7透析膜分离技术基础.pdf

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1、7 透析膜分离技术基础 第八章 透析 透析是一种物理现象:如果在一个容器中放置一张半透膜，膜的一侧放置溶液，另一侧放置纯水，或者在膜的两侧分别放置浓度不同的溶液。溶液中的大分子物质不能通过半透膜;溶液中的小分子物质可以穿过半透膜而相互渗透，其移动规律是:水分自渗透压低侧向渗透压高侧方向移动:而电解质及其他分子物质则从浓度高侧向浓度低侧方向移动，经一段时间后，两侧液体中的小分子物质和水达到动态平衡，这种现象称为透析。1913 年 Abel 根据半透膜平衡原理用火棉胶膜进行了成功地透析试验，1938 年Thalhimer以赛璐玢纸膜作为透析膜进行了人工肾试验，1943 年 Kolff 使用醋酸纤维

2、素膜制成人工肾进行血液透析治疗尿毒症成功，1965 年西德的 ENKA-Glanzstoff公司研制了平板和管式铜仿膜，同年，Cordis-Dow公司研制成功乙基纤维素中空纤维膜，使透析器大为小型化，1975 年日本的旭化成公司和西德的ENKA-Glanzstoff 公司均开发出了铜氨人造丝中空纤维膜，使透析膜性能得到进一步改善。由于透析过程的传质推动力是膜两侧物料中组份的浓度差，受体系本身条件的限制，透析过程的传质速度慢，且透析膜的选择性低，对于化学性质相似或分子大小相近的溶质体系很难用透析法分离，这是其发展受到了很大限制，透析过程逐渐被借助外力驱动的膜过程，如电渗析、超滤等所取代，应用范围

3、日渐缩小。然而，对于某些高浓度的蛋白质溶液，由于浓差极化的原因，使用超滤方法进行分离较为困难，这种情况下使用透析方法较为合适，特别是使用人工肾处理浓度差较高的血液时，透析法无疑更具有优越性。目前透析法应用最大的市场是血液透析，现在血液透析已成为治疗肾病患者的常规疗法。另外，对于少量物料的处理，由于透析不需要使用超滤那样的特殊器件和装置，所以迄今其应用仍较为广泛。第一节 透析过程原理和特点 一、透析过程原理和特点 透析过程的简单原理如图 8-1 所示，即中间以膜(虚线)相隔，A 侧通原液，B侧通溶剂。如此，溶质由 A 侧根据扩散原理，而溶剂(水)由 B 侧根据渗透原理进行相互移动，一般低分子比高

4、分子扩散得快。透析的目的就是借助这种扩散速度的差，使 A 侧两组分以上的溶质得以分离。不过这里所说的不是溶剂和溶质的分离(浓缩)，而是溶质之间的分离，浓度差(化 学位)是这种分离过程的唯一推动力。透析是一种扩散控制的，以浓度梯度为驱动力的膜分离方法。溶液中的低分子溶质可从浓度较高的进料液侧，通过扩散透过膜，而进入浓度较低的透析液侧。透析与超滤既有共同点，也有不同点;其共同点是两者都可以从高分子溶液中去除小分子溶质;两者的不 同点是透析的驱动力是膜两侧溶液的浓度差，而超滤为膜两侧的压 力差;透析过程透过膜的是小分子溶质本身的净流，而超滤过程透 过膜的是小分子溶质和溶剂结合的混合流。正因为透析过程

5、的推动 力是浓度梯度，故随透析过程的进行，其速度不断下降，因此必须 提高被处理原液和透析液的循环量，并且其透析速度慢于以压力为 驱动力的反渗透、超滤和微滤等过程。二、唐南膜平衡 图 8-1 能通过低分子溶质而不能通过高分子溶质或胶体粒子的半透 膜，可作为透析过程用膜。使一半透膜把一容器分成两部分，左侧放置含有电解质等低分子杂质的高分子水溶液，右侧放人纯水，则低分子杂质不断地通过透析膜而进入纯水中，使高分子溶液不断纯化。当右侧的纯水体积不是特别大，且高分子为非电解质时，半透膜两侧的低分子溶质的浓度将逐渐趋于相等达到动态平衡。然而，当溶液中的高聚物为电解质时，在平衡时的离子浓度为，且共存的电解质为

6、二元电解质，则当达到平衡状态时，由于两侧的化学势相等，且不考虑活度系数对浓度的依赖关系，则得:1 2，,，CC,C(81)LLR 式中，、分别为膜左侧和膜右侧溶液中的低分子电解质浓度。该式称为唐南(Donnan)膜平衡。CCLR 由此可见，对高分子电解质溶液或带电荷的胶体而言，因平衡离子的存在反而使左侧液(原液)的共存电解质浓度()比右侧液(透析液)的浓度还小。CL 第二节 透析膜材料 透析膜是透析器的主要构成部分，理想的透析膜材料应具有以下特点:膜材料的纯度高，不含有任何对生体有害的物质;具有优良的生物相容性，对蛋白质无特异吸附;有稳定的物理、化学性能和良好的力学性能;能经受消毒处理而不影响

7、结构、性能;加工成型方便，制得的透析膜的表面皮层应尽可能的薄，膜表皮层及支撑层的孔隙率尽可能高，以获得更高的通量;孔径分布应尽可能窄，使膜对所有被希望脱除分子的筛分系数都接近于 1，即对某些溶质具有高渗透性清除率，并对大分子物质的泄漏较小;透析器的封装材料还不能含有亚甲基二苯胺、不会释放环氧乙烷等。目前用于制备透析膜的材料主要有天然纤维素及其衍生物与合成聚合物两大类:纤维素类有醋酸纤维素、再生纤维素等;合成聚合物类包括聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚砜、聚烯烃、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸酯、乙烯醋酸乙烯共聚物、聚醚嵌段共聚物等。由于透析膜主要用于医疗用途，对膜材料的要求非常

8、苛刻，因此可临床应用的膜材料只有少数几种，表8-1 为已商业化的人工肾透析膜材料。表 8-1 已商业化的人工肾使用的透析膜材料 膜材料 生产厂商 评 论 Akzo-EnKa*首次用于临床透析 铜氨法再生纤维素 Asahi Chemical 第一种日本透析膜 Terumo Cordis-Dow 第一种中空纤维透析膜 脱乙酰基纤维素 Teijin 蒸汽消毒 Cordis-Dow 蛋白质过滤膜 醋酸纤维素 Toyobo Rhone Poulenc*由合成聚合物制造的第一种膜 聚丙烯腈 Asahi Chemical 用于清除-小球蛋白的第一种不对称透析膜 2 聚甲基丙烯酸酯 Toray 采用特征吸附，

9、射线消毒，以清除-小球蛋白 2 乙烯-乙烯醇共聚物 Kuraray 抗凝血酶源透析膜 聚醚砜/多芳基化合物合金 Fresenius 用于清除-小球蛋白的不对称透析膜 2 聚砜 Nikkiso 易于控制渗透率的不对称透析膜 聚酰胺 Grambro 用于清除-小球蛋白的不对称透析膜 2*平板式;*平板式和中空纤维式 1(纤维素类膜 纤维素类膜是由 D-吡喃葡萄糖经-1，4 糖苷键连接的天然线性高分子化合物。纤维素类膜具有一定的机械强度，对水有良好的透过性，能有效去除血液中对人体有害的小分子物质如肌酐、尿素等。此外，由于纤维素是天然高分子材料，具有良好的生物相容性和生物降解性，降解产物对人体无毒且可

10、为人体所吸收，参与人体的代谢循环。因此纤维素类膜是研究开发最早、应用最广泛的血液透析膜。纤维素类膜的商业化在很大程度上促成了血液透析成为常规的临床治疗方法。将纤维素溶于氧化铜铵溶液中，然后挤压成膜，可制成含有铜铵基团的铜氨纤维素膜，其商品名称为铜仿膜，铜仿膜是传统的血液透析膜，市场占有率最大，它的生物相容性和药理安全性以及可靠性已一再得到确认。但由于膜激活补体，可造成白细胞暂时性下降，血中氧分压下降，出现过敏综合症等反应，长期使用此膜，血液中 微球蛋白显著提高，因此其血液相容性有待提高。目前已开发出内径为2 2 200m，壁厚为 15m 的大孔径三醋酸纤维素中空纤维透析膜，该膜具有较高的超滤速

11、率，能有效地去除 微球蛋白及其它中低分子量的有害物质。此外，用叔胺基、羟基、磺酸基和磷酸酯基对纤维素 2 进行取代改性后制备的膜可降低白细胞减少症，并提高膜的血液相容性。2(聚丙烯腈膜 聚丙烯腈具有很好的耐霉性、耐气候性和耐日光性，较好的耐溶剂性和化学稳定性。此外聚丙烯腈与其单体丙烯腈具有互不相容性，易于提纯，有利于用于体外血液净化。同再生纤维素膜相比，聚丙烯腈膜对中等分子量物质的去除能力强，超滤速度大，是目前少数已临床使用的合成聚合物膜之一。日本的 Asahi 医学公司，首先将聚丙烯腈制成中空纤维膜，并用于血液透析和血液透析过滤。中国纺织大学用聚丙烯腈纺制出中空纤维膜，并组装成血液透析器，已

12、通过临床应用。虽然聚丙烯腈膜在血液净化应用上获得了成功，但仍存在着许多缺点，如:膜的脆性较大，机械强度差、不耐高温消毒、干态膜的透水性能明显下降等，膜科学工作者正通过各种方法对其进行改进。如日本东丽公司采用重均分子量为 20 万的聚丙烯腈制备中空纤维膜，其机械强度有明显的提高，可耐反冲洗，从而提高了膜组件的使用寿命。3(聚砜膜 聚砜化学结构中的硫原子处于最高的氧化价，加上苯环的存在，使其具有良好的化学稳定性，可在 pH 值为 1,13 的范围内使用;可在 128?下进行热灭菌处理，并可在 90?下长期使用;具有一定的抗水解性和抗氧化性;具有较好的柔韧性和足够的力学性能。用于血液净化的聚砜膜主要

13、为不对称中空纤维膜，最早由美国 Amicom公司研制成功。其中空纤维膜的致密层厚度可低于 1m，孔径为 24nm，具有机械性能优良、化学性能稳定、孔隙率高等优点;还可通过改变膜的结构使水及溶质的传质能力增强。与铜仿纤维素膜相比，长期用聚砜膜进行血液透析不会导致有关生化参数的改变，因而是一种极有潜力的长期血液透析用膜。近年来，血液相容性更好、耐热性更高、溶解性能更好的聚醚砜也用作血液透析膜材料。我国开发用于血液透析器的聚醚砜和共混聚芳砜也正在开发中。4(聚碳酸酯膜 聚碳酸酯具有优良的机械性能，遇湿不会溶胀，可热密封，耐高渗透压力，血栓形成率低。尤其是聚碳酸酯的主链结构易于调整，与不同比率的聚醚缩

14、聚形成嵌段共聚物所制备的膜，具有一定的亲-疏水特性，对尿素、维生素 B 和水的透过率均高于再生纤维素膜，生物相容性介于铜仿纤维素膜和聚丙 12 烯腈膜之间。聚碳酸酯-聚醚嵌段共聚物最初用于血液透析膜，后来由于改变了合成过程，提高了膜的过滤效率，也适用于血液过滤和超滤-血液透析过程。5(聚酰胺膜 由于某些聚酰胺具有对蛋白质吸附的性质，因此将聚酰胺膜用于血液透析时必须有所选择。聚酰胺膜或脂肪类聚酰胺共聚膜可制成高度非对称结构，因此对水的通透性良好。此外，聚酰胺类膜的机械强度好，具有优良的血液相容性，对补体激活小、蛋白吸附及凝血性小。聚酰胺还可与聚乙烯吡咯烷酮共混制成定亲-疏水性比例的血液透析、血液

15、过滤膜。无论是低通量还是高通量聚酰胺系列膜，90%的内毒素都能扩散透过膜，对 微球蛋白的透过量也比较高;对白蛋白的吸附量低于0.1%，在血液过滤过 2 程中，总蛋白的损失仅为 0.05g/L。6(聚烯烃膜 聚丙烯和聚乙烯是近年开发出血液净化用膜家族中的新秀，其制膜过程与干湿法制膜工艺不同，它是先将 PP 或 PE 熔融纺丝，然后进行热处理，再经拉伸制孔以及热定型制得微孔中空纤维膜，该膜主要用于血浆分离过程。7(聚乙烯醇膜 聚乙烯醇通常由聚醋酸乙烯醇解制得，产品性能与分子量及残留的乙酰基团的含量有关。聚乙烯醇为水溶性聚合物，因此可通过先进行适当的交联或交联前先共聚的方法制备透析膜。与其共聚的单体

16、有丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、乙烯等。最成功的是由日本开发的乙烯乙烯醇共聚物非对称膜，其外层致密、内层多孔，孔径为 10-70nm。用该膜制成的血液透析器对 微球蛋白的去除能力很 2 强，常被应用于血液透析、血浆置换和洗滤(Diafiltration)。除以上几种材质的膜外，近几年内人们开发研究的其它聚合物膜还有:聚醚嵌段共聚物膜、聚乙烯吡咯烷酮膜、聚丙烯酸甲酯膜、聚苯乙烯膜、聚多肽膜、聚电解质膜等，但尚未获得较为广泛的应用。3 第三节 透析膜的性能和表征 从宏观角度看，透析膜的表征主要包括透过性(溶质透过性和透水性)、机械强度、生物相容性、溶出物的有无及灭菌的难易等。一、传质阻力 3

17、2,c(g/cm)A(cm)质量传递速度与浓度差和膜面积成正比关系，可表示如下:N(g/s)(8-2)N,kA,c 式中为总传质系数。K(cm/s)如图 8-2 所示，与血液中某溶质在血液侧进入膜表面的传 K 质系数 k、在膜中传质系数 k 以及在透析液中的传质系数 k 的 BDM 关系式如下:1/k,1/k，1/k，1/k(8-3)BMD 传质系数的倒数为阻力系数，故式(8-3)可改写成:R 图 8-2 R,R，R，R(8-4)BMD Colton 研究了上式三种阻力的比例，发现透析物质的分子量 对三种阻力比例关系有很大影响。如透析膜的阻力对分子量较小的尿素来说，约占总阻力的 60%，而对分

18、子量较高的 VB 却高达 90%。12 二、溶质透过系数 P 为了得到溶质透过系数，要采用流动状态充分的测试装置。对平板膜，通常采用如图 8-3 所示 m 的双槽间歇式透析装置。根据不同搅拌转数下测定的总传质系数，进行威尔逊作图，便可求得溶质透过系数，见图 8-4。图 8-3 对中空纤维膜而言，通常是将数根中空纤维膜按束状进行透析试验，然后根据威尔逊作图法，求得溶质透过系数。4 1111,，(8-5)bkkPAQfm0d b1AQ1k 其中、对一定的流动和溶质是常数，用对作图，Abd0 1k，1PPQ 可以求出不同下的()，进而求得。fmmd 三、过滤系数 采用透析器可以比较容易求得溶剂的过滤

19、系数特别是水的过 滤系数。为了去除附着在膜表面上的甘油，先用生理盐水将膜洗 净，然后在适当的操作条件下，测得血液侧入口和出口压力图 8-5(p 和 p)(p和 p)以及透析液侧入口和出口压力，就可按 DiDOBiBO 照下式求得膜两侧的压力差。TMP,mmHg p，pp，pBiBODiDO(8-6)TMP,22 从而求出纯水过滤系数:PWP QFPWP,(8-7)A，TMP 32 式中，Q 为滤液流量，cm/h;为膜面积，cm。AF 应当指出的是必须确认当操作条件改变时，值不变。对透析膜来说，通常所用物质的值 PWPPWP 3232 是数个 cm/(m?h?mmHg)，但对脱除-微球蛋白的高通

20、量膜，值可高达 10 cm/(m?h?mmHg)。PWP2 四、含水率 膜内空隙的含水率可按下式求得:，H,1,M，M,M/V,100%(8-8)123mHO2 式中:含水率，%;H M 充满纯水的比重瓶质量，g;1 M 干燥恒重后中空纤维膜质量，g;2 M 将中空纤维膜装入充满纯水的比重瓶后的质量，g;33V 中空纤维膜湿态试样体积，cm;m3,纯水密度，g/cm。HO2 纤维素膜含水率高，但靠微结晶区域的增强作用仍可制得薄而高效的透析膜;而疏水的聚砜膜是非对称型的，靠表层起分离作用，靠下层起增强作用。五、生物相容性 透析膜在使用过程直接与活体组织或血液接触，因此要求两者有良好的相互关系，即

21、材料对于活体要有生物相容性。生物相容性是生物对材料的生化反应，主要包括血液相容性;组织相容性;免疫反应等。血液相容性包括的内容很广，主要指膜材料与血液接触时不引起凝血和血小板的粘着和凝聚，没有破坏血液中有形成分的溶血现象，也就是不产生凝血和溶血。组织相容性是指活体与材料接触时活体组织不发生炎症和排拒，而材料本身不发生钙沉淀。总之，透析膜的生物相容性，从广义上讲是指患者直接引起的一系列反应，其中血与膜的反应是决定生物相容性最重要的方面;膜的形式和通透性可促使或预防热源反应;透析液的成分和温度、抗凝血剂的种类，直接影响患者的血液动力学和膜介导反应的严重程度;交换率和交换方法也影响患者血液动力学的稳

22、定性。从狭义上讲，生物相容性是指血液和透析膜的相互作用，但反应轻微时，该膜材料为生 5 物相容;反之，当反应严重时，影响患者健康或对患者有害称为生物不相容。重要的是慢性血透患者，由于反应的反复发生，即使轻微，也可导致不良的临床效果。膜的生物不相容性可导致亚急性或慢性病变已开始引起重视。膜的生物不相容性对肌体主要有如下影响:白细胞和免疫功能下降，易感染;蛋白分解，营养不良;微球蛋白增多且难以清除，发生腕 2 管综合症。第四节 透析膜组件设计 透析膜组件的设计标准有工业用和医用两大类，两者的设计标准有很大的区别。如血液透析膜组件是消毒型、一次性或同一病人重复使用的，而工业透析膜组件有时要用有机溶剂

23、为萃取剂，要用 NaOH 溶液进行周期性清洗;医用设计是根据人体生理控制的能力决定规模和传质操作，而工业设计是由过程经济因素控制，要求工业透析膜组件使用寿命长，并且其规模大比医用得多;而医用透析膜组件趋向于一次性使用，或对同一病人重复使用。中空纤维透析膜组件由于其膜面积堆砌密度高，易制作等优点，所以不论在工业上还是医用上都是优先考虑的构型。为了讨论方便，假定设计前提如下:产物为 20000 分子量的水溶液，浓度5g/L，产率 50k g/L，要求从溶液中除去分子量为 200 的污染物，使其浓度降至0.1 g/L。一、纤维尺寸和数目 中空纤维膜的最大优点在于其高的膜面积对体积的比，而传递系数与其

24、它膜仍相差无几，但并不是纤维越细越好，其内径受悬浮进料液中颗粒大小和粘度的限制，而壁厚受纤维强度最低要求所限。一定内径的纤维，长度受压降或传质系数参数确定的上限制约，过长的纤维，膜两端压降过大，产生过高超滤速度，引起Starling 流动或回过滤，使分离效率下降，同时过大的压降，不需要一次流程就可以达到溶质迁移的要求，表明浪费了纤维过长部分;但纤维太短也不行，一是一次流程达不到溶质迁移要求，要再循环;二是制造费用高，因为一定的膜面积，要用更多的外壳和封端，封端中大量纤维无效，浪费了潜在的膜面积。在一定进料流速和膜两端压降下，所需纤维数目由下式决定:4(8-9)N,8,LQ/(TLP,)fti

25、Qr 上式中为有效纤维长度，为进料流速，为膜两端压降，为纤维内径。LTLPfti2 纤维数目的第二个限制是提供足够高的传递速度所需的膜面积。若在设计前提下，试验已知 1m-1 膜面积的透析器的产水量为 q(ml?min)，则由下式可求得:N N,A/(2,rL)(8-10)mti A,Q/q 上式中 mf 图 8-5 中表明上两式中所代表的三种内径的纤 维数目与长度的关系。起源于左下角的三条曲线是 据式(8-9)所得，起源于左上角的曲线是据式(8-10)所得。从相应内径纤维的曲线交点可以看出，对内 6 径 125m 的纤维，=85cm，=5.610;对内 LN 6 径 250m 的纤维，=24

26、0cm，=1.010;对内 LN 6 径 375m 的纤维，=440cm，=3.610 都可符 LN 合设计前提的要求。二、流动形式 图 8-5 透析膜组件中，进料和透析液侧的流动可呈逆 流或并流，也可呈垂直流和透析液充分混合等形式，其中逆流和垂直流有最好的传质特性，逆流有最大的透析液进口和进料液出口的浓度差。6 N 萃取率 E 是透析器传质性能最有意义的量度，在和相同的情况下，逆流样式的 E 值最高，即 Zt 逆流效率最好。在相同雷诺数下试验垂直流和并流，垂直流的 Sherwood 数比并流的大一个数量级。同样，在相同的值下，逆流和垂直流的总传质阻力和总传质性能是相近的，所以，通常情况下，进

27、料和 Z 透析液的流动形式取逆流。三、壳侧压降 R,100(1)侧压降的比较，也是在相同的雷诺数下进行比较合适，如对三种外径不同的纤维在 e 时，其流速相差很大，数据如下:R,100 纤维外径 m 相应流速(cm/s)e 170 59 295 37 440 23 (2)设外径 295m 的纤维呈三角形排列，堆砌率 0.5，用自由表面模型比较垂直流和平行流，两者压降相近。当然，实际上由于纤维填充的松紧，纤维变形扭曲和外径不均等因素，使实际压降比模型预测高得多。(3)通常设计中多选择平行流，这是由于设计简单，可预测性好，组件之间一致性好等原因。四、膜组件设计 在上述设计和计算下，用内径 125m

28、和 250m 两种纤维制备膜组件，所要求的纤维数分别为 8.4 6610 和 1.510，长度分别为 85cm 和 240cm，若=0.55，125m 纤维的组件内体积为 295L，250m 纤维组件内体积为 445L。对内径为 25cm 的外壳的组件，要 7 个 85cm 长的含内径 125m 纤维的组件，或是要 4 个 240cm 长的含内径 250m 纤维的组件，都可满足设计前提要求;相比之下，4 个长的含内径 250m 纤维的组件更好些，因为他们占有更多的内体积，端板少，接头少，易连接，而且在实际应用中抗悬浮粒子阻塞。总之，组件设计应多方面考虑，力求最佳化。第五节 透析的应用 一、人工

29、肾 1(人工肾的发展概况 肾脏是人体的重要器官之一，肾脏的主要功能是对血液进行过滤，排泄尿素、肌酐、尿酸、胍的衍生物等代谢产物及某些毒物和药物，调节体内水、电解质和酸碱平衡;调节血压，激活维生素 D;分泌血管活性物质和促红细胞生成素等，肾脏的这些生理功能对调节和维持体内环境中的体液量和成分有重要作用。一旦肾脏出现疾患，由于肾功能衰竭而造成新陈代谢物质在体内沉积，产生代谢紊乱，从而引起尿毒症，危及人的生命。对于肾脏发生病变的患者，目前的治疗手段以人工肾和/或肾脏移植为主，并辅以药物治疗。由于肾脏来源极为有限，人工肾治疗显得十分重要。目前，血液透析(其装置俗称人工肾)是临床上用于治疗急、慢性肾功能

30、衰竭的最有效的常规肾脏替代疗法。早在 1861 年，化学家 Thomas Graham 首先提出用透析方法，有选择地清除血液中有毒物质。这一设想直到 1912 年才开始初步实现，Abel 等人制造出最初的人工肾，被称为“活扩散”人工肾。他使用圆筒形的火棉作为透析膜，可以直接清除狗体内血液中注入的药物及其代谢物，它表明血液净化作为一种治疗方法具有可行性。1956 年，Kolff 等人开发了缠绕式透析器，但由于透析功能较差，透析膜较脆，清毒困难已被逐渐淘汰。1960 年挪威人 Kill 开发了平板膜透析器。平板膜透析器的血液流动阻力小，不需要血液泵。但设备使用麻烦，每次治疗后，膜都需要更换和消毒，

31、不适于大批量病人的治疗。1969 年瑞士的 Gambro 开始销售改进的一次性平板膜透析器，但由于它很难以获得均匀的流道宽度，性能不稳定。1966年，中空纤维膜透析器首次应用成功，由于其结构小巧紧凑、使用方便、性能可靠，很快获得了普及，并逐渐取代了其它结构的透析器。2(人工肾的工作原理 7 血液透析是借助于血液透析机与患者建立体外循环的过程。透析机依靠具有特殊通透性的透析膜分隔血液和透析液，利用膜两测液体溶质的浓度差及膜孔径大小的差异，使血液中小于膜孔截留分子量的溶质扩散、渗透通过滤膜，以除去患者血液中的代谢小分子废物和毒物;调节水和电解质平衡以及酸碱平衡。图 8-6 是人工肾与人体肾脏功能的

32、比较。人工肾依靠透析膜，使血液中的代谢产物进入到由外界引 入的已配制好的透析液中，并通过透析膜达到电解质 的平衡，经过透析处理解毒后的血液回到人体的静脉 中，而需排泄的物质则引出弃去，与人体肾脏相比，透析器起到了人工肾的作用。人工肾对肾功能的代替，目前主要是通过体外血 液净化疗法进行的。所谓血液净化疗法，就是排除血 液中含有的病因性物质，并补充一些必要的物质。血 液净化的基本原理分 4 种:渗析、过滤、吸附和交换。在此基础上形成了 8 种治疗过程:即间歇型腹膜透析(IPD)、连续流动型腹膜透析(CAPD)、血液透析(HD)、血液过滤(HF)、血液透析过滤(HDF)、直接血液吸附(DHA)、血浆

33、交换(PE)和血液透析或血液过滤同血液 吸附(HDA 或 HFA)的配合使用。临床上则应根据病人 的实际情况来选择合适的治疗过程。下面以血液透析过程为例，对血液净化过程作简 单介绍。图 8-8 是血液透析回路图。在血液透析过程 中，动脉中的血液通过半透膜与透析液相接触，凭借 图 8-6 液体间的浓度差，血液与透析液进行物质交换，即尿 毒症病因物质从血液中经半透膜扩散进入透析液，而 透析液中含有的人体必需的物质则扩散进入血液。交 换后的血液经静脉返回体内，而有害物质则随透析液排 自动监护装置 透 给 透人 析 装 血液析 液 置 回 路 供 器 体 图 8-7 图 8-8 人工肾系统简图 出体外

34、。3(人工肾构成 人工肾由透析器、透析液供给装置和自动监护装置三部分组成，通过血液回路把人体与透析型人工肾连接起来，如图 8-9 所示。透析器是人工肾的关键部件之一，血液透析过程就在透析器中进行。透析器的结构主要有盘管式、平板式和中空纤维式三种类型。中空纤维透析器的基本结构如图 8-10 所示。将一束中空纤维置于外壳中，组装成中空纤维透析器。透析器上下共有四个管口，中间的两个进出口为血液通路，两旁的进出口为透析液通路。透析时，血液在中空纤维内流动，透析液在纤维外侧流动，一般血液与透析液呈逆向流动，通过中空纤维管壁进行透析。透析器外壳通常由透明的工程塑料(如聚碳酸酯或苯乙烯-丙烯腈共聚物)制成，

35、便于在使用过程 8 中观察血液的流动状况，及有无残血、凝血现象发生。自 70 年代初中空纤维透析器开发成功后，由于其结构小巧紧凑、重量轻，预充血量及残血量均少，体外循环量小，血流阻力小，操作简单，性能可靠，便于冲洗及消毒复用，很快获得了普及，目前临床多数使用中空纤维透析器。4(透析器主要技术性能 (1)透析有效面积 透析时在透析器内，血液隔着透析膜和血液接触的面积叫透析有效面积，一般为 0.62.0 平方米，小于一平方米给小孩使用，一平方米上为大人使用。(2)超滤率 透析治疗的作用之一为排出多余的水分(脱水)，透析器排出水分的效率叫超滤率。它-1-1 是计算病人脱水量的依据。超滤率的单位为 m

36、l?mmHg?h，该参数为产品制造实体外模拟参数，实际使用时受压力、血流量、血渗透压和肝素化程度等因素的影响，临床使用中的超滤率低于体外模拟参数。-1-1 在透析中是一个很重要的技术参数，目前透析器的超滤率已达到20ml?mmHg?h 以上。血液透析治疗期间体重增加较多的患者需选用水通量较大的透析器，亦即选用超滤率高的透析器。在选用大通量血液透析器时，要考虑患者心血管的稳定性和耐受程度。(3)清除率、透析率和下降率 清除率是指在血液透析过程中，单位时间内从血液中清除的某溶 K 质的量除以透析器血液入口处该溶质的浓度，并以容量速率表示之，单位为ml,min。B ，K,c,cQ/c(8-11)Bb

37、ibobbi cc 式 8-11 中，和分别为血透时 bibo 进入和离开透析器时血液中某溶质的浓 Q 度;为血液体积流量，mL,min。b 清除率是透析器最重要的指标之 一，是决定透析方案的主要因素。透析 器发展前期，清除率主要以尿素，肌肝，,B 为代表，近年来的清除率则越来 122m 图 8-10 越受到重视。透析率 D:透析率的定义是单位时 B 间内血液中清除某溶质的量除以入口处血液与透析液之间该物质的浓度差。D,(c,c)/(c,c)，100%(8-12)Bbibobidi c 式中，为透析液中该物质的浓度。di 下降率 T 表示在血透过程中某溶质下降的幅度。B，T,c,c/c，100

38、%(8-13)Bbibobi 对清除率、透析率和下降率有影响的因素主要有:溶质在膜两侧的浓度梯度;膜面积、通透性(阻力);透过溶质的分子量;血液流速(一般为 200mL,min)与透析液流速(一般为 500mL,min)等。(4)预充血量 指透析器全部被充满的血液量(ml)，因透析器的透析面积大小而不同，透析器透析面积相同时，预充血量越小越好。中空纤维透析器的预充血量一般为 50120mL 左右，(5)残留血量 透析结束时，经过回血操作后，残存在透析器内的血液量叫残血量，此量越小越好，一般应不大于 1 毫升。残留血量增加会使透析效能下降，容易引起凝血及堵塞，降低透析器重复使用次数。(6)重复使

39、用次数 即一个透析器给同一病人能使用多少次。在透析器发展初期，透析器都为一次性使用，近年来，为减轻病人经济负担，人们开始考虑复用透析器，因此重复使用次数也成为透析器选型的条件之一。在学术上对复用透析器有一些争论:有人认为重复多次使用易引起血液污染;另一种看法认为，前次使用时残留在膜上的蛋白覆盖有助于改善膜的生物相容性。目前重复使用次数只能通过实际使用来得出，一般用高分子材料膜作成的透析器，其重复使用次数多，能达十次以上，有的高达二十次仍能使用。9 5(透析液供给装置 透析液供给装置由动力系统和控温系统两部分组成。前者能自动配制电解质含量接近人体的无菌透析液，保证在整个透析过程中稳恒供给透析液(

40、一般为400500mL,min)，并提供透析液回路的负压;后者主要维持透析液恒温供给。透析液供给装置还附设浓度监护及误配报警，以预防机器及人为故障造成的误配透析液发生(表 8-2 常用透析液的成分和浓度 溶液浓度(mg/L)溶液浓度(mg/L)溶液成分 溶液成分 (mg/L)醋酸盐透析液 碳酸氢盐透析液 醋酸盐透析液 碳酸氢盐透析液 -+Na135145 135145 Ac3538 04 -+K04.0 04.0 HCO0 3038 3 +Ca1.51.75 1.51.75 葡萄糖/(g/L)02.5 02.5 +Mg0.51.0 0.51.0 PH 值 可变 7.17.3 -Cl100115

41、 100124 0.067(0.5)5.313.3(40100)p/kPa(mmHg)CO2 在血液透析过程中，必须补充一些人体所需成分，这需要通过配置透析液来完成。透析液的基本成分与人体体液成分相同，主要有钠、钾、钙、镁等 4 种阳离子，氯和碱基两种阴离子，部分透析液还含有葡萄糖。透析液应能清除代谢废物，超滤过多的水分，维持水和电解质以及酸、碱平衡。透析液因使-2)。碳酸氢盐透析液易形成碳酸钙和用缓冲剂的不同而分为醋酸盐透析液和碳酸氢盐透析液两种(见表 8 碳酸镁沉淀，还易形成二氧化碳气泡;醋酸盐透析液不产生沉淀，但对血液动力学的影响较大。6(自动监护装置 自动监护装置是为了保证透析过程的体

42、外血液循环安全进行而设置的。一般包括透析液温度及负压调控系统、透析液及血液流率调控系统、透析液浓度监测系统、血液回路、动静脉压监护系统、漏血监护系统六部分组成。有的还设有电压、电流的监护，以免漏电误伤患者，近年开发的产品还附有治疗计算机程序设计系统。血液回路是连接人体与人工肾的纽带。为保证体外血液循环的通畅及提供足够的血液流率一般为 200mL,min，管的内径为 46mm，并设有输液、过滤、排气、注射肝素等分管。为保证体外循环过程中液流稳恒，管路中设有供转子式血泵驱动用的厚壁管段。此外，管壁应具有一定的血液相容性，避免溶血以及血小板、血球细胞在管壁及滤网粘附。一般血液回路采用平均聚合度约为

43、2500 左右的高分子量的医用聚氯乙烯制成。二、工业应用 1(压榨(碱)液的回收 在粘胶纤维生产中，浆粕的浸渍、纤维素黄酸酯的 溶解、纤维后处理的脱硫等，都需要使用不同浓度和温 度的碱液。其中对浆粕进行浸渍并压榨后的液体称为压 榨液。压榨液的量很大，约为纤维产量的 18,22 倍，压 榨液的碱浓度为 16,17,，还含有大量的半纤维素、树脂和机械杂质。部分压榨液可调配成溶解液和脱硫液，大部分压榨液经除杂并调整浓度后可配制成浸渍液继续 使用。如果压榨液中的半纤维素含量低于 15 g,L 时，只需经过过滤就能回用。如半纤维素含量较高，则需经 过透析等方法加以去除，否则将影响生产过程和成品纤 维的质

44、量。图 8-10 使用透析法回收压榨液中 NaOH 的流程如图 8-10 所示。中空纤维透析器的膜材料由聚乙烯醇制成。经预处理过的压榨液和软水分别由压榨液和软水进口管进入透析器，两种液体在膜的两侧反向流动，压榨液中的 NaOH 不断进入软水中。残余液出透析器后 10 进入废液槽，经处理后排放;软水出口管流出的水溶液中 NaOH 含量为 4,8,，经回收液槽后，进入调整槽调整浓度后作为浸渍液回用。透析前后压榨液和软水中、碱和纤维素的浓度变化如表 8-3 所示。NaOH 的回收率可达 98%。表 8-3 压榨液的透析回收结果 压榨液 水 项目 入口 出口 入口 出口 流量/(L/min)1.4 1

45、.8 4.13 3.9 NaOH 含量/(g/L)215 2.6 0 76 半纤维素含量/(g/L)26 19.8 0 0.2 2(钢铁酸洗废液中回收硫酸 钢材在进一步加工时，往往需要预先除去表面的氧化铁。现在广泛采 用硫酸(或盐酸)溶液酸洗的方法去除氧化铁。在酸洗过程中，溶液中硫 酸亚铁含量不断增加，当达到 200g/L 以上时，酸洗效果明显降低，成为 废液，而废液中硫酸含量高达 50g/L，必须经过处理才能排放。目前，硫酸酸洗废液大都采用石灰中和后排放或者冷却结晶回收铁矾 及硫酸的处理方法。采用石灰中和法，不但不能回收有用物质，而且增加 了废渣的处理问题。用冷却结晶法虽可回收铁矾和硫酸，但

46、处理的成本高，经济上不合算。而采用扩散渗析和离子交换膜电解相结合的工艺是技术 上、经济上可行的。图 8-11 采用扩散渗析法和离子交换膜电解组合工艺处理酸洗废液的流程如 图 8-11 所示。在电解槽中，以稀硫酸溶液为阳极液，以透析液为阴极液。在直流电场作用下，阳极室中硫酸浓度不断升高，而阴极上不断沉积出电解纯铁，这样可同时达到回收硫酸和铁的目的。3(酒精饮料脱醇 中空纤维透析器可以进行啤酒脱醇。啤酒在中空纤维内侧流过、透析液(水)通过中空纤维外侧逆向而流，醇的脱除率可达 40,。该法虽优于精馏法，但在脱酒精的同时会把某些低分子组分一起脱除，而影响酒的芳香度和风味。有人建议在透析液中加人啤酒中的芳香成分，以保持啤酒的原有风味。11 12