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Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden
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unter Zwischenschaltung einer selektiv permeablen Membraneinheit.
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Abstrakt der Erfindung Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen
Fluiden unter Zwischenschaltung einer selektiv permeablen Membraneinheit, insbesondere
zum Einsatz als Filter in einer künstlichen Niere als Dialysator, Ultrafilter oder
auch zur Übertragung von Sauerstoff bei der Behandlung von Blut. Zwei Membranfolien
(5,7) sind unter EinschluB einer porösen Membranstütze (6) aus Netzwerk flächig
aufeinanderliegend zu einem Faltenpaket plissiert und in einem kdstenförmigen Gehäuse
(4) mit mindestens fünf Anschlüssen (1a,1b,2a,2b,3a, 3b) für die Fluidströme eingeschlossen.
Die Faltenrinnen der beiden parallel verlaufenden Faltenseiten bilden dabei in Verbindung
mit den umschließenden Gehäusewänden eine erste und eine zweite, gegeneinander abgedichtete
Strömungskammer (1.11.) mit je zwei Fluidanschlüssen (1a, 1b, 2a, 2b), während die
zwischen den beiden Membranen (5,7) eingeschlossene Membranstütze (6) eine schlauchartige
dritte Strömungskammer
(III) mit mindestens einem FluidanschluB
(3a,3b) bildet, welche gegenüber der ersten und zweiten Strömungskammer (1,11) abgedichtet
ist. Damit lassen sich sowohl zwei Membranen gleichen Typs als auch zwei Membranen
ungleichen Typs in ein und demselben Filtergehäuse (4) verwenden, um Massenübertragungen
aufgrund unterschiedlicher Transportmechanismen gleichzeitig durchzuführen zum Beispiel
Dialysieren und Ultrafiltrieren. Die Fluidströme in der ersten und zweiten Strömungskammer
(I,II) können separat, parallel oder in Reihe geschaltet werden.
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Hintergrund der Erfindung mit Angaben zum Stand der Technik Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung
selektiv einer permeablen Membraneinheit und einer die Membraneinheit tragenden,
Strömungskanäle aufweisenden porösen Membranstütze, welche zu einem Faltenpaket
mit parallel verlaufenden FAlten plissiert sind, die in Verbindung mit einem kastenförmigen
Gehäuse mit Ein- und Auslässen Strömungskammern für die Fluide bilden.
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Für die Durchführung von Dialysen, Ultrafiltrationen flüssiger oder
gasförmiger Medien sind bereits eine Vielzahl von Filtrations- und Diffusionszellen
der verschiedensten Bauarten bekannt. Insbesondere finden solche Filtrations- und
fliffusionszellen bei der "Künstlichen Niere" Anwendung. Es haben sich dabei
dieverschiedensten
Typen von Diffusionszellen herausgebildet, z.B. in Form von Plattendialysatoren,
Schlauchdialysatoren und sog. Faltdialysatoren Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung
bildet beispielsweise ein Faltdialysator, wie er in der DE-OS 2252341 - US-PS 3788482
und DE-OS 2608758 IC US -Ser.Nr. 583648, Morris) beschrieben ist. Bei der ersten
Ausführungsform wird eine Membran plissiert, so daß auf jeder Seite offene Taschen
entstehen, in die einseitig zur Membranunterstützung Abschnitte eines Kunststoffnetzwerkes
eingelegt werden und im zweiten Fall ist ein ebenfalls plissiertes Netzwerk in die
eine Seite der Faltenöffnungen bzw. Faltenrinnen eingelegt. Das zusammengedrückte
Faltenpaket bildet in Verbindung mit einem kastenförmigen Gehäuse zwei Strömungskammern,
durch welche die Flüssigkeit, im vorliegenden Fall Blut und Dialysat, durch zwei
getrennte Kammern hindurchströmen kann, sO daß aufgrund von Konzentrationsgradienten
oder Druckgradienten ein Massenaustausch zwischen Blut und Dialysat erfolgen kann.
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Die vorgeschriebenen Faltdialysatoren eignen sich gut zur industriellen
Fertigung, da sie aus Endlosmaterial, nämlich der Membran und dem Netzwerk durch
Parallelfaltung entstehen und auf diese Weise sich relativ kleine Vorrichtungen,
d.h. Filter-
zellen, herstellen -lassen.
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Derartige Filterzellen, auch Module genannt, sollen im Idealfall ein
möglichst geringes Blutvolumen aufweisen, eine gleichmäßige Verteilung des Blutflusses
über die Membrane ermöglichen, einen geringen Durchströmungswiderstand auf der Blutseite
aufweisen, große Dialysierleistung, eine gute Ultrafiltrationsrate, eine kompakte
Bauweise und geringe Herstellkosten besitzen. Letzteres ist besonders wichtig, da
diese Module nach der Einmalverwendung aus Sicherheitsgründen weggeworfen werden.
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Die eingangs geschilderten bekannten Bauformen sind insofern verbesserungswürdig,
als die Blutverteilung in die Faltentiefe hinein noch zu ungleichmäßig ist, die
Herstellkosten noch zu hoch und die.Membrananordnung und Gehäuseausbildung noch
zu sehr auf spezifische Verwendungszwecke abgestellt sind.
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Zusammenfassung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es daher,
mit einfachen Mitteln eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
daß neben einer vereinfachten Fertigung eine größere Membranfläche für die Fluide
zur Verfügung steht und die Führung der Fluide besser wechselnden Bedürfnissen angepaßt
werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Membranen
unter Einschluß der Membranstütze gemeinsam zu einem Faltenpaket derart plissiert
sind, daß die Falten drei parallel und getrennt voneinander verlaufende Strömungskammer
bilden, wobei zwei Kammern durch die zur zugeordneten Gehäusewand hin offenen Faltenrinnen
und die dritte Kammer durch die von den Membranen eingeschlossene Membranstütze
gebildet sind.
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Mit dieser Ausbildung ist es möglich, drei verschiedene Fluide, und
zwar Gase oder Flüssigkeiten oder in Kombination mit ein und derselben Vorrichtung
zu behandeln, wobei die Variationsmöglichkeiten durch die Verwendung verschiedener
Membranen noch vergrößert werden können. Auf diese Weise ist es möglich, mit ein
und demselben Gehäuse entsprechend den Bedürfnissen diesen Modul als Dialysator
und/oder Ultrafiltrationseinrichtung oder auch als Oxygenator zu verwenden.
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Die durch Faltenrinnen der parallel verlaufenden Falten zweier gegenüberliegender
Seiten gebildete erste und zweite Strömungskammer dient beim Einsatz des Moduls
zur Behandlung von Blut zur Blutführung, während die durch die beiden Membranen
eingeschlossenen Membranstütze als dritte Strömungskammer zur Führung des Dialysats
und/oder des Filtrats dient. Die beiden Blut führenden Strömungskammern können separat
geschaltet sein, so daß zwei Blutkompartements vorhanden sind. Für Patienten mit
geringem Körpergewicht, zum Beispiel bei
Kindern, kann zunächst
mit geringem Füllvolumen die eine Hälfte des Moduls mit Blut beschickt werden und
später die andere Hälfte. Durch Verteilerbrücken lassen sich die Blut führenden
Strömungskammern, d.h. die den Faltenrinnen zugeordneten Strömungswege auch parallel
oder in Reihe schalten.
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Neben den preislichen und technischen Vorteilen eines universell verwendbaren
Gehäuses für die verschiedensten Filtrationseinsätze hat auch der behandelnde Arzt
bei der Blutbehandlung alle Möglichkeiten mit dem Modul die Behandlung am Patienten
individuell und optimal zu steuern.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird stellvertretend
für die vielen Verwendungs- und Einsatzmöglichkeiten anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einem Filter zur Behandlung von Blut in einer "Künstlichen Niere" beschrieben.
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Dabei zeigt: Figur 1 in perspektivischer Ansicht mit herausgebrochener
Gehäusestirnseite den Filter nach der Schnittlinie 1-1 in Fig. 2, Figur 2 einen
Horizontalschnitt durch den Filter nach der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1, Figur 3
eine perspektivische Schnittdarstellung durch das Gehäuse und das Faltenpaket hinter
der stirnseitigen Verklebung gemäß der Schnittlinie 3-3 in Fig. 2, Figur 4 in Perspektivansicht
die Faltung und Strömungsführung auf den Membranen und der Membranstütze.
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Figur 5 eine Draufsicht auf die Membranen und das eingeschlossene
Netzwerk, Figur 6 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch mehrere Schichten des
Faltenpaketes und Darstellung der Verformung der Membran unter Einfluß der geförderten
Fluide, gemäß Schnittlinie 6-6 in Fig. 8 Figur 7 eine entsprechende Darstellung
im Bereich der Einlaßkanäle nach der Schnittlinie 7-7 in Fig. 2, Figur 8 in perspektivischer
Ansicht mit herausgebrochener Gehäuse- und Filterstirnseite eine praktische Ausführung
des Filters, Figur 9 in schematischer Ansicht die Parallelschaltung der Blutströme,
Figur 10 die Schaltung der Blutströme in Reihe, Figur 11 die Schaltung der Blutströme
separat und Figur 12 einen Schnitt nach der Linie 12-12 in Fig. 2 für eine Variante.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele Gemäß Figur 1 besteht
der Filter aus einem kastenförmigen Gehäuse 4, das auf seiner Oberseite einen ersten
Einlaß 1a und einen ersten Auslaß 1b für das Blut B und auf der gegenüberliegenden
Seite einen zweiten Einlaß 2a und einen zweiten Auslaß 2b für das Blut B sowie stirnseitig
einen Einlaß 3a für Dialysat D und einen Auslaß 3b für das Dialysat und/oder Filtrat
D/F aufweist. Wie aus Figur 1,2 und 3 ersichtlich ist, bilden die Ein- und Auslasse
la, 2a, Ib, 2b für das Blut im Gehäuse 4
nach unten gerichtete
Verteilerkanäle 11. Im kastenförmigen Gehäuse 4 ist die eigentliche Trennvorrichtung
in Form eines Faltenpaketes, bestehend aus den beiden Membranen 5 und 7 und die
davon eingeschlossene Membranstütze 6 aus Netzwerk angeordnet. Diese drei aufeinanderliegenden
Lagen, nämlich Membran 5, Membranstütze 6 und Membran 7, werden nach Fixierung der
Endlosbahnen an den Rändern, gemäß Fig. 4, gemeinsam plissiert und zu einem der
Gehäusehöhe angepaßten Faltenpaket zusammengepreßt. Bei der Faltung werden die Endbereiche
an den Stirnseiten der FAltenrinnen mit einem Kunstharz verklebt, so daß lediglich
stirnseitig der schlauchartige Strömungsweg der Membranstütze 6 offen bleibt.
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Zur Bildung der drei Strömungskammern I,II,III wird nicht nur der
Endbereich des Faltenpaketes mit einer Verklebung 8 oder Versiegelung versehen,
die sich gemäß Figur 2 dichtend allseitig an das Gehäuse 4 anlegt und damit den
Verteilerraum 9 und 10 für das Dialysat gegenüber dem übigen Gehäuse 4 abdichtet,
sondern die beiden Längskanten der Endfalten 12 sind auf der ganzen Länge ebenfalls
mit einer dichtenden Verklebung 8 oder Versiegelung versehen, siehe auch Fig. 6,8,
so daß das Faltenpaket an beiden Stirnseiten lediglich im Bereich der Mittellage,
also der porösen Membranstütze 6, offen ist.
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Als Membranstütze 6 gelangt ein unverwobenes oder verwobenes Netzwerk
aus monofilen Kunststoffäden
zur Anwendung, welches sich für diesen
Zweck bereits bewährt hat. Die-beiden Membranen 5 und 7 bilden somit in Verbindung
mit der Membranstütze 6 einen in Gehäuselängsrichtung verlaufenden und im Bereich
der Verteilerkammern 9 und 10 offenen Schlauch und damit die Strömungskammer III.
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die anderen beiden Strömungskammern I und II werden dadurch gebildet,
daß sich die Längskanten des Faltenpaketes im Bereich zwischen den Ein-und Auslässen
la, 2a, 1b, 2b dichtend an die Gehäuselängswände des Gehäuses 4 und die Ober- und
Unterseite des Faltenpaketes dichtend an den Gehäuseboden und Gehäusedecke anlegen.
Das in die Einlässe 1a und 2a eingegebene Blut gelangt über die Verteilerkanäle
11 in den Bereich der einzelnen, nach der jeweiligen zugeordneten Gehäuselängswand
hin offenen Faltenrinnen und wird gemäß Figur 2 und Figur 7,6 gezwungen, bis in
die Faltentiefe einzudringen und in Richtung des jeweiligen Ausganges 1b, 2b zu
fließen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel durchfließt also das in den Einlaß
la eingeführte Blut die StrömungskammEr I urd verläßt diese durch den Auslaß 1b,
während in gleicher Weise das in den zweitel inleß 2a eingeführte Blut durch den
Auslaß 2b die Strömungskammer II verläßt. Vorzugsweise im Gegenstromverfahren durchfließt
das Dialysat die Strömungskammer III durch den Einlaß 3a und durch die Verteilerkammer
10 das Gehäuse 4 in Richtung der Verteilerkammer 9 und verläßt diese durch den Auslaß
3b.
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Aufgrund des Konzentrationsgefälles zwischen Blut und Dialysat diffundieren
die dem Blut zu entziehenden harnpflichtigen Stoffe durch die Membran 5 und 7 hindurch
in den vom Netzwerk 6 abgestützten Hohlraum und werden aus diesem abgeführt. Wird
an den AuslaB 3b für das Dialysat eine Unterdruckpumpe angeschlossen und der Fluß
durch den Einlaß 3a für das Dialysat mit einer Schlauchklemme gedrosselt oder ganz
gesperrt, so erfolgt aufgrund des Druckgefälles eine Ultrafiltration von der Blutseite
zur Dialysatseite. Auf diese Weise lassen sich größere Mengen Blutwasser kurzzeitig
dem Blut entziehen.
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In Figur 6,7 sind in einer größeren Darstellung ausschnittweise die
drei Strömungskammern I, II und III dargestellt. Dabei ist gleichzeitig die Wirkungsweise
erkennbar, die von dem Netzwerk 6 auf die beiden Membranen 5 und 7 ausgeübt wird.
Unter dem Flüssigkeitsdruck des Blutes in den beiden Kammern I und II werden die
beiden Membranen 5 und 7 in die Vielzahl der Freiräume des Netzwerkes 6 gedrückt,
so daß das Blut in einer Vielzahl von kleinen engen Spalten und Kanälen den Filter
durchfließen kann und dabei ein Austausch der harnpflichtigen Stoffe von den Strömungskammern
I und II in die Strömungskammer III erfolgen kann.
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Wie aus Figur 2 erkennbar ist, ist es zweckmäßig, das Blut der Strömungskammer
I im Gleichstrom zum Blut in der Strömungskammer II durch den Filter zu führen.
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Es ist aber auch möglich, das Blut der Strömungs-
kammer
I im Gegenstrom zum Blut der Strömungskammer II zu führen. Aufgrund der drei getrennten
Strömungskammern ist es grundsätzlich möglich, je nach Bedarf, die Flüssigkeiten
oder Gase im Gleichstrom und/oder Gegenstrom durch das Gehäuse 4 strömen zu lassen.
Auf diese Weise können drei verschiedene Flüssigkeiten und/oder Gase durch die Strömungskammern
I, II und III geführt werden, um durch die Membranen 5 und 7 hindurch die gewünschte
Massenübertragung durchzuführen.
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Es ist also auch beispielsweise möglich, anstelle des Dialysats durch
die Strömungskammer III Sauerstoff hindurchzuführen, so daß das Blut in den trömun£skammern
I und II mit Sauerstoff angel reichert wird und Hie Vorrichtung somit als Oxygenator
arbeitet. In gleicher Weise ist es auch mo;l::h, anstelle der BlutfLhrung in der
einen Kammer eine Salzlösung, Medikamentenlösung, oder dergleichen zu führen, um
ganz bestimmte Massenübertragungen zu erreichen.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel, gemäß Fig.
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1 bis 5, sind die beiden Membranen 5 und 7 zum Zweck der Dialyse von
gleicher Art, z.B. aus regeneriertem ZellulosEhydrat, bekannt unter der Bezeichnung
Cuprophan oder aus Polyacrylnitrit. Je nach Art der Flüssigkeit und je nach Verwendungszweck
und je nach Art der durchzuführenden Massenübertragung können auch andere handelsübliche
Membranen gleicher Art oder in Kombination mit
Membranen anderer
Eigenschaften, z.B. Membranen auf der Basis von Zellulosetriacetat und auf der Basis
von Zellulosehydrat Verwendung finden. Diese sind zumeist im Querschnitt asymmetrisch
aufgebaut, von hoher Permeabilität und eignen sich besonders gut für die Ultrafiltration.
Eine Kombination von zwei verschiedenen Membranen ist in Fig.
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6,7 angedeutet. Die sich daraus ergebenden Filtrationswirkungen ergeben
sich aus den vorstehenden Erläuterungen. Der in Figur 8 dargestellt Filter betrifft
eine praktische und bereits erprobte Ausführungsform, entspricht aber im prinzipiellen
Aufbau der bereits beschriebenen Ausführungsform gemäß Figur 1 bis 5. Gleiche Bauteile
führen die selben Bezeichnungen.
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Das Gehäuse 4 besteht aus zwei identischen Halbschalen 4a, 4b. Jede
Halbschale 4a, 4b hat die beiden Verteilerkanäle 11 und einen Fluidanschluß 3a bzw
3b im Bereich der Gehäusestirnseite, so daß nur eine Herstellform notwendig ist.
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Die Verteilerkanäle 11 können, wie in Figur 8 und 9 dargestellt, durch
zwei auf das Gehäuse 4 aufgesetzte Verteilerbrücken 13 verbunden und die Strömungskammern
I und II für das Blut parallel geschaltet werden. Hierbei sind auf jede Verteilerbrücke
13 ein Schlauchanschlußnippel aufgesetzt, die den Einlaß la und den Auslaß 2b bilden.
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Gemäß Figur 10 können mit Hilfe einer Verteilerbrücke 13 die beiden
Blut führenden Strömungs-
kammern I und II in Reihe geschaltet
werden.
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Figur 11 zeigt noch einmal in entsprechender Darstellung die separate
Führung des Blutes in den beiden Strömungskammern I und II, die eine Benutzung derselben
getrennt und in zeitlichem Ab-Stand mit geringem Blutfüllvolumen zulassen, z.B.
beim Dialysieren des Blutes von nierenerkrankten Kindern.
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Wie aus Figur 8 hervorgeht, läßt sich der Fluidanschluß 3a oder 3b
mit einem Stopfen wahlweise und bei Bedarf verschließen um beispielsweise eine getrennte
Ultrafiltration des Blutes zum Entzug von Blutwasser durchzuführen.
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Das Faltenpaket ist im Gehäuse 4 zur Bildung der drei Strömungskammern
in einem handelsüblichen toxikologisch unbedenklichen Gießharz oder Kleber 8 eingebettet,
wie dies auch aus Figur 6 und 7 deutlicher hervorgeht.
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Die Kanalhöhe in einer Faltenrinne hängt von der Zusammenpressung
des Faltenpaketes und von der Struktur und den öffnungsweiten des Netzwerkes 6 ab,
ebenso die mögliche Faltenanzahl im Gehäuse 4.
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Der Filter gemäß Figur 8 hat eine Gehäuseabmessung ohne Anschlüsse
von 225x54x60 mm, eine Faltenzahl von 45, effektive Membranfläche von 1,3 m2, Blutkanalhöhe
von etwa 40 yim, Füllvolumen (Blut)
60 ml, Restblutvolumen 4 1
ml, eine Membran Cuprophan R PM 230 und eine Ultrafiltrationsrate von 4 ml/h. mm
Hg.
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In dem schematisch vereinfachten Teillängsschnitt nach Fig. 12 ist
zwischen der oberen Membranfläche und dem Gehäuse 4 einerseits und zweckmäßigerweise
auch zwischen der unteren Membranfläche und dem Gehäuse 4 andererseits eine Andruckplatte
15 eingeschaltet. Diese drückt das Faltenpaket im Bereich zwischen den Verteilerkanälen
11 auf ein Scllmaß zusammen, damit die Flächen der Membranen 5,7 erstens parallel
verlaufen und zweitens eine definierte Kanalhöhe in den Faltenrinnen erreicht wird.
Wird die Stärke des Klebers B an den Stirnseiten zur Abdichtung der Faltenrinnen
gegenüber den Verteilerkammern 9 und 10 etwas stärker gewählt als die erwünschte
Kanalhöhe in den Faltenrinnen, so ergeben sich etwas größere KanalfSa¢hen im Bereich
der Verteilerkanäle 11. Das hat zur Folge, daß das darin geführte Fluid z.B. Blut
besser in die Faltentiefe dringen kann.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungen ist darin- zu sehen,
daß mit Hilfe eines Standardgehäuses eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten auf
dem Gebiet der Massenübertragung zwischen Fluiden unter Zwischenschaltung einer
Membraneinheit möglich geworden sind, wobei aufgrund des dreilagigen Faltmaterial
bei kleinen Gehäuseabmessungen relativ große Austauschflächen für die hindurchgeförderten
Fluide vorhanden sind.
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Zeichnungen Figur 1 bis 12, vier Blatt