мембранный аппарат для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких сред

Формула изобретения

1. МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССОВ МАССООБМЕНА И/ИЛИ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД, 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, отличающийся тем, что средства герметизации 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.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что мембранный модуль снабжен дополнительными планками, расположенными внутри камер по направлению движения сред, и дополнительными выступами на внутренней поверхности корпуса, при этом 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.

3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве мембран используют ядерные мембраны, а корпус и/или элементы герметизации выполнены из металла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к мембранной технике, в частности к устройствам для осуществления массообменных процессов и/или процессов разделения жидких и/или газообразных сред в медицинской, фармацевтической, химической, биотехнологической и других отраслях промышленности.

Известно массообменное устройство для крови, 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 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 также 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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является 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 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.

Целью изобретения является повышение эффективности функционирования мембранного аппарата, технологичности его изготовления, обеспечения возможности ускоренной замены отработанного мембранного модуля и использования в качестве мембранного материала ядерных мембран.

Цель достигается тем, что в мембранном аппарате для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких сред, содержащем 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, средства герметизации 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.

Кроме этого 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.

Кроме этого в качестве мембран используют ядерные мембраны, а корпус и/или элементы герметизации выполнены из металла.

Предлагаемое изобретение позволяет не только при одновременном существенном упрощении конструкции мембранного модуля повысить эффективность его функционирования за счет обеспечения возможности использования ядерных мембран и за счет расширения функциональных возможностей аппарата, но и существенно повысить технологичность массового изготовления мембранных аппаратов, что особенно актуально для России в связи с надвигающейся пандемией СПИДа, поскольку конструкция и технология изготовления предлагаемых аппаратов позволяет наладить массовый выпуск дешевых, одноразовых, высокоэффективных и остро дефицитных в настоящее время аппаратов для обработки крови и других биологических сред.

Применение в предлагаемом аппарате ядерных мембран (работающих по принципу поверхностных фильтров) позволяет, по сравнению с другими используемыми в настоящее время мембранами (работающими в основном по принципу глубинных фильтров), например, мембранами на основе производных целлюлозы, существенно повысить эффективность процессов массообмена и/или разделения сред, например, эффективность отделения плазмы от крови или получения сверхчистой воды для полупроводниковой промышленности.

Выполнение непроницаемых зон герметизации камер разделяемой среды в виде планок-полос из материала, содержащего термопласт, например из клея-расплава на основе силактана, импрегнированного в сепарационные элементы, позволяет не только повысить эффективность массообмена за счет исключения застойных зон при движении разделяемых и/или обменных сред, но и повысить эффективность герметизации, поскольку размягченный под действием температуры клей-расплав при деформации модуля вдавливается в поры ядерных мембран и они более надежно приклеиваются друг к другу с одновременным образованием композиционных опорно-герметизирующих колонн по ребрам и на боковых сторонах мембранного модуля. При этом одновременно обеспечивается высокая технологичность массового производства разнообразных по производительности и функциональному назначению мембранных модулей и на их основе различных по своему функциональному назначению и производительности мембранных аппаратов для массообмена и/или разделения жидких сред.

На фиг.1,3,4, 7-10 изображены мембранные модули аппаратов для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких и/или газообразных сред; на фиг.2 - схема чередования слоев в мембранном модуле; на фиг. 5,6, 11-14 - варианты конструкции мембранных аппаратов.

Мембpанный аппарат для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких и/или газообразных сред (фиг.5.6,11-14) содержит установленный в корпусе 10 мембранный модуль (фиг.1,3,4,7-10), состоящий из набора чередующихся и неразъемно соединенных между собой слоев (фиг.2) мембранного материала 1 и сепарационных элементов 2,3 с зонами 4,5 герметизации, изготовленных в виде планок из материала, содержащего термопласт, например из клея-расплава на основе силактана. Камеры обменных и/или разделяемых сред в мембранном модуле выполнены в виде плоских щелевых каналов, обеспечивающих взаимно-перекрестное движение сред в смежных камерах. Мембранный модуль герметизируют в корпусе 10 специальными выступающими средствами 11 герметизации, выполненными, например, в виде выступающих из боковых стенок корпуса и врезающихся в композиционные опорно-герметизирующие колонны 12 мембранного модуля ножевых пластин или иных аналогичных по своему назначению средств. При этом между стенками корпуса и боковыми сторонами мембранного модуля образуются распределители и коллекторы обменных или разделяемых сред, которые сообщаются с патрубками подвода 8 и отвода 9 сред (фиг. 5,6,11-14).

Перекрестно-направленные в смежных камерах и неразъемно соединенные со слоями мембранного материала 1 планки 4,5 герметизации образуют в вертикальных ребрах боковых сторон мембранного модуля вертикальные композиционные опорно-герметизирующие колонны 12, образованные плотно расположенными друг к другу и неразъемно соединенными друг с другом слоями мембранного материала и герметизирующими планками (полосками) 4,5 смежных камер. Готовый модуль (фиг. 2) устанавливают в корпус, в боковых стенках которого выполнены клиновидные выступы, которые вдавливаются в вертикальные участки с образованием распределителей и коллекторов и которые обеспечивают герметизацию потоков крови и плазмы относительно друг друга. При этом герметизация мембранного модуля в корпусе осуществляется только путем нагрева клея-расплава и механического вжатия мембранного модуля в корпус без традиционной заливки герметиком.

Характерной особенностью мембранных модулей является использование в качестве мембранного материала ядерных мембран, которые представляют собой тонкие (от 5 до 20 мкм) полимерные пленки (например, из лавсана или капрона), в которых специальными технологическими методами изготовлены сквозные цилиндрические поры диаметром от 0,05 до 2 мкм. От традиционных мембран, получаемых методами химической технологии, ядерные мембраны отличаются более высокой однородностью геометрических размеров и пpавильностью форм пор, высокой селективностью по отношению к выделяемому компоненту, очень низкой адсорбцией компонентов разделяемых сред поверхностью мембраны, биологической инертностью, полной совместимостью с компонентами крови и низким травмирующим действием на форменные элементы крови.

Однако наряду с высокими функциональными показателями ядерные мембраны отличаются малой толщиной (до 10 мкм), низкой механической прочностью (ядерные мембраны не выдерживают герметизации прижатием к контурам герметизации и лопаются) вследствие малой толщины, высокой электризуемостью и низкой адгезивностью по отношению к традиционным клеям, применяемым в медицинской и биотехнологической технике. Это существенно ограничивает использование ядерных мембран в аппаратах известных конструкций, где в основном осуществляется штучная укладка заготовок мембранного материала ( размер отдельных заготовок равен размеру мембранного аппарата) между сепарационными элементами и герметизация путем механического прижатия мембран к контурам герметизации.

Предлагаемая конструкция мембранного модуля и способ его изготовления обеспечивают возможность использования преимущества ядерных мембран и нейтрализуют присущие им отрицательные эффекты, так как лента мембранного материала в предлагаемом способе укладывается в складки заготовки мембранных модулей при натяге одновременно для нескольких мембранных модулей, что позволяет исключить проявления нежелательных электростатических явлений, связанных с электризуемостью, и исключает необходимость непосредственного соприкосновения с мембранным материалом во время изготовления мембранных модулей.

Использование клея-расплава или иных подобных по свойствам материалов обеспечивает надежное приклеивание мембраны к зонам герметизации за счет нагрева под нагрузкой (при этом часть клея вдавливается в поры) и одновременно герметизацию модуля в корпусе аппарата.

Использование в камерах плазмы микропористого материала в качестве сепарационно-дренажных прокладок в камерах пермеата позволяет равномерно распределить зоны соприкосновения мембран с сепарационными элементами по всей поверхности мембран, что повышает сопротивляемость мембран действию трансмембранного давления и дает возможность повысить эффективность функционирования за счет увеличения перепада давления в камерах крови и камерах плазмы без опасения механического повреждения мембран. Причем даже в случае наличия механических дефектов мембран случайно попавшие в плазму форменные элементы крови задерживаются микропористым материалом, что повышает эффективность функционирования предлагаемых мембранных аппаратов.

Кроме этого предложенная конструкция модуля позволяет автоматизировать серийное производство мембранных модулей и практически полностью исключить ручной труд и соприкосновение производственного персонала с поверхностью мембран при сборке мембранных аппаратов, что повышает технологичность изготовления стерильных аппаратов.

Изготовление мембранных модулей осуществляют следующим образом.

Ленту ядерной мембраны из рулона разматывают при натяге с образованием складок, между которыми устанавливают блоки заготовок сепарационно-дренажных прокладок с зонами герметизации камер, выполненными в виде полосок-планок из материала, содержащего термопласт, шириной N*A и длиной M*B, где N,M - целые положительные числа, а A,B - соответственно ширина и длина отдельного мембранного модуля (фиг.1,6). В блоках заготовках сепарационных элементов импрегнированы параллельные полосы-планки клея-расплава, причем в смежных камерах они расположены взаимно-перекрестно. После укладки необходимого количества складок получают блок заготовки мембранных модулей, который нагревают до температуры плавления клея-расплава, выдерживают под фиксированной нагрузкой, которая обеспечивает деформацию блока заготовки мембранных модулей не более 20% от первоначальной толщины блока при плотной укладке мембранного материала и сепарационных элементов. Затем охлаждают и получают блок мембранных модулей, который затем разделяют на N*M отдельных мембранных модулей (фиг.1,3,4,7-10).

Мембранный аппарат для проведения процессов массообмена и/или разделения жидких сред, например, для разделения крови на плазму и концентрат форменных элементов крови, работает следующим образом:

Кровь подают через входной патрубок 8 (фиг.5) в распределитель крови, образованный герметичным щелевым зазором между корпусом и мембранным модулем, в котором происходит распределение крови по щелевым камерам 6 крови. Под действием внешнего давления кровь проходит через камеры крови, собирается в выходном коллекторе крови и отводится через выходной патрубок 9 концентрата крови. При этом часть содержащейся в крови плазмы под действием трансмембранного давления проникает через поры ядерных мембран и поступает в камеры 7 плазмы, откуда собирается в противоположных выходных коллекторах плазмы и отводится через патрубки 9 отвода плазмы.

Для проверки промышленной применимости изобретения, принципиальной работоспособности и эффективности мембранных модулей брали ядерные мембраны из лавсана (ТУ 95-1667-88) шириной 160 мм, толщиной 10 мкм, размерами пор 0,5 мкм и пористостью 10%. Ядерные мембраны получают путем бомбардирования лавсановой пленки тяжелыми ионами и обработки полученных треков травильным раствором щелочи.

В качестве заготовок сепарационных элементов в камерах крови использовали капроновую ткань для сит марки 14К4С по ТУ 17 РСФСР-11086-86 толщиной 270 мкм. B качестве клея-расплава для герметизирующих полосок-планок использовали силактан.

В качестве заготовок сепарационно-дренажных прокладок в камерах пермеата использовали стеклобумагу, полученную из микротонких стекловолокон диаметром 0,25-0,45 мкм, а в качестве клея-расплава дополнительных полосок-планок в камерах обменных и разделяемой сред использовали силактан.

Изготовленный мембранный модуль имел следующие параметры: A = 52 мм, В = 106 мм, ширина боковых зон герметизации 7 мм, рабочая площадь мембран 0,084 м².

При изготовлении мембранного модуля были приняты следующие параметры блока заготовок мембранных модулей: N = 3 и М = 1. Таким образом в данном случае в блоке содержалось N*M = 3 мембранных модуля.

Мембранные модули изготавливают следующим образом.

В заготовки сепарационно-дренажных элементов для камер крови и камер плазмы заподлицо с поверхностью импрегнируют полоски-планки зон герметизации из силактана при 130^оС.

Разматывают под натягом рулон ядерной мембраны и образуют складки, между которыми поочередно устанавливают заготовки сепарационно-дренажных элементов камер крови и камер плазмы. Полученную таким образом заготовку блока мембранных модулей помещают на основание специального приспособления и нагружают сверху массивной пластиной с массой (1,5-2,0)*N*M кг. В рассматриваемом примере масса пластины составила 5 кг. Приспособление с заготовкой блока мембранных модулей в течение 1,5 ч выдерживают при 130^оС, в результате чего происходит надежное приклеивание мембран к зонам герметизации. После охлаждения блока заготовок под нагрузкой получают блок мембранных модулей, который разделяют на отдельные мембранные модули (фиг.1,3,4,7-10). Полученные таким образом мембранные модули помещают в корпус и закрывают крышкой под действием механической нагрузки. В случае необходимости более надежной герметизации мембранного модуля в корпусе мембранного аппарата дополнительно осуществляют нагрев до температуры размягчения материала герметизирующих полосок-планок, например, до температуры размягчения силактана до 90^оС, выдерживание при температуре и охлаждение аппарата.

Экспериментальные исследования функциональных свойств плазмофильтров, изготовленных с использованием предлагаемых мембранных модулей, были проведены в Санкт-Петербургском НИИ скорой помощи им.Джалелидзе. 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 л/л при скорости тока крови 10,0 мл/мин. Результаты испытаний приведены в таблице.

Анализ приведенных в таблице сравнительных данных показывает, что по функциональным характеристикам испытуемые плазмофильтры с использованием предлагаемого мембранного модуля вполне соответствуют мировому уровню.

Биосовместимость мембранных модулей доказана испытаниями на кроликах в Санкт-Петербургском институте травматологии и ортопедии им.Вредена.

Использование предлагаемых мембранных аппаратов и способа их изготовления 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 плазмофильтров. При этом появляется возможность исключения контакта производст- венного 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 процессов разделения (например, плазмафереза или получения очищенных сред) и/или массообмена (диализа).