JP2006507882A - 二酸化炭素吸収器具及びその方法 - Google Patents

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Abstract

指定された担体の濃度を有する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を使用することにより二酸化炭素はガス流から分離され、特に、その方法は、周期的流量の条件下の麻酔で用いるのに適している。

Description

本発明は、原料供給流、特にガス供給流、とりわけ空気供給流から二酸化炭素を吸収する方法、器具、装置に関するものである。
二酸化炭素を吸収することは、多くの分野、特に、人が吐き出した息が再利用される水中、緊急救助活動、特に麻酔とりわけ低流速で閉鎖した循環麻酔のある種の分野において重要である。化学的吸収がしばしば利用され、その際に通常はソーダ石灰が使用されるが、最近では、ソーダ石灰を基にした強化型製剤、例えば、ソーダ石灰の吸収能力を増大させるために塩化カルシウムや塩化マグネシウムを用いたものや、アルカリ金属を含まない製剤、例えば、水酸化カルシウムと塩化カルシウムを基にしたものが用いられている。アルカリ金属の水酸化物を含まない製剤は、麻酔時においてフッ素処理した麻酔薬、例えばセボフルランやデスフルラン等が使われたときに、毒性のある揮発性分解物を生成する傾向が小さいという利点がある。
しかしながら、このようなタイプの化学吸収製剤は頻繁に取替える必要があり、環境的に受け入れられる使用済製剤の処理が一段と難しくなってきいている。
それゆえに、より使用寿命の長い二酸化炭素（CO２）を吸収する手段が依然として必要とされている。しかし、これらのニーズは、二酸化炭素を気体流から失くしてしまうことなしに、特に、気体流の中の残留させておくべきこれらの構成成分を過剰に、大気中に排出することなしに、達成されなければならない。
したがって、麻酔ガスを含有する、又は同様のガス流からCO２を許容できる分離係数で分離する手段もまた必要とされている。
本明細書では、分離係数αは以下の式で求められる。
Figure 2006507882
 ここでRは透過率を、Pは供給ガス流中のガスの分圧を、そしてaは供給ガス流中に保有するのが望ましい麻酔ガス又はその他のガスを表している。
また、流量率の変化が起こるガス流から、特に、例えば麻酔時におけるような機械的人工呼吸における被験者からの周期的なガス流からCO２を分離する手段も依然として必要である。流量が一定でない流れは、流量周期の一定期間における吸収剤表面での反応に必要な接触時間を減らすこととなる。ガスの移送速度が不十分な場合は、膜の面積を広くしない限り、吸収が不十分な結果となりうる。
本発明は、ある特徴を有する被支持液体膜が、麻酔ガスも含むガス流からCO２を許容できる分離係数で除去するという知見に基づくものである。これは、かなりの流量率変化が周期的に起こるガス流の場合であっても同様であることが分かった。
被支持液体膜によるガス混合物(gas mixture)からのCO２の分離は、以前から知られている。例えば、TeramotoらのInd. Eng. Chem.Res.1996,35,538.がある。その膜は、微小な多孔質の高分子支持層と高分子の細孔に保持されている液体膜相から構成されている。使用されている高分子は、ポリ（フッ化ビニリデン）であり、液体担体はモノエタノールアミンかジエタノールアミンの水溶液である。
Teramotoらに報告されている被支持液体膜はCO２/CH4系においては、分離係数や膜選択性(membrane
selectivity)は優れているものの、ある種の気体におけるCO２混合気体では完全に満足できるものではないことが分かった。それは、他のガス、例えば非透過の混合ガス中に残存していなければならないN2Oのようなガスの透過率では、許容できない損失が膜を通過して生じてしまうからであると考えられる。流れが低流量や、閉鎖循環系である麻酔ガス流のある種のものであるときに特に困難が生じる。
圧力が変化する、特に低流量や閉鎖系の麻酔などで正弦波状に変化する供給ガス流からCO２を分離することにおいて、また、N2O、セボフランなどの麻酔ガスを十分な程度に保持することにおいて、本発明の方法、器具、装置は、有効であることが、試験により証明された。
本発明は、CO２と麻酔ガスを含有するガス流からCO２を分離する器具を提供するものであり、当該器具は、気体分離装置と、気体分離装置を通過する周期的に流量率が変化するガス流を移送する手段から成るものであり、当該装置は、有機塩基である担体成分(carrier species)がユニティ(unity)よりも大きい分離係数α（CO２ ,a）を提供するのに十分な濃度で存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を含むものである。なおαとaは上記に定義された意味を有している。
有利には、その濃度により、αの値が少なくとも10、好ましくは少なくとも15、さらに好ましくは少なくとも60、最も好ましくは少なくとも120となることである。
本発明によると、望ましい分離係数を提供することのできる装置の一つの形態は、少なくとも4.5mol.dm-3 、有利には、4.5から６mol.dm-3の範囲の液体濃度で有機塩基である担体成分が存在している被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を含むガス分離用の装置である。本発明は、上記装置を含む器具をも提供するものである。
また、本発明は、二酸化炭素を含むガス流から二酸化炭素を分離する方法をも提供するものであり、それはガス流と有機塩基である担体成分(carrier species)が少なくとも4.5mol.dm-3、有利には4.5から６mol.dm-3の範囲の液体濃度で存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を接触させることを含む方法である。
本発明は、麻酔、特に低流量や閉鎖系の麻酔のガス流から二酸化炭素を分離する方法であって、二酸化炭素含有するガス流と有機塩基である担体が上記で示した分離係数α（CO２ ,a）を提供するのに十分な濃度で存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を接触させることを含む方法をも提供するものである。さらに、本発明は、担体が少なくとも4.5mol.dm-3の濃度で、有利には、4.5から６mol.dm-3の範囲で存在する、このような方法を提供するものである。
有利には、ガス流は正弦波状のように、周期的に流量率を変化させて膜を通過する。
周期的に流量率変化するガス流の移送の手段は、ベローズ式人工呼吸器、有利には、圧縮空気駆動式や、マイクロプロセッサ制御の人工呼吸器に使用できる。
本発明は、上記に示したような器具及び装置であって、掃引ガス流を発生させる手段と、掃引流を加湿する手段を含む器具及び装置を、更に提供するものである。
有利には、担体成分はCO２と可逆的に反応する能力を有する成分であり、選択された溶剤に溶解可能、または混和可能のものである。有機塩基の担体の種類は、有利には脂肪族塩基であり、例えばモノアミン、特にポリアミンやアルカノールアミン、例えば、モノ、ジ、またはトリのエタノールアミンやジイソプロパノールアミン、エチレンジアミン、または、グリシンの塩、例えばナトリウム塩である。有利には、溶剤は少なくともひとつの水酸基を有している溶剤で、例えば、グリセロール、ポリエチレングリコール、好ましくは水のうちの一種又はそれ以上のものをいう。他の有機溶剤は任意に水と混合され、使用される。
多孔質の膜支持(membrane support)は、ポリプロピレンやポリカーボネート、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリスルホン、ポリアクリロニトリルでもよい。有利には、膜支持(membrane support)は十分な機械的強度を有しつつ、できる限り薄く、また孔隙率が高く、迷路度(tortuosity)が小さい。溶媒が水の場合、有利には該支持は親水性である。
膜支持(membrane support)はシート形状で、例えば、渦巻き状に曲げられた形状、又は折畳まれた形状であってもよいし、好ましくは、中空繊維の形状であってもよい。繊維は典型的には束の形状であり、その長さに沿って支持されていてもよいし、好ましくはその長さに沿って支持されていなくもよい。最大限にガスと繊維表面を接触させるために、装置は経済的な大きさとしつつ繊維のパッキングの密度はできる限り低くする。更に、繊維束を多数使用した装置において、束の直径はできる限り小さくし、装置を経済的な大きさとしつつ間隔をできるだけ離す。
供給流を繊維の中に、掃引ガスを外郭側(shell
side)に通すことが好ましいことが分かった。このような構造は、使用する掃引ガスを高率にし、CO２の除去率を最大限にするからである。
複数の同種の膜の組立体、例えば繊維束が使用される場合、有利にはそれらの間で均等にガス流が分配される。したがって、有利には、プレナムチャンバー(plenum chambers)が膜組立体の上流及び、下流に備えられ、ガス流を分配したり、再合流したりできるようにする。
本発明の方法では、ガス流から離れた膜表面で真空を用いてもよい。しかしながら有利には、掃引ガスは膜表面から通り抜けたものの移送を助けるために使用される。掃引ガスは、例えば、外気であり、有利には高い相対湿度を維持されている。医療や外科の用途において、空気は病院の手術室で通常使用できる「医療用空気」の供給である。典型的には圧力においては、装置の抵抗とそれに関連する圧力低下を克服するのに十分である。しかしながら、この空気は、概して相対湿度が低く、比較的大きな加湿能力を必要とする。真空掃引を使用した場合、加湿能力は低くてよいが、より高容量の真空装置が必要となる。
掃引ガスの相対湿度は有利には高いレベルを維持され、好ましくは液体膜の構成の望ましくない変化を避けるためにできる限り湿度が飽和に近いように維持される。溶剤、特に水の蒸発で、担体液体の濃度が所望のレベル以上に上がると、あるいはこれが原因で膜の望ましくない高粘度化によって、膜を通過するガス移送量の低減をもたらすことになる。
同様に、必要、所望に応じて供給ガス流は何らかの適当な方法で加湿されてもよい。
掃引ガスは、例えば、水スプレーや、超音波加湿器を用いて一定量の水を掃引ガス流に供給することにより高い相対湿度で維持されることが望ましい。ある環境においては、健康面への配慮が許せば、外に出た掃引ガス中の水蒸気の凝縮と再循環が必要なことがある。
有利には、組立体は膜を含む１のユニット、又は膜を含む複数のユニット、特に、中空繊維の膜を含む複数のユニットを含んでいる。有利には、各ユニットは、中空繊維を複数含んでいる組立体の全表面積は生命を維持する麻酔の循環からCO２を十分取り除くために十分であり、有利には、5から２５m3の範囲である。要求される表面積は、接触効率を最大化することにより、最小化することができる。それは、例えば、組立体のシェル(shell)にバッフル板を含ませたり、繊維のパッキング(fibre packing)の構造を使用することによって、達成することができる。
掃引流を発生させる手段は、掃引流が空気の時は、7.5から45 l min-1 m2、特に約30 l min-1 m2の供給を膜の面積に対してすることができ、特に、組立体を通過して約600 l min-1供給できることができる送風機やコンプレッサーであってもよい。掃引が真空掃引のときは、その手段は、例えばシェルの圧力を最高4mmHg、好ましくは最高0.8mmHgに維持することができるポンプであってもよい。
上述のように、掃引流を加湿する手段は、例えば、水スプレーや超音波加湿器であってもよい。
より好ましい具体例は、多くの担体液体、例えば、有機塩基の水溶液と第二膜が、ガス流と掃引流の間に置かれることである。この具体例では、2つのユニットが有利に提供され、各々が、例えば中空繊維の膜の束を含む。ガス流が一のユニットの繊維の内部を通過し、掃引流が他のユニットの繊維の内部を通過する。この担体液体は、各構成単位の繊維の外側に接触しており、それらの間を循環している。第二のユニットにおける膜から掃引流への溶剤、例えば水、の損失は、連続して、又は周期的に順次補充される担体液体の集合体の移送により相殺される。その際、掃引流、例えば掃引ガスは、加湿する必要はない。
以下の実施例で、本発明を具体的に説明する：
表面積が約1.3 m2（Pan-SF650、アサヒメディカル)で、様々な濃度の水溶性ジエタノールアミン(DAE)を水溶液を含有しているポリアクリロニトリル繊維の膜ユニットに関して試験を行った。体積で23％の酸素と77％の亜酸化窒素を含む供給ガス流を用い、ここに3％の二酸化炭素を供給し、加湿された酸素の掃引ガスを供給し、すべて外気温度で、循環系を設定した。供給ガス流は、麻酔下の患者の機械的人工呼吸で使用されるような正弦波状の流量率変化が適用され、１l min-1の低流量率で、Datex-Ohmeda製のAestiva3000ユニットを用いた。
CO２とN2Oの膜を通過した透過率は、ガス濃度が安定した状態に達した後に測定し、表１に結果を示した。CO２濃度は「吸収」と「放出」の濃度の平均で示した。
Figure 2006507882
α、分離係数又は、膜選択度は以下で求められる。
Figure 2006507882
表の最後の縦の欄は、DEA濃度４と4.5mol.dm-3における望ましくないN2Oの損失に対する望ましいCO２の分離がほぼ比例的増加していることを明示している。これは、試験を行ったほぼ最高濃度を維持している。この試験の条件下において、使用した濃度における担体成分は、容易にα値15から20を提供することを以上の例は示す。しかしながら、表の第二の欄が示すように、CO２透過率とαの値は、濃度が6mol.dm-3を超えた辺りから落ち始める。
最適濃度は、アミンがわずかな又は多くない割合の水などの溶媒と、実質的に完全に水和するのと等価であると考えられる。

Claims (35)

  1. CO２と麻酔ガスを含有するガス流からCO２を分離する器具であって、当該器具は、気体分離装置と、当該気体分離装置を通過する周期的に流量率が変化するガス流を移送する手段から成るものであり、当該装置は、有機塩基である担体成分(carrier species)が、ユニティ
    (unity)よりも大きい分離係数α（CO２ ,a）を提供するのに十分な濃度で存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を含む器具である。
    Figure 2006507882
    Rは透過率を、Pは供給ガス流中のガスの分圧を、そしてaは麻酔ガスを表している。
  2. 当該担体成分の濃度がαの値を少なくとも１５とする請求項１に記載の器具。
  3. αの値が少なくとも６０である請求項２に記載の器具。
  4. 当該装置が、少なくとも4.5mol.dm-3の濃度で担体が存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を含む前述の請求項のいずれかに記載の器具。
  5. 当該担体が4.5から６mol.dm-3の範囲の濃度で存在する請求項４記載の器具。
  6. 当該塩基がジエタノールアミンである前述の請求項のいずれかに記載の器具。
  7. 当該塩基がエタノールアミン又はエチレンジアミンである請求項１乃至５のいずれかに記載の器具。
  8. 当該担体液体が水溶液である前述の請求項のいずれかに記載の器具。
  9. 当該担体液体が有機溶剤中の担体の溶液である請求項１乃至７のいずれかに記載の器具。
  10. 当該膜支持(membrane support)が多孔質ポリマーである前述の請求項のいずれかに記載の器具。
  11. 当該ポリマーがポリスルホン又はポリアクリロニトリルである請求項１０記載の器具。
  12. 当該膜が中空繊維膜である前述の請求項のいずれかに記載の器具。
  13. 当該膜が繊維束の形状である請求項１２記載の器具。
  14. 掃引ガス流を発生させる手段をも含む前述の請求項のいずれかに記載の器具。
  15. 掃引ガス流を加湿する手段を含む請求項１４記載の器具。
  16. 少なくとも4.5mol.dm-3の濃度で有機塩基である担体が存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を含むガスを分離する器具。
  17. 当該担体が4.5から６mol.dm-3の範囲の濃度で存在する請求項１６記載の器具。
  18. 当該塩基がジエタノールアミンである請求項１６又は１７に記載の装置。
  19. 当該塩基がエタノールアミン又はエチレンジアミンである請求項１６又は１７に記載の器具。
  20. 当該担体液体が水溶液である請求項１６乃至１９のいずれかに記載の器具。
  21. 当該膜支持(membrane support)が多孔質ポリマーである請求項１６乃至２０のいずれかに記載の器具。
  22. 当該ポリマーがポリスルホン又はポリアクリロニトリルである請求項２１記載の装置。
  23. 当該膜支持(membrane support)が中空繊維の形状である請求項１６乃至２２のいずれかに記載の器具。
  24. 当該膜支持(membrane support)が繊維束の形状である請求項２３記載の器具。
  25. 当該膜支持(membrane support)がシート形状である請求項１６乃至２２のいずれかに記載の器具。
  26. 二酸化炭素と麻酔ガスを含むガス流から二酸化炭素を分離する装置であって、当該装置が少なくとも4.5mol.dm-3の濃度で、有機塩基である担体が存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)の組立体を含んでいる装置。
  27. 請求項１７乃至２５のいずれかで定義された一又はそれ以上の特徴を有する請求項２６記載の装置。
  28. 該ガス流と、少なくとも4.5mol.dm-3の濃度で有機塩基である担体が存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を接触させることを含んでいる麻酔におけるガス流から二酸化炭素を分離する方法。
  29. 該ガス流と、少なくともユニティ (unity)の分離係数α（CO２ ,a）を提供するのに十分な濃度で有機塩基である担体が存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を接触させることを含んでいる麻酔におけるガス流から二酸化炭素を分離する方法。
  30. 当該担体が少なくとも１５の分離係数を提供するのに十分な濃度で存在する請求項２９記載の方法。
  31. 当該担体が少なくとも６０の分離係数を提供するのに十分な濃度で存在する請求項２９記載の方法。
  32. 当該担体が少なくとも4.5mol.dm-3の濃度で存在する請求項２９記載の方法。
  33. 当該担体が請求項５乃至９のいずれかで定義された請求項２８乃至３２のいずれか記載の方法。
  34. 該ガス流と、少なくとも4.5mol.dm-3の濃度で有機塩基である担体が存在する被支持担体液体膜(supported carrier liquid membrane)を接触させることを含んでいる二酸化炭素を含むガス流から二酸化炭素を分離する手段。
  35. 当該担体成分を含む第二被支持担体液体膜（second supported carrier liquid membrane）と、第二膜を通過した掃引ガスを移送する手段と、両方の膜に接触している多量の担体液体と、該膜を通過させ担体液体を循環させる手段を含んでいる請求項１乃至１３のいずれかに記載の装置。

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