Устройство для электрохимического разложения мочевины
Владельцы патента RU 2593896:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) (RU)
Изобретение относится к медицинской технике. Устройство электрохимического разложения мочевины содержит корпус с параллельно расположенными электродами, крышку, входной и выходной штуцеры для подачи отработанного диализирующего раствора и выведения очищенного раствора и продуктов разложения соответственно. Входной и выходной штуцеры расположены на противолежащих торцах корпуса. Электроды представляют собой выполненные из различных форм углерода прямоугольные пластины с выводными контактными площадками, рабочие поверхности которых размещены в рабочем отсеке. Контактные площадки расположены в герметичных контактных отсеках корпуса. На внутренней стороне входного штуцера установлен разделитель потока, выполненный в виде трех продольных пластин, с возможностью распределения отработанного диализирующего раствора по всем межэлектродным полостям. В крышке устройства установлен двухпиновый разъем для подачи электропитания на электроды через контактные винты, проходящие через отверстия в электродах и контактные шайбы, прилегающие к электродам. Технический результат состоит в повышении эффективности разложения мочевины, повышении безопасности и удобства. 6 ил.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для электрохимического разложения мочевины в составе систем диализа с регенерацией отработанных веществ.
Известно изобретение по патенту США [1]. В основе устройства лежит метод электрохимического разложения мочевины. Отработанный диализирующий или перитонеальный раствор, содержащий высокую концентрацию мочевины, протекает между анодом и катодом; к электродам прикладывается оптимальная для разложения мочевины разность потенциалов. Под действием электролиза в растворе происходит окисление мочевины с последующим разложением на аммиак и углекислый газ. Реализация устройства подразумевает несколько вариантов расположения электродов относительно вектора потока диализата. При этом не предусматривается реализация электролитической ячейки как носимого устройства.
Известен электролизер для электрохимической очистки диализирующего раствора [2]. Устройство содержит корпус с размещенными в нем параллельно электродами, причем высота катодов больше высоты анодов. Электроды выполнены платиново-титановыми с двусторонним каталитическим покрытием. В нижней части корпуса имеется патрубок для входа диализирующего раствора, в верхней части корпуса выше верхнего края катодов - патрубок для выхода очищенного диализирующего раствора. Выше патрубка имеется сепарационная камера для отделения газообразных продуктов реакции от диализирующего раствора и патрубок для выхода этих продуктов из корпуса.
Наиболее близким техническим решением является устройство по патенту России [3]. Устройство имеет сепарационную камеру и патрубок для выхода газа, выделяющегося в ходе электролиза. В корпусе электролизера выполнены две сообщающиеся между собой камеры, в одной из которых размещены катоды и аноды, а в другой - датчик уровня, причем нижний контакт датчика уровня установлен выше уровня выходного отверстия диализирующего раствора, а верхний - ниже уровня отверстия для выхода газов. Обе камеры сообщаются между собой двумя каналами, нижний из которых расположен ниже уровня выходного отверстия диализирующего раствора, а верхний - на уровне отверстия для выхода газов. Патрубок для выхода газов соединен с клапаном, имеющим возможность открываться при опускании уровня диализирующего раствора ниже нижнего контакта датчика уровня и закрываться при подъеме уровня диализирующего раствора до верхнего контакта датчика уровня.
Подлежащий очистке от азотистых шлаков диализирующий раствор вводят в корпус через патрубок. Проходя в межэлектродном пространстве снизу вверх, азотистые шлаки окисляются. При этом протекают сопряженные процессы выделения кислорода и образования гипохлорита натрия.
Недостатком устройства является то, что оно имеет камеру дегазации, вследствие чего может быть ориентировано в пространстве только в одном положении и, таким образом, непригодно для использования в составе носимых аппаратов «искусственная почка».
Кроме того, при повышении давления раствора в контуре регенерации уровень раствора может подняться выше выходного патрубка, в результате чего диализат попадет в воздушный контур. Так как контактные площадки электродов расположены снаружи электролизера, исключается использование электродов на основе хрупких материалов, таких как уголь, при использовании металлических электродов может происходить окисление контактных площадок.
Задачей изобретения является повышение эффективности электрохимического разложения мочевины в отработанном диализате, повышение безопасности использования и применимость в составе носимой аппаратуры внепочечного очищения крови.
Это достигается за счет того, что входной и выходной штуцеры расположены на противолежащих торцах корпуса, контактные площадки электродов расположены внутри корпуса в контактных отсеках, на внутренней стороне входного штуцера имеется разделитель потока, выполненный в виде трех продольных пластин, в крышке устройства установлен двухпиновый разъем электропитания.
Безопасность применения устройства обеспечивается за счет возможности использования нетоксичных материалов электродов. Используемые в прототипе платиново-титановые электроды со временем выделяют в раствор нанесенную на поверхность электрода платину, которая является тяжелым металлом, и ее накопление представляет угрозу для организма. Наиболее известным безопасным для организма материалом электродов является уголь. Возможность использования в устройстве хрупких угольных электродов обеспечивается за счет отсутствия механической нагрузки на электроды. Рабочие поверхности электродов размещаются в рабочем отсеке электролизера. Контактные площадки располагаются в полностью герметичном контактном отсеке. Таким образом, электроды отделены от внешней среды корпусом толщиной 5 мм, что исключает их механические повреждения.
Применимость в составе носимых аппаратов внепочечного очищения крови обеспечивается за счет отсутствия обязательных требований к ориентации устройства в пространстве, в связи с торцевым расположением входного и выходного штуцеров отсутствием камеры дегазации. При вертикальном положении пациента устройство должно закрепляться вертикально, чтобы вход находился снизу, а выход - сверху. Таким образом, большую часть времени устройство будет располагаться выходом вверх. Объем раствора в области электролиза составляет не более 10 мл, при скорости потока диализата в 100 мл/мин полная смена раствора в устройстве произойдет за 6 секунд. Большая часть образовавшегося за это время незначительного объема газа под силой потока жидкости пройдет в выходную магистраль даже при расположении устройства, при котором выход будет располагаться снизу. Благодаря наличию разделителя потока на входной магистрали корпуса, скопления газа могут происходить только в незначительном количестве в углах, расположенных за контактными отсеками, что также незначительно снизит эффективность электролиза.
Также за счет наличия разъема электропитания в верхней крышке устройства обеспечивается возможность самостоятельного подключения устройства пациентом. При выработке ресурса электролизером, пациенту необходимо заменить отработанное устройство. Наличие стандартного двухпинового разъема с защелкой позволяет пациенту просто и надежно подключать и отключать устройство.
За счет снижения объема устройства повышается гидравлическое давление, что в сочетании с разделителем потока обеспечивает турбулентный характер протекания раствора. Это приводит к повышению равномерности распределения раствора в рабочем объеме устройства и, как следствие, к повышению эффективности электролиза.
Корпус устройства содержит разделительные пластины, между которыми помещаются электроды. Электроды ориентируются таким образом, чтобы контактные площадки поочередно проходили через пазы в разные контактные отсеки. Пазы герметизируются, таким образом обеспечивается гидроизоляция контактных отсеков. В контактных отсеках все однополярные электроды электрически соединяются при помощи контактных шайб, электроды через отверстия в контактных площадках и шайбах проходит контактный винт, контакт винта и электродов обеспечивается контактными гайками. В верхней крышке, изолирующей контактные отсеки от внешней среды, размещается миниатюрный разъем с защелкой, контакты которого проходят насквозь сквозь крышку, к контактным винтам крепятся провода, которые припаиваются к контактам и прокладываются в желобках в корпусе. После размещения и электрического соединения электродов, верхняя крышка закрепляется к корпусу при помощи крепежных винтов и гаек, таким образом, контактный отсек изолируется от внешней среды. Задняя крышка, содержащая выходной штуцер, герметично устанавливается в корпус. Устройство является полностью герметичным и может выдерживать давление до 500 мм рт.ст., при этом ориентация устройства в пространстве не влияет существенным образом на эффективность работы. Компактность устройства позволяет использовать его в блоке регенерации носимых аппаратов для внепочечного очищения крови. В связи с отсутствием механической нагрузки на электроды устройство предусматривает использование электродов из любых материалов, в том числе хрупких. Таким образом, устройство пригодно для постоянного использования пациентом в бытовых условиях без ограничения на подвижность.
На фиг. 1 изображен изометрический вид электролизера без верхней крышки, где 1 - корпус электролизера, 2 - отсеки для электрического соединения однополярных электродов, 3 - входной штуцер для подключения магистрали, 4 - отверстия под крепежные винты, 5 - пазы под головки крепежных винтов, 6 - пазы для контактных площадок электродов, 7 - желобки для соединительных проводов электропитания.
На фиг. 2 изображен вид сзади электролизера без задней крышки, где 8 - разделительные пластины, 9 - разделитель потока (сплиттер), 10 - выступ для фиксации задней крышки.
На фиг. 3 изображен горизонтальный разрез электролизера, где 11 - углубления для гаек, 12 - задняя крышка, 13 - выходной штуцер для подключения магистрали.
На фиг. 4 изображен электрод, где 14 - контактная площадка электрода, 15 - электрод, 16 - отверстие для контактного винта.
На фиг. 5 изображен боковой разрез электролизера, где 17 - контактная гайка, 18 - контактный винт, 19 - контактные шайбы, 20 - верхняя крышка, 21 - углубления для головок контактных винтов.
На фиг. 6 изображен изометрический вид электролизера в сборе, где 22 - крепежные гайки, 23 - крепежные винты, 24 - двухпиновый разъем.
Устройство состоит из четырех основных частей: корпуса (1), задней крышки (12), электродов (15) и верхней крышки (20). В корпусе (1) электролизера располагается входной штуцер для подключения магистрали (3), на обратной стороне которого установлен сплиттер (9). В углубления (11) вклеиваются контактные гайки (17). В корпус электролизера (1) между разделительными пластинами (8) помещаются электроды (15). Электроды (15) ориентируются таким образом, чтобы контактные площадки (14) проходили в пазы (6) и попадали в отсеки (2). Между контактными площадками электродов (14) помещаются контактные шайбы (19). Задняя крышка (12) представляет собой пластину с проточкой для повышения равномерности потока внутри корпуса и выходным штуцером для подключения магистрали (13), после установки электродов (15) крышка (12) вклеивается в паз в задней части корпуса под выступ (10). Верхняя крышка (20) закрепляется к корпусу (1) при помощи крепежных винтов (23), проходящих через отверстия (4), при этом головки винтов располагаются в пазах (5), сверху верхняя крышка (20) фиксируется гайками (22). В нижние гайки (17) вкручиваются контактные винты (18), для головок которых в верхней крышке предусмотрены углубления (21), винты (18) проходят через контактные шайбы (19) и отверстия в электродах (16). Электропитание электродов обеспечивается при помощи миниатюрного двухпинового разъема (24), установленного в верхней крышке (20). Контакты разъема (24) проходят насквозь через верхнюю крышку (20), с нижней стороны к ним припаиваются провода, соединяющие контакты разъема (24) с соответствующими контактными винтами (18). В корпусе (1) предусмотрены желобки (7) для соединительных проводов.
Устройство работает следующим образом. Электролизер подключается к источнику питания. По магистрали, подключенной к входному штуцеру, подается отработанный диализирующий раствор. Раствор попадает на разделитель потока и под давлением распределяется по всем межэлектродным полостям. В ходе протекания раствора через межэлектродные полости идет электрохимическое окисление мочевины с ее последующим разложением на аммиак и углекислый газ. Продукты реакции вместе с раствором попадают в выходной штуцер и выходят из устройства.
Пример конкретного выполнения устройства: корпус устройства изготавливается из медицинского пластика, размеры рабочей поверхности электрода составляют 50×50 мм, внутри корпуса располагаются 3 пары электродов. Эффективная площадь электролиза при этом составляет 120 см2. Габариты устройства составляют 110×60×23,5 мм. При использовании угольных электродов эффективная масса устройства составляет 100 г. В случае использования электродов из других материалов, корпус электролизера пересчитывается.
Устройство применимо в составе носимой аппаратуры внепочечного очищения крови, имеет малую массу и габариты, допускает использование нетоксичных угольных электродов и обеспечивает возможность самостоятельного подключения пациентом.
Источники информации
1. Патент США №4473449.
2. Авторское свидетельство СССР №1823191.
3. Патент РФ №2310477.
Устройство электрохимического разложения мочевины, содержащее корпус с параллельно расположенными электродами, крышку, входной и выходной штуцеры для подачи отработанного диализирующего раствора и выведения очищенного раствора и продуктов разложения соответственно, отличающееся тем, что входной и выходной штуцеры расположены на противолежащих торцах корпуса, электроды представляют собой выполненные из различных форм углерода прямоугольные пластины с выводными контактными площадками, рабочие поверхности которых размещены в рабочем отсеке, а контактные площадки расположены в герметичных контактных отсеках корпуса, при этом на внутренней стороне входного штуцера установлен разделитель потока, выполненный в виде трех продольных пластин, с возможностью распределения отработанного диализирующего раствора по всем межэлектродным полостям, а в крышке устройства установлен двухпиновый разъем для подачи электропитания на электроды через контактные винты, проходящие через отверстия в электродах и контактные шайбы, прилегающие к электродам.
