| JP3318403 | FILTER DEVICE |
| JP57207518 | LIQUID FILTERING DEVICE |
| WO/2011/019686 | CROSS-FLOW MEMBRANE FILTRATION-BASED PROCESS FOR PROTEIN RECOVERY |
OECHSLE, Oliver (Gemünder Strasse 24, Düsseldorf, 40547, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Filtern einer Suspension (S) bestehend aus einem Fluid (F) und Zell- oder Festkörperpartikeln, wobei die Suspension (S) mindestens durch ein gekrümmtes Kapillarrohr (2) eines Filters (1) geführt wird und zur Trennung des Fluids (F) von den Zell- oder Festkörperpartikeln zumindest das Fluid (F) teilweise durch eine poröse Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres (2) hindurchtritt, wobei die Krümmung des Kapillarrohres (2) einen bestimmten Krümmungsradius (r) aufweist, der dazu geeignet ist eine Anlagerung von Zell- oder Festkörperpartikeln der Suspension (S) an einem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres (2) gezielt zu verhindern. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das durch das gekrümmte Kapillarrohr (2) hindurchströmende Fluid (F) der Suspension (S) Blutplasma aufweist und die Filterwandung des Kapillarrohrs (2) derart ausgebildet ist, dass das Blutplasma durch die Filterwandung des Kapillarrohres (2) zur Trennung von Blutkörpern der Suspension (S) zumindest teilweise hindurchtritt. 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich an dem äußeren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres (2) eine zähflüssige Sekundärmembran mit einer hohen Konzentration an Zell- oder Festkörpern bildet, welche das Strömungsprofil der durch das gekrümmte Kapillarrohr (2) hindurchströmenden Suspension (S) dahingehend verändert, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit (V) der hindurchströmenden Suspension (S) erhöht und sich das Maximum des Strömungsprofils der hindurchströmenden Suspension (S) zu dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres (2) hin verlagert. 4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei durch das veränderte Strömungsprofil und die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der hindurchströmenden Suspension (S) die Bildung einer aus Zell- oder Festkörpern bestehenden Se- kundärmembran an dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres (2) verhindert wird, so dass dort das Hindurchtreten des Fluids (F) durch die poröse Filterwandung des ge- krümmten Kapillarrohres (2) zur Steigerung der Trennung des Fluids (F) von den Zell- oder Festkörpern der hindurch strömenden Suspension (S) erleichtert wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4 , wobei die durch das gekrümmte Kapillarrohr (2) hindurch strömende Suspension (S) nach Abtrennen des Fluids (F) an dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres (2) eine erhöhte Zellkonzentrationaufweist . 6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durch das gekrümmte Kapillarrohr (2) strömende Suspension (S) durch eine Suspension (S) aus Zell- und Festkörpern, aus einem Fluid und Bakterien, Zellen, Pilzen und Algen gebildet wird, wobei die Filterwandung des Kapillarrohres (2) derart ausgebildet ist, dass das Fluid (F) durch die Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres (2) zumindest teilweise hindurchtritt . 7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Konzentration (C) der Zell- und Festkörperpartikel in der zu filternden Suspension (S) oder der gefilterten Suspension (S') durch eine Messeinrichtung (10) erfasst wird. 8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Krümmungsradius (r) des gekrümmten Kapillarrohres (2) in Abhängigkeit von der erfassten Konzentration (C) der Zell- und Festkörperpartikel in der zu filternden Suspension (S) und/oder der gefilterten Suspension (S') eingestellt wird . 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Krümmungsradius (r) des Kapillarrohres (2) in einem Bereich von 1 cm bis 5 cm eingestellt wird. 10. Selbstreinigendes Filter (1) zum Filtern einer Suspension (S) bestehend aus einem Fluid (F) und Festkörperpartikein oder Zellen, insbesondere zum Filtern von Blut, mit: mindestens einem Kapillarrohr (2), durch welches die Suspension (S) strömt, wobei das Kapillarrohr (2) eine Filterwandung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass die durch das Kapillarrohr (2) strömende Suspension (S) durch die Filterwandung zur Trennung des Fluids (F) von den Zell- und Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt, wobei das Kapillarrohr (2) eine Krümmung aufweist, welche eine Anlagerung von Festkörpern oder Zellen an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres (2) gezielt verhindert, so dass das Hindurchtreten des Fluids (F) durch die Filterwandung an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres (2) erleichtert wird . 11. Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 10, wobei das gekrümmte. Kapillarrohr (2) eine poröse Filterwandung aufweist, deren Porosität derart ausgebildet ist, dass das durch das Kapillarrohr (2) strömende Fluid (F) der Suspension (S) durch die in der Filterwandung vorhandenen Poren zur Abtrennung des Fluids (F) , insbesondere des Blutplasmas, von den Zell- und Festkörperpartikeln, insbesondere von den Blutkörpern, zumindest teilweise hindurchtritt. 12. Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Kapillarrohr (2) aus einem elastischen Kunststoffmaterial besteht, dessen Krümmungsradius (r) in Abhängigkeit von Messdaten, insbesondere Konzentrationswerten einstellbar ist. 13. Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 10 bis 12, wobei die zu filternde Suspension (S) an einem ersten Ende in das gekrümmte Kapillarrohr (2) mit einem ersten Druck (PI) eintritt und an einem zweiten Ende aus dem gekrümmten Kapillarrohr (2) als gefilterte Suspension (S') mit einem zweiten Druck (P2) austritt, welcher niedriger ist, als der erste Druck (PI) , wobei der erste Druck (PI) und/oder der zweiten Druck (P2) sowie ein ümgebungsdruck (P0) einstellbar sind. 14. Selbstreinigendes Filter nach Anspruch 10, wobei die zu filternde Suspension (S) Blut ist, das als Fluid (F) Blutplasma und als Zellen Blutkörper aufweist und das sich in einem Vorratsbehälter (6) befindet, der mit dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres (2) verbunden ist, wobei das an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres (2) austretende gefilterte Blut einen erhöhten Hämatokritwert (Hk) aufweist und in einem ersten Aufnahmebehälter (7) aufgenommen wird, wobei das durch die poröse Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres (2) gegen einen Umgebungsdruck hindurchtretende Blutplasma durch einen zweiten Aufnahmebehälter (9) aufgenom- men wird. 15. Verwendung des selbstreinigenden Filters (1) nach Anspruch 10 als Blutseparationsfilter zum Filtern von Blut, das Blutkörper und Blutplasma aufweist, mit: mindestens einem Kapillarrohr (2), durch welches das zu filternde Blut strömt, wobei das Kapillarrohr (2) eine poröse Filterwandung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das in dem Blut enthaltene Blutplasma zur Trennung von den Blutkörpern zumindest teilwei- se durch die Filterwandung hindurchtritt, wobei das Kapillarrohr (2) eine Krümmung aufweist, welche eine Bildung einer zähflüssigen Sekundärmembran mit einer hohen Konzentration an Blutkörpern an dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres (2) verhindert, so dass dort das Hindurchtreten des Blutplasmas durch die poröse Filterwandung des Kapillarrohres (2) erleichtert wird. 16. Filteranlage zum Filtern einer Suspension (S) mit mindestens einem selbstreinigenden Filter (1) nach einem der Ansprüche 10-14 und einer Steuerung (15) zur Einstellung von Filtrationsparametern des selbstreinigenden Filters (1) , wobei die Filtrationsparameter einen ersten Druck (Ρχ) am Eingang des gekrümmten Kapillarrohres (2), einen zweiten Druck (P2) am Ausgang des gekrümmten Kapillarrohres (2), einen Umgebungsdruck (Pu) und einen Krümmungsradius (r) des kapillarrohres (2) aufweisen. 17. Verwendung der Filteranlage nach Anspruch 16 in einer Filteranlage, insbesondere einer Kläranlage oder einer Blutfilteranlage, oder in einer Anlage zur Herstellung von Getränken. |
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Filtern einer Suspension bestehend aus einem Fluid und Zelloder Fest körperpartikeln und insbesondere ein Verfahren zum Filtern von Blut sowie ein selbstreinigendes Blutseparationsfilter .
Es gibt verschiedene Grundverfahren zur Trennung von Substanzgemischen. Diese verschiedenen Grundverfahren umfassen Extraktion, Filtration und Destillation. Die Extraktion beruht darauf, dass aus Substanzgemischen durch ein Lösungsmittel bestimmte Bestandteile selektiv herausgelöst werden, die sich dann durch Entfernen des Lösungsmittels isolieren lassen. Die Destillation ist ein thermisches Trennverfahren, das darauf beruht, dass eine Substanz durch Verdampfen und anschließendes Kondensieren von einem Substanzgemisch entfernt werden kann.
Bei der Filtration werden aus festen und flüssigen Stoffen bestehende Substanzgemische durch eine poröse Schicht, die nur die Flüssigkeit hindurchlässt , in ihre festen und flüssigen Bestandteile getrennt. Die treibende physikalische Kraft bei der Filtration ist der durch das Gewicht der über dem Filter stehenden Flüssigkeitssäule hervorgerufene Druckunterschied zwischen Zulauf- und AblaufSeite des jeweiligen Filters. Die- ser Druckunterschied kann durch Pressen auf der Zulaufseite oder Anlegen von Unterdruck auf der Ablaufseite oder auch durch Zentrifugieren verstärkt werden. Feststoffe mit einem größeren Durchmesser als die Poren des Filtermaterials werden durch Oberflächenfiltration wie bei einem Sieb zurückgehalten Herkömmliche Filter umfassen auch Kapillarfilter, die aus einer oder mehreren Kapillarröhrchen bestehen. Die Kapillarröhr- chen bestehen dabei aus einem porösen Material. Die Wandung des Kapillarröhrchens bildet eine zylindrische poröse Membran durch die ein Fluid hindurchtreten kann, während FeststoffPartikel durch die Poren nicht hindurchdringen können. Ein Nachteil dieser herkömmlichen Kapillarfilter besteht darin, dass neben der Hauptströmung, die in Axialrichtung durch das jeweilige Kapillarröhrchen fließt, radiale Nebenströmungen entstehen, die dazu führen, dass sich Fest körperpartikel am Rande der Kapillarröhrchen festsetzen. Dadurch verstopfen die Kapillarröhrchen regelmäßig und müssen daher mit einem Spülmittel gespült werden. Dieser notwendige Reinigungsvorgang bzw. Spülvorgang beeinträchtigt die Effizienz einer Filteranlage, die derartige Kapillarfilter einsetzt, erheblich. Der Filtervorgang muss unterbrochen werden, um die Kapillarröhr- chen bei Bedarf oder in regelmäßigen Abständen mit einem Spülmittel zu spülen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das verwendete Spülmittel unter Umständen zu Kontaminationen führen kann. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Filtern einer Suspension, welche Fest körperpartikel aufweist, zu schaffen, welches ohne die Notwendigkeit eines Spülvorgangs eine Verstopfung von Kapillarröhren vermeidet bzw. verhindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Filtern einer Suspension bestehend aus einem Fluid und Zell- oder Festkörperparti- keln , wobei die Suspension durch mindestens ein gekrümmtes Kapillarrohr eines Filters geführt wird und zur Trennung des Fluids von den Zell- oder Festkörperpartikeln zumindest teilweise durch eine poröse Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres hindurchtritt,
wobei die Krümmung des Kapillarrohres einen bestimmten Krümmungsradius aufweist, der dazu geeignet ist, eine Anlagerung von Zell- oder Festkörperpartikeln der Suspension an einem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres gezielt zu verhindern .
Bei der Suspension kann es sich um ein flüssiges Stoffgemisch handeln, das Zell- oder Festkörperpartikel aufweist. Bei der Suspension kann es sich insbesondere um Blut handeln, das Blutplasma und Blutkörperchen aufweist.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens weist die durch das gekrümmte Kapillarrohr hindurchströmende Suspension als Fluid Blutplasma auf, wobei die Filterwandung des Kapillarrohres derart ausgebildet ist, dass das Blutplasma durch die Filterwandung des Kapillarrohres zur Trennung des Blutplasma von Blutkörpern zumindest teilweise hindurchtritt. Dabei ist die Porosität der Filterwandung des Kapillarrohres vorzugsweise derart ausgebildet, dass das durch das Kapillarrohr strömende Fluid, d.h. das Blutplasma, durch die in der Filterwandung vorhandenen Poren zur Trennung des Fluids, d.h. des Blutplasmas, von den Festkörperpartikeln, d.h. den Blutkörperchen, zumindest teilweise hindurchtritt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet sich an dem äußeren Krümmungsrand des gekrümm- ten Kapillarrohres eine zähflüssige Sekundärmembran mit einer hohen Konzentration an Blutkörpern, insbesondere an roten Blutkörpern . Durch die an dem äußeren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres gebildete zähflüssige Sekundärmembran verändert sich das Strömungsprofil des durch das gekrümmte Kapillarrohr hindurchströmenden Blutes» Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit des hindurchströmenden Blutes bei dem gekrümmten Kapillarrohr aufgrund der zähflüssigen Sekundärmembran aufgrund des geringeren Strömungsquerschnitts, der für das hindurchströmende Blut zur Verfügung steht, erhöht, und das Maximum des Strömungsprofils des hin- durchströmenden Blutes verlagert sich hin zu dem Krümmungsrand des Kapillarrohres.
Die erhöhte absolute Strömungsgeschwindigkeit am inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres verhindert die Bildung einer zähflüssigen Sekundärmembran an dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres, so dass ein Hindurchtreten von Blutplasma am inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapil ¬ larrohres durch die poröse Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres erleichtert wird. Dadurch, dass Blutplasma am inne- ren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres weitestgehend ungehindert von einer zähflüssigen Sekundärmembran austreten kann, erhöht sich das Volumen des aus dem zugeführten Blut abgetrennten bzw. gefilterten Blutplasmas pro Zeit. Neben der absoluten Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des hindurch- strömenden Blutes verlagert sich auch ein Maximum des Strömungsprofils hin zu dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres, so dass hierdurch die Bildung eines zähflüssigen Sekun- därmembrans an dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapil larrohres zusätzlich behindert bzw, verhindert wird.
Demnach wird bei einer möglichen Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens durch das veränderte Strömungsprofil und die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des hindurchströmenden Blutes die Bildung einer aus Blutkörpern bestehenden Sekundärmembran an dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres gezielt verhindert, so dass dort das Hindurchtre ten des Blutplasmas durch die poröse Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres eine Steigerung der abgetrennten Meng bzw. Volumen des Blutplasmas von den Blutkörpern des hindurch strömenden Blutes erleichtert wird, d.h. es wird mehr Blutplasma pro Zeit herausgefiltert bzw abgetrennt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens weist das durch das gekrümmte Kapillarrohr hindurchströmende Blut nach Abtrennen des Blutplasmas an dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres einen erhöhten Hä mokritwert HK auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsge mäßen Verfahrens wird die durch das gekrümmte Kapillarrohr strömende Suspension durch eine Lösung gebildet, welche Fest- körperpartikel aufweist, wobei die Filterwandung des Kapillar rohres derart ausgebildet ist, dass die Lösung durch die Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres zur Trennung von den Festkörperpartikeln, insbesondere von Bakterien, Zellen, Pilzen oder Algen zumindest teilweise hindurchtritt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens wird eine Konzentration der Festkörperpartikel in der zu filternden Suspension oder der gefilterten Suspension durch eine Messeinrichtung erfasst.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens wird eine Konzentration von Blutkörpern in dem zu fil ternden Blut oder dem gefilterten Blut durch eine Messeinrich tung erfasst.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Krümmungsradius des gekrümmten Kapillarrohres in Abhängigkeit von der erfassten Konzentration der Festkörperpartikel , insbesondere von Blutkörpern, in der zu filternden Suspension und/oder der gefilterten Suspension eingestellt .
Bei einer möglichen Ausführungsform besteht das Kapillarrohr bzw. das Kapillarröhrchen aus einem elastischen Material, insbesondere aus einem elastischen synthetischen Kunststoff.
Der Kunststoff weist dabei vorzugsweise eine an den Krümmung radius des Kapillarrohres angepasste Elastizität auf. Der Kunststoff ist bei einer möglichen Ausführungsform ein Polyu rethan, Polyethersulfon oder Polysulfon.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Krümmungsradius des jeweiligen Kapillarrohres bzw. Kapillarröhrchens variabel einstellbar .
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens wird der Krümmungsradius des Kapillarrohres in einem Bereich von 1 cm bis 25 cm eingestellt, insbesondere in einem Bereich von 1 cm bis 5 cm. Die Erfindung schafft ferner ein selbstreinigendes Filter zum Filtern eines Fluids mit den in Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale . Die Erfindung schafft demnach ein selbstreinigendes Filter zum Filtern einer Suspension bestehend aus einem Fluid und Zelloder Festkörperpartikeln mit:
mindestens einem Kapillarrohr, durch welches die Suspension strömt ,
wobei das Kapillarrohr eine Filterwandung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das durch das Kapillarrohr strömende Fluid der Suspension durch die Filterwandung zur Trennung des Fluids von den Zell- oder Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt,
wobei das Kapillarrohr eine Krümmung aufweist, welche eine An ¬ lagerung von den Zell- oder Festkörperpartikel an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres gezielt verhindert,, so dass das Hindurchtreten des Fluids durch die Filterwandung am inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres erleichtert wird.
Bei dem abgetrennten Fluid, welches durch die Filterwandung am inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres hindurchtritt, kann es sich beispielsweise um Blutplasma handeln. Die Erfindung schafft demnach ein Blutseparationsfilter zum
Filtern vom Blut, das Blutkörper und Blutplasma aufweist, mit: mindestens einem Kapillarrohr, durch welches das zu filternde Blut strömt,
wobei das Kapillarrohr eine poröse Filterwandung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das in dem Blut enthaltene Blut ¬ plasma zur Trennung von den Blutkörpern zumindest teilweise durch die Filterwandung hindurchtritt, wobei das Kapillarrohr eine Krümmung aufweist, welche eine Bildung einer zähflüssigen Sekundärmembran mit einer hohen Konzentration von Blutkörpern an dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres verhindert, so dass dort das Hin- durchtreten des Blutplasmas durch die poröse Filterwandung des Kapillarrohres erleichtert wird.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters weist das gekrümmte Kapillarrohr ei- ne poröse Filterwandung auf, deren Porosität derart ausgebildet ist, dass das durch das Kapillarrohr strömende Fluid bzw Blutplasma durch die in der Filterwandung vorhandenen Poren zur Abtrennung des Fluids von den Zell- oder Festkörperpartikeln, insbesondere von Blutkörpern, zumindest teilweise hin- durchtritt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters besteht das Kapillarrohr aus einem elastischen Kunststoffmaterial, dessen Krümmungsradius ein- stellbar ist.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters tritt die zu filternde Suspension, insbesondere das Blut, an einem ersten Ende in das gekrümmte Kapillarrohr mit einem ersten Druck ein und tritt an einem zweiten Ende aus dem gekrümmten Kapillarrohr mit einem zweiten Druck gefiltert aus, wobei der zweite Druck niedriger ist als der erste Druck. Bei einer möglichen Ausführungsform handelt es sich bei der austretenden gefilterten Suspension um Blut mit einem erhöhten Hämokritwert , d.h. mit einer erhöhten Konzentration an roten Blutkörperchen . Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist die zu filternde Suspension Blut, welches Blutplasma und Blutkörper aufweist und das sich in einem Vorratsbehälter befindet, der mit dem ersten Ende des gekrümmten Kapillarrohres verbunden ist.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters weist das an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohrs austretende gefilterte Blut einen erhöhten Hämokritwert auf und wird in einem ersten Aufnahmebehälter aufgenommen.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters wird das durch die poröse Filterwan dung des gekrümmten Kapillarrohres gegen einen Umgebungsdruck hindurchtretende Blutplasma in einem zweiten Aufnahmebehälter aufgenommen . Der Aufnahmebehälter zur Aufnahme des Blutplasmas kann ein geschlossener Behälter sein, in dem ein Gegendruck bzw. Umgebungsdruck gezielt aufgebaut wird, um die Austrittsgeschwindigkeit bzw. das pro Zeit austretende Volumen des aus dem Kapillarrohr austretenden Blutplasmas einzustellen. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist die Konzentration der Zell- oder Festkörperpartikel in der zu filternden Suspension oder in die gefilterten Suspension durch eine Messeinrichtung erfassbar.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters ist die Konzentration von Blutkörpern in dem zu filternden Blut oder in dem gefilterten Blut, beispielsweise anhand eines gemessenen Hämokritwertes , durch eine Messeinrichtung erfassbar.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters weist dieses mehrere bogenförmige Krümmungen auf, die parallel zueinander oder seriell angeordnet sind.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsge- mäßen selbstreinigenden Filters ist mindestens ein Kapillarrohr bzw. ein Kapillarröhrchen spiralförmig angeordnet.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters handelt es sich bei dem selbstreini- genden Filter um ein Blutseparationsfilter zum Filtern von
Blut, das Blutkörper und Blutplasma aufweist, wobei das Blutseparationsfilter eine Vielzahl von parallel angeordneten Kapillarrohren bzw. Kapillarröhrchen aufweist, durch welche das zu filternde Blut strömt .
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert .
Es zeigen:
Fig. 1 ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
Fig. 2a, 2b weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters; ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters; weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters; ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters; ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters, zeigt ein Diagramm zur Illustration einer durchgeführten Simulation an einem Kapillarrohr des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters;
Diagramme zum Nachweis einer in der Filterwandung eines Kapillarrohres vorhandenen zähflüssigen Sekundärmembran und einer erhöhten Konzentration von Blutkörpern bei einem Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens; ein Diagramm zur Darstellung eines gekrümmten Kapillarrohres mit verschiedenen Messquerschnitten, das bei dem erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filter eingesetzt werden kann;
Geschwindigkeitsprofile in Längs- und in Querrichtung für eine durch das in Fig. 10 dargestellte Kapillarrohr fließende Suspension; Fig. 14 ein Blockdiagramm für ein Äusführungsbeispiel einer Filteranlage gemäß der Erfindung, Fig. 15a, 15b Diagramme zur Illustration des erfindungsgemäßen
Filterverfahrens .
Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, weist ein erfindungsgemäßes selbstreinigendes Filter 1 zum Filtern einer Suspension S mindestens ein gekrümmtes Kapillarrohr 2 bzw. Kapillarröhrchen auf. Das gekrümmt angeordnete Kapillarrohr 2 kann einen bestimmten Krümmungsradius r aufweisen. Der Krümmungsradius r liegt bei einer möglichen Ausführungsform in einem Bereich von 1 cm bis 25 cm. Das Kapillarrohr 2 weist eine Filterwandung mit einer Dicke auf. Das Kapillarrohr 2 filtert eine Suspension S, die Zell- oder Festkörperpartikel und ein Fluid F enthält. Das Kapillarrohr 2 filtert bei einer möglichen Ausführungsform Blut, welches Blutkörper, insbesondere rote Blutkörper, sowie Blutplasma aufweist. Die Filterwandung des Kapil- larrohrs 2 ist derart ausgebildet, dass die durch das Kapillarrohr 2 hindurch strömende Suspension S durch die Filterwandung zur Trennung des Fluids F von den Zell- oder Festkörperpartikeln zumindest teilweise hindurchtritt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel tritt ein zu filtrierende Suspension S in eine Eintrittsöffnung 3 ein und an einem zweiten Ende 4 tritt die gefilterte Suspension S' aus. Das Kapillarrohr 2 des Filters 1 weist eine Krümmung auf, welche eine das Filter 1 verstopfende bzw. den Filtervorgang hemmende Anlagerung von Festkörperpartikeln an einem inneren Krümmungsrand des Kapil- larrohres 2 verhindert. Durch die gekrümmte Anordnung des Kapillarrohres 2 weist das Filter 1 eine Selbstreinigungsfunktion auf. Auf die Zell- oder Festkörper wirken durch die axiale Strömungsgeschwindigkeit und den Krümmungsradius r Zentripe- dalkräfte, die entsprechend dem Dichteunterschied zwischen Partikel und Fluid addiert bzw. subtrahiert werden.
Das Kapillarrohr 2 des erfindungsgemäßen Filters 1 weist eine poröse Filterwandung auf. Die Porosität der Filterwandung ist derart ausgebildet, dass das durch das Kapillarrohr 2 hindurchströmende Fluid . F der Suspension S durch die in der Filterwandung vorhandenen Poren zur Trennung des Fluids F von den Festkörperpartikeln des Suspension S zumindest teilweise hin- durch bzw. nach außen tritt. Das in Fig. 1 dargestellte Kapillarrohr 2 kann aus einem elastischen Material bestehen. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Krümmungsradius r des Kapillarrohrs 2 variabel einstellbar. Bei einer möglichen Ausführungsform tritt die Suspension S an einem ersten Ende in das gekrümmte Kapillarrohr 2 mit einem ersten Druck Pi ein und tritt an einem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres aus dem Kapillarrohr 2 mit einem zweiten Druck P 2 gefiltert aus. Dabei ist der zweite Druck P 2 niedriger als der erste Druck Pi . Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel tritt die zu filtrierende Suspension S in die Eintrittsöffnung 3 mit einem Druck Pi in das Kapillarrohr 2 ein und tritt aus der Austrittsöffnung 4 mit einem zweiten niedrigen Druck P 2 aus dem Kapillarrohr 2 aus. Das in Fig. 1 dargestellte gekrümmte Kapillarrohr 2 kann in einem Gravitationsfeld, beispielsweise dem Erdgravitationsfeld, horizontal oder vertikal angeordnet sein .
Fig. 2a, 2b zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele für die Anordnung des gekrümmten Kapillarrohres 2 vertikal zu ei- nem Gravitationsfeld, welche eine Gravitationskraft g ausübt. Bei der in Fig. 2a dargestellten Ausführungsform zuerst der innere Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 vom Erdmittelpunkt weg. Bei der in Fig. 2b dargestellten Ausführungsform zeigt der innere Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 hin zum Erdmit ¬ telpunkt. Die in Fig. 2a dargestellte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die auf die Zell- oder Festpartikel wirkende Schwerkraft die Selbstreinigungsfunktion des Filters 1 unter- stützt, da sie eine Anlagerung von Festkörperpartikeln an dem Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 zusätzlich erschwert.
Die Fig. 7a, 7b zeigen Diagramme zur Verdeutlichung der
Selbstreinigungsfunktion bei dem erfindungsgemäßen Filter 1.
Die Fig. 7a zeigt ein Strömungsprofil in Axialrichtung bei ei ¬ nem herkömmlichen Filter mit einem gerade bzw. nicht gekrümm ¬ ten Kapillarrohr. Die Strömungsrichtung bzw. Axialrichtung x verläuft senkrecht zu der Querschnittsrichtung y des Kapillar- rohres 2. Das in Fig. 1 dargestellte Kapillarrohr 2 des Fil ¬ ters 1 weist einen konstanten Strömungsdurchmesser D auf. Fig. 7b zeigt ein Strömungsprofil des erfindungsgemäßen Filters 1 mit einem gekrümmten Kapillarrohr 2. Bei dem in Fig. 7b darge ¬ stellten Diagramm weist das Strömungsprofil auf Seiten des in- neren Krümmungsrandes des Kapillarrohres 2 höhere Strömungsgeschwindigkeiten als an dem äußeren Krümmungsrand des Kapillar ¬ rohres 2. Die absolute Fließgeschwindigkeit hängt dabei von der Druckdifferenz ΔΡ = P 1 -P 2 ab, das heißt von der Druckdiffe ¬ renz ΔΡ zwischen dem Druck an der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4 sowie der lokalen Viskosität der Suspensi ¬ on, welche vom Volumenverhältnis Fluid zu Festkörper / Zellen abhängt. . Analog zu einem Flussbett können, wie man in Fig. 7b erkennen kann, Anlagerungen von Festkörperpartikeln bzw. Sedimenten durch die verstärkte Strömung bzw. höhere Strö- mungsgeschwindigkeit weggespült werden, so dass Anlagerungen von Festkörperpartikeln an dem inneren Krümmungsrand des Ka ¬ pillarrohres 2 behindert bzw. verhindert werden, wobei insbe ¬ sondere die Bildung einer zähflüssigen Sekundärmembran mit ei- ner hohen Konzentration an Blutkörpern mit entsprechend hohem Hämokritwert (HK) an dem innern Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 gezielt verhindert wird. Dies bedeutet, dass der innere Krümmungsrand der Filterwandung bzw. der Filterfläche zur Trennung von Festkörpern bzw. Festkörperpartikeln aufgrund der gekrümmten Anordnung des Kapillarrohres 2 permanent freigespült wird und die Filterfunktion des Filters 1 ohne die Notwendigkeit eines separaten Spülvorgangs, beispielsweise mit einem Spülmittel, stets erhalten bleibt.
Je enger die Krümmung bzw. je kleiner der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 ist, desto höher ist das in Fig. 7b dargestellte Strömungsprofil asymmetrisch verformt. Mit kleinerem Krümmungsradius r nimmt die für die optimale Filtration ver- fügbare Nutzfläche am inneren Krümmungsbogen und dem nachlaufenden Auslauf ab, so dass eine optimale Filtration im Optimum aus zunehmendem Krümmungsradius r und maximaler effektiver Filtrationsfläche gewählt werden kann. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters 1 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Druck Pi mit dem die zu filternde Suspension S in das gekrümmte Kapillarrohr 2 eintritt sowie der Druck P 2 mit dem die gefilterte Suspension S' aus dem gekrümmten Kapillarrohr 2 austritt, bei- spielsweise mittels Pumpen, einstellbar. Die Fließgeschwindigkeit bzw. Strömungsgeschwindigkeit, mit der die Suspension S durch das gekrümmte Kapillarrohr 2 fließt, kann auf diese Weise in Abhängigkeit von der Druckdifferenz ΔΡ = P 1 -P 2 eingestellt werden.
Weiterhin ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters 1 der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 variabel einstellbar. Der Krümmungsradius r ist bei einer möglichen Ausführungsform in einem Bereich von 1 cm bis 25 cm variabel einstellbar. Bei dieser Ausführungsform kann das Kapillarrohr 2 beispielsweise aus einem elastischen Material bestehen. Durch die Einstellung des Krümmungsradius r können Zentripedalkräfte entsprechend den Fließgeschwindigkeiten V eingestellt werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Einstellung des Krümmungsradius r sowie der Druckdifferenz ΔΡ in Abhängig- keit von der Art der zu filternden Suspension S insbesondere in Abhängigkeit von dessen Viskosität.
Bei einer möglichen Ausführungsform befindet sich das in Fig. 1 dargestellte gekrümmte Kapillarrohr 2 des selbstreinigenden Filters 1 in einem geschlossenen Behälter, der unter anderem zur Aufnahme des durch die Filterwandung hindurchtretenden ge ¬ filterten Fluids F dient. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der in dem Aufnahmebehälter herrschende Umgebungsdruck P u ebenfalls einstellbar.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs ¬ gemäßen selbstreinigenden Filters 1. Bei dieser Ausführungsform ist die Eintrittsöffnung 3 des Kapillarrohres 2 über eine röhrenförmige Leitung 5 mit einem Vorratsbehälter 6 verbunden. In dem Vorratsbehälter 6 befindet sich die zu filternde Sus ¬ pension S, beispielsweise Spenderblut in einem Spenderbeutel. Die Austrittsöffnung 4 an dem zweiten Ende des gekrümmten Kapillarrohres 2 ist bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh ¬ rungsbeispiel mit einem ersten Ausnahmebehälter 7 über ein kurzes Verbindungsrohr 8 verbunden. Der Aufnahmebehälter 7 ist beispielsweise ein abnehmbarer Blutbeutel, der über eine Klem ¬ me mit der Austrittsöffnung 4 verbunden ist. Der durch die Filterwandung des gekrümmten Kapillarrohres 2 gegen einen üm- gebungsdruck P u hindurchtretende, von Zell- oder Festkörperpar- tikeln befreite Anteil der Suspension S wird bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen zweiten Aufnahmebehälter 9 aufgenommen. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Aus- führungsbeispiel ist der zweite Aufnahmebehälter 9 offen. Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Aufnahmebehälter 9 geschlossen und umschließt das gekrümmte Kapillarrohr 2. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Vorratsbehälter 6 in einem Gravitationsfeld höher angeordnet als der erste Aufnahmebehälter 7, so dass hierdurch ein Druckunterschied ΔΡ zwischen der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4 des Kapillarrohres 2 hervorgerufen wird. Die an dem zweiten Ende 4 des gekrümmten Kapillarrohres 2 austretende, gefilterte Suspension S' weist eine höhere Konzentration C an Zell- oder Festkörperpartikeln auf, als die an dem ersten Ende 3 des gekrümmten Kapillarrohres 2 eintretende, zu filtrierende Suspension S bzw. das Substanzgemisch.
Bei einer möglichen Ausführungsform ist die in das gekrümmte Kapillarrohr 2 hineinströmende Suspension S Blut und die Filterwandung des Kapillarrohres 2 des Filters 1 ist derart ausgebildet, dass das Fluid F, d.h. das Blutplasma durch die Fil- terwandung bzw. Filtermembran zur Abtrennung von Blutkörpern des Blutes zumindest teilweise hindurchtritt. Dieses Blutplasma wird bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform durch den offenen oder geschlossen zweiten Aufnahmebehälter 9 aufgenommen. Die in dem ersten Aufnahmebehälter 7 aufgenommene ge- filterte Suspension S' weist eine höhere Konzentration C an Blutkörpern, insbesondere an roten Blutkörpern auf und hat somit einen erhöhten Hämokritwert HK. Bei einer möglichen Ausführungsform wird der durch das gekrümmte Kapillarrohr 2 vorgenommene Filtervorgang mehrfach vorgenommen, das heißt, die an der Austrittsöffnung 4 austretende gefilterte Suspension S' wird beispielsweise mittels ei- ner Pumpe zu der Eintrittsöffnung 3 zurückgeführt, so dass der Filtervorgang wiederholt wird. Bei jedem Filtervorgang steigt der Anteil bzw. die Konzentration C der in der gefilterten Suspension S' vorhandenen Zell- oder Festkörperpartikel, beispielsweise der Blutkörper.
Bei der durch das gekrümmte Kapillarrohr 2 strömenden Suspension kann es sich auch um eine Lösung handeln, wobei die Filterwandung derart ausgebildet ist, dass ein Fluid der Lösung durch die Filterwandung zur Trennung von Bakterien, Zellen, Pilzen oder Algen der Suspension S zumindest teilweise hindurchtritt .
Das erfindungsgemäße selbstreinigende Filter 1 ist nicht nur im Medizinbereich oder in Laboratorien einsetzbar, sondern kann zur Filterung beliebiger Suspension S, welche Zell- oder Festkörperpartikel aufweisen, eingesetzt werden. Beispielswei ¬ se eignet sich das erfindungsgemäße selbstreinigende Filter 1 auch zur Reinigung von Abwässern im Bereich von Kläranlagen. Fig. 4a, 4b zeigen weitere Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße selbstreinigende Filter 1. Bei den Fig. 4a, 4b dargestellten Ausführungsbeispielen werden mehrere gekrümmte Kapillarrohre 2-1, 2-2, 2-3 seriell miteinander verbunden. Alternativ können auch mehrere Kapillarrohre 2 parallel zueinan- der angeordnet sein und ein Kapillarrohrbündel bilden. Die Kapillarrohre 2-i können jeweils durch Hohlfasern gebildet werden, die aus Kunststoff hergestellt werden. Der Kunststoff ist bei einer möglichen Ausführungsform ein hydrophiles Material. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Material aus dem die Hohlfasern bestehen ein hydrophobes Material.
Der Kunststoff kann durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition hergestellt sein. Polymerisation ist die Verknüpfung von Monomeren mit einer Doppelbindung zu einem Makromolekül. Bei Polykondensation erfolgt die Verknüpfung von Monomeren unter Abspaltung eines niedermolekularen Stoffes. Unter Polyaddition versteht man die Verknüpfung von Molekülen ohne Abspaltung eines niedermolekularen Stoffes. In der Regel erfolgt dabei die Reaktion unter Wanderung eines Wasserstoffatoms, wobei man kettenförmige oder räumlich vernetzte Produkte erhält. Der durch Polyaddition gebildete Kunststoff des Kapillarrohres 2 ist bei einer möglichen Ausführungsform ein Po- lyurethan, ein Polyethersulson oder Polysulfon mit einer für den jeweiligen Krümmungsradius r geeigneten hohen Elastizität. Je kleiner der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 gewählt bzw. selektiert wird, desto größer ist die Elastizität des für das Kapillarrohr 2 verwendeten Kunststoffes.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes selbstreinigendes Filter 1. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist das gekrümmte Kapillarrohr 2 spiralförmig angeordnet. Diese Ausführungsform bietet den Vor- teil, dass in einem vorgegebenen Volumen eine hohe Anzahl von Krümmungen implementiert werden können.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filters 1. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine zu filternde Suspension S , die sich in einem Vorratsbehälter 6 befindet, mittels einer Pumpe 10 über eine Messeinrichtung 11 zu einem gekrümmten Kapillarrohr 2 gepumpt. Das Kapillarrohr 2 besteht bei der in Fig. 6 dargestellten Aus führungsform aus einem elastischen Material. Das Kapillarrohr 2 ist an seiner Eintrittsöffnung 3 und seiner Austrittsöffnung 4 jeweils an einem Aufhängungspunkt 12, 13 aufgehängt, die einen Abstand Δχ zu- einander in Horizontalrichtung aufweisen. Weiterhin kann in der ablaufenden Leitung eine Drossel zur Regulierung des Druckes vorgesehen werden.
In der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform misst die Mess- einrichtung 11 eine Konzentration C der in der zu filternden Suspension S vorhandenen Zell- oder Festkörperpartikel , beispielsweise von Blutkörpern, und stellt in Abhängigkeit von der gemessenen Konzentration C automatisch einen Abstand Δχ zwischen den Aufhängungspunkten 12, 13 des gekrümmten Kapil- larrohres 2 ein. Durch die Veränderung des Abstandes Δχ der Aufhängungspunkte 12, 13, verändert sich der Krümmungsradius r var des Kapillarrohres 2 und wird somit variabel eingestellt. Die Einstellung der Aufhängungspunkte 12, 13 kann beispielsweise durch Ansteuerung eines entsprechenden Motors erfolgen. Bei einer alternativen Ausführungsform wird der Abstand Δχ zwischen den Aufhängungspunkten 12, 13 durch einen Benutzer manuell eingestellt. Die Veränderung des Krümmungsradius r be- einflusst das in Fig. 7b dargestellte Strömungsprofil der durch das gekrümmte Rohr 2 hindurchströmenden Suspension S. Mittels der Pumpe 10 lässt sich die Fließgeschwindigkeit v des einströmenden Fluids einstellen. Durch die Einstellung des Krümmungsradius r können Zentrifugalkräfte innerhalb des Ka ¬ pillarrohres 2 entsprechend der vorhandenen Fließgeschwindigkeit v variabel eingestellt werden. Das erfindungsgemäße Fil- terverfahren lässt sich unter Steuerung eines entsprechenden Steuerprogramms, das aus einer Steuervorrichtung, beispielsweise einem Mikroprozessor abläuft, ausführen. Diese Steuerung kann bei einer möglichen Ausführungsform mittels einer oder mehrerer Messeinrichtungen 11 die Konzentration C, der in der Suspension S vorhandenen Zell- oder Festkörperpartikel erfassen. Weiterhin ist es möglich, dass die in der gefiltertem Suspension S' noch vorhandene erhöhte Konzentration C an Zell- oder Fest körperpartikeln gemessen wird. Zur Ansteuerung von Pumpen kann das Steuerprogramm in Abhängigkeit von der gemessenen Partikelkonzentration die Druckdifferenz ΔΡ zwischen der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4 des Kapillarrohres 2 einstellen. Bei einer möglichen Ausführungsform wird neben der Druckdifferenz ΔΡ zusätzlich der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 eingestellt beispielsweise durch Veränderung des Abstandes Δχ zwischen den Aufhängungspunkten 12, 13. Die Einstellung der Druckdifferenz ΔΡ sowie des Krümmungsradius r kann in Abhängigkeit weiterer Parameter erfol- gen, beispielsweise der Art der jeweiligen Suspension S, insbesondere deren Viskosität. Diese Parameter können beispielsweise über eine Schnittstelle eingegeben werden. Eine Anzeigeeinrichtung der Schnittstelle kann einem Nutzer verschiedene Parameter anzeigen, insbesondere die bestehende Druckdifferenz ΔΡ, der eingestellte Krümmungsradius r sowie die gemessenen
Konzentrationen c der eintretenden und austretenden Suspension S. Beim erfindungsgemäßen Verfahren muss der Filtervorgang nicht zur Reinigung des Filters 1 unterbrochen werden, da das Filter 1 selbstreinigend ist und Anlagerungen von Festkörper- partikeln an dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 verhindert werden. Hierdurch lässt sich die Effizienz einer Filteranlage, die eine Vielzahl von derartigen Kapillarrohren 2 verwenden kann, erheblich steigern. Ferner wird kein Spülmittel für einen Reinigungsvorgang des Kapillarrohres 2 benö- tigt. Das erfindungsgemäße gekrümmte Kapillarrohr 2 weist eine gleichbleibende im Zeitverlauf nicht nachlassende Filtereigenschaft auf und arbeitet daher besonders zuverlässig. Das von dem erfindungsgemäßen Filter 1 gelieferte Zielprodukt kann sowohl in dem gefilterten aus dem Kapillarrohr 2 heraustretenden Fluid F, beispielsweise Blutplasma, als auch in der gefilterten Suspension S mit erhöhter Festkörperpartikelkon- zentration C, beispielsweise Blut mit erhöhtem Hämokritwert HK, auch Erythrozytenkonzentrat , bestehen. Bei der Suspension S kann es sich insbesondere um Blut, d.h. Blutplasma und Blutkörperchen, oder sonstige Körperflüssigkeiten handeln. Alternativ kann die Suspension S auch Wasser bzw. Abwasser aufweisen, das Festkörperpartikel enthält. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist zum Beispiel Wein, der als Festkörperpartikel Hefezellen oder sonstige Teilchen aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Selbstreinigungsfilter 1 ist es möglich, einen effizienten Reinigungsvorgang auch bei einer niedrigen Druckdifferenz ΔΡ zwischen der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4 durchzuführen. Insbesondere im medizinischen Bereich können aufgrund einer zu hohen Druckdifferenz ΔΡ Zellen oder dergleichen zerstört werden. Durch die niedrige Druckdifferenz ΔΡ werden Zellen oder Blutkörper bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unversehrt erhalten bzw geschont.
Aufgrund der Selbstreinigungsfunktion des erfindungsgemäßen Filters 1 muss kein Durchblasen des Filters 1, beispielsweise mit einem Spülmittel oder einem Gas, unter hohem Druck durchgeführt werden, so dass das erfindungsgemäße Filter 1 insbesondere im Medizin- oder Laborbereich steril bleibt bzw. nicht kontaminiert wird.
Wie man aus Fig. 8 erkennen kann, lässt sich ein Filtervorgang gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen selbstreinigenden Filter 1 anhand eines Modells zur nume- rischen Simulation nachbilden. Die durchgeführte Modellierung basiert dabei auf einem Modell für Mehrphasenströmung, insbesondere Blutzellen, deren Konzentration (Volumenanteil Zellen zu Plasma) als HKT dargestellt sind, und Plasma. Dabei können die Transporteigenschaften bzw. die Viskosität der Suspension S als Funktion der Scherrate und des HKT berücksichtigt wer ¬ den. Die Durchschnittsgeschwindigkeit durch die Membran bzw. das Kapillarrohr 2 betragen bei unterschiedlichen Messungen 2 μπι/Sek (17,5 TMF) oder Ul = 0,4 μπι/Sek (35 TMF) oder U2 = 0,8 μπι/Sek (70 TMF) (TMF: Transmembranfluß bei Wasser in ml/min cnv bar .
Daraus lässt sich eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit in Axialrichtung der Suspension S durch das Kapillarrohr 2 ablei- ten.
Bei den Berechnungen bzw. Simulationen können unterschiedliche Druckwerte und unterschiedliche Messpunkte MP angewendet werden, um unterschiedliche Geschwindigkeiten bzw. Strömungsge- schwindigkeiten der Suspension, insbesondere des HKT, zu erreichen, beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 2 mm/Sek. Dabei wird vorzugsweise die in X-Richtung bestehende Gravitationskraft berücksichtigt . Bei dem in Fig. 8 dargestellten Beispiel sind 5 Mess- bzw. Monitorpunkte MP, nämlich die Punkte MP1, MP2, MP3, MP4, MP5 dargestellt. Bei der Berechnung bzw. Simulation werden diese Monitorpunkte MP beobachtet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Volumenanteil der Suspension bzw. HKT in zwei Bereichen entlang des Kapillarrohres 2 in einem Abstand von 5 mm bzw. 20 mm vom Einlass bzw. der Eintrittsöffnung 3 an zwei Messpunkten MP gemessen, die einen unterschiedlichen Abstand zur Kapillarwand bzw. Filterwandung des Kapillarrohres 2 auf- weisen. Die Geschwindigkeit der Suspension S wird ferner in einem Messpunkt MP1 60 mm nach dem Einfluss 3 in der Mitte des Kapillarrohres 2 gemessen, wie in Fig. 8 dargestellt. Die Koordinaten der Monitor- bzw. Messpunkte MP sind in Flussrich- tung X, Wandrichtung Y in [m] wie folgt angegeben:
MP1: 0.06, 0.0;
MP2: 0.005, 0.00014;
MP3 : 0.005, 0.00013;
MP4: 0.02, 0.00014;
MP5: 0.02, 0.00013. wobei die X-Achse im Zentrum des Kapillarrohrs 2 best und die Y-Achse die X-Achse am Anfang des Kapillarrohres 2 schneidet.
Fig. 9b zeigt nochmals die Lage der Messpunkte MP2, MP3, MP4 , MP5 am Anfang des Kapillarrohres 2, durch die eine Suspension S strömt, wobei es sich bei der Suspension S um Blut handelt. Fig. 9a zeigt zugehörige Messergebnisse für die verschiedenen Messpunkte MP, wobei ein Hämokritwert HK für die verschiedenen Messpunkte MP2 , MP3, MP4, MP5 im kumulierten Zeitverlauf dargestellt ist. Man erkennt deutlich aus Fig. 9a, dass das aus dem Kapillarrohr 2 durch die poröse Kapillarwand hinaustretende Blutplasma den Hämokritwert HK, d.h. die Konzentration der roten Blutkörperchen, in dem gesamten Kapillarrohr 2 über die Zeit ansteigen lässt, wobei für die einzelnen Messpunkte MP unterschiedliche Zeiträume bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes notwendig sind. Die um 10 μπι bzw. 0,01 mm weiter an der Kapillarwand entfernt liegenden Messpunkte MP3, MP5 zeigen nach einem leichten Anstieg des Hämokritwertes HK einen relativ stabilen Verlauf, wie in Fig. 9a dargestellt. Die näher zu der Kapillarwand des Kapillarrohres 2 liegenden Messpunkte MP2, MP4, haben einen deutlich höheren Hämokritwert HK, d.h. die Konzentration der Blutkörper bzw. Zellkörper ist deutlich erhöht. Fig. 9a zeigt deutlich, dass sich in dem Randbereich des Kapillarrohres 2 in der Nähe der Kapillarwandung bzw. Filterwandung eine Sekundärmembran aufbaut, die eine erhöhte Konzentration von Festkörpern bzw. Blutkörpern aufweist. Diese Sekundärmembran ist zähflüssig und verhindert oder erschwert das Hindurchdringen des Blutplasmas durch die poröse Kapillarwand und reduziert somit die Filtrationsleistung erheblich.
Die Simulation an einem gekrümmten Kapillarrohr 2 hat ergeben, dass sich diese zähflüssige Sekundärmembran nach einer relativ kurzen geraden Filtrationsstrecke auf der Kapillaroberfläche d.h. auf der Innenseite der Filterwandrichtung des Kapillar- rohres 2 aufbaut und dadurch den Filtrationsprozess, d.h. die abgetrennte Menge des Blutplasmas pro Zeit reduziert. Im Krümmungsbogen bzw. in der Nähe des Scheitelpunktes der Krümmung des Kapillarrohres 2 liegt die zähflüssige Sekundärmembran an dem äußeren Krümmungsrand . An dem inneren Krümmungsrand des gekrümmten Kapillarrohres 2 befindet sich keine zähflüssige Sekundärmembran, welche das Abfiltern des Blutplasmas beeinträchtigt oder behindert. Aus der Berechnung ergibt sich ferner, dass sich in Strömungsrichtung nach dem Krümmungsbogen die zähflüssige Sekundärmembran an der Außenseite des Krüm- mungsbogens wieder auflöst und sich auf der Innenseite bzw. an dem Innenbogen wieder eine Sekundärmembran bildet. Der Filtrationsvorgang zum Abfiltern eines Blutplasmas findet bei einer gekrümmten Kapillarmembran bzw. einem gekrümmten Kapillarrohr 2 daher hauptsächlich an dem inneren Krümmungsrand bzw. im In- nenbereich des Krümmungsbogens sowie der unmittelbar darauf folgenden Strecke des Kapillarrohres 2 statt. Fig. 10 zeigt schematisch ein U-förmiges Kapillarrohr 2, in das eine zu filternde Suspension S an einer Eintrittsöffnung 3 eintritt und das eine gefilterte Suspension S' an einer Austrittsöffnung 4 verlässt. Bei der Suspension S kann es sich beispielsweise um Blut mit einer bestimmten Konzentration C an roten Blutkörperchen mit einem entsprechenden Hämokritwert HKO handeln. An der Austrittsöffnung 4 tritt ein gefiltertes Blut mit einer erhöhten Konzentration C an Blutkörperchen aus, d.h. das austretende gefilterte Blut S' weist einen höheren Hämokritwert HK' auf, als die eingetretene Suspension S bzw. das Ausgangsblut.
Die Fig. 11 bis 13 zeigen Geschwindigkeitsprofile für das Plasma / Fluid in Längs- und in Querrichtung für verschiedene Punkte bzw. Schnittlinie C, E und G, durch das Kapillarrohr 2 wie in Fig. 10 dargestellt.
Wie man in Fig. IIa erkennen kann, besteht am Punkt C vor der Krümmung ein parabelförmiges Strömungsprofil in Längrichtung X. Die zugehörige Querströmung in Y-Richtung am Punkt C ist in Fig. IIb dargestellt. Die für die Filtration wichtige Querströmung am Membranrand des Kapillarrohres 2 ist bei Punkt C null, wie aus Fig. IIb ersichtlich.
Fig. 12a zeigt die Strömungsgeschwindigkeit am Punkt E, d.h. in der Nähe des Scheitelpunktes der Krümmung in Längsrichtung Y. Wie man aus Fig. 12a erkennen kann, verschiebt sich im Kapillarbogen, d.h. am Scheitelpunkt E, die Parabel des Strömungsprofils deutlich nach außen (A) , d.h. in Richtung auf den äußeren Krümmungsrand des Kapillarrohres 2. Darüber hinaus ist die absolute Strömungsgeschwindigkeit v am Maximum des Strömungsprofils in Fig. 12a deutlich höher als die Strömungsgeschwindigkeit v bei dem parabelförmigen Strömungsprofil, das in der Mitte des Kapillarrohres 2 am Punkt C besteht, wie in Fig. IIa dargestellt. An dem Scheitelpunkt E ist zudem die Querströmung ausschließlich negativ in X-Richtung. Am Punkt G des Fig. 10 dargestellten gekrümmten Kapillarohres 2 ist die Querströmung an der Kapillarwand des Kapillarrohres 2 wieder vernachlässigbar gering. Innerhalb des Kapillarrohres 2 findet jedoch eine Strömung für den Konzentrationsausgleich statt, wie in Fig. 13b deutlich zu erkennen. Wie in Fig. 13a zu sehen, fließt das Blutplasma in negativer Längsrichtung (- X) hin zu der Austrittsöffnung 4, wobei das Strömungsprofil weiterhin zu dem inneren Krümmungsrand des Kapillarrohres 2 verlagert ist. Fig. 15 zeigt eine mittlere absolute Strömungsgeschwindigkeit v in Längsrichtung in [m/s] für die in Fig. 10 dargestellten Punkte C, D, E, F, G für Blutplasma als Fluid F und RBS . Fig. 10b zeigt eine mittlere absolute Strömungsgeschwindigkeit in Längsrichtung für Blutplasma und RBC. Man erkannt deutlich in Fig. 15B, dass die Strömungsgeschwindigkeit in Längsrichtung am Scheitelpunkt E des gekrümmte Kapillarohres 2 maximal ist, d.h. dass dort die bei weitem größte Menge an Blutplasma abgefiltert wird. Danach findet ein Konzentrationsausgleich statt wie man an den nachfolgenden Punkten in Fig. 15B ablesen kann. Darüber hinaus ist die Strömungsgeschwindigkeit der Suspension S in Längsrichtung am Scheitelpunkt E ebenfalls maximal, wie sich aus Fig. 15A ablesen lässt. Vor Erreichen der Krümmung ist die Filterleistung zum Abrennen des Fluides, d.h. des Blutplasmas, aufgrund der parallelen Strömung sehr gering, wie man an den Punkten C, D in Fig. 15B erkennt.
Durch die Veränderung des Krümmungsradius 2 in dem Kapillarrohr 2 lässt sich sowohl das Strömungsprofil als auch die ab- solute Strömungsgeschwindigkeit v einstellen. Weitere Einstellparameter sind die Druckdifferenz ΔΡ zwischen dem Druck P x an der Eintrittsöffnung 3 und dem Druck P 2 an der Austrittsöffnung 4 sowie dem einstellbaren Umgebungsdruck P ö , beispielswei- se dem Druck innerhalb des Aufnahmebehälters 9 des Separationsfilters 1. Ist der Umgebungsdruck P ö , der um das Kapillarrohr 2 herum herrscht erhöht, nimmt die Menge des abgetrennten Blutplasmas pro Zeit ab. Auch der Eintrittsdruck Pi, mit dem die Suspension S bzw. das Blut in das Kapillarrohr 2 inji- ziert wird, sowie der Austrittsdruck P 2 , mit dem die gefilterte Suspension S' aus dem Kapillarrohr 2 austritt, ist einstellbar. Je größer die Druckdifferenz ΔΡ = Pi-P 2 , desto höher ist das in dem Kapillarrohr 2 bestehende Druckgefälle. Mit dem Druckgefälle nimmt die Strömungsgeschwindigkeit v der Suspen- sion S, beispielsweise des Blutes, innerhalb des Kapillarrohres 2 zu. Bei einer möglichen Ausführungsform weist das in Fig. 10 dargestellte selbstreinigende Filter 1 eine Vielzahl von parallel angeordneten Kapillarrohren 2 auf, beispielsweise mehrere hundert Kapillarrohre bzw. Kapillarröhrchen 2, die in einem dichten Aufnahmebehälter 9 zum Auffangen des Blutplasmas eingeklebt bzw. eingegossen sind. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Parameter, insbesondere die Druckparameter Pi, P 2 sowie P 0 , derart eingestellt, dass die gefilterte Suspension S', d.h. das ge- filterte Blut, einen vorgegebenen Hämokrit-Sollwert HK soll aufweist. In dieser Ausführungsform ist somit der Hämokritwert HK des gefilterten Blutes S' von den eingestellten Druckparameterwerten Ρχ, P 2 sowie Pu abhängig. Der Hämokritwert HK des gefilterten Blutes S' kann dabei gemäß einer medizinischen In- dikation eingestellt werden und als entsprechend gefilterte Blut S' einem Patienten verabreicht werden. Allgemein kann eine bestimmte Soll-Konzentration c soll an Festkörperpartikeln in der gefilterten Suspension S' bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters 1 in Abhängigkeit von Parametern, insbesondere von Druckparametern Pi, P 2 und des Umgebungsdruckes P u , eingestellt bzw. geregelt werden. Beispielsweise kann die Konzentration von Bakterien, Zellen, Pilzen oder Algen in der gefilterten Suspension S' , die an der Austrittsöffnung 4 austritt, 14 Abhängzeit des Druckabfalls ΔΡ und des Umgebungsdruckes P u innerhalb des Auf- nahmebehälters 3 eingestellt werden. Dabei kann als ein weiterer Einstellparameter der Krümmungsradius r des Kapillarrohres 2 dienen. Der Injektionsdruck Ρχ kann auch manuell eingestellt werden, indem ein elastischer Spenderbeutel 6 entsprechend stark komprimiert wird. Auch der Umgebungsdruck P u in einem ge- schlossenen elastischen Aufnahmebehälter kann durch Kompression manuell erhöht werden. Durch einen mehrfachen Filtervorgang kann die Konzentration C der Zell- oder Festkörperpartikel in der gefilterten Suspension S' zusätzlich gesteigert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor- richtung zum Filtern eignet sich insbesondere zum Filtern von Blut oder sonstigen Körperflüssigkeiten. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum Filtern sonstiger Flüssigkeitsgemische, die Festkörperpartikel aufweisen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Filtervorrichtung lässt sich die Konzentration C der Festkörperpartikel am Filterausgang 4, beispielsweise durch Einstellen von Druckparametern, gezielt einstellen, wobei zusätzlich die Krümmung des Kapillarrohres 2 für eine Selbstreinigung und eine relativ hohe Filterleistung sorgt. Fig. 14 zeigt ein Blockschaubild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Filteranlage, die mindestens ein selbstreinigendes Filter 1 gemäß der Erfindung aufweist. Wie man aus Fig. 14 erkennen kann, weist die Filteranlage eine Steuerung bzw. eine Regelung 15 auf, die als Messsignale eine Konzentration C an Festkörperpartikeln der in das Filter 1 eintretenden Suspension S und als zweites Messsignal die Konzentration C von Festkörperpartikeln in der gefilterten, austretenden Suspension S von den Messeinrichtungen IIa, IIb enthält. Die bei- den Messeinrichtungen IIa, IIb messen beispielsweise den Hä- mokritwert HK damit die Blutkörperkonzentration des eintretenden Blutes S bzw. des gefilterten Blutes S' . Die Steuer- bzw. Regelungseinrichtung 15 steuert in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Pumpen 10, 14 an, um den Druckabfall ΔΡ in dem Kapillarrohr 2 sowie den Umgebungsdruck P 0 in dem Aufnahmebehälter 9 einzustellen bzw. zu regeln. Durch die Betätigung der Pumpe 14 wird beispielsweise der Umgebungsdruck P 0 in dem Aufnahmebehälter 9, in welchem sich das gekrümmte Kapillarrohr 2 befindet, erhöht. Durch Betätigung der Pumpe 10 wird der Eintrittsdruck P x und somit das Druckgefälle ΔΡ innerhalb des Kapillarrohres 2 erhöht. Durch die Erhöhung des Umgebungsdruckes Pu innerhalb des Aufnahmebehälters 9 wird die Menge des abgetrennten Fluids F, beispielsweise des Blutplasmas, vermindert. Durch das Abtrennen des Blutplasmas F in dem Kapillar- rohr 2 wird die Konzentration c' der Festkörperpartikel in der austretenden Suspension S' erhöht und ist höher als die Konzentration C an Festkörperpartikeln in der eintretenden Suspension S. Wird der Umgebungsdruck Pu beispielsweise durch Betätigen der Pumpe 14 erhöht, wird dadurch bewirkt, dass weni- ger Blutplasma F durch die poröse Kapillarwandung des Kapillarrohres 2 in den Aufnahmebehälter 9 austritt, so dass die Konzentrationszunahme (AC = C'-C) geringer ist als bei einem nicht erhöhten Umgebungsdruck P u . Wird der Umgebungsdruck P 0 reduziert, beispielsweise durch Öffnen eines Ventils, wird mehr Fluid bzw. Blutplasma durch das Kapillarrohr 2 herausgefiltert und die Konzentration c' des gefilterten Blutes steigt an. Mit steigender Konzentration C der roten Blutkörperchen innerhalb der gefilterten Suspension S' steigt auch der Hä- mokritwert HK des gefilterten Blutes, welches durch den Aufnahmebehälter 7, beispielsweise einen Aufnahmebeutel , aufgenommen wird. Die Steuerung bzw. Regelung 15 kann auf diese Weise die Konzentration c' bzw. den Hämokritwert HK' des ge- filterten Blutes S' einstellen.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird lediglich die Konzentration c' der gefilterten Suspension S' gemessen, so dass auf die Messeinrichtung IIa verzichtet werden kann. Weiterhin wird bei einer möglichen Ausführungsform lediglich der in dem Aufnahmebehälter 9 herrschende Umgebungsdruck Pu eingestellt, so dass bei dieser Ausführungsform auf die Pumpe 10 verzichtet werden kann. Das Druckgefälle ΔΡ zwischen der Eintrittsöffnung 3 und der Austrittsöffnung 4 kann beispielsweise auch durch Gravitation hervorgerufen werden, indem beispielsweise ein Spenderbeutel 6 höher aufgehängt wird, als der Aufnahmebehälter 7. Die in der Fig. 14 dargestellte Filteranlage weist ein selbstreinigendes Separationsfilter 1 auf. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform weist die Filteranlage eine Vielzahl von parallel angeordneten selbstreinigenden Separationsfiltern 1 auf, um ein höheres Volumen an gefilterter Suspension S' in- nerhalb eines Zeitraums zu gewinnen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform wird das gefilterte Fluid F' in die Eintrittsöffnung 3 zurückgeführt, um ei- nen mehrfachen Filtervorgang zur Erhöhung der Konzentration c' durchzuführen .
Das erfindungsgemäße Filterverfahren eignet sich neben der Trennung von Blut in Plasma und Zellen auch für die Trennung anderer Flüssigkeiten, in denen Feststoffe, Zellen, Partikel oder dergleichen getrennt werden sollen. Anwendungsbeispiele hierfür sind Lösungen, die . Bakterien, Zellen, Pilze oder Algen enthalten, aber auch Anlagen zur Herstellung von Getränken, insbesondere alkoholischen Getränken wie Wein.
Das erfindungsgemäße Filterverfahren zum Filtern bietet mehrere Vorteile. Das verwendete Filter 1 ist selbstreinigend, so dass ein separater Spülvorgang nicht notwendig ist. Die Filt- rationsleistung des Filters ist anhand von Parametern einstellbar bzw. anhand von Messdaten regelbar, wobei die Parameter den Krümmungsradius r, den Druckabfall ΔΡ = P 1 -P 2 im Kapillarrohr 2 sowie den Umgebungsdruck P ö im Aufnahmebehälter 9 umfassen und wobei die Messdaten die Konzentrationswerte C oder z.B. gemessene Hämokritwerte HK umfassen.
Next Patent: FLAP WHEEL AND METHOD FOR PRODUCING A FLAP WHEEL HAVING A PLATE-SHAPED CARRIER