МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ (ВАРИАНТЫ) И МЕМБРАННОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к мембранной технике для микро- и ультро-фильтрации, в частности к устройствам для осуществления процессов мембранного разделения жидких и/или газообразных сред и/или массообменных процессов в медицинской, фармацевтической, химической, биотехнологической и других отраслях промышленности.
Вариант мембранного устройства для разделения крови (плазмофильтр мембранный) предназначен для разделения крови на плазму и эритроцитную массу при проведении процедуры плазмафереза в донорских целях для получения плазмы и аутоплазмы в учреждениях службы крови, а также в лечебных целях для детоксикации, иммуно- и реокоррекции в практическом здравоохранении на отделениях токсикологии, трансфузиологии, кардиологии, нефрологии, эндокринологии, аллергологии, пульмонологии, онкологии, дерматологии, наркологии, неврологии и др.; в акушерстве и гинекологии, педиатрии, реанимации, хирургии; в условиях клиник, больниц, в службе скорой помощи, в военно-полевой медицине и в условиях медицины катастроф.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно массообменное устройство, содержащее набор опорных элементов, расположенные между ними полупроницаемые мембраны и приспособления для стяжки опорных элементов, причем опорные элементы и мембраны имеют соосные отверстия для ввода и вывода жидкости, а опорные элементы выполнены с выемками вокруг отверстий [1]. Герметизацию камер разделяемой среды и пермеата в данном устройстве осуществляют путем стяжки опорных элементов и механического прижатия мембранного материала к герметизирующим элементам.
Недостатками данного устройства является невозможность его массового производства вследствие низкой технологичности его изготовления, обусловленной сложностью изготовления опорных элементов и необходимостью тщательной центровки отверстий подвода и отвода разделяемой среды и отвода пермеата в мембранах и опорных элементах, а также невозможность использования трековых (ядерных) мембран, так как они при герметизации путем механического сжатия повреждаются (лопаются).
Известно массообменное устройство, содержащее набор полупроницаемых гофрированных пластин, зажатых между двумя опорными элементами [2]. Конструкция данного устройства позволяет исключить располагаемые обычно между мембранами сепарационные элементы, однако она отличается сложностью изготовления полупроницаемых пластин, что ограничивает массовость производства из-за низкой технологичности изготовления.
Известно мембранное устройство, содержащее прямоугольный корпус с коллекторами подвода и отвода разделяемой среды и отвода пермеата и мембранный модуль, выполненный в виде блока образованного сложенной складками мембраны и расположенными между складками сепарационными элементами [3]. Торцовые кромки модуля герметизированы заливкой пластиком по всей высоте герметиком. Конструкция данного устройства позволяет организовать только штучное производство, что свидетельствует о его низкой технологичности. Кроме этого для обеспечения проточности разделяемой среды между складками мембранного материала установлены дополнительные каналообразующие элементы, что приводит к образованию неравномерного распределения потоков и образованию застойных зон, что снижает производительность работы устройства.
Известен мембранный аппарат [4], состоящий из корпуса со штуцерами ввода разделяемой среды и вывода продуктов мембранного элемента, выполненного в виде герметизированного по трем сторонам сложенного гармошкой пакета из двух плоских полупроницаемых мембран и размещенного между ними дренажа, а также обоймы из отвержденного герметика, в которой закреплена негерметизированная сторона пакета, причем аппарат снабжен непроницаемой перегородкой, расположенной между корпусом и мембранным элементом, а также непроницаемым чехлом, расположенным вокруг незакрепленной части мембранного элемента и герметично сочлененным с непроницаемой перегородкой.
Данный мембранный аппарат позволяет несколько улучшить гидродинамические характеристики потока разделяемой смеси за счет предотвращения смешивания исходной разделяемой смеси и концентрата, однако он недостаточно эффективен в эксплуатации и характеризуется обусловленной сложностью конструкции, низкой технологичностью изготовления мембранного аппарата.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническом результату (прототипом) является мембранный аппарат для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких сред [5], содержащий корпус с патрубками подвода и отвода сред, размещенный в нем мембранный модуль, выполненный из набора плоских полупроницаемых мембран и средств герметизации, образующих две группы чередующихся камер для обмена сред или разделяемой среды и пермеата, открытых в направлении подвода и отвода сред, набора сепарационно-дренажных прокладок, размещенных в камерах, и элементы герметизации модуля в корпусе, причем средства герметизации импрегнированны в сетчатые сепараторы и выполнены в виде планок из материала, содержащего термопласт, расположенных вдоль направления движения сред и неразъемно соединенных с мембранами с образованием в местах контакта с ними опорных элементов в виде колонн, при этом элементы герметизации модуля в корпусе выполнены в виде выступов на внутренней поверхности корпуса и герметично соединены с опорными элементами. В этом аппарате мембранный модуль снабжен дополнительными планками, расположенными внутри камер по направлению движения сред, и дополнительными выступами на внутренней поверхности корпуса, дополнительные планки выполнены из материала, содержащего термопласт, неразъемно соединены с мембранами с образованием в местах контакта с ними дополнительных опорных элементов в виде колонн, а дополнительные выступы герметично соединены с дополнительными опорными элементами, причем в качестве мембран используют трековые (ядерные) мембраны
От традиционных мембран, получаемых методами химической технологии, трековые (ядерные) мембраны отличаются высокой однородностью геометрических размеров и правильностью форм пор, высокой селективностью по отношению к выделяемому компоненту, очень низкой адсорбцией компонентов разделяемых сред поверхностью мембраны, биологической инертностью, полной совместимостью с большинством разделяемых сред (компонентами крови) и низким травмирующим действием на разделяемые компоненты (форменные элементы крови).
Главные преимущества трековых мембран - малая толщина и высокая однородность пор по размерам, что определяет низкое сопротивление течению фильтруемой среды, высокую селективность фильтрации, удерживание отделяемых частиц на поверхности мембраны и легкость регенерации, а также прозрачность, малый собственный вес, и низкая адсорбция растворенных веществ.
Основные недостатки трековых (ядерных) мембран, ограничивающие до последнего времени их широкое практическое использование в мембранной технике - низкая прочность и склонность к растрескиванию, высокая электризуемость, что доказывает низкую технологичность.
Однако наряду с высокими функциональными показателями трековые мембраны отличаются малой толщиной (до 10 мкм), низкой механической прочностью (трековые мембраны обычно не выдерживают герметизацию прижатием к контурам герметизации и лопаются вследствие малой толщины), высокой электризуемостью и низкой адгезивностью по отношению к традиционным клеям.
Сложностью использования трековых мембран, наиболее эффективных по сравнению с другими типами мембран является также то, что они при герметизации путем механического сжатия повреждаются (трескаются).
Кроме этого наличие в аппарате по прототипу проложенных между трековыми мембранами сепарационных элементов в виде сеток приводит к чрезвычайно неравномерному распределению потоков по мембране и образованию застойных зон, что в свою очередь существенно снижает производительность разделения и массообмена.
ЦЕЛЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ И ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Целью полезной модели и достигаемым при ее использовании техническим результатом является повышение технологичности изготовления и эффективности функционирования мембранных модулей и мембранных аппаратов, обеспечение возможности ускоренной замены отработанных мембранных модулей и использования в качестве мембранного материала практически любых мембран, в том числе и наиболее предпочтительных трековых (ядерных) мембран.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются тем, что в мембранном модуле для разделения сред или массообмена, содержащем набор пористых мембран, рельефных элементов и средств герметизации, образующих чередующиеся камеры разделяемой среды и пермеата, согласно полезной модели рельефные элементы выполнены в виде расположенных внутри камер разделяемой среды и пермеата и прикрепленных к поверхности мембран нитей и контуров герметизации с образованием в камерах разделяемой среды и пермеата продольно и поперечно ориентированных каналов для разделяемой среды и пермеата, открытых в направлении подвода и отвода разделяемой среды и пермеата.
При этом мембраны, нити и контуры герметизации со стороны подвода и отвода разделяемой среды соединены друг с другом с образованием клиновидных кромок, направленных сужениями в стороны подвода и отвода разделяемой среды с возможностью повышения герметичности камер и снижения гидродинамического сопротивления при подводе и отводе разделяемой среды.
При этом мембраны, нити и контуры герметизации в местах их соприкосновения соединены между собой посредством клея, клея-расплава, термосварки, сварки токами высокой частоты, сварки ультразвуком или посредством вплавления материала нитей и контуров герметизации в поры мембраны с образованием упрочняющего каркаса.
Кроме этого прикрепленные к поверхностям мембран нити и контуры герметизации расположены в камерах разделяемой среды и пермеата преимущественно параллельно друг другу равномерно или неравномерно удаленно друг от друга и выполнены преимущественно монолитными с преимущественной толщиной от 10 до 1000 мкм круглого, овального или многоугольного сечения с малой площадью контакта с поверхностью мембраны.
5
9
2
При этом мембранный модуль в качестве мембран содержит трековые мембраны из полимерной пленки с преимущественной толщиной от 5 до 20 микрон с калиброванными порами диаметром от 0,05 до 1,0 микрона с плотностью пор от 1х10 до 3х10 на 1 см или содержит сетчатые микрофильтрационные мембраны, например, из полисульфона, полиэфирсульфона, полиимидов, полиэфиримидов, полиакрилонитрила или сложных эфиров целлюлозы.
При этом прикрепленные к поверхностям мембран нити и контуры герметизации выполнены из полимерного термопластичного материала, например, из полимерного материала на основе полиэтилентерефталата, полиамида, севилена или литьевого фторопласта, а прикрепленные к поверхности мембраны контуры герметизации выполнены монолитными или композитными, квадратного, прямоугольного или трапециевидного сечения.
Толщина прикрепленных к поверхностям мембран контуров герметизации выполнена соразмерной толщине прикрепленных к мембранам и расположенных в камерах разделяемой среды и пермеата нитей преимущественно от 10 до 1000 мкм, а мембраны, нити и контуры герметизации изготовлены из полимерного материала с рабочим диапазоном температур от -65°С до +150°С, с водопоглощением при 25°С в течение 7 суток не более 0,5% и с возможностью стерилизации в автоклавах или радиационным способом, например, из полимерного материала на основе полиэтилентерефталата или полипропилена.
Кроме этого контуры герметизации могут быть выполнены в виде полос из нескольких расположенных рядом или вплотную друг к другу нитей или в виде полос из термопластичного материала, из термопластичного материала с расположенными внутри нитями или из клея расплава, а сам мембранный модуль выполнен квадратного или прямоугольного сечения преимущественно в форме плоского параллепипеда.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются тем, что в мембранном модуле для разделения сред или массообмена, содержащем набор наружных стенок, пористых мембран, рельефных элементов и средств герметизации, образующих чередующиеся камеры разделяемой среды и пермеата, согласно полезной модели рельефные элементы выполнены в виде расположенных внутри камер разделяемой среды и пермеата и прикрепленных к поверхности мембран нитей и контуров герметизации с образованием в камерах разделяемой среды и пермеата продольно и поперечно ориентированных каналов для разделяемой среды и пермеата, открытых в направлении подвода и отвода разделяемой среды и пермеата, причем мембраны, нити и контуры герметизации со стороны подвода и отвода разделяемой среды в нем соединены друг с другом с образованием клиновидных кромок, направленных сужениями в стороны подвода и отвода разделяемой среды с возможностью повышения герметичности камер и снижения гидродинамического сопротивления при подводе и отводе разделяемой среды.
В данном варианте конструктивного исполнения мембранного модуля:
наружные стенки, мембраны, нити и контуры герметизации в местах их соприкосновения соединены между собой посредством клея, клея-расплава, термосварки, сварки токами высокой частоты, сварки ультразвуком или посредством вплавления материала нитей и контуров герметизации в поры мембраны с образованием упрочняющего каркаса;
прикрепленные к поверхностям мембран нити и контуры герметизации расположены в камерах разделяемой среды и пермеата преимущественно параллельно друг другу;
прикрепленные к поверхностям мембран нити выполнены преимущественно монолитными с преимущественной толщиной от 10 до 1000 мкм круглого, овального или многоугольного сечения с малой площадью контакта с поверхностью мембраны;
прикрепленные к поверхности мембраны нити расположены в камерах разделяемой среды и пермеата равномерно или неравномерно удаленно друг от друга;
5
9
2
в качестве мембран содержатся трековые мембраны из полимерной пленки с преимущественной толщиной от 5 до 20 микрон с калиброванными порами диаметром от 0,05 до 1,0 микрона с плотностью пор от 1×10 до 3×10 на 1 см или в качестве мембран содержатся сетчатые микрофильтрационные мембраны, например, из полисульфона, полиэфирсульфона, полиимидов, полиэфиримидов, полиакрилонитрила или сложных эфиров целлюлозы;
прикрепленные к поверхностям мембран нити и контуры герметизации выполнены из полимерного термопластичного материала, например, из полимерного материала на основе полиэтилентерефталата, полиамида, севилена или литьевого фторопласта, прикрепленные к поверхности мембраны контуры герметизации выполнены монолитными или композитными, квадратного, прямоугольного или трапециевидного сечения, а толщина прикрепленных к поверхностям мембран контуров герметизации выполнена соразмерной толщине прикрепленных к мембранам нитей преимущественно от 10 до 1000 мкм;
мембраны, нити и контуры герметизации изготовлены из полимерного материала с рабочим диапазоном температур от - 65°С до +150°С, с водопоглощением при 25°С в течение 7 суток не более 0,5% и с возможностью стерилизации в автоклавах или радиационным способом, например, из полимерного материала на основе полиэтилентерефталата или полипропилена;
контуры герметизации выполнены в виде полос из нескольких расположенных рядом или вплотную друг к другу нитей или в виде полос из термопластичного материала, из термопластичного материала с расположенными внутри нитями или из клея расплава;
мембранный модуль выполнен преимущественно квадратного или прямоугольного сечения преимущественно в форме плоского параллепипеда.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются также тем, что в мембранном устройстве для разделения сред, содержащем корпус, коллектор разделяемой среды с патрубком подвода разделяемой среды, коллектор пермеата с патрубком отвода пермеата и размещенный в корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран с рельефными элементами и средствами герметизации, образующих чередующиеся камеры разделяемой среды и пермеата, согласно полезной модели рельефные элементы выполнены в виде прикрепленных к поверхности мембран нитей и контуров герметизации с образованием в камерах разделяемой среды и пермеата продольно и поперечно ориентированных каналов для разделяемой среда и пермеата, открытых в коллекторы разделяемой среды и пермеата со сторон подвода и отвода разделяемой среды и пермеата.
При этом данный вариант мембранного устройства содержит мембранный модуль, конструктивно выполненный по одному из вышеописанных вариантов и содержит средства герметизации мембранного модуля в корпусе.
При этом мембранное устройство и его элементы, включая коллектор разделяемой среды с патрубком разделяемой среды, коллектор пермеата с патрубком пермеата и размещенный в корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран с рельефными элементами и средствами герметизации изготовлены из полимерного материала с рабочим диапазоном температур от -65°С до +150°С, с возможностью стерилизации в автоклавах или радиационным способом и с водопоглощением при 25°С в течение 7 суток не более 0,5%, например, из полимерного материала на основе полиэтилентерефталата или полипропилена.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются также тем, что в мембранном устройстве для разделения сред, содержащем корпус, коллектор подвода разделяемой среды с патрубком подвода разделяемой среды, коллектор отвода разделяемой среды с патрубком отвода разделяемой среды, коллектор пермеата с патрубком отвода пермеата и размещенный в корпусе мембранный модуль или мембранный элемент из набора пористых мембран с рельефными элементами и средствами герметизации, образующих чередующиеся камеры разделяемой среды и пермеата, согласно полезной модели рельефные элементы в мембранном модуле выполнены в виде прикрепленных к поверхности мембран нитей и контуров герметизации с образованием в камерах разделяемой среды и пермеата продольно и поперечно ориентированных каналов для разделяемой среда и пермеата, открытых в коллекторы разделяемой среды и пермеата со сторон подвода и отвода разделяемой среды и пермеата.
При этом данный вариант мембранного устройства содержит мембранный модуль, конструктивно выполненный по одному из вышеописанных вариантов и содержит средства герметизации мембранного модуля в корпусе, а в самом аппарате корпус, коллектор разделяемой среды с патрубком разделяемой среды, коллектор пермеата с патрубком пермеата и размещенный в корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран с рельефными элементами и средствами герметизации изготовлены из полимерного материала с рабочим диапазоном температур от -65°С до +150°С, с возможностью стерилизации в автоклавах или радиационным способом и с водопоглощением при 25°С в течение 7 суток не более 0,5%, например, из полимерного материала на основе полиэтилентерефталата или полипропилена.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются также тем, что в мембранном устройстве для разделения сред, содержащем корпус, коллектор подвода среды с массообмениваемым компонентом с патрубком подвода среды с обмениваемым компонентом, коллектор отвода среды с обмениваемым компонентом с патрубком отвода среды с обмениваемым компонентом, коллектор подвода пермеата с патрубком отвода пермеата коллектор отвода пермеата с патрубком отвода пермеата и размещенный в корпусе мембранный модуль или мембранный элемент из набора пористых мембран с рельефными элементами и средствами герметизации, образующими чередующиеся камеры среды с обмениваемым компонентом и пермеата, согласно полезной модели рельефные элементы в мембранном модуле выполнены в виде прикрепленных к поверхности мембран нитей и контуров герметизации с образованием в камерах среды с обмениваемым компонентом и пермеата продольно и поперечно ориентированных каналов для среды с обмениваемым компонентом и пермеата, открытых в коллекторы среды с обмениваемым компонентом и пермеата со сторон подвода и отвода среды с обмениваемым компонентом и пермеата.
При этом данный вариант мембранного устройства содержит мембранный модуль, конструктивно выполненный по одному из вышеописанных вариантов и содержит средства герметизации мембранного модуля в корпусе, а в самом мембранном аппарате корпус, коллекторы, патрубки и размещенный в корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран с рельефными элементами и средствами герметизации изготовлены из полимерного материала с рабочим диапазоном температур от -65°С до +150°С, с возможностью стерилизации в автоклавах или радиационным способом и с водопоглощением при 25°С в течение 7 суток не более 0,5%, например, из полимерного материала на основе полиэтилентерефталата или полипропилена.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются также тем, что в мембранном устройстве для разделения крови (в плазмофильтре), содержащем корпус, коллектор подвода крови с патрубком подвода крови, коллектор отвода крови с патрубком отвода крови, коллектор плазмы с патрубком отвода плазмы и размещенный в корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран с рельефными элементами и средствами герметизации, образующими чередующиеся камеры крови и плазмы, согласно полезной модели рельефные элементы в мембранном модуле выполнены в виде прикрепленных к поверхности мембран нитей и контуров герметизации с образованием в камерах крови и плазмы продольно и поперечно ориентированных каналов для крови и плазмы, открытых в коллекторы крови и плазмы со сторон подвода и отвода крови и отвода плазмы.
При этом в мембранном модуле плазмофильтра мембраны, нити и средства герметизации со стороны подвода и отвода разделяемой среды соединены друг с другом с образованием клиновидных кромок, направленных сужениями в стороны подвода и отвода разделяемой среды с возможностью повышения герметичности камер и снижения гидродинамического сопротивления при подводе и отводе разделяемой среды.
5
9
2
При этом в мембранном устройстве для разделения крови корпус, коллектор крови с патрубком крови, коллектор плазмы с патрубком плазмы и размещенный в корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран с рельефными элементами и средствами герметизации изготовлены из полимерного материала с рабочим диапазоном температур от -65°С до +150°С, с возможностью стерилизации в автоклавах или радиационным способом и с водопоглощением при 25°С в течение 7 суток не более 0,5%, например, из полимерного материала на основе полиэтилентерефталата или полипропилена, а в качестве мембран преимущественно содержит трековые мембраны из полимерной пленки с преимущественной толщиной от 5 до 20 микрон с калиброванными порами диаметром от 0,05 до 1,0 микрона с плотностью пор от 1х10 до 3х10 на 1 см.
При этом данный вариант мембранного устройства для разделения крови содержит мембранный модуль, конструктивно выполненный по одному из вышеописанных вариантов, содержит средства герметизации мембранного модуля в корпусе и выполнен преимущественно в форме плоского параллепипеда.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1, 2, 3 показаны варианты конструктивного исполнения исходных мембранных элементов, используемых при изготовлении заявляемых мембранных модулей и аппаратов, состоящие из пористой мембраны 1 с прикрепленными к ее поверхности рельефными элементами в виде продольно или поперечно расположенных нитей 2 и контуров герметизации 3, выполненных монолитными (фиг.1), композитными (фиг.2) где внутри контура герметизации расположены нити, или образованного набором рядом расположенных нитей 4 (фиг.3).
на фиг.4 и 5 показана схема изготовления заготовки мембранного модуля путем наложения и соединения двух мембранных элементов состоящих из пористой мембраны 1 с прикрепленными к ее поверхности рельефными элементами в виде продольно или поперечно расположенных нитей 2 и контуров герметизации 3 и/или рядом расположенных нитей 4;
на фиг.6 - показана конструкция заготовки мембранного модуля, изготовленного путем наложения и соединения двух мембранных элементов состоящих из пористой мембраны 1 с прикрепленными к ее поверхности рельефными элементами в виде продольно или поперечно расположенных нитей 2 и контуров герметизации 3 и/или рядом расположенных нитей 4, с получением со сторон подвода и отвода разделяемой среды клинообразного герметичного и упрочняющего конструкцию соединения 10, направленного сужением (острыми ребрами соединения) в стороны подвода и отвода разделяемой среды с образованием открытых в направлении движения разделяемой среды каналов;
на фиг.7 и 8 - показана схема изготовления мембранных модулей из описанных выше заготовок с соединением их между собой с образованием клиновидных кромок 11 и прикреплением к полученному блоку заготовок нижней стенки 5 и верхней стенки 6 с получением одного из вариантов заявляемого мембранного модуля с наружными стенками, а на фиг.9 - изображен вариант конструкции мембранного модуля из описанных выше заготовок с соединением их между собой без наружных стенок, предназначенный для установки в корпус мембранного аппарата с наружными стенками;
на фиг.10 изображен вариант конструктивного исполнения мембранного аппарата для «тупиковой» фильтрации, содержащего корпус из боковых элементов 14, коллектор разделяемой среды 8 с патрубком подвода разделяемой среды 7, коллектор пермеата 13 с патрубком отвода пермеата 12 и размещенный в корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран 1 с рельефными элементами в виде нитей 2 и средствами герметизации, образующих чередующиеся камеры разделяемой среды и камеры пермеата 9;
на фиг.11 изображен вариант конструктивного исполнения мембранного апапарата для «проточной» фильтрации (разделения крови, плазмофильтрации), содержащего корпусные элементы 14, коллектор подвода разделяемой среды 8 с патрубком подвода разделяемой среды 7, коллектор отвода разделяемой среды 17 с патрубком отвода разделяемой среды 18, коллектор пермеата 13 с патрубком отвода пермеата 12 и размещенный корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран 1 с рельефными элементами в виде нимтей 2 и средствами герметизации, образующих чередующиеся камеры разделяемой среды и камеры пермеата 9, с образованием в камерах разделяемой среды и пермеата 9 продольно и поперечно ориентированных каналов для разделяемой среда и пермеата, открытых в коллекторы разделяемой среды 8, 17 и коллектор пермеата 13 со сторон подвода и отвода разделяемой среды и пермеата;
на фиг.12 изображен вариант конструктивного исполнения «массообменного» мембранного аппарата, содержащего корпус с корпусными элементами 14, коллектор подвода среды с массообмениваемым компонентом 8 с патрубком подвода среды с обмениваемым компонентом 7, коллектор отвода среды с обмениваемым компонентом 17 с патрубком отвода среды с обмениваемым компонентом 18, коллектор подвода пермеата 16 с патрубком подвода пермеата 16, коллектор отвода пермеата 13 с патрубком отвода пермеата 12 и размещенный в корпусе мембранный модуль из набора пористых мембран 1 с рельефными элементами в виде нитей 2 и средствами герметизации, образующими чередующиеся камеры среды с обмениваемым компонентом и камеры пермеата 9, в которых рельефные элементы в виде прикрепленных к поверхности мембран нитей и контуров герметизации с образованием в камерах среды с обмениваемым компонентом и камер пермеата продольно и поперечно ориентированных каналов для среды с обмениваемым компонентом и пермеата, открытых в коллекторы среды с обмениваемым компонентом и пермеата со сторон подвода и отвода среды с обмениваемым компонентом и пермеата.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Характерной особенностью данной полезной модели является образование распределительно-сепарационной системы в камерах мембранных модулей посредством рельефных элементов в виде расположенных внутри камер разделяемой среды и пермеата и прикрепленных к поверхности мембран нитей и контуров герметизации с образованием в камерах разделяемой среды и пермеата продольно и поперечно ориентированных каналов для разделяемой среда и пермеата, открытых в направлении подвода и отвода разделяемой среды и пермеата.
Выполнение распределительно-сепарационной системы мембранных модулей и мембранных аппаратов в виде прикрепленных к поверхности мембран рельефные элементов в виде преимущественно параллельных нитей позволяет повысить эффективность разделения и массообмена за счет исключения застойных зон при движении разделяемых и массообменных сред.
Преимущественное применение профильных трековых мембран позволяет, по сравнению с другими используемыми в настоящее время мембранами, например, обычными плоскими трековыми мембранами с сетчатыми сепараторами или мембранами на основе производных целлюлозы, существенно повысить эффективность разделения (отделения плазмы) и существенно уменьшить травмирование компонентов разделяемых сред (форменных элементов крови).
Использование в камерах разделяемых сред (маассобменных сред) и пермеата продольно и поперечно ориентированных нитей позволяет создать открытые в направлении движении сред каналы и равномерно распределить зоны соприкосновения мембран с сепарационными рельефными элементами по всей поверхности мембран, что существенно повышает сопротивляемость мембран действию трансмембранного давления и дает возможность повысить эффективность функционирования за счет возможности увеличения перепада давления в камерах, а также уменьшения толщины мембран без опасения механического повреждения мембран под действием трансмембранного давления.
При этом прикрепленные к поверхности мембран нити предотвращают образование складок из мембранного материала в процессе изготовления и эксплуатации мембранного модуля, которые могут возникать в случае свободного расположения мембран и которые иногда полностью закупоривают проходное сечение щелевых камер.
Кроме этого использование прикрепленных к пористой мембране нитей нитей обеспечивает надежное соединение мембраны к зонам герметизации за счет нагрева под нагрузкой, при этом часть клея дополнительно вдавливается и норы мембран и это обеспечивает одновременно простую по технологической реализации, но надежную герметизацию камер и обеспечивает жесткость всей конструкции.
Наиболее предпочтительно использование заявляемых мембранных модулей и мембранных аппаратов на основе трековых мембран, особенно для разделения крови на плазму и эритроцитную массу, например при проведении процедуры плазмафереза в донорских целях для получения плазмы и аутоплазмы в учреждениях службы крови, а также и лечебных целях, для детоксикации, иммуно- и реокоррекции в практическом здравоохранении на отделениях токсикологии, трансфузиологии, кардиологии, нефрологии, эндокринологии, аллергологии, пульмонологии, онкологии, дерматологии, наркологии, неврологии и др.; в акушерстве и гинекологии, педиатрии, реанимации, хирургии; в условиях клиник, больниц, в службе скорой помощи, и военно-полевой медицине, в ургентных случаях и в условиях медицины катастроф.
Используемая в модулях и аппаратах по полезной модели рельефная пористая трековая мембрана с распределительной системой в виде ориентированных в направлении движения сред нитей для тангенциально фильтруемых к поверхности потоков по сравнению с обычной трековой мембраной имеет следующие преимущества:
высокую прочность и стойкость к растрескиванию, низкую электризуемость, что определяет ее повышенную технологичность;
практическое сохранение пористости и всех преимуществ исходной трековой мембраны.
Трековые (ядерные) мембраны, на основе полиэтилентсрефталатной пленки (лавсана), в частности, характеризуются:
толщиной пленки от 5 до 12 мкм, при ширине до 320 мм; диаметром пор от 0,05 до 2,0 мкм; плотностью пор от 10 (в пятой степени) до 3×109 (в девятой степени) на кв. см;
рабочим диапазоном температур от -65 до плюс +155°С, что допускает стерилизацию фильтров в автоклавах без каких-либо необратимых процессов;
негигроскопичностью, водопоглощеием при 25°С в течение 7 суток - 0,5%;
пассивностью в биологическом отношении, отсутствием компонентов, которые могут мигрировать в фильтрат (следовательно, не требуется выщелачивания перед использованием);
возможностью регенерации путем отмыва фильтров тангенциальным потоком фильтрата или пульсирующим обратным потоком;
стойкостью при низких температурах, особенно характерных для криогенной техники;
устойчивостью к большинству кислот, органических растворителей, разбавленным растворам щелочей;
гладкой поверхностью, в отличие от рыхлой поверхности традиционных сетчатых мембранных фильтров типа «Millipore», «Владинор» и др., что способствует их возможному использованию в аналитических целях, в частности, при исследовании отфильтрованных продуктов методами оптической или электронной микроскопии;
малым собственным весом и весьма незначительной абсорбцией влаги, что позволяет использовать их для гравиметрического анализа;
малой зольностью, что существенно при количественном элементном анализе с помощью нейтронной активации и оптической спектроскопии;
высоким пропусканием светового потока, достаточным для микроскопических исследований;
полным отсутствием радиоактивности в материале фильтров (при облучении лавсана используется энергия ионов, при которых не протекают ядерные реакции);
полным задержанием частиц, превосходящих размеры пор, а, следовательно, возможностью определения размеров задержанных частиц;
возможностью классификации частиц по размерам в процессе последовательной фильтрации через фильтры с различным (последовательно уменьшающимся) диаметром пор.
В качестве одного из примеров промышленной реализации полезной модели были изготовлены и испытаны устройства для разделения крови в виде плазмофильтров мембранных, предназначенных для разделения крови на плазму и эритроцитную массу при проведении процедур плазмафереза в донорских целях для получения плазмы и аутоплазмы в учреждениях службы крови, а также в лечебных целях для детоксикации, иммуно- и реокоррекции в практическом здравоохранении на отделениях токсикологии, трансфузиологии, кардиологии, нефрологии, эндокринологии, аллергологии, пульмонологии, онкологии, дерматологии, наркологии, неврологии и др.; в акушерстве и гинекологии, педиатрии, реанимации, хирургии; в условиях клиник, больниц, в службе скорой помощи, в военно-полевой медицине, в ургентных случаях и в условиях медицины катастроф.
Технические характеристики плазмофильтра мембранного ПФМ 500
Таблица 1.
Габаритные размеры, мм, не более
90х90х25
Масса, кг, не более
0,05
Объем начального заполнения, мл, не более
20
Номинальный поток крови, мл/мин
50
Давление крови на входе в плазмофильтр, мм рт.ст., не более
90
Выход плазмы от входного потока крови, %, не менее
30
Основным конструктивным элементом плазмофильтров на основе полезной модели является мембранный модуль, представляющий собой многокамерное устройство с чередующимися плоскими щелевыми камерами крови и плазмы, разделенными трековой мембраной, в кровяных и плазменных камерах которых находятся рельефные элементы в виде нитей, служащие для формирования каналов для потоков жидкости в них. Мембранные модули могут заключаться между двумя полимерными пластинами, к которым по периметру привариваются коллекторы для подвода крови и отвода эритроцитной массы и плазмы.
Главным функциональным элементом плазмофильтров по полезной модели является рельефная трековая мембрана. Поры в мембране образуются при облучении полимерной пленки ускоренными на циклотроне тяжелыми ионами и последующей ее физико-химической обработке. Уникальными функциональными свойствами трековых мембран являются: малая толщина, цилиндрическая форма и калиброванность пор, высокая селективность фильтрации, отсутствие экстрагируемых веществ, низкая адсорбция растворенных веществ, низкое сопротивление течению фильтруемой среды.
В плазмофильтрах по полезной модели используется преимущественно, но не обязательно, мембрана из полиэтилентерефталатной пленки толщиной 10 мкм, пористостью 6-10% и размером пор около 0,5 мкм. Открытые со стороны входа и выхода продольные каналы, цилиндрическая форма пор и гладкая поверхность исходной трековой мембраны существенно снижают травмирующее воздействие на форменные элементы крови и позволяют выдерживать без гемолиза трансмембранное давление до 200 мм рт.ст., что в три раза выше, чем у аналогов с мембранами в виде полых волокон.
Мембранный плазмофильтр по полезной модели работает следующим образом: кровь подводится через патрубок подвода крови в коллектор подвода крови, равномерно распределяется по всем камерам крови и движется по открытым каналам в них тангенциальным потоком вдоль мембраны в направлении патрубка отвода крови. При этом в камерах крови создается избыточное давление, и часть плазмы через поры мембран фильтруется в плазменные камеры, собирается в коллектор плазмы и выводится из плазмофильтра через патрубок отвода плазмы.
Конструкция плазмофильтров, гидродинамика потоков крови и плазмы, характеристики мембран позволяют свободно проходить через последние всем жидким компонентам крови с большей частью токсинов и некомпетентных веществ и задерживать ее форменные элементы.
Основные функциональные характеристики плазмофильтров мембранных (ПФМ) по полезной модели приведены в табл.2.
Таблица 2.
Характеристика плазмофильтра мембранного
Тип плазмофильтра мембранного (ПФМ)
ПФМ-500;
ПФМ-800
Объем начального заполнения, мл, не более
20
25
Скорость потока крови номинальная, мл/мин
50
50
Давление крови на входе в плазмофильтр, мм рт.ст., не более
90
90
Выход плазмы от входного потока крови, %, не менее
30
30
Плазмофильтры мембранные являются изделиями однократного применения и сохраняют стерильность, апирогенность и нетоксичность в течение всего гарантийного срока хранения. Срок годности плазмофильтров - не менее 3 лет.
Плазмофильтры могут применяться в составе устройств мембранного плазмафереза, выпускаемых, в частности, по ТУ 9444-004-49013468-2007, а также с трансфузионными магистралями, имеющими разрешительные документы к использованию в медицинской практике, что дает врачу возможность выбрать оптимальную для конкретного пациента методику.
Экспериментальные исследования функциональных свойств плазмофильтров, изготовленных с использованием предлагаемых мембранных модулей, были проведены в клиниках Санкт-Петербурга. Соответствие плазмофильтров мировому уровню проверялось путем сравнения их функциональных характеристик с характеристиками плазмофильтров ведущих зарубежных фирм. Испытания проводились на консервированной цитратом человеческой крови с гематокритом 0,42 г/л при скорости тока крови 50,0 мл/мин. Результаты показали, что по функциональным характеристикам испытуемые плазмофильтры с использованием предлагаемого мембранного модуля вполне соответствуют мировому уровню и даже превосходят их по отдельным парметрам.
Биосовместимость мембранных модулей доказана испытаниями на кроликах.
Использование предлагаемых мембранных модулей и аппаратов позволяет существенно повысить технологичность и снизить трудоемкость их изготовления за счет обеспечения возможности полной механизации и автоматизации производства, что позволяет обеспечить крупносерийный выпуск остродефицитных в настоящее время мембранных аппаратов, в частности плазмофильтров. При этом появляется возможность исключения контакта производственного персонала с отдельными деталями мембранных модулей, что повышает стерильность мембранных аппаратов.
Кроме этого преимуществом предлагаемой конструкции мембранного модуля является возможность изготовления на одном и том же производственном оборудовании мембранных модулей для проведения различных процессов разделения (например, плазмафереза или получения очищенных сред) и/или массообмена (диализа).
СООТВЕТСТВИЕ КРИТЕРИЯМ ОХРАНОСПОСОБНОСТИ.
В целом, учитывая новизну и неочевидность полезных моделей, существенность всех общих и частных признаков полезных моделей, промышленную применимость, практическую осуществимость полезных моделей и достижение поставленных задач и требуемого технического результата, по нашему мнению заявленная группа полезных моделей удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к полезным моделям.
Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки полезных моделей являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели полезных моделей, но и позволяют реализовать полезная модель промышленным способом и достичь требуемых технических результатов.
Кроме этого анализ совокупности существенных признаков полезных моделей группы и достигаемого при использовании единого технического результата показывает наличие единого изобретательского замысла, тесную и неразрывную связь вариантов модулей и аппаратов, что позволяет объединить несколько полезных моделей в одной заявке.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР N 1063417, кл. А61М 1/03, 1983.
2. Авторское свидетельство СССР N 1243734, кл. А61М 1/03, 1986
3. Заявка ФРГ N 2252341, кл. В01D 13/00, 1981.
4. Авторское свидетельство СССР N 1034754, кл. В01D 63/14, 1983
5. Патент РФ №2029610, B01D 63/14, А61М 1/16 дата публикации 1995.02.27 (прототип)