Многокамерный мембранный фильтр

 

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для использования при проведении плазмафореза. Сущность: фильтр разделен в направлении тока разделяемой смеси / т.е. крови/ на несколько секций с последовательно убывающим количеством камер в каждой секции. При этом по потоку крови секции соединены между собой последовательно с обеспечением перемешивания крови между секциями. Этим достигается существенное уменьшение эффекта концентрационной поляризации, ограничивающей удельную производительность фильтра. Все камеры пермеата, т.е. плазмы, параллельны. 4 ил.

Изобретение относится к мембранной аппаратуре, а именно к устройствам для разделения различных смесей на полупроницаемых плоских мембранах, и предназначено для использования в биологии и медицине, преимущественно при осуществлении плазмафереза, т.е. при выделении жидкой составляющей крови.

Известны различные многокамерные фильтры на основании плоских мембран, содержащий несколько параллельных камер, в которые под давлением подается поток разделяемой смеси, и нескольких параллельных камер пермеата, отделенных мембранами от камер разделяемой смеси. Общим недостатком известных многокамерных фильтров с ламинарными потоками разделяемой смеси, направленными вдоль поверхности мембран, является их недостаточная эффективность, обусловленная падением удельной производительности мембраны по ее длине. Это падение связано с явлением концентрационной поляризации, т.е. с ростом концентрации частиц вблизи поверхности мембраны под воздействием потока пермеата, направленного в камере разделяемой смеси перпендикулярно к поверхности мембраны. Частицы, скапливающиеся у поверхности мембраны, перекрывают ее поры и тем самым препятствуют прохождению через нее пермеата.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является плазмаферизатор многокамерный мембранный фильтр, содержащий камеры разделяемой смеси, отделенные полупроницаемыми плоскими мембранами от камер пермеата, входной распределитель для подачи разделяемой смеси вдоль поверхности мембран параллельно в Р камер разделяемой смеси, выходной коллектор концентрата, соединенный выходами камер разделяемой смеси, и коллектор пермеата, соединенный с выходами камер пермеата.

В этом плазмаферизаторе используются мембраны длиной 0,22 м, так что явление концентрационной поляризации проявляется в нем весьма значительно. Усиление влияния концентрационной поляризации, т.е. дополнительное снижение удельной производительности, обусловлено в известном фильтре уменьшением скорости потока разделяемой смеси по длине мембраны в направлении от входа фильтра к его выходу, приводящим к ослаблению воздействия потока на частицы, осевшие на мембране.

Цель изобретения увеличение удельной производительности фильтра.

На фиг.1 показан предлагаемый фильтр, продольный разрез; на фиг.2 сечение одной из камер пермеата плоскостью, параллельной мембранам; на фиг.3 и 4 продольный и поперечный разрезы предпочтительного варианта фильтра.

Предлагаемый многокамерный мембранный фильтр разделен на m секций (в приведенных на фиг.1 и 3 примерах m равно 3). В каждой из секций 1-3 внутри корпуса 4 размещены камеры 5 разделяемой смеси и камеры 6 пермеата. В том случае, когда фильтр служит для отделения плазмы, камеры 5 являются камерами крови, а камеры 6 камерами плазмы. Камеры 5, 6 разделены полупроницаемыми мембранами 7, изготовленными, например, из тонкой пленки полиимида, тетрафторэтилена, целлюлозы со средним диаметром пор 0,4-0,6 мкм. Поперечные размеры камер 5 крови (высота h_к и ширина b) выбираются так, чтобы обеспечить заданные характеристики фильтра (скорость потока крови, производительность фильтрации, гидравлическое сопротивление и др.). При этом выбор h_к должен обеспечить формирование тонких каналов для протекания крови, соответствующих наиболее эффективному использованию мембран. Выбранное значение h_к, состав- ляющее для плазмафильтра 0,08-0,15 мкм, задается толщиной прокладок. Высоту h_п камер 6 плазмы рекомендуется выбрать существенно большей, чем h_к, чтобы уменьшить сопротивление току плазмы. Значение h_п, составляющее для плазмафильтра 0,3-0,4 мм, задается установленными в камерах плазмы сепараторами 9, выполненными, например, из пластмассовой сетки (см. фиг.2). Значения h_к и h_п рекомендуется выбрать одинаковыми для камер крови и плазмы соответственно во всех секциях 1-3 фильтра.

Суммарная длина пути крови по камерам крови во всех секций выбирается из расчета обеспечения заданного падения давления крови между входом и выходом фильтра, т.е. заданного гидравлического сопротивления. При этом длина камер крови в каждой последующей секции может быть увеличена по сравнению с предыдущей, например, на 10-15% По периметру сетки 9 размещен уплотнительный элемент 10, обеспечивающий герметизацию камеры 6 плазмы.

Секция 1 содержит Р камер 5 крови; значение Р зависит от заданной общей производительности фильтра. Реально Р для плазмафильтров может лежать в пределах 6-20. Количество камер 5 крови и соответственно камер 6 плазмы должно уменьшаться с увеличением номера секции n. Это уменьшение должно быть тем более резким, чем больше степень фильтрации ϕ т.е. отношение Q_F/Q_вх, где Q_F поток пермеата (плазмы) на выходе фильтра; Q_вх поток разделяемой смеси на его входе. Наиболее простым и удобным представляется уменьшение числа камер крови по линейному закону, т.е. следует выбирать отношение r количества Р_n камер крови в n-й секции к их количеству Р в первой секции из соотношения ≅ r≅ Это соотношение, как правило, однозначно определяет значения Р_n. Например, при Р 9, m 5 и ϕ= 0,5 значения Р₂ Р₅ будут равны 8, 7, 6 и 5 соответственно. Если же значение P[1- (n-1)] дробно и кратно 0,5, т.е. приведенному соотношению удовлетворяют два значения Р_n, рекомендуется выбирать большее из этих значений.

Входы всех камер 5 крови секции 1 параллельно соединены с входным распределителем 11, представляющим собой сквозные вертикальные отверстия во всех элементах секции, изолированные от камер 6 плазмы и соединенные с входным штуцером 12. Аналогично входы камер крови секций 2 и 3 соединены с промежуточным распределителем 13, выходы камер крови секций 1 и 2 с промежуточными коллекторами 14, а выходы камер крови последней секции 3 с выходным коллектором 15, соединенным с выходным штуцером 16. Сечения отверстий, образующих распределители и коллекторы, должны существенно превышать поперечное сечение камер крови, т.е. значение h_к˙b.

Вход промежуточного распределителя 13 каждой последующей секции (2, 3) соединен с выходом промежуточного коллектора 14 предыдущей секции (1, 2 соответственно), например, шлангами 17. Все сквозные выходные отверстия 18, связанные с камерами 6 плазмы (см. фиг.2) и изолированные от камер 4 крови, соединены с магистралью 19 и образуют вместе с ней коллектор пермеата, т.е. плазмы. Таким образом, в отличие от камер крови, выходы всех камер плазмы фильтра соединены параллельно.

Отверстия рекомендуется расположить на продольной стороне (или на продольных сторонах) камер 6 плазмы.

Модульная конструкция фильтра, изображенного на фиг.1, позволяет легко изменять его параметры с целью оптимального соответствия условиям процесса фильтрации. Это возможно как за счет изменения числа секций, так и за счет использования секций с другим соотношением количества камер крови.

В том случае, когда фильтр ориентирован на определенный режим работы (что, в частности, характерно для плазмофереза), целесообразно использовать вариант, изображенный на фиг.3.

В данном варианте все камеры, крови и плазмы всех секций имеют одинаковую длину и ширину и размещены в едином корпусе 4 с взаимным смещением в направлении, перпендикулярном плоскостям мембран 7. В этом случае каждый промежуточный распределитель 13 является продолжением промежуточного коллектора 14 предшествующей секции. Одновременно каждый четный промежуточный коллектор (в приведенном на фиг.3 варианте это коллектор 14₂) является продолжением входного распределителя 11, но отделен от него непроницаемой прокладкой 20. Аналогично при m ≥5 каждый (2l+1)-й промежуточный коллектор будет отделен непроницаемой прокладкой от (m-2)-го промежуточного распределителя и т. д. При четном m выходной коллектор 15 располагается на продолжении входного распределителя, а при нечетном первого промежуточного коллектора 14₁ (см. фиг.3). Такая конструкция обеспечивает компактность фильтра, упрощает его изготовление, уменьшает материалоемкость и повышает надежность в эксплуатации.

Процесс плазмафереза с использованием предлагаемого фильтра проходит следующим образом.

Через штуцер 12 во входной распределитель 11 под давлением подается поток крови, который поступает в камеры 5 крови секции 1 и течет по поверхности мембран 7. Поскольку давление в камерах 5 крови выше, чем в камерах 6 плазмы, создается трансмембранное давление и возникает поперечная составляющая потока крови. При этом жидкая составляющая крови плазма, включая молекулы и частицы размерами, меньшими диаметра пор в мембране 7, проникает через нее в камеру 6 плазмы. Здесь плазма стекает по сетке 9 в направлении, перпендикулярном направлению потока крови, к отверстиям 18 и выводится через коллектор 19 плазмы.

Одновременно поперечная составляющая потока прижимает к поверхности мембран крупные форменные элементы крови (эритроциты, тромбоциты и др.), которые закупоривают поры в мембранах. Поэтому проникновение плазмы в поры мембран происходит лишь в моменты "смывания" форменных элементов тангенциальным потоком крови, которое тем эффективнее, чем выше скорость этого потока. По мере удаления от входного распределителя развивается явление концентрационной поляризации, снижающей удельную производительность процесса фильтрации. Однако, поскольку длина секции 1 примерно в m раз короче длины аналогичного несанкционированного фильтра, отрицательное влияние концентрационной поляризации в этой секции будет в несколько () раз слабее, чем в известных фильтрах.

Не прошедшая через мембраны 7 часть потока крови из секции 1 поступает в первый промежуточный коллектор 14₁ и далее в первый промежуточный распределитель 13₂ и в камеры 5 крови секции 2. Здесь повторяется процесс отделения плазмы от форменных элементов, после чего аналогичный процесс повторяется в секции 3. Уменьшение количества камер крови в секциях 2 и 3 по сравнению с секцией 1 компенсирует уменьшение потока крови за счет отделения плазмы, причем эта компенсация особенно эффективна при выборе предложенного соотношения количества камер в каждой секции. При отклонении от данного соотношения компенсация уменьшения потока будет только частичной. Таким образом, в предлагаемом фильтре обеспечено выравнивание скорости потока крови по всему фильтру и тем самым устранена одна из причин снижения удельной производительности по длине фильтра, свойственная известным образцам.

Концентрат, насыщенный форменными элементами, выводится через выходной коллектор 15, а плазма, собранная из всех секций фильтра через коллектор 19. Параллельное соединение всех камер 6 плазмы не только упрощает конструкцию фильтра, но и способствует выравниванию трансмембранного давления по всем камерам фильтра.

Благодаря резкому изменению направления потока крови и большому сечению промежуточных коллекторов 14 и распределителей 15 в них обеспечивается эффективное перемешивание потока крови, т.е. полностью устраняется концентрационная поляризация на входе каждой последующей секции. Поскольку камеры крови в этих секциях также имеют уменьшенную длину, концентрационная поляризация проявляется в них лишь в слабой степени.

Таким образом, за счет предложенного секционирования фильтра удается примерно в раз уменьшить влияние концентрационной поляризации главного фактора, обеспечивающего эффективность мембранных фильтров.

Удельная производительность предлагаемого фильтра и, следовательно, его эффективность (выражающаяся в большей производительности при той же материалоемкости или в меньшей материалоемкости при той же производительности) существенно выше, чем известных. Этот положительный эффект достигнут почти без усложнения конструкции и технологии изготовления фильтра, особенно при использовании варианта, изображенного на фиг.3, и без ухудшения его других характеристик.

Хотя изобретение описано на примере плазмафильтра, оно может быть использовано при мембранном разделении других смесей, например, пищевых и химических продуктов.

Формула изобретения

МНОГОКАМЕРНЫЙ МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТР, содержащий камеры разделяемой смеси, отделенные плоскими полупроницаемыми мембранами от камер пермеата, распределитель смеси на входе камер и коллекторы на выходе камер, а также коллектор пермеата, соединенный с выходами камер пермеата, отличающийся тем, что камеры фильтра объединены в секции, последовательно соединенные по разделяемой смеси и размещенные в едином корпусе, причем количество камер в секциях последовательно убывает от секции к секции, камеры всех секций имеют одинаковые геометрические размеры и расположены одна над другой, а каждый из коллекторов разделяемой смеси предыдущей секции сопряжен с распределителем последующей секции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4