DE4331102A1 - Umkehrosmoseanlage und Verfahren zur Regelung einer Umkehrosmoseanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umkehrosmoseanlage zur Erzeugung von Permeat, insbesondere für die Dialyse. Derartige Umkehrosmoseanlagen dienen der Auf­ bereitung des Dialysewassers in Hämodialysestationen von Kliniken.

Kern einer Umkehrosmoseanlage ist ein Umkehrosmosemodul mit einer semi­ permeablen Membran. Dem Modul wird Leitungswasser zugeführt, in dem Sub­ stanzen wie anorganische Salze gelöst sind. Um aus dem zugeführten Rohwasser das benötigte Reinwasser zu erzeugen, wird mittels einer Hochdruckpumpe auf der einen Seite der Membran ein hydrostatischer Druck aufgebracht, der größer ist als der osmotische Druck im Rohwasser. In Umkehrung des Vorgangs der na­ türlichen Osmose diffundiert hierdurch das Lösungsmittel - also das reine Was­ ser - durch die Membran hindurch, während sich auf der anderen Seite des Systems die im Wasser gelösten Substanzen aufkonzentrieren. Das so erzeugte Reinwasser wird als Permeat bezeichnet, die aufkonzentrierte Lösung als Kon­ zentrat.

Umkehrosmoseanlagen, die speziell für medizinische Zwecke ausgelegt sind, sollten nicht mit Vorrats- oder Puffertanks ausgerüstet sein, um strömungslose Totzonen möglichst zu vermeiden und das Verkeimungsrisiko gering zu halten. In Dialysestationen werden deshalb totzonenfreie Ringleitungen verlegt, in de­ nen das erzeugte Permeat ständig im Kreis fließt und nach Bedarf entnommen wird.

In einer Dialysestation schwankt der Bedarf an Permeat sehr stark. Zwischen Spülphase der angeschlossenen Dialysegeräte und dem sukzessiven Abhängen der Patienten nach der Behandlung können Schwankungen bis zu 75 Prozent auf­ treten. Üblicherweise wird die Umkehrosmoseanlage deshalb nur bei 60 bis 70 Prozent ihrer Leistungsgrenze betrieben. Ein Teil des überfließenden Konzentrats kann über eine Rückführleitung zur Pumpe rückgeführt und erneut in das Um­ kehrosmosemodul eingespeist werden, wodurch Energie gespart wird. Über­ schüssiges Konzentrat, das nicht rückgeführt werden kann, muß aber in den Ab­ fluß geleitet werden. Das bedeutet, daß ein nicht unbedeutender Anteil des aus dem Zufluß entnommenen Trinkwassers nutzlos als Konzentrat verworfen wird.

Der Systemwirkungsgrad einer Umkehrosmoseanlage der hier in Rede stehenden Art ist definiert durch das Verhältnis zwischen der Menge des erzeugten - und entnommenen - Permeats und der Zulaufmenge von Rohwasser. Der vorliegen­ den Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Systemwirkungsgrad einer an eine Ringleitung angeschlossenen Umkehrosmoseanlage zu erhöhen.

Bei der Lösung dieses technischen Problems wird ausgegangen von einer Um­ kehrosmoseanlage mit einem Zufluß für ungereinigtes Rohwasser, einem eine se­ mipermeable Membran enthaltenden Umkehrosmosemodul, einer zwischen Zu­ fluß und Umkehrosmosemodul angeordneten Pumpe zum Aufbau eines hohen hydrostatischen Drucks vor der Membran, einer ausgangsseitig an das Um­ kehrosmosemodul angeschlossenen Ringleitung, einer Rückführleitung zur Rückführung überfließenden Konzentrats zur Pumpe und einem Abfluß für überschüssiges Konzentrat. Eine solche, insbesondere für Dialysestationen ge­ eignete Umkehrosmoseanlage ist beispielsweise aus der EU 0 436 098 A2 be­ kannt.

Gelöst wird das gestellte technische Problem durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1 sowie die analogen Verfahrensschritte des auf die Angabe eines Verfahrens zur Regelung einer Umkehrosmoseanlage der erwähn­ ten Art gerichteten Patentanspruchs 4.

Zur Anpassung des Systemwirkungsgrades an die aktuelle Betriebssituation sind erfindungsgemäß zwei separate Regeleinrichtungen vorgesehen. Die Pumpenre­ gelung regelt in Abhängigkeit der Meßwerte des zugehörigen Drucksensors die Motorleistung der Pumpe so, daß ein Druckabfall in der Ringleitung infolge der Entnahme von Permeat sofort ausgeglichen wird, wodurch der Druck in der Ringleitung konstant gehalten wird. Die Konzentratregelung steuert in Abhän­ gigkeit der Signale von den Durchflußsensoren die angeordneten Regelventile in der Rückführleitung bzw. vor dem Abfluß so, daß immer die maximal zulässige Menge überströmenden Konzentrats zur Pumpe rückgeführt und möglichst we­ nig in den Abfluß geleitet wird. Die gemäß der Erfindung geregelte Umkehros­ moseanlage zeichnet sich durch einen optimierten Systemwirkungsgrad aus, das heißt, es wird immer gerade so viel Permeat erzeugt, wie von der Dialysestation aus der Ringleitung entnommen wird. Um eine möglichst lange Standzeit der se­ mipermeablen Membran zu erreichen, wird die Anlage dabei nur bis zu einem bestimmten Systemwirkungsgrad, der von der Qualität des zulaufenden Roh­ wassers abhängt, betrieben.

Eine weitere Verfeinerung der Regelungscharakteristik kann erreicht werden, wenn zusätzlich der hydrostatische Druck vor der Membran des Umkehrosmose­ moduls gemessen und der Konzentratregelung als weitere Steuergröße zugeführt wird. Eine erhöhte Betriebssicherheit ergibt sich, wenn darüberhinaus die Menge des entnommenen Permeats laufend mittels eines an der Ringleitung vorgesehe­ nen Durchflußsensors erfaßt und somit überwacht wird.

Obwohl die Pumpenregelung und die Konzentratregelung meßtechnisch vonein­ ander unabhängig sind, ergibt sich eine gegenseitige Beeinflussung durch die physikalischen Parameter Druck und Durchflußmenge. Wird beispielsweise die Pumpenleistung infolge der Entnahme von Permeat aus der Ringleitung erhöht, ergibt sich dadurch zwangsweise ein erhöhter Flüssigkeitsdurchsatz, auf den die Konzentratregelung reagiert. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wer­ den deshalb die Mengen rückgeführten bzw. verworfenen Konzentrats und die Regelung der Pumpe mittels eines Kennlinienfeldes so aufeinander abgestimmt, daß das Verhältnis zwischen der Menge des zulaufenden Rohwassers und des aus der Ringleitung entnommenen Permeats stets möglichst groß ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefüg­ ten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Umkehrosmoseanlage für eine Dialysestation in einem stark vereinfachten Prinzipbild;

Fig. 2 die Regelung der Anlage von Fig. 1.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellten Umkehrosmoseanlage wird ungereinig­ tes Rohwasser über einen Zufluß Zu aus der Trinkwasserleitung zugeführt. Kern der Anlage ist ein Umkehrosmosemodul UOM, dessen semipermeable Membran das überfließende Konzentrat von dem durch die Membran hindurchdiffundier­ ten Permeat trennt. Zwischen Zufluß Zu und Umkehrosmose Modul UOM ist eine Pumpe P angeordnet, die einen hohen hydrostatischen Druck vor der Mem­ bran aufbaut. Ausgangsseitig ist mit dem Umkehrosmosemodul UOM eine Rin­ gleitung Ri verbunden, aus der die angeschlossenen Dialysegeräte nach Bedarf Permeat entnehmen. Überfließendes Konzentrat gelangt über eine Rückführlei­ tung Rü zur Pumpe P zurück. Überschüssiges Konzentrat, das nicht rückgeführt werden kann, wird in einen Abfluß Ab geleitet.

In der Ringleitung Ri ist ein Drucksensor P1 vorgesehen, der die Druckschwan­ kungen in der Ringleitung infolge Permeatentnahme erfaßt. Mit diesem Druck­ sensor P1 steht eine elektronische Pumpenregelung PR in Wirkverbindung. Diese regelt die Motorleistung der Pumpe P so, daß der Druck in der Ringleitung Ri möglichst konstant bleibt.

In der Rückführleitung Rü ist ein erster Durchflußsensor S1 vorgesehen, der die Menge des zur Pumpe P rückgeführten Konzentrats erfaßt. Ein zweiter Durch­ flußsensor S2 erfaßt die Menge des in den Abfluß Ab geleiteten Konzentrats. Den beiden Durchflußsensoren S1 und S2 ist jeweils ein Regelventil V1 bzw. V2 zuge­ ordnet. Eine mit den beiden Durchflußsensoren S1 und S2 sowie den beiden Re­ gelventilen R1 und R2 in Wirkverbindung stehende elektronische Konzentratre­ gelung KR steuert die Menge des rückgeführten Konzentrats und die Menge des verworfenen Konzentrats. Ein zusätzlicher Drucksensor P2 mißt den hydrostati­ schen Druck vor der Membran des Umkehrosmosemoduls UOM und gibt ein entsprechendes Signal als weitere Steuergröße an die Konzentratregelung KR ab.

Ein weiterer, an der Ringleitung Ri vorgesehener Durchflußsensor S3 erfaßt die tatsächlich zu Dialysezwecken entnommene Menge an Permeat. Dieser Wert wird einer Überwachungseinheit ÜE zugeführt, welche die gesamte Anlage über­ wacht.

Die Regelung der Anlage anhand vorgegebener Istwerte und der erfaßten Soll­ werte verdeutlicht das Diagramm von Fig. 2.

Die Pumpenregelung PR reagiert auf eine Abweichung des vom Drucksensor P1 gemessenen Ist-Drucks in der Ringleitung Ri vom vorgegebenen Soll-Druck durch eine Erhöhung der Motorleistung der Pumpe P1 und damit des hydrostati­ schen Drucks vor der Membran des Umkehrosmosemoduls UOM.

Die Konzentratregelung KR reagiert auf Abweichungen der vom Durchflußsen­ sor S1 gemessenen Ist-Menge des rückgeführten Konzentrats bzw. der Istmenge des über den Abfluß Ab verworfenen Konzentrats von den entsprechenden vor­ gegebenen Soll-Mengen. Die beiden Regelventile V1 und V2 werden entspre­ chend gesteuert.

Die Pumpenregelung PR und die Konzentratregelung KR sind mittels eines Kennlinienfeldes so aufeinander abgestimmt, daß das Verhältnis zwischen der Menge des zulaufenden Rohwassers und des entnommenen Permeats möglichst groß ist. Dies soll folgendes Beispiel erläutern: Eine Umkehrosmoseanlage, die bis zu 1000 Liter Permeat pro Stunde erzeugen kann, versorgt eine Dialyse­ station, die nur 500 Liter pro Stunde benötigt. Die Pumpenregelung PR regelt deshalb die Motorleistung der Pumpe P auf ungefähr die Hälfte ihrer Nennlei­ stung herunter. Der hydrostatische Druck innerhalb des Umkehrosmosemoduls UOM stellt sich dabei auf 50 bis 60 Prozent des maximal zulässigen Betriebs­ druckes ein. Für diesen Druckbereich gibt es einen optimalen Wert für die an der semipermeablen Membran vorbeifließende Menge von Konzentrat. Um einen Sy­ stemwirkungsgrad von 90 Prozent zu erreichen, darf in diesem Fall höchstens 46 Liter Konzentrat pro Stunde in den Abfluß Ab geleitet werden. Die Pumpenrege­ lung PR steuert die Regelventile V1 und V2 so, daß sich das vorgegebene Ver­ hältnis zwischen rückgeführtem und verworfenem Konzentrat einstellt. Die Kon­ zentratregelung muß ferner die Randbedingung beachten, daß mindestens 800 Liter Konzentrat pro Stunde aus dem Umkehrosmosemodul UOM abfließen muß, um die empfindliche Membran vor einer Überkonzentration und ausfallen­ den Salzen zu schützen.

Bezugszeichenliste

Zu Zufluß
UOM Umkehrosmosemodul
P Pumpe
Ri Ringleitung
Rü Rückführleitung
Ab Abfluß
P1 Drucksensor (an Ri)
P2 Drucksensor (an UOM)
S1 Durchflußsensor (in Rü)
S2 Durchflußsensor (vor Ab)
S3 Durchflußsensor (in Ri)
V1 Regelventil
V2 Regelventil
PR Pumpenregelung
KR Konzentratregelung
ÜE Überwachungseinheit

Claims (8)

1. Umkehrosmoseanlage zur Erzeugung von Permeat, insbesondere für die Dia­ lyse, umfassend

• - einen Zufluß für ungereinigtes Rohwasser;
• - ein Umkehrosmosemodul mit einer semipermeablen Membran, die das Kon­ zentrat vom Permeat trennt;
• - eine zwischen Zufluß und Umkehrosmosemodul angeordnete Pumpe zum Aufbau eines hohen hydrostatischen Drucks vor der Membran;
• - eine ausgangsseitig an das Umkehrosmosemodul angeschlossene Ringleitung, aus der laufend nach Bedarf Permeat entnommen wird;
• - eine Rückführleitung zur Rückführung überfließenden Konzentrats zur Pumpe;
• - einen Abfluß für überschüssiges Konzentrat;

gekennzeichnet durch

• - einen Drucksensor (P1) zur Messung des Drucks in der Ringleitung (Ri);
• - eine mit dem Drucksensor (P1) in Wirkverbindung stehende elektronische Pumpenregelung (PR) zur Regelung der Motorleistung der Pumpe (P);
• - einen ersten Durchflußsensor (S1), der die Menge des zur Pumpe (P) rückge­ führten Konzentrats erfaßt;
• - einen zweiten Durchflußsensor (S2), der die Menge des in den Abfluß (Ab) ge­ leiteten Konzentrats erfaßt;
• - ein erstes Regelventil (V1) in der Rückführleitung (Rü);
• - ein zweites Regelventil (V2) vor dem Abfluß (Ab);
• - eine mit den beiden Durchflußsensoren (S1) und (S2) sowie den beiden Regelventilen (V1) und (V2) in Wirkverbindung stehende elektronische Konzentratregelung (KR) zur Steuerung der Menge des rückgeführten Konzen­ trats und der Menge des verworfenen Konzentrats.

2. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, am Umkehrosmosemodul (UOM) vorgesehenen und mit der Konzentratregelung (KR) in Wirkverbindung stehenden Drucksensor (P2) zur Messung des hydrostatischen Drucks vor der Membran.

3. Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen dritten, an der Ringleitung (Ri) vorgesehenen Durchflußsensor (S3) zur Er­ fassung der Menge des entnommenen Permeats.

4. Verfahren zur Regelung einer Umkehrosmoseanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• - Messen des Drucks in der Ringleitung;
• - Erfassen der Menge des zur Pumpe rückgeführten Konzentrats;
• - Erfassen der Menge des in den Abfluß geleiteten Konzentrats;
• - Steuerung der Menge des rückgeführten Konzentrats und der Menge des ver­ worfenen Konzentrats;
• - Regelung der Motorleistung der Pumpe in Abhängigkeit des Drucks in der Ringleitung und der Mengen rückgeführten bzw. verworfenen Konzentrats.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hydro­ statische Druck vor der Membran des Umkehrosmosemoduls gemessen und der Konzentratregelung als Steuergröße zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des aus der Ringleitung entnommenen Permeats erfaßt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerung der Mengen rückgeführten bzw. verworfenen Konzen­ trats und die Regelung der Pumpe mittels eines Kennlinienfeldes so aufeinander abgestimmt werden, daß das Verhältnis zwischen der Menge des zulaufenden Rohwassers und des aus der Ringleitung entnommenen Permeats stets möglichst groß ist.