NO750112L - - Google Patents

Description

Hule fibre i form av tvinn-bunter.

Avdelt fra søknad nr. 7^1977-

Foreliggende oppfinnelse angår hule fibre som er sammentvunnet til tvinn-bunter, spesielt til bruk i apparaturer for behandling av fluida.

De væskebehandlinger som kan bli aktuelle i forbindelse med foreliggende oppfinnelse er i det vesentlige separasjons-, utvekslings- og blande-prosesser.

Typiske separasjonsprosesser. er ultrafiltrering, invers

osmose, gass-permeasjon, gass-diffusjon, pervaporasjon.

Eksempler på utvekslingsprosesser er særlig dialyse, direkte osmose, utveksling gass-gass, væske-væske eller gass-væske, yarmeutvekslingsprosesserjog den kunstige nyre som virker ved dialyse inngår i denne gruppen på samme måten som den kunstige lunge.

Som blandeprosesser kan man særlig, nevne oppløsning av gass d væsker, fordampning av væsker i gass og mer spesielt luft-kondisjonering (som også omfatter varmeveksling)., luftfukting og generelt gassfukting.

Det er foreslått mange apparater som bygger på hulfibre, for utførelse av væskebehandlinger av ovenstående type. Man kan f.eks. nevne franske'patenter 1 227 030, 1 307 979, 1 3^0-495.

I alle disse patenter er hulfibrene enten anordnet rett-linjet eller helt eller delvis buet (særlig i spoleform).

I amerikansk patent 3 6l6 928 har man foreslått å benytte bølgede fibre, dette gjør at man på et gitt punkt av hulfiber-knippet oppnår at nabofibrene ikke er paralelle fordi de har en buet eller bølget form. Man oppnår derved en forbedret ydelse for appa-raturene fordi det dannes turbulensstrømninger'inne i og omkring de hule fibre. Disse turbulenser ødelegger det som man kaller "grensesjikt". Disse grensesjikt er væskesjikt som har tendens til å bygge seg opp på' hver side av hulfibrenes skillevegger og som er en hind-ring for væskebehandlings-prosessene: ved invers osmose og ultrafiltrering dreide det seg om en overmetning foran skilleveggen. Ved dialyse dreier det seg om en utjevning av væske-konsentrasjoner på hver side av dialyseveggen. I alle tilfelle har grens.e-sj iktene en tendens1 til å senke den kraftgradient som er den drivende kraft ved disse separasjons-, utveklings- eller blande-prosesser.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe hule fibre med forbedret ydelse for behandling av væsker.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe hule fibre hvor hulfibrene befinner seg i stabil tilstand og ikke de-formeres lett samt er anordnet på jevn måte uten brette- eller folde-punkter.

Hulfiber-buntene er fortrinnsvis rettlinjede, men kan være understøttet eller ikke understøttet i form av spoler og viklinger, i spiral, brettet eller U-formet eller være anordnet perp-endikulært på hverandre.

I foreliggende beskrivelse mener man med betegnelsen hule fibre eller hulfibre fibre som har rørform, dvs. som innvendig har en kontinuerlig gjennomgående kanal som går langs fiberaksen og er fri'for makromolekylært materiale.

Hulfibrene som kan benyttes ifølge oppfinnelsen kan

være av en hvilken som helst kjent type og av alle typer naturlig, kunstig eller syntetisk makromolekylært materiale, spesielt kan man benytte fibre nevnt i de franske patenter 1 307 979 3 1 586 563 og 2 017 387 og amerikansk patent 3 67^ 628, og disse fibre kan være homogene eller mikroporøse eller anisotrope (dvs. med "hud"). Fibrene kan være fremstilt fra en smelte, ad tørr vei (inhdamping av oppløsningsniddel) eller ad våt .vei (koagulering) ,. de anvendte tråd-dyser kan være- sektor-dyser eller ha åpning formet som en krone. Fibre som benyttes ifølge oppfinnelsen bør ha en ytterdiameter på generelt under 1 mm, fortrinnsvis under 0,6 mm og- generelt over 5y > ■ fortrinnsvis over 300 u.

Den valgte"fiberstruktur for hulfibrene velges som funksjon av formålet (osmose, dialyse, ultrafiltrering, gasspermea-sjon, gass-gass eller gass-væske-utveksling, varmeveksling etc).

Man skiller i det følgende mellom fibrenes oppvikling eller oppviklingsgrad fra fibrenes tvinn eller tvinningsgrad, tvinningen er den deformasjon som hulfibrene utsettes for ved påvirkning av et kraftpar som virker loddrett på fiberaksen, oppviklingen er en langsgående deformasjon som fibrene utsettes for når krumningsradien for fiberaksen minskes, dvs. når man ruller opp eller vikler opp fibrene<1.>

Viklingsgraden for fibrene ifølge oppfinnelsen er minst

5 viklinger pr. m (v/m), fortrinnsvis mellom 30 og 300 v/m. Tvinningsgraden for fibrene ifølge oppfinnelsen kan være positiv, null eller negativ.

Tvinnbuntene av hulfibre i henhold til oppfinnelsen kan inneholde et hvilket som helst antall enkelte hulfibre, man kan til og med benytte knipper eller bunter hvor en fiber er rett og skal forsterke fiberbunten. Imidlertid foretrekkes bunter hvor antallet n for hulfibre er mindre enn 7, fortrinnsvis hvor n = 2. .Ifølge et annet fordelaktig trekk ved oppfinnelsen er tvinnbuntene uten "dødvolum". Disse tvinnbunter uten dødvolum har den fordel at de praktisk talt ikke inneholder områder i nærheten av fibrene hvor væskene ikke sirkulerer eller sirkulerer langsomt.

Det skal også nevnes at for fremstilling av en tvinnbunt uten dødvolum eksisterer det for visse typer tvinnbunter en maksimal viklingsgrad og denne vikiingsgraden varierer alt etter arten og dimensjonene på de anvendte hulfibre. For en tvinnbunt med n hulfibre oppviklet i vanlig skrueform nås denne maksimale viklingsgrad når skrue- eller viklings-stigningen er lik n ganger fiberdiameteren.

Enkelte typer av tvinnbunter er i henhold til det følg-ende fordelaktig ifølge oppfinnelsen og beskrevet detaljert.

En første type tvinnbunt er som vist på fig. 1: det dreier seg om en tvinnbunt med to hulfibre som er tvunnet sammen i. skruetvinning, tvinningen kan være høyredreid eller venstredreid og hulfibrene står i kontinuerlig og kvasi-tangensiell-kontakt. Med kvasi-tangensiell kontakt mellom fibrene mener man det forhold hvor to fibre bare har kontakt, over et visst område., på mindre enn 10%, fortrinnsvis.mindre enn 1% av omkretsen. Når tvinningsgraden er null vil kontaktlinjen mellom to fibre utgjøre praktisk talt en rett linje.

En variant av tvinningen på fig. 1 er vist på fig. 2:

hulfibrene har bare kontakt i intervaller.

En tredje type tvinnbunt er vist på fig. '4. Det dreiér seg om en bunt med fire hulfibre fordelt i to grupper a to fibre, hvor hver gruppe på to fibre er tvunnet i skrueform i en bestemt retning og hvor de to fibre innenfor hvert par er tvunnet sammen i omvendt retning i forhold til sammentvinningen av de to parene. Fremgangsmåte D som beskrives senere danner fiberbunter av denne typen.

I en slik tvinnbunt vil vikiingsgraden som angitt oven-for (minst 5 v/m, fortrinnsvis 30 til 300 v/m) både gjelde hvert par på to hulfibre og hver hulfiber i et p.ar sett isolert.

På fig. 4 er det altså vist en tvinnbunt på fire hulfibre fordelt på to fiberpar. En variant består da av en tvinnbunt som inneholder to grupper på n hulfibre hvor de to grupper danner en skruevikling i en gitt retning og fibrene i en enkelt gruppe er tvunnet i omvendt retning.

De beskrevne tvinnbunter anordnes med fordel i knipper av parallelle bunter. Man får en forbedret strømnings-jevnhet når man i disse knipper anordner tvinnbuntene alternerende: høyredrei-ende, venstredreiende, høyredreiende bunter etc.

En annen type tvinnbunter består av hulfibre praktisk talt fri for tvinnspenninger, uavhengig av vikiingsgraden. Denne type tvinnbunter karkateriseres ved at minst en av de tvunnede hulfibrene, langs i det minste en del av lengden, er tvunnet omkring seg selv med. en tvinningsgrad på mindre enn ca. en sjettedels tvinn pr. vikling. En slik tvinnbunt består av flere hulfibre oppviklet sammen i skrueform omkring en felles akse.

Tvinnbunter uten tvinn består med fordel av to hulfibre oppviklet på hverandre. De to hulfibre har tangensiell kontakt langs en rett linje som danner buntens akse og ingen hulfiber har noen tvinning omkring seg selv langs en vikling. Man kan naturligvis i praksis tillate små tvinninger i den ene eller andre retning, på noen brøkdeler av en omdreining, som eventuelt vil kompenseres.

Generelt overstiger man ikke ca. en sjettedels tvinning pr. vikling og fortrinnsvis en tolvtedels tvinning pr. vikling.

For to hulfibre oppviklet på hverandre i skrueform har man, hvis man med d betegner ytterdiameteren for hulfiberen, p betegner skrue- eller tvinn-stigningen og L betegner lengden på en vikling, følgende definisjon på de dannede skrueviklinger som ut-gjør tvinnbunten:

i

hvor a er på den ene side vinkelen som dannes mellom en tangen til skruen og en linje parallell med tvinnbuntens akse gjennom tangent-punktet, men på den annen side vinkelen som dannes mellom diagonalen og langsiden i et rektangel hvor langsiden er lik stigningen og kortsiden lik omkretsen omkring sylinderfoten som skruen er omskre-vet på.

For at en oppvikling av en tvinnbunt skal være mulig med to hulfibre må stigningen p ikke være mindre enn diameteren d, man

har altså at:

<p, eller: cos a>—, eller:a<50°30 .

sin a.. tt

For at hulfibren ikke' skal få noen tvinning på seg selv ved oppviklingen av tvinnbunten må den dreie seg omkring seg selv 4 a pr. vikling, i omvendt retning av oppviklingsretningen, hvor a

varierer mellom 0 for en vikling med uendelig stigning til 50 o 30' ,for en stigning som svarer til PO og teoretisk 90° for en skrue-stigning lik null.

Hvis to hulfibre oppvikles ved enkel tvinning av to paralelle fibre får hver fiber en tvinning omkring seg selv på 360° pr. vikling, og denne tvinning er større enn den som er nødvendig for å oppvikle fibrene.uten tvinnspenninger når 4 a er mindre enn 202°. Tvinnspenningen på fibren selv vil således øke når viklings-stigningen synker fordi antall viklinger pr. lengdeenhet øker hurt-igere enn vinkelen a. Man kan derfor konkludere med at hvis man øker oppviklingsgraden (minsker oppyiklings.stigningen) vil man kunne av-flate hulfibrene. Tvinnbunter praktisk talt uten tvinning egner seg også særlig godt når oppviklingsgraden for hulfibrene ligger mellom 50 og 500 viklinger pr. meter og fortrinnsvis mellom 150 og 300. viklinger pr. meter.

Når oppviklingsgraden for hulfibrene er høy får tverr-snittet gjennom en fiber loddrett på viklings aksen ikke helt form som en ellipse, men som en bønne med buet lengdeakse.

I f.eks. dialyseapparater er det den fordel at■hulfib-rene bare' har tangensialkontakt med en enkelt annen hulfiber, eller bare over en del av to hulfibres lengde, for å unngå dannelse av dødvolum. I slik apparatur benyttes også. med fordel tvinnbunter som bare består av to.hulfibre oppviklet praktisk talt uten tvinn.

Med apparaturer spesielt for væske-separasjon utgjør dødvolumet mellom fibrene mindre ulemper enn i utvekslings-apparater, og man benytter da med fordel tvinnbunter beståehde av tre hulfibre oppviklet praktisk talt uten tvinn.

Naturligvis kan man sammentvinne praktisk talt uten tvinning elementær-tvinnbunter av hulfibre. For eksempel kan man uten tvinning sammentvinne i positiv retning tre tvinnbunter som hver består av to hulfibre som på forhånd er sammentvunnet uten tvinning i negativ retning.

Tvinnbunter av hulfibre uten tvinning består av fortrinnsvis hulfibre oppviklet sammen med felles stigning, men kan eventuelt bestå .av hulfibre oppviklet med forskjellig stigning. Hulfibrene kan være tvunnet bare langs en del av deres lengde, men er fortrinnsvis tvunnet over hele lengden. Hulfibre innenfor samme tvinnbunt kan være oppviklet med begrenset torsjon på hverandre, fortrinnsvis like stor torsjon og eventuelt forskjellig torsjon. En tvinnbunt hvor minst en av hulfibrene er oppviklet med en egentorsjoh mindre en ca. en sjettedels tvinn pr. vikling inngår i tvinnbunter ifølge oppfinnelsen.

Hulfibre som inngår i tvinnbunter ifølge oppfinnelsen utsettes for spenninger ved oppviklingen. Men- man har funnet at disse spenninger er små i forhold til torsjons-spenningene og at førstnevnte ikke svekker eller i praksis deforemerer hulfibrene.

Som eksempel har man for en tvinnbunt på to hulfibre, når a = 18°, bare 6% forlengelse av den ytterste generatrisen i forhold til den innerste generatrisen. For dette tilfelle har man L = 10,76 d og p = 9356 d. Med d = 0,5 mm gjennomføres en oppvikling■på 200 vik-lmger pr. meter uten torsjon ved a dreie fibrene 2 tt omkring seg selv i omvendt retning i forhold til oppviklingsretningen. Fibrene er da ikke utsatt for mere spenninger enn hvis de oppvikles med tettliggende viklinger på en trommel med l60 mm diameter.

Man finner også at tvinnbunter av hulfibre med begrenset torsjon har en øket elastisitet som minsker risikoen for brudd. Slike fiberbunter tillater en kompensasjon av dimensjonsvariasjoner som kan skyldes fuktighetsforandringer, idet en radial forlengelse fører til en lengdeforkortelse som i det vesentlige kompenserer aksialforlengelsen. Det er videre mulig å redusere veggtykkelsen hvilket f.'eks. i forbindelse med blod-dialyse gjør det mulig å ned-sette dialysemotstanden mot små molekyler.

De tvinnsystemer som er beskrevet nedenfor er spesielt gunstige når de benyttes i forbindelse med kunstige nyrer og/eller > lunger.

De følgende eksempler skal illustrere oppfinnelsen, og skal ikke oppfattes begrensende.

Eksempel 1.

A - Fremstilling av en tvinnbunt

Ved hjelp av apparatur som vist på fig. 3 dannes en tvinnbunt av to hulfibre.

Hulfibrene er en kopolymer av acrylnitril og natrium-metallylsulfonat. Utvendig diameter er 522. u, innerdiameter 352 u. Veggen er mikroporøs og gir ved et indre relativt trykk på 0,5 atm. en vannlevering på ca. 78 l/dag/m og utelukkings-graden for oval-bumin (molvekf = 45 000, benyttet i .vandig oppløsning på 5 g/l inne-holdene 5,85 g/l NaCl) er 100$.

Disse fibrene tvinnes med tvinning på 40"v/m (metode vist på fig. 13) •

B - Oppbygging av dialyseapparat

945 tvinnbunter fremstilt som under A (og således inne-holdende 1890 fibre) anordnes parallellt på hverandre slik at man får et knippe av rektangulær form med følgende dimensjoner: tverrsnitt 1 cm x 8 cm

utnyttbar lengde: 4l,6 cm.

Fiberbuntenes ender innleires i en masse av epoksyhar-piks.

Nevnte knippe legges inn i et renneformet apparat som vist-på fig. 11. Innvendig dimensjoner for rennen er slik at knippet passer nøyaktig inn i rennen.

Den.utnyttbare dialyse-flate er 102,48 dm<2.>(begrenset ved å tillegge hulfibrene en mildere diameter som er lik den halve sum av inner- og ytter-diameteren).

C - Anvendelse

Man gjennomfører en dialyseoperasjon ved 37°C i løpet av 6 timer med apparatur som beskrevet under B.

i Inne i hulfibrene sirkulerer en dialysevæske som pr. liter inneholder: 5,845 g NaCl, 0,224 g KC1, 0,152 g MgCl2. 6 H20, 5,171 g CH^COONa . 3 H20, 0,33 g CaCl2. 6 H20 og 1,5 g urea.

Utenfor hulfibrene strømmer i en mengde på 500' cm^/min. , et dialysat som er en saltvannsoppløsning som ved inngangen til dialysatoren har samme sammensetning som dialysevæsken, men uten urea. Etter bruk (en enkelt gjennomstrømning) tappes dialysatet av apparaturen.

Dialyse-oppløsningen går gjennom hulfibrene med en has-tighet på 200 ml/min., den fylles opp i en gradert beholder og re-sirkuleres til hulfibrene, man kan ved hjelp av den graderte syl-inder finne eventuelle volumsforandringer i dialysevæsken hvilke variasjoner ville skyldes et sekundært ultrafiltrerings-fenomen gjennom hulfiber-veggene. Hvis imidlertid dialysevæske-volumet minsker, tilsettes et like stort volum av ny oppløsning (med sammen setning som opprinnelig dialysat) slik at man i det vesentlige opp-rettholder mengden av dialysevæske som sirkulerer i hulfibrene i det vesentlige konstant.

Man måler inngangs- og utgangs-trykk for de to sirku-lasjons væsker ved hjelp av manometere.

I dialyse-væsken reguleres trykket til et trykk som ligger noe høyere enn dét utvendige dialysat, denne regulering git en ultrafiltrering av dialyseringsvæsken på 500 cm^/time.

Man måler med mellom gjennomgangen (clearance) C.for urea. C er gitt ved formelen:

hvor:

D betegner tilført mengde dialysevæske til hulfibrenes indre,

Cg betegner konsentrasjonen av urea ved innløpet i fibrene,

Cg betegner konsentrasjonen av urea ved utløpet fra hulfibrene.

Denne verdi er den fiktive mengde man ville få hvis det benyttede apparat leverte en dialysevæske helt uten urea og uten at hastigheten for fjerning av urea forandret seg. Den definerte clearance omfatter ikke den fraksjon av urea som fjernes ved ultrafiltrering.

I løpet av det gjennomførte forsøket fant man en i det vesentlige konstant clearance for urea på 125- cm^/min.

Man gjentok forsøket, men benyttet en dialysat-tilførsel utenfor hulfibrene på 1 l/min., man fikk da en clearance for urea på 139 cm^/min. Eksempel 2.

Man gjentok eksempel 1 med følgende forandringer: Dialysevæsken inneholdt til å begynne med, som ikkesalt-holdige stoffer, 0,05 g/l vitamin B, „ og 0,1 g/l inulin.

Clearance. for inulin og vitamin B12defineres som oven-for for urea.

Tilført dialysevæske utenfor hulfibrene er 500 cm^/min., og man fant for vitamin B-,„ en clearance på 50 cm /min. og for inulin en clearance på 25 cm 3/min.

Eksempel 3. (Sammenlikningseksemp.el)

Man oppbygger et apparat med hulfibre av identisk type som i eksempel 1, avsnitt B, men benyttet parallelle fibre som ikke var tvunnet. Antall fibre er 200 svarende til en utnyttbar flate på 108,45 dm . Fibrene er identiske med fibrene fra eksempel 1.

Man gjennomfører en dialyseprøve under damme forhold som i eksempel 1 og.2.

Tilførsel av dialysat utenfor hulfibrene er 500 cm^/min. og man får følgende clearancer:

Hvis man korrigerer disse tall slik at de bringes overens med en utnyttbar dialyse-flate svarende til eksempel,1, får man tallene 80, 65, 36, 19, respektivt.

Claims (9)

1. Tvinnbunt av hule fibre, spesielt beregnet for apparaturer for behandling av fluida, karakterisert ved at de omfatter minst 2 hule fibre sammentvunnet i skrueform der fibrene består av et makromolekylært naturlig, kunstig eller syntetisk materiale.

2. Tvinnbunter ifølge krav 1, karakterisert ved at hulfibrene har en ytre diameter på under 1 mm..

3- Tvinnbunter ifølge krav I og 2, karakterisert ved at hulfibrenes tvinningsgrad er minst 5 viklinger pr. min.

4. ' Tvinnbunter ifølge krav.3, karakterisert ved- at hulfibrenes viklingsgrad er mellom 30 og 300 v/m.

5. Tvinnbunter ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at minst 'en av de tvunnede hulfibre i det minste over en del av sin lengde har en egen torsjon mindre enn ca. en sjettedels omdreining pr. tvinning.

6. Tvinnbunter ifølge krav 5, karakterisert ved at hulfibrene har en egen torsjon som praktisk talt er lik 0.

7. Tvinnbunter ifølge et hvilket som helst av de- foregående krav, karakterisert ved at hulfibrene er tvunnet i skrueform i kontinuerlig, kvasitangensial kontakt.

8. Tvinnbunter ifølge fet hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at de omfatter høyst 6 hulfibre.

9. Tvinnbunter ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at de består av 2 grupper med n fibre i hver, der hver gruppe for sin del er tvunnet i skrueform i en bestemt retning og der innen for hver gruppe nevnte n 'hulfibre er tvunnet seg imellom i skrueform, men i motsatt retning av gruppene på n fibre.