中空纤维管中血液输运过程不均匀特性的试验

刘　涛，李昌烽，屈　健

（江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013）

中空纤维管中血液输运过程不均匀特性的试验

刘涛，李昌烽，屈健

（江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013）

设计并搭建了中空纤维透析系统试验装置，研究了血液输运过程中毒素在3个不同区域（内环、中环、外环）内的流动及传质特性，测定了毒素的出口浓度和清除率，对测试结果进行了显著性差异分析，并对毒素在清除过程中的不均匀特性所造成的原因进行了分析和探讨.结果表明：毒素的清除效果在流经不同区域时，存在严重的不均匀特性，中环和内环比较接近，而外环和内环之间存在很大的差异；另外，透析液流量的增加，有助于毒素的清除效果，当透析液流量从低流量（500 mL·min-1）增加到高流量（1 000 mL·min-1）时，内环和外环的出口浓度偏差从15.00％下降到6.20％，清除率偏差从16.70％下降到5.20％，显著性差异从0.00S上升到0.020，透析液流量的增加对改善内环和中环的清除效果尤为显著.

中空纤维；透析；传质；血液输运；不均匀性

doi∶10.3969/j.issn.1671-7775.2015.06.006

中空纤维已在化工分离、血液透析、加湿与除湿［1-5］等领域取得了较好的效果，由于中空纤维管外的传质性能对整个中空纤维膜分离器的分离性能有很大的影响，因此管外传质性能一直是被关注的焦点.然而管外的传质性能却受到很多因素的影响，如壁面、进出口结构［6-7］、中空纤维管的排列方式等［S-9］，并且透析器内有上万根纤维管管束，内部的流动和传质特性非常复杂，在理论模拟时，计算量相当大，所建立的计算模型很难与实际的透析器模型接近.

为了更加深入地研究中空纤维管管外流动和传质的不均匀特性，笔者建立中空纤维膜透析系统试验装置，利用NIPRO透析器，将其内部的流动范围分为面积相等的3个区域，分别为内环、中环和外环.考察血液输运过程中毒素在不同区域内的流动和传质情况，得到毒素的出口浓度及清除率，并对试验数据进行显著性差异分析.

1 试验原理

试验装置如图1所示，中空纤维透析器采用逆流，纤维管内流体为血液（含有尿素的去离子水），管外为透析液（去离子水），管内外流体的流动方向相反.

图1　试验装置图

透析器的放置方式参照临床上利用透析机对肾病患者透析治疗时的放置方式，即透析器竖直放置血流向下.血液在蠕动泵驱动下从上方的血液进口流进，从下方的血液出口流出；透析液在蠕动泵驱动下从下方的透析液进口流进，从上方的透析液出口流出.事实上，中空纤维透析器的放置方式在血液输运过程中对毒素的清除效果也存在一定的影响［10］.血液在输运过程中毒素在浓度差和压力差的作用下通过中空纤维膜向透析液扩散，被透析液带走并从透析液出口排出，从而使血液中的毒素浓度越来越低.在血液出口处周期性（时间间隔5 min）取微量流体样本，测量血液中的毒素的浓度，计算其清除率.

清除率为

式中∶CL，mL·min-1；Qbi和Qbo分别为血液进出口流量，mL·min-1；Cbi和Cbo分别为进出口血液中尿素的浓度，mmol·L-1.

2 材料和方法

2.1透析器参数

采用的透析器型号为NIPRO FB130A（福州市尼普洛有限公司生产）.膜材料为二醋酸膜，膜外径为230μm，膜内径为200μm，中空纤维管壁厚为15 μm，中空纤维管长度为230 mm，透析器的传质面积为1.3 m2.

血液用含有尿素的去离子水代替，透析液用去离子水代替.透析器内血液侧每个区域的流量为120 mL·min-1，透析液侧流量控制为500，S00，1 000 mL·min-1.

2.2试验步骤

2.2.1中空纤维透析器的处理

面积相等的3个流动区域如图2所示，将中空纤维透析器的进口端面分成面积相等的3个同心圆区域.内环∶半径为0～9.Smm，面积为301.5 mm2.中环∶半径为9.S～13.9 mm，面积为305.1 mm2.外环∶半径为13.9～17.0 mm，面积为300.9 mm2.将流动区域用白纸遮挡，其他区域涂抹环氧树脂，经过24 h晾干，环氧树脂将完全固化.每次试验时只有1个区域为流动区域，另外2个流动区域用环氧树脂固化后为非流动区域.

图2　面积相等的3个流动区域

2.2.2试验方法

将尿素（分析纯）溶解于去离子水模拟临床透析使用的血液中，去离子水使用KFLOW-R050ACB水净化系统制备，血液在蠕动泵的作用下，通过血路管从血液进口流进透析器，从血液出口流出，血路管的使用可以使血液在进入中空纤维透析器前消除气泡.同时，透析液在另一台蠕动泵的驱动下，从透析液进口流进，从透析液出口流出.分别调节蠕动泵的转速，使血液进口流量为120 mL·min-1，透析液侧进口流量分别为500，S00，1 000 mL·min-1.利用流量计分别测量血液侧、透析液侧的流量，并且在血液侧的进出口处采样.

2.2.3取样方式

取样前，首先清除系统内部的气泡，为了保证系统稳定性，透析系统运行时间不少于Smin.当系统稳定后，每次取样5 mL溶液，取样3次，取样时间间隔为5 min，为了检查进口血液浓度的稳定性，同时在血液进口取样.用精密移液器从上述5 mL溶液中取1 mL，装入样品瓶.

2.2.4样品的化验

尿素浓度的测量使用全自动生化分析仪.尿素浓度采用GLDH动力学法，比色波长为340 nm.

2.2.5统计方法

对测量结果用t检验进行统计分析，P＜0.050认为存在显著性差异.

3 试验结果

3.1浓度场的不均匀特性

在3个不同的流动区域，毒素的进口浓度保持恒定，为16.50 mmol·L-1，NIPRO透析器尿素平均出口浓度如表1所示.

表1　NIPRO透析器尿素平均出口浓度

透析液流量为500 mL·min-1时，毒素的出口浓度外环区域最低，为7.37 mmol·L-1；内环区域最高，为S.67 mmol·L-1；中环区域与内环区域接近，为S.60 mmol·L-1.以内环为对照组，中环和外环分别与内环进行显著性差异对比，结果表明∶中环和内环之间不存在显著性差异（P=0.300），而外环和内环之间存在显著性差异（P=0.00S）；当透析液流量增加到S00 mL·min-1时，中环和内环之间同样不存在显著性差异（P=0.1S4），而外环和内环之间存在显著性差异（P=0.005）；当透析液流量进一步增加到1 000 mL·min-1时，中环和内环之间仍然不存在显著性差异（P=0.130），而外环和内环之间存在显著性差异（P=0.020）；当透析液流量从低流量500 mL·min-1上升到高流量1 000 mL·min-1时，外环和内环之间的出口浓度相对偏差从15.00％减小为6.20％，显著性差异P从0.00S上升到0.020，说明随着透析液流量的增加，外环和内环的出口浓度越来越接近.

3.2清除率的不均匀特性

根据血液输运过程中血液进出口流量和尿素的进出口浓度，利用式（1）计算各个流动区域的清除率，结果如图3，4所示，1表示内环，2表示中环，3表示外环.当透析液流量较小（500 mL·min-1，见图3）时，内环的清除率为56.9 mL·min-1，中环的清除率为57.5 mL·min-1，两者偏差为1.05％，清除效果非常接近，而外环的清除率为66.4 mL· min-1，内环和外环的清除率偏差为16.70％，清除效果存在很大的差异；当透析液流量较大（1 000 mL·min-1，见图4）时，内环的清除率为65.7 mL· min-1，中环的清除率为66.9 mL·min-1，两者偏差为1.S2％，两者的清除效果依然非常接近，而外环的清除率仅为69.1 mL·min-1，内环和外环的清除率偏差下降为5.20％，两者的清除效果虽然存在偏差，但相对于低流量，偏差大大缩减，说明随着透析液流量的增加，外环和内环的清除效果也越来越接近.

图3　透析器流量为500mL·min-1不同流动区域尿素的清除率

图4　透析器流量为1 000 mL·min-1不同流动区域尿素的清除率

不同流动区域随着透析液流量的增加，血液输运过程中尿素的清除率变化趋势如图5所示，在相同的透析液流量下，内环的清除率和中环的清除率较接近，但低于外环的清除率.对于相同的流动区域，透析液的流量越大，清除率越高，说明提高透析液的流量，有助于透析效果.当透析液流量从低流量上升到高流量时，内环和中环的清除效果非常接近，但内环和外环的清除效果存在偏差，并且流量越大，偏差越小，说明透析液流量的增加对改善内环和中环的清除效果尤为显著.

图5　尿素清除率随透析液流量的变化

4 结 论

通过自行设计和搭建的中空纤维透析试验系统，研究了NIPRO透析器在不同的流动区域（内环、中环、外环）血液输运过程中毒素的流动和传质

情况，得到了毒素的出口浓度和毒素的整体清除率.结果表明∶血液输运过程中存在流动和传质的不均匀特征，在相同的透析液流量下，内环清除率较低，中环和内环的清除率接近，而外环的清除率较高，清除效果好；对于相同的流动区域，透析液流量越大，清除效果越好，提高透析液流量有助于毒素的清除效果；随着透析液流量从低流量（500 mL·min-1）增加到高流量（1 000 mL·min-1），内环和外环的出口浓度偏差从15.00％下降为6.20％，清除率偏差从16.70％下降为5.20％.在中空纤维管内血液输运过程中，其传质的流动的不均匀特性主要发生在靠近壁面的外环，而内环和中环的流动相对来讲是均匀的；当透析液流量较小时，内环和中环由于纤维管排列比较紧密，流动阻力大，外环流动阻力较小，透析液和血液中的毒素在外环区域能充分传质，毒素被迅速带走，因此清除效果相对较好；随着透析液流量的增大，外环的优势不再明显，有更多的透析液在内环和中环与血液中的毒素进行了传质交换，导致内环和中环的清除效果急剧上升，而外环的清除效果上升的并不特别明显，说明透析液流量的增加，改善了透析器内部的流动不均匀的特征，使得血液在中空纤维管内的输运过程中流动和传质变得更加均匀，从而能提高清除效率.

试验中的中空纤维透析器纤维管数量约为S 000根，填充密度（纤维管面积与整个透析器截面积的比值）约为0.36，属于低填充密度透析器，对于高填充密度的中空纤维透析器，中空纤维管的数量达到15 000根以上，随着透析器流量的增加，中环和内环的清除率是否会超越外环，将在后续的研究中进行.当前临床治疗上，通常采用血液侧流量为200 mL·min-1，透析液流量为500 mL·min-1，从研究结果来看，增加透析液流量能提高血液中毒素的清除效率，缩短治疗的时间.

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［1］邹艳敏，张 祯，吴向阳，等.中空纤维支载离子液体液液微萃取测定环境水样中的4-n-壬基酚［J］.江苏大学学报∶自然科学版，2014，35（2）∶233-237. Zou Yanmin，Zhang Zhen，Wu Xiangyang，et al.Hollow fiber suPPorted ionic liquid-liquid micro-extraction for determination of4-n-NonylPhenol in environmentalwater samPles［J］.Journal of Jiangsu Uniuersity∶Natural Science Edition，2014，35（2）∶233-237.（in Chinese）

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［3］Zhang Weidong，Hao Zisu，Chen Geng，et al.Effect of Porosity onmass transfer of gas absorPtion in a hollow fibermembrane contactor［J］.Journal of Membrane Science，2014，470∶399-410.

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［7］DingWeiPing，He Liqun，Zhao Gang，etal.Effectof distribution tabs on mass transfer of artificial kidney［J］. AIChE Journal，2004，50（4）∶7S6-790.

［S］刘 涛，李昌烽，邵 霞，等.中空纤维透析器管外传质系数的计算［J］.江苏大学学报∶自然科学版，2009，30（5）∶4S7-490. Liu Tao，Li Changfeng，Shao Xia，et al.Calculation of the shell-side mass transfer coefficient in hollow fiber dialyzer［J］.Journal of Jiangsu Uniuersity∶Natural Science Edition，2009，30（5）∶4S7-490.（in Chinese）

［9］刘 涛，李昌烽，邵 霞，等.中空纤维管随机分布下透析器的管外传质特性［J］.江苏大学学报∶自然科学版，2010，31（5）∶553-557. Liu Tao，LiChangfeng，Shao Xia，etal.Characteristics of shell-sidemass transfer with hollow fibers random distribution in dialyzer［J］.Journal of Jiangsu Uniuersity∶Natural Science Edition，2010，31（5）∶553-557.（in Chinese）

［10］丁卫平，何立群，赵 刚，等.重力场对人工肾透析传质影响的探讨［J］.力学学报，2004，36（3）∶379-3S4. Ding WeiPing，He Liqun，Zhao Gang，et al.Discussion on the effect of gravity on mass transfer of hemodialysis of artificial kidney［J］.Acta Mechanica Sinica，2004，36（3）∶379-3S4.（in Chinese）

（责任编辑 贾国方）

ExPeriment of non-uniform characteristics of blood transPort Process in hollow fiber dialyzer

Liu Tao，Li Changfeng，Qu Jian
（School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

∶The hollow fiber dialysis system was designed and built.The flow and mass characteristics of the blood toxin transPort Processwere exPerimentally investigated in three different transfer flow Paths of inner ring，middle ring and outer ring，and the exPort concentration and the clearance of toxin were measured.The reason for the non-uniform characteristics in hollow fiber dialyzer were analyzed and discussed.The results show that seriously non-uniform characteristics exist in hollow fiber dialyzer.The clearance effectiveness in the inner ring is very close to that in the middle ring，while a big difference exists between the inner ring and the outer ring.Increasing the dialysate flow rate from 500 mL·min-1to 1 000 mL·min-1，the exPort urea concentration deviation is decreased from 15.00％to 6.20％，and the clearance rate deviation is decreased from 16.70％to 5.20％with the significant difference increased from 0.00S to 0.020 between the inner and outer ring.The imProvement of clearance efficiency in the inner and middle ring is Particularly significant for high dialysate flow rate.

∶hollow fiber；dialysis；mass transfer；blood transPort；non-uniform characteristics

TQ 021.4

A

1671-7775（2015）06-0650-05

刘 涛，李昌烽，屈 健.中空纤维管中血液输运过程不均匀特性的试验［J］.江苏大学学报∶自然科学版，2015，36（6）∶650-654.

2015-04-0S

国家自然科学基金资助项目（11072091）；江苏省普通高校研究生科研创新基金资助项目（CX09B_19SZ）

刘 涛（197S—），男，江苏常州人，讲师，博士研究生（liuxtao@ujs.edu.cn），主要从事复杂流体力学、膜科学与技术的研究.

李昌烽（1969—），男，江苏沛县人，教授，博士生导师（cfli@ujs.edu.cn），主要从事复杂流体动力学、湍流减阻与流动控制的研究.