiqkeitskammer 10 ein entsprechender Überdruck erzeuqt. Der gewünschte Flüssigkeitsstrom kann somit über den Druck in der Druckkammer 11 des Behälters gesteuert werden. Von der Flüssigkeitskammer 10 des Behälters 9 führt die Fluidleitung 14 zu der eigentlichen Dosiereinrichtunq 1; 2; 3; 4; 5 /die der in Figur 1, 2 oder 4 und 5 dargestellten entspricht. Von dieser Dosiereinrichtung führt die Fluidleitung 17 zu einem nicht dargestellten Meßkatheter, einer Iniektionsnadel od. dgl. An die Fluidleitung 17 ist über die Fluidleitunq 18 das Druckmeßqerät 19, beispielsweise ein Monitor mit Oszillograph, angeschlossen, mit dem beispielsweise der Blutdruck eines Patienten gemessen werden kann, während ständig ein geringer Flüssigkeitsstrom aus der Flüssigkeitskammer 10 des Flüssigkeitsbehälters 9 über die Fluidleitung 14, die Dosiereinrichtung 1; 2; 3; 4; 5 , die Fluidleitung 17 und die nicht dargestellte in den Körper des Patienten führende Kanüle dem Blutkreislauf des Patienten zugeführt wird. Wenn es dabei zu einer teilweisen oder völligen Verstopfung des in das Blutgefäß des Patienten mündenden äußerst feinen Flüssigkeitskanals kommen sollte, wodurch die Blutdruckmessung beeinträchtigt wird, kann durch Betätigen des Absperrorgans 16 ein wesentlich größerer Flüssigkeitsstrom durch die Fluidleitung 15 an der Dosiereinrichtung vorbei in die Fluidleitung 17 strömen gelassen werden und die Verstopfung damit beseitigt werden, indem die die Verstopfung verursachenden Teilchen, im allgemeinen Tromben, weggespült werden. Die Verbindungs-

A3GW32O91

leitungen 14, 15, 17 und 18 können starr, d.h. als Rohr oder flexibel, d.h. als Schläuche, ausgebildet sein. Das Absperrorgan 16 in der Umgehungsleitung (by-pass) 15 unterliegt hinsichtlich seiner Größe und Funktionsweise keinerlei Beschränkungen, solange es einen für das Freispülen von Verstopfungen oder für andere betriebliche Erfordernisse ausreichend großen Flüssigkeitsdurchtritt gewährleistet. Die je nach den Anforderungen hierzu am besten geeigneten einfach zu betätigenden und zuverlässig arbeitenden Einrichtungen, Absperrorgane, Ventile u. dgl. sind an sich bekannt und stehen dem Fachmann in ausreichender Vielfalt zur Verfugung, so daß auf besondere Ausfuhrungsformen hier im einzelnen nicht eingegangen zu werden braucht.

In den Figuren 5 und 6 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, mit der das überbrücken der Membran in besonders einfacher Weise erreicht wird. Hierbei ist der die Membran 1 haltende Vergußmasseblock 5, der bei Verwendung einer flachen Membran beispielsweise ringförmig ausgebildet sein kann, in dem flexiblen elastischen Mantel des Gehäuses 2 fluiddicht eingepaßte, jedoch nicht fest mit diesem verbunden. Um den Gehäusemantel 23 ist im Bereich des Vergußmasseblockes 5 die U-förmig ausgebildete Klammer 20 herumgelegt und mit den übrigen Teilen des ,Gehäuses 2 teilweise fest verbunden. Durch Zusammendrücken der beiden freien Enden 21 der Klammer 20 beispielsweise mit Daumen und Zeigefinger (in Pfeilrichtung) wird der Gehäusemantel so deformiert, daß zwischen dem Gehäusemantel 23 und dem Vergußmasseblock 5 ein Spalt 22 entsteht, durch den eine wesentlich größere Fluidmenge hindurchtreten kann als

3r& - A3GW32O91

durch die von den Hohlfaden 1 gebildete Membran. Beim Loslassen, also beim Entlasten, der beiden freien Enden 21 der aus einem federnden Material bestehenden Klammer .20 nimmt der Gehäusemantel 23 wieder seine ursprüngliche Form ein, wodurch der Spalt 22 wieder verschwindet. Im allgemeinen genügt es, den Gehäusemantel 23 nur im Bereich des die Membran 1 haltenden Vergußmasseblockes 5 aus einem flexiblen elastischen Material, beispielsweise aus Silikonpolyurethan, zu fertigen.

Die Figuren 7 und 8 zeigen, auf welch einfache Weise es möglich ist, zu Hohlfadeneinheiten zu gelangen, die trotz gleicher äußerer Abmessungen (Durchmesser und Länge) für unterschiedliche Fluidströme ausgelegt werden können. Der Vorteil hierbei ist, daß für solche in ihrer Durchflußrate sich unterscheidenden Einheiten aufgrund deren gleichen äußeren Abmessungen einheitliche Gehäuse 2, d.h. Gehäuse mit den gleichen Abmessungen,verwendet werden können. Hierdurch kann eine allzu große Typenvielfalt vermieden werden. Dies wird, wie die Figuren 7 und 8 deutlich zeigen, dadurch erreicht, daß die Hohlfäden 1 unterschiedlich lang eingebettet werden, so daß demzufolge die freie, für den Fluiddurchfluß zur Verfügung stehende Hohlfadenlänge ebenfalls unterschiedlich lang bemessen werden kann. Der bei dieser Methode gegebenenfalls geringfügig höhere Materialaufwand für die größeren Vergußmasseblöcke 5 (Figur 8) ist im allgemeinen wesentlich geringer als der andernfalls notwendige technische Aufwand für eine größere Typenvielfalt. Die übrigen Teile der in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ihren Positionszahlen entsprechend die gleichen wie die der in den Figuren 1 bis

6 dargestellten Ausfuhrungsformen.

A3GW32O91

Bestimmung der Ultrafiltrationsrate:

Zur Bestimmung der Ultratiltrationsrate werden, wie in Abbildung 9 dargestellt, folgende Teile benötigt:

eine Acrylglaswanne (Außenmaße: Länge 1 000 mm, Breite 250 mm

Höhe 200 itm, Wandstärke 10 mm)

ein Thermostat

eine Meßpipette mit 0,1 ml Teilung

ein 5-Liter-Wasserbehälter

ein Reduzierventil (Standardtype für Stickstoffflaschen) ein Reduzierventil, selbst abblasend, 0 bis 1,4 bar ein Feinmeßmanometer, 0 bis 1 bar

Aufnahmeeinrichtungen (Brücken) aus Acrylglas zur Aufnahme der Anschlüsse der zu untersuchenden Hohlfaserzelle

Glasrohre

Schläuche

Hähne

T-Stücke

Schlauchstellen

Schlauchklemmen

Stative

Die Anordnung der einzelnen Teile ist der Abbildung 9 zu entnehmen. Die Wanne wird zu ca. 3/4 mit vollentsalztem Wasser gefüllt, das mit dem Thermostaten auf einer Temperatur von ca. 37⁰C gehalten wird. Der 5-Liter-Wasserbehälter wird mit bidestilliertem Wasser gefüllt und dient zum Füllen der Meßpipette. Der Druck im System wird auf 0,2 bar (150 mm Hg) eingestellt. Vor Beginn der Messung wird geprüft, ob ausreichend bidestilliertes Wasser im Vorratsbehälter vorhanden ist, ob der Druck im System konstant auf 0,2 bar (150 mm Hg)

342373V

-3ο - A3GW32O91

eingestellt ist und ob das in der Wanne eingefüllte vollentsalzte Wasser eine Temperatur von 37⁰C hat. Bei Beginn der Messung muß der Miniskus in der Pipette in gleicher Höhe wie der Wasserspiegel des Wasserbades in der Wanne sein.

Der Ablauf der Messung kann wie folgt kurz zusammengefaßt werden: Durch das zu untersuchende Hohlfaserbündel/ das sich während der Messung in einem Wasserbad mit einer gleichbleibenden Temperatur von 37⁰C befindet/ wird mit einem Druck von 0,2 bar (150 mm Hg) bidestilliertes Wasser gedrückt, und in einer vorgeschalteten Pipette wird das durchgetretene Flüssigkeitsvolumen gemessen.

Im einzelnen wird die Messung wie folgt durchgeführt: Zunächst wird das eine Ende der Hohlfaserzelle in das Schlauchende des mit dem Hahn C verbundenen Schlauches geschoben. Das andere Ende der Hohlfaserzelle wird nach oben gehalten. Dann wird der Hahn C geöffnet, damit die in den Hohlfasern enthaltene Luft durch das eintretende Wasser verdrängt wird. Sobald Wasser aus dem offenen Ende der Hohlfaserzelle austritt, wird dieses in das Schlauchende des zur Schlauchklemme D führenden Schlauches eingeführt und die Hohlfaserzelle in das temperierte Wasser eingetaucht. Luft, die sich in dem zur Schlauchklemme D führenden Schlauch noch befindet, kann über die Schlauchklemme D abgelassen werden.

Bei aus aus einer Cellulose-Cuoxam-Lösung regenerierter Cellulose bestehenden Hohlfasern muß vor Beginn der eigentlichen Messung eine Quellzeit von 15 Minuten eingehalten werden. Zu diesem Zweck wird die Meßpipette über

- >ϊ - A3GW32O91

den Hahn D bei geöffnetem Hahn A bis ca. zur Marke 9 ml mit bidestilliertem Wasser aufgefüllt.

Nach Einstellung des Miniskus auf die 11 ml-Marke kann mit der Messung begonnen werden. 30 Minuten nach Beginn wird der Miniskusstand abgelesen, wobei die Differenz des Miniskusstandes in der Pipette dem Volumen des innerhalb von 30 Minuten durch die Hohlfasern hindurchgetretenen Wassers entspricht. Anschließend an die erste Messung wird beginnend mit demselben Miniskusstand wie zu Beginn der ersten Messung sofort eine zweite in gleicher Weise wie oben beschrieben durchgeführt. Die Ergebnisse der beiden Messungen werden arithmetisch gemittelt.

Die Messung kann auch an mehreren Hohlfaserzellen gleichzeitig unter Verwendung derselben Wanne durchgeführt werden, wobei dann jeder Hohlfaserzelle eine eigene Meßpipette zuzuordnen ist.

Zur Berechnung der Ultrafiltrationsrate aus dem bei 0,2 bar (150 mm Hg) in 30 Minuten durch die Gesamtfläche der verwendeten Hohlfasern hindurchgetretenen Volumen des Wassers wird zunächst die wirksame Fläche aus den inneren Oberflächen aller Hohlfasern errechnet (Innendurchmesser der Hohlfasern (m) X effektive Länge der Hohlfasern (m) X TT X Anzahl der Hohl fasern) .

Beispiel für eine Messung:

Volumen des durchgetretenen Wassers: 4,2 ml,

Zeit : 0,5 Stunden,

Druck : 150 mm Hg (0,2 bar),

wirksame Gesamtfläche aller Hohlfasern: 0,0205 m² .

342373T -IT-

- A3GW32O91

Die hieraus sich ergebende Ultrafiltrationsrate

beträgt: Aj2 = 2,73 ml/h-m² -Hg.

0,5 · 150 · 0.O205

Zur Bestimmung der ültrafiltrationsrate kann ein Hohlfaserbündel aus beliebig vielen beliebig gleichlangen Hohlfasern (Hohlfäden) hergestellt werden, deren Enden in eine Vergußmasse eingegossen werden, wobei nach dem Erhärten der Vergußmasse die Hohlfaserenden freigelegt werden, um einen Fluideintritt in die Hohlfasern zu ermöglichen. Die Vergußmasseblöcke sind dabei so zu bemessen, daß sie einen fluiddichten festen Sitz in den Schläuchen der Meßanordnung, wie oben beschrieben, gestatten. Einfachheitshalber kann man dabei auch gewisse Parameter für alle Hohlfaserbündel festlegen, so beispielsweise die Hohlfaserlänge, die Hohlfaseranzahl oder die Gesamtfläche für den Fluiddurchtritt.

Die Ermittlung der Ultrafiltrationsrate für Flachfolien-Membranen kann in ähnlicher Weise erfolgen, wobei entsprechende Probestücke in runder oder quadratischer Form in einer für solche Messungen besonders ausgestalteten Einrichtung, beispielsweise in Anlehnung an die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung, eingespannt oder eingegossen werden können. Eine hierfür geeignete bekannte Vorrichtung ist beispielsweise das Millipore-Filter Nr. YY 30.090.00. Um die Messung auch bei höheren Drücken durchführen zu können, kann es notwendig sein, die Membran mit einer Stützplatte abzustützen, die einen ungehinderten Fluiddurchtritt gestattet.

A3GW32O91

In den Figuren 1 bis 8 bezeichnen folgende Positionszahlen Teile:

Positionszahl Bezeichnung

3a

4a 5; 5a; 5b

10 11 12 13; 14; 15; 17; 16 19 20 21 22 23 6a Membran, Hohlfaden Gehäuse

erste Kammer Fluidzuführöffnung zweite Kammer FluidabführÖffnung Vergußmasseblock dritte Kammer Fluidleitung Absperrorgan Behälter geschlossene Kammer Druckkammer fluidundurchlässige Membran Fluidleitung Absperrorgan Druckmeßgerät Klammer

freies Ende der Klammer Spalt

Gehäusemantel, Schlauchstück FluidabführÖffnung

'.80.

- Leerseite -

Claims (22)

Patentansprüche

1. Verfahren zur kontinuierlichen dosierten Entnahme oder Zugabe von kleinen Fluidmengen über einen längeren Zeitraum durch Erzeugen und Aufrechterhalten von kleinen gleichmäßigen Fluidströmen/ dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein sehr kleiner gleichmäßiger Fluidstrom mit einer für das Fluid durchlässigen Membran erzeugt und aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr kleine gleichmäßige Fluidstrom mit einer Membran erzeugt und aufrechterhalten wird, die für Wasser eine im Bereich von 2 bis 500 ml/m²*h*mm Hg liegende Ultrafiltrationsrate aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr kleine gleichmäßige Fluidstrom mit einer Membran erzeugt und aufrechterhalten wird, die für Wasser eine im Bereich von 15 bis 100 ml/m²-h·mm Hg liegende Ultrafiltrationsrate aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr kleine gleichmäßige Fluidstrom mit einer Membran in Hohlfadenform erzeugt und aufrechterhalten wird.

- 2 - A3GW32O91

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr kleine gleichmäßige Fluidstrom mit einer Membran erzeugt und aufrechterhalten wird, die aus aus einer Cellulose-Cuoxam-Lösung regenerierter Cellulose besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr kleine gleichmäßige Fluidstrom mit einer Membran erzeugt und aufrechterhalten wird, die aus Cellulose-Acetat besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr kleine gleichmäßige Fluidstrom mit einer Membran erzeugt und aufrechterhalten wird, die Poren mit einer maximalen Porengröße von 0,2 um aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr kleine gleichmäßige Fluidstrom einer Kanüle, einem Katheter, einer Injektionsnadel oder dergleichen zugeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein sehr kleiner gleichmäßiger Fluidstrom aus physiologischer Kochsalzlösung erzeugt und aufrechterhalten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der sehr kleine gleichmäßige Fluidstrom wenigstens einem kleinen oder sehr kleinen gleichmäßigen Fluidstrom zugeführt wird.

- 3 - A3GW32O91

11. Vorrichtung geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (2) mit einer Fluidzuführöffnung (3a) und einer Fluidabführöffnung (4a) und eine in dem Gehäuse (2) fluiddicht angeordnete fluiddurchlässige Membran (1), die den von dem Gehäuse (2) eingeschlossenen Innenraum in eine erste Kammer (3) und in eine zweite Kammer (4) unterteilt, wobei die Fluidzuführöffnung (3a) in der ersten Kammer (3) und die Fluidabführöffnung (4a) in der zweiten Kammer (4) mündet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) eine für Wasser im Bereich von 2 bis 500 ml/m²«h«mm Hg liegende Ültrafiltrationsrate aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daB die Membran (1) eine für Wasser im Bereich von 15 bis 100 ml/m²'h*mm Hg liegende Ültrafiltrationsrate aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Membran (1) in Hohlfadenform, deren Enden in Vergußmasseblöcken (5) eingegossen sind, die mit dem Gehäuse (2) fluiddicht verbunden sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) von höchstens 20 Hohlfäden gebildet wird.

- 4 - A3GW32O91

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus aus einer Cellulose-Cuoxam-Lösung regenerierter Cellulose besteht.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus Cellulose-Acetat besteht.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) Poren mit einer maximalen Porengröße von 0,2 μΐη aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der die Membran (1) haltende Vergußmasseblock (5) in einem flexibel und elastisch ausgebildeten Abschnitt des Gehäusemantels (23) fluiddicht, jedoch nicht fest mit diesem verbunden angeordnet ist, daß der flexibel und elastisch ausgebildete Abschnitt des Gehäusemantels (23) von einer U-förmig ausgebildeten Klammer (20) teilweise umschlossen ist und daß der gebogene Teil der Klammer (20) wenigstens teilweise mit den übrigen Teilen des Gehäuses (2) fest verbunden ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, gekennzeichnet durch die in den Figuren dargestellten und durch die Beschreibung erläuterten Merkmale.

21. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20 zum extrakorporalen Erzeugen und Aufrechterhalten eines sehr kleinen gleichmäßigen Fluidstroms aus physiologischer Kochsalzlösung bei der blutigen Herzkatheterisierung.

_ 5 _ A3GW32O91

22. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20 zum extrakorporalen Erzeugen und Aufrechterhalten eines sehr kleinen gleichmäßigen Fluidstroms aus physiologischer Kochsalzlösung bei der blutigen Blutdruckmessung.