[发明专利]用于减少过滤器单元中膜表面上的浓度极化和膜污染的装置和方法

说明书

一种用于在膜分离过程和/或过滤器清洗过程中减少过滤器单元(102)中的膜表面上的浓度极化和/或膜污染的装置。该装置包括(i)当过滤器单元(102)中有流体流动时产生电信号的信号发生器(106)和(ii)从信号发生器接收电信号以使用一个或多个超声波换能器(604)产生超声波的超声波换能器组件(108)。在膜分离过程和/或过滤器清洗过程中，超声波通过过滤器单元(102)，并在流体流动中产生湍流或在膜表面上产生振动中的至少一种，以去除堵塞膜表面的颗粒，从而减少过滤器单元(102)的膜表面上的浓度极化和/或膜污染，这反过来又增加了膜渗透性和效率。

技术领域

本文中的实施例通常涉及膜分离，更具体地说，涉及一种用于通过在膜分离过程和/或过滤器清洗过程中使用非侵入性和非破坏性振动能源减少过滤器单元中的膜表面上的浓度极化(concentration polarization)和/或膜污染(membrane fouling)来提高膜分离和/或过滤器清洗过程的效率的装置和方法。

背景技术

肾脏在清除人体内毒素和多余水分方面起着至关重要的作用。排出的毒素和多余的水分通过排尿排出人体。正常运转的肾脏防止多余的水、废物和其他杂质在人体内积聚。

根据国家肾脏基金会，患者的肾功能只有正常功能的10～15％时出现终末期肾病(End Stage Renal Disease)(ESRD)。这可能导致患者体内毒素和流体无法清除，从而可能增加到危险水平。在这种情况下，患者需要接受透析治疗。透析是一个过程，在这个过程中，他们的血液通过一个包括过滤器的机器(称为透析器)从外部抽取和净化。如果不进行透析，盐和其他废物可能会积聚在血液中，并可能毒害身体和损害身体其他器官。透析是一种通过半透膜将溶质从溶液中分离出来的膜分离过程。在透析过程中，来自人体/患者的血液会流过透析器的膜，透析液会绕着膜流动。由于透析液中的毒素浓度较低，毒素通过半透膜的孔从血液扩散到透析液中。在这个过程中，清除的毒素和其他颗粒(如血液中的蛋白质)的积累可能会在半透膜的孔隙中造成堵塞，这称为浓度极化。浓度极化和/或膜污染限制了涉及半透膜的膜分离过程和/或过滤器清洗过程的效率。在透析的情况下，效率的降低导致透析不足。膜污染包括(i)血液中存在的毒素和其他颗粒(如蛋白质)沉积到膜表面或(ii)多孔结构内部。与膜污染不同，浓度极化是一种可逆机制，一旦工作压力释放，浓度极化就会消失。膜污染和浓度极化都会导致膜的渗透性降低，从而降低膜分离过程和/或过滤器清洗过程的效率。

通常情况下，患者在其余生或肾移植之前，需要每周进行两到三次为期四小时的透析。一次透析的费用可能在4000卢比左右，这对于贫困患者来说可能是负担不起的。此外，每次透析需要多达200升水、昂贵的耗材和电力。越来越多的透析患者加上透析过程的资源密集性，要求提高透析过程的效率，使其成为可行和可持续的选择。

此外，体重较重的患者和体重较轻的患者都接受了为期4小时的透析过程。对于体重较重的患者，4小时的透析可能不足以清除体内的毒素。毒素清除不彻底可能导致毒素在患者体内积累增加，从而导致食欲不振、恶心、呕吐等症状。这种情况称为透析不足，可通过比率Kt/V量化，低于1.2(Kt/V1.2)的值。对于体重较轻的患者，由于他们的体重指数较低(即与体重较重的患者相比，需要清除的毒素较少)，毒素可能会在四小时之前清除。体重较轻的患者在透析中心花费的时间可能比需要的时间多。对于体重较轻的患者，这种额外的透析与额外的水、耗材和电的使用相对应。现有的研究表明，给予患者额外透析没有任何好处。它只会浪费必要的资源。

一些现有研究表明，大约50％的透析患者接受了不充分的透析，他们会出现可能导致严重影响生活质量和增加死亡率的症状。因此，需要提高过滤效率，以便在透析的4小时内完全清除患者体内的毒素。其余的病人正在接受超出要求的额外透析。如果我们提高膜分离和/或过滤器清洗过程的效率，我们可能能够缩短透析时间，从而减少不必要的资源浪费。

最近，我们监测350小时透析疗程的实验数据显示，53％的疗程透析不充分，其余47％的疗程额外透析。此外，体重超过55公斤的较重患者透析不足的情况更多。其他文献显示，发展中国家透析不足约60％，发达国家透析不足约33％。