Brevet FR2507910A1 — publié le 19821224

La présente invention est relative à un élément de séparation à membranes utilisé par exemple pour la filtra- tion ou la concentration d'un fluide et particulièrement approprié pour être utilisé dans des organes internes arti- ficiels, plus particulièrement dans un rein artificiel, pour le traitement du sang. On connaît divers types de dispositifs ou de modules de séparation comportant des éléments de séparation à mem- branes semiperméables Il sont classifiés en fonction de Io la forme de l'élément de séparation à membranes, par exem- ple en dispositifs du type à enroulement en spirale, du type à plaques et à cadre, et du type plissés Un élément de séparation à membranes connu comprend deux membranes planes espacées l'une de l'autre pour délimiter entre elles I 5 un passage pour le fluide à traiter, et une entretoise dis- posée entre les membranes, comme décrit par exemple dans les demandes de brevets japonais publiées avant examen ns 109 405/80 et 167 008/80. Un élément de séparation à membranes plus récent com- prend une membrane plane et une membrane ondulée, et il ne nécessite aucune entretoise entre les membranes, comme décrit par exemple dans le brevet US 3 401 798 Cette cons- truction offre une aire de membranes agrandie pour le trai- tement d'un fluide, et délimite un grand nombre de passages parallèles s'étendant dans la direction de l'écoulement du fluide à traiter, ce qui permet d'obtenir une distribution et un écoulement uniformes de ce fluide et, par suite, une efficacité de filtration améliorée de l'élément Cependant, on ne peut pas toujours obtenir ces avantages Malgré la réduction du coût de l'élément qui résulte de l'élimination de l'entretoise, et malgré la surface de membranes agrandie que l'on peut obtenir, l'uniformité de la distribution du fluide à travers l'élément dépend largement de l'uniformité de la dimension en section des passages à l'emplacement de l'entrée de fluide de l'élément Si cette uniformité n'exis- te pas, on ne peut pas obtenir une distribution uniforme, ce qui a pour résultat une diminution de l'efficacité de séparation de l'élément, puisque le fluide qui pénètre dans l'un des passages ne s'écoule que dans ce passage jusqu'à ce qu'il quitte l'élément. A la suite de recherches approfondies, la Demanderes- se a constaté qu'il était possible d'éliminer les inconvé- nients précités en utilisant deux membranes ondulées dispo- sées l'une contre l'autre d'une manière telle que les pas- sages parallèles de fluide délimités par l'une des membranes croisent ceux délimités par l'autre membrane. Io Ainsi, l'invention a pour objet un élément de sépara- tion à membranes, caractérisé ence qu'il comprend deux membranes semiperméables ondulées qui délimitent chacune sur un côté présentant une surface active une série de pas- sages parallèles pour le fluide à traiter et, sur leur I 5 autre côté, une série de passages parallèles pour un fluide formant le filtrat,ces membranes étant disposées l'une sur l'autre de manière telle que les passages situés sur le côté à surface active de l'une des membranes soient tournés vers les passages situés sur le côté à surface active de l'autre membrane et croisent ces derniers, les membranes étant réu- nies hermétiquement l'une à l'autre le long de deux bords opposés qui s'étendent suivant la direction de l'écoulement du fluide à traiter de l'entrée à la sortie de l'élément, c'est-à-dire suivant la direction dans laquelle le fluide à traiter pénètre dans leurs passages. L'élément de séparation à membranes suivant l'inven- tion comprend deux membranes semiperméables qui sont toutes deux ondulées Les ondulations de chaque membrane définis- sent sur son côté comportant une surface active une série de passages parallèles destinés au fluide à traiter Les deux membranes sont disposées l'une sur l'autre de façon que leurs passages pour le fluide àtraiter soient tournés les uns vers les autres et se croisent. Cette construction assure que le fluide à traiter sera divisé et rassemblé de façon répétitive au cours de son écoulement le long des passages se croisant mutuelle- ment délimités entre les deux membranes Même si les passages pour le fluide à traiter n'ont pas une dimension uniforme en section transversale, il n'y a pratiquement aucun défaut d'uniformité dans la distribution du fluide, mais le fluide est amené en contact avec les larges surfaces des membranes, ce qui conduit à une efficacité améliorée de la séparation -L'élément suivant l'invention a une construc- tion simple et peu coûteuse puisqu'aucune entretoise n'est nécessaire et que les deux membranes sont du même type. Dans un mode de réalisation préféré, les membranes I O semiperméables sont régulièrement ondulées ou possèdent des nervures parallèles Leurs ondulations peuvent avoir une hauteur d'environ 50 à 400 microns et un pas d'environ 600 à 3000 microns Les membranes ondulées peuvent être direc- tement fabriquées, mais il est également possible, par exem- I 5 pled'emboutir une membrane plane sous une forme ondulée par application sur cette membrane de chaleur et de pres- sion. Chaque membrane peut comprendre un support - qui peut être par exemple constitué par un tissu tissé, par un tissu ou treillis non tissé en téréphtalate de polyéthylène et/ou en fibres d'acétate de cellulose, et qui est ondulé de façon appropriée Une solution d'une substance synthétique à poids moléculaire élevé, telle que de l'acétate de cel- lulose, de l'acéto-butyrate de cellulose, un copolymère d'acrylonitryle, un polyamide ou un polyimide, est moulée sur le support ondulé pour former sur ce support une pelli- cule semiperméable ayant une épaisseur d'environ 50 à 200 microns Le support et la pellicule semiperméable peuvent avoir une épaisseur combinée comprise entre environ 150 et 600 microns Si la pellicule semiperméable est unepellicule humide, sa teneur en humidité peut être remplacée partiel- lement par de la glycérine ou analogue. Les passages destinés au fluide à traiter délimités par une membrane et ceux délimités par l'autre membrane peuvent se croiser sous un angle compris entre environ 30 et 90 , ou, de préférence, entre 45 et 90 . Les deux membranes sont réunies hermétiquement par soudage par fusion le long de deux bords opposés qui s'é- tendent suivant la direction dans laquelle le fluide à traiter pénètre dans l'élément, ce qui conduit à un élément de séparation à membranestubulaires aplati ou en forme d'enveloppe L'élément peut présenter entre ses bords réunis hermétiquement une largeur transversale progressi- vement variable pour s'adapter aux variations de la quanti- té de fluide à traiter ou de son débit Cette variation IO progressive contribue également à la formation d'un élément compact Une telle variation de largeur n'est pas possible dans un élément comprenant une membrane plane et une membra- ne ondulée, ou une combinaison de deux membranes planes et d'une entretoise ondulée, car certains des passages desti- I 5 nés au fluide à traiter se termineraient encul-de-sac. Suivant l'invention, la largeur transversale de l'élément peut croître ou décroître progressivement, ou bien, en va- riante, l'élément peut avoir dans son ensemble la forme d'un disque. Dans un premier mode de réalisation, l'élément suivant l'invention comprend en outre un bottier dans lequel l'élé- ment est monté à joint étanche, ce bottier et chaque côté de l'élément définissant entre eux les passages pour le filtrat, le bottier étant pourvu d'une entrée et d'une sor- tie pour les passages destinés au fluide à traiter, ainsi que d' une sortie poux les passages destinés au filtrat. L'invention a également pour objet un module de sépa- ration à membranes comprenant plusieurs éléments de sépara- tion tels que définis ci-dessus et comprenant en outre un bottier dans lequel les éléments sont montés à joint étanche d'une manière telle que les passages destinés au filtrat délimités par l'un des éléments soient tournés vers ceux délimités par un autre élément et croisent ces derniers, les passages pour le filtrat étant délimités entre le bol- tier et lesdits éléments, et également entre les éléments formant chaque paire d'éléments adjacents, le bottier étant pourvu d'une entrée et d'une s-ortie pour les passages destinés au fluide à traiter ainsi que d'une sortie pour les passages destinés au filtrat. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre,donnée unique- ment à titre d'exemple non limitatif et en regard des des- sins annexés, sur lesquels: la Fig 1 est une vue partielle en perspective d'une membrane semiperméable ondulée qui peut être utilisée pour la réalisation d'un élément de séparation à membranes IO suivant l'invention; les Fig 2 a et 2 b illustrent la manière dont deux mem- branes semiperméables sont disposées l'une sur l'autre; les Fig 3 a à 3 d illustrent des dessins d'écoulement d'un fluide, dans le dispositif suivant l'invention aux I 5 Fig 3 a et 3 b et dans des dispositifs classiques aux Fig 3 c et 3 d; la Fig 4 est une vue en perspective d'un module de séparation comprenant un élément de séparation à membranes suivant l'invention; la Fig 5 est une vue en coupe longitudinale du modu- le de la Fig 4; la Fig 6 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 6 6 de la Fig 5; la Fig 7 est une vue en perspective d'un autre modu- le de séparation suivant l'invention; la Fig 8 est une vue en coupe transversale du module de la Fig 7; et la Fig 9 est un diagramme qui illustre le fonction- nement du module de la Fig 7. En se référant tout d'abord à la Fig 1, on a repré- senté une membrane semiperméable ondulée 1 comportant un pas d'ondulation 1 approprié et une hauteur d'ondulation h appropriée et qui présente sur son côté 2 comportant une surface active une série de passages parallèles 3 Un élé- ment de séparation à membranes conforme à l'invention comprend deux membranes ondulées semiperméables l disposées l'une sur l'autre de manière telle que les passages 3 d'une membrane l soient tournés vers les passages 3 de l'autre membrane l et les croisent Les deux membranes l sont réu- nies hermétiquement l'une à l'autre le long de deux bords opposés (référence 4 sur les Fig 2 a et 2 b) qui sont parallèles à la direction d'écoulement du fluide à traiter. La Fig 2 montre deux exemples de la manière dont les deux membranes sont combinées Dans les deux cas, les pas- sages de fluide d'une membrane croisent ceux de l'autre membrane sous un angle de 900 Dans l'agencement représenté Io à la Fig 2 a, les passages à fluide 3 a de la membrane infé- rieure la sont disposés sous un angle O de 90 par rapport à la direction F dans laquelle le fluide pénètre dans l'é- lément, tandis que l'angle O est égal à 45 à la Fig 2 b. Les Fig 3 a et 3 b montrent les dessins d'écoulement I 5 du fluide à travers les éléments de séparation à membranes suivant l'invention illustrés aux Fig 2 a et 2 b, tandis que les Fig 3 c et 3 d montrent les dessins d'écoulement du flui- de à travers des dispositifs classiques comportant des pas- sages de fluide qui ne se croisent pas Le dispositif illus- tré à la Fig 3 d comprend une série de passages transversaux qui relient les passages de fluide longitudinaux. Dans les dispositifs suivant l'invention, le fluide à traiter s'écoule dans la direction des flèches, tout en étant divisé et rassemblé de façon répétée aux intersections P des passages de fluide, comme illustré aux Fig 3 a et 3 b. Par conséquent, même si la dimension des passages de fluide en section transversale n'est pas uniforme,il n'y a aucun défaut appréciable d'uniformité dans la distribution du fluide, et le fluide à traiter est amené en contact avec la totalité des surfaces des membranes, ce qui conduit à une efficacité améliorée de la séparation. Dans un dispositif ne comportant pas de passages de fluide qui se croisent, comme décrit par exemple dans le brevet US 3 401 798, le fluide qui pénètre dans l'un des passages est emprisonné dans celui-ci jusqu'à ce qu'il quitte le dispositif Comme il n'y a pas de communication entre les passages, la forme, la dimension des passages de fluide et la précision de celles-ci ont une influence criti- que sur l'écoulement du fluide Le dessin d'écoulement du fluide dans un tel dispositif est illustré à la Fig 3 c. Le dessin d'écoulement illustré à la Fig 3 d est celui du dispositif décrit dans les demandes de brevets japonais publiées avant examen N O sl O 9 405/80 et 167 008/80 Ce dispo- sitif comprend une série de passages de communication trans- versaux 5 prévus au moins près de l'entrée et près de la sortie des passages de fluide longitudinaux Bien que le fluide soit combiné et redistribué par les passages trans- versaux 5, le dessin d'écoulement d'un passage transversal à l'autre est le même que représenté à la Fig 3 c, et le problème indiqué plus haut existe encore. Dans l'élément de séparation à membranes suivant l'in- I 5 vention, les deux membranes ne sont en contact l'une de l'autre qu'en une série de points; par conséquent, le fluide à traiter est amené au contact de pratiquement la totalité des surfaces des membranes Aucune précision rigoureuse n'est nécessaire dans la forme, même si une série d'élé- ments de séparation à membranes sont empilés les uns sur les autres Il en est de même pour le passage pour le fil- trat délimité entre deux éléments, et aucune entretoise ou analogue n'est nécessaire pour former de tels passages. En se référant maintenant aux Fig 4 à 6, on a repré- senté un module de séparation M comprenant un élément 6 de séparation à membranes identique à celui illustré à la Fig 2 a, et un bottier 7 qui renferme l'élément 6 Dans cet élément 6 sont délimités une série de passages 8 pour le fluide à traiter qui se croisent mutuellement Une série de passages 11 pour le filtrat sont formés entre un côté de l'élément 6 et le boîtier 7, et, de mêmeune série de pas- sages 12 pour le filtrat sont délimités entre l'autre côté de l'élément 6 et le boîtier 7 Le bottier 7 est pourvu d'une entrée 9 et d'une sortie 10 pour les passages 8 des- tinés au fluide à traiter et, par exemple, de sorties 13 et 14 de filtrat pour les passages 11 et 12 respectivement. Les Fig 7 et 8 montrent un autre module de séparation Mt comprenant une série d'éléments de séparation à membranes 6 t, empilés les uns sur les autres dans un bottier 7 t de manière que les passages parallèles pour le filtrat déli- mités par un élément croisent ceux délimités par un autre élément Sous les autres aspects, le module Mt, pour l'es- sentiel, dédouble ou multiplie le dispositif décrit plus haut. Le module de séparation M ou Mt peut être par exemple IO utilisé pour la filtration du sang dans un circuit tel que représenté à la Fig 9 Dans l'agencement illustré à la Fig 9, le sang est aspiré dans une artère A par une ponçe à sang 15, et filtré par le module Mt, et le sang ainsi puri- fié, auquel on a'ajouté une quantité appropriée de fluide I 5 de substitution 18 au moyen d'une pompe 16, est renvoyé à une veine V Le filtrat séparé par le module Mt est évacué en 17 Ces modules M et Mt sont également utilisables pour la dialyse de divers fluides. Exemple: Le module de séparation représenté aux Fig 4 à 6 a été testé pour la purification de sang bovin Les résultats des essais sont indiqués dans le tableau suivant: Tableau F 1) Perte de charge Rapport DUF (%h 1)oiays (% 2) (mm Hg)d'hénoalys B ( 3) mn 280 mn 90 mn 280 mn '270 mn Exemple expéri- mental 1 Membranes ondulées (% 4) comprenant des passages de 0,52 0,47 140 140 1,29 fluide qui se croisent sous un angle de 60 Exemple compara- tif 1 Membrane plane r* 5) et membrane0,410,43 160 160 1,15 (% 5) et membrane' ondulée Exemple compara- tif 2 Deux membranes planes et une planes et une 0,43 0,37 170 180 1,25 entretoise ondu- lée ( 4 6) dis- posée entre elles % 1 DUF: débit d'ultrafitration (débit d'eau ayant traversé, ml/mÉf); $ 2 QB: débit d'écoulement du sang ( 3,4 ml/mn); * 3 Rapportd'hémodialyse: rapport de la concentration % 3 en hémoglobine libre du sang bovin ayant traversé le dispositif à celle du sang bovin ayant traversé le dispositif auquel on a retiré l'élément de séparation; Membrane ondulée: membrane semiperméable en acé- tate de cellulose ayant une épaisseur d'ori- gine de 200 microns et une épaisseur de 255 microns à l'état ondulé, une largeur de 44 mm et une longueur de 200 mm, et pourvue IO d'ondulations ayant un pas de 900 microns et une hauteur de passage de 100 microns; Membrane plane: identique à la membrane ondulée, mais sans ondulations; $ 6 Entretoise: épaisseur d'origine de 80 microns, et épaisseur de 155 microns à l'état ondulé; hauteur des passages: 75 microns; matière: polyamide. REVENDICATIONS - 1. Elément de séparation à membranes, caractérisé en ce qu'il comprend deux membranes semiperméables ondulées ( 1) qui délimitent chacune sur un côté ( 2) présentant une surface active une série de passages parallèles ( 3) pour le fluide à traiter, et, sur leur autre côté, une série de passages parallèles ( 11,12) pour un fluide formant le filtrat, ces membranes étant disposées l'une sur l'autre de manière telle que les passages ( 3) situés sur le côté à surface active de l'une des membranes soient tournés vers les pas- IO sages situés sur le côté à surface active de l'autre mem- brane et croisent ces derniers, les membranes étant réunies hermétiquement l'une à l'autre le long de deux bords opposés qui s'étendent suivant la direction de l'écoulement du fluide à traiter de l'entrée ( 9) à la sortie ( 10)de l'élé- I 5 ment ( 6). 2. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des membranes ( 1) présente des ondulations ayant une hauteur d'environ 50 à 400 microns et un pas d'environ 600 à 3000 microns. 3 Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les passages ( 3) situés sur le côté ( 2) à surface active d'une membrane ( 1) croisent les passages situés sur le côté à surface active de l'autre membrane sous un angle compris entre environ 30 Q et 909. 4 Elément suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit angle est compris entre 45 et 90 . 5. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des membranes ( 1) comporte un support sur ledit autre côté. 6 Elément suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la membrane ( 1) comporte une couche semiperméable d'épaisseur comprise entre environ 50 et 200 microns, et en ce que le support et la couche semiperméable possèdent une épaisseur combinée comprise entre environ 150 et 600 microns. 7 Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les bordsréunis hermétiquement définissent entre eux une largeur transversale progressivement variable de l'élément. 8. Elément suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite largeur augmente progressivement ou décroît progressivement. 9 Elément suivant la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits bords réunis hermétiquement forment un cercle. 10. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est adapté pour être utilisé dans la filtration I O du sang. 11. Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un bottier ( 7) dans lequel l'élément ( 6) est monté à joint étanche, ce bottier et chaque côté de l'élément définissant entre eux les passages I 5 ( 11, 12) pour le filtrat, le bottier étant pourvu d'une entrée ( 9) et d'une sortie ( 10) pour les passages ( 8) desti- nés au fluide à traiter,ainsi cqoe d'ue sortie ( 13, 14) pour les passages destinés au filtrat. 12. Module de séparation à membranes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs éléments de séparation à membra- nes suivant la revendication 1, et, en outre, un bottier ( 7 t) dans lequel les éléments ( 6 t) sont montés à joint étanche d'une manière telle que les passages destinés au filtrat délimités par l'un des éléments soient tournés vers ceux délimités par un autre élément et croisent ces der- niers, les passages pour le filtrat étant délimités entre le bottier et lesdits éléments, et également entre les éléments formant chaque paire d'éléments adjacents, le bot- tier ( 7 t) étant pourvu d'une entrée et d'une sortie pour les passages destinés au fluide à traiter ainsi que d'une sortie ( 13 t) pour les passages destinés au filtrat