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Über dieses Buch

Künstliche Organe sind Membranmodule, welche in einem extrakorporalen Kreislauf Blutinhaltsstoffe austauschen bzw. entfernen. Dabei kommen die klassischen Prinzipien der Crossflow- und der Gegenstromverfahren zur Anwendung. Manfred Raff zeigt, wie für die Auslegung derartiger Membranverfahren aus Modellen am differentiellen Membranelement funktionale Zusammenhänge von Zielgrößen und geometrischen, stofflichen und Betriebsparametern für das gesamte Modul abgeleitet werden. Die Ergebnisgleichungen können auch für technische Anwendungen eingesetzt werden.

Der Autor:

Manfred Raff hat sich in seinem Berufsleben mit dem wissenschaftlichen Schwerpunkt Membrantechnologie beschäftigt. Er war zunächst in der Industrie in der Forschung, Entwicklung und Produktion von Membranen und Modulen tätig. Später hat er als Hochschullehrer an der Hochschule Furtwangen Verfahrenstechnik gelehrt und Membranthemen, wie Messung der Porengrößenverteilung in Membranen, Untersuchung des Stofftransports in der künstlichen Leber, Simulation des Stofftransports bei der Highflux-Dialyse, erforscht. Nach der Pensionierung arbeitet er weiterhin als Lehrbeauftragter an der HFU, Campus Schwenningen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
Membranprozesse für Künstliche Organe (KO) sorgen für die Einhaltung des Gleichgewichtszustands (Homöostase) im Blutkreislauf durch Austausch von Blutinhaltstoffen über semipermeable Membranen. Dazu ist ein extrakorporaler Kreislauf erforderlich, der mit entsprechender Hardware gesteuert und kontrolliert wird und in dem das Blut über Schläuche durch einen Membran-Modul gepumpt wird, in welchem der Stoffaustauch erfolgt. Bei den in diesem essential beschriebenen KO-Verfahren steht also die Änderung der Zusammensetzung des homogenen Gemischs Blutplasma im Vordergrund. Für die Beschreibung des Transports relevanter Komponenten durch Membranen kommen daher Methoden der Thermischen Verfahrenstechnik (TVT) zur Anwendung.
Manfred Raff

Kapitel 2. Membranen und Module

Zusammenfassung
Module für KO sind meist mit Hohlfaser-Membran-Bündeln bestückte Gehäuse, in denen Blut mit unterschiedlichen Verfahren auf physiologisch notwendige (gesunde) Werte eingestellt wird. Die Anforderungen an Membranen und Module orientieren sich einerseits an den angestrebten Behandlungszeiten, andererseits an den spezifischen Eigenschaften der auszutauschenden Stoffe. Zum Verständnis der Einflussmöglichkeiten von Herstellern auf Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der produzierten Membranen werden in diesem Kapitel kurz das Phasen-Inversions-Verfahren zur Herstellung von Hohlfaser-Membranbündeln und die wesentlichen Schritte zur Weiterverarbeitung der Bündel zu Membran-Modulen vorgestellt.
Manfred Raff

Kapitel 3. Stofftransport-Modelle über Membranen

Zusammenfassung
Modelle für den Stofftransport über Membranen werden eingeteilt in solche, bei denen die Membran den Haupttransportwiderstand bewirkt und andere bei denen sich Konzentrations-Grenzschichten ausbilden, welche den Transport zusätzlich beeinflussen. Da in KO vorwiegend poröse Membranen zum Einsatz kommen, wird für den membrankontrollierten Stofftransport das Porenmodell abgeleitet und dessen Bedeutung diskutiert. Crossflow-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass durch hohe Transmembrandrücke (TMP’s) hohe Filtrationsraten erzielt werden (Anwendungsbeispiel: Hämofiltration). In Gegenstromverfahren mit geringen Filtrationsraten dominiert die Diffusion permeabler Komponenten. Die Reziprokwerte der aus den Modellen abgeleiteten Stoff-Übergangs- bzw. Stoff-Durchgangs-Koeffizienten beschreiben die Transport-Widerstände für die Massen-, bzw. Volumen-Stromdichten der betrachteten Komponenten. Die aus den Modellen abgeleiteten Gleichungen für die „Zielgrößen“ helfen Bereiche von Messwerten aus Experimenten zu verifizieren, Module bezüglich Geometrie und Leistung zu optimieren und Anwendern geeignete Betriebsgrößen zu empfehlen.
Manfred Raff

Kapitel 4. Membran-Prozesse bei Künstlichen Organen

Zusammenfassung
Die Verfahren in Künstlichen Organen unterscheiden sich dadurch, dass Stoffe mit sehr unterschiedlichen Physikalisch-Chemischen Eigenschaften entfernt werden müssen. Bei der „Künstlichen Niere“ sind dies wasserlösliche Komponenten mit geringen Molmassen, bei der „Künstlichen Leber“ hochmolekulare Komplexe von an Protein gebundenen, hydrophoben Stoffen. In der „Künstlichen Lunge“ werden Gase mit unterschiedlichen Löslichkeiten in Plasma und mit spezifischen chemischen Reaktionen mit Plasmakomponenten ausgetauscht. Bei der Nieren-Dialyse werden die Ziel-Konzentrationen im Dialysat eingestellt, bei der Hämofiltration durch Substitution entsprechender Lösungen geregelt. Bei der Leber-Dialyse im „MARS-System“ werden die Toxine blutseitig von Albumin separiert, durch Membranen mit spezifischen Eigenschaften diffusiv transportiert, dialysatseitig von „fremdem“ Humanalbumin aufgenommen und in Adsorber und Ionentauscher entsorgt. Beim „PROMETHEUS-System“ erfolgt ein konvektiver Transport der Protein-Toxin-Komplexe durch die Membran und nach Abgabe der Toxine an Adsorber wird das „gereinigte“ Protein in das Patientenblut zurückfiltriert.   Die Absorption von O2 und die Desorption von CO2 im Oxygenator erfolgen in den hierbei verwendenten hydrophoben Membranen blasenfrei direkt an den Porenoberflächen im Blutkontakt.  Durch Anwendung der in Kap. 3 abgeleiteten Gleichungen auf die hier beschriebenen KO-Verfahren können Zusammenhänge dargestellt werden, aus denen Hersteller und Anwender Erkenntnisse gewinnen, um Leistung und Wirtschaftlichkeit der Verfahren zu optimieren.
Manfred Raff

Kapitel 5. Schluss

Zusammenfassung
Es werden die Inhalte des essentials zusammengefasst und bewertet. Es eignet sich aufgrund der Themenzusammenstellung auch als allgemeine Einführung in das Fachgebiet der Membranverfahren.
Manfred Raff

Backmatter

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