Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Dialyse is een scheidingstechniek die op basis van diffusie werkt, waarbij opgeloste stoffen door een semipermeabel membraan bewegen. Dit principe wordt in diverse industriële en medische toepassingen gebruikt, met name voor de zuivering van vloeistoffen en bloed. Het proces is gebaseerd op het verplaatsen van moleculen van een gebied met hoge concentratie naar een gebied met lage concentratie, wat bekend staat als diffusie. In het geval van hemodialyse wordt dit principe toegepast om afvalstoffen en overtollig water uit het bloed te verwijderen, wat cruciaal is voor patiënten met nierfalen.
Het idee achter dialyse kan eenvoudig worden verklaard aan de hand van een voorbeeld. Een oplossing van volume V1 wordt geplaatst in een dialysezak. De zak wordt vervolgens ondergedompeld in een dialysaatoplossing van volume V2, die continu langzaam wordt geroerd. Het roeren versnelt de diffusie van stoffen door het membraan, wat helpt om de concentratie van de opgeloste stoffen in de twee vloeistoffen in evenwicht te brengen. Wanneer het volumeverschil tussen de twee vloeistoffen groot is (V2 >> V1), zal de initiële evenwichtsverhouding ervoor zorgen dat de kleine opgeloste stoffen in de zak sterk verdund worden. De concentratiewijziging van deze stoffen in de zak gebeurt op een klein schaalniveau, terwijl de concentratiewijziging in de buitenste oplossing aanzienlijk is.
In de context van hemodialyse wordt dit proces toegepast in een apparaat genaamd de hemodialysator, dat een semipermeabel membraan bevat. Dit membraan is essentieel voor het verwijderen van toxische afvalstoffen zoals ureum en creatinine uit het bloed. Het bloed stroomt in een richting door het membraan, terwijl het dialysaat in de tegenovergestelde richting stroomt, wat het mogelijk maakt om de concentratiegradiënt optimaal te benutten. Dit principe zorgt ervoor dat de toxische stoffen van het bloed naar de dialysaatoplossing diffunderen.
De snelheid van diffusie hangt af van de grootte van de deeltjes die door het membraan bewegen. Kleinere moleculen diffunderen sneller dan grotere moleculen. Dit verklaart waarom kleinere moleculen, zoals ureum, sneller worden verwijderd dan grotere moleculen zoals β2-microglobuline. Het is van cruciaal belang om het juiste type dialysator te kiezen, afhankelijk van de grootte van de moleculen die men wil verwijderen.
Membranen voor dialyse zijn van groot belang voor de effectiviteit van het proces. Er zijn verschillende typen membranen, die elk verschillende eigenschappen hebben. De keuze van het membraanmateriaal is niet alleen afhankelijk van de filtercapaciteit maar ook van de biocompatibiliteit. De gebruikte materialen moeten ervoor zorgen dat er geen schadelijke ontstekingsreacties optreden in het lichaam van de patiënt. Traditioneel werden membranen van cellulose, zoals Cuprophan®, veel gebruikt, maar deze vertonen vaak een lage biocompatibiliteit door hun interactie met lipopolysacchariden, die ontstekingsreacties kunnen veroorzaken. Om dit probleem te verhelpen, worden er tegenwoordig membranen gemaakt van synthetische polymeren, die in veel gevallen beter presteren wat betreft biocompatibiliteit en sterilisatie.
Een belangrijke innovatie was de ontwikkeling van de AN-69® membraan in 1969, die het mogelijk maakte om dialyzers te steriliseren met behulp van gammastraling. Deze membraan biedt voordelen bij de behandeling van acute nierziekte, omdat het goed in staat is om ontstekingscytokinen te adsorberen. Er zijn ook holle vezel dialyzers ontwikkeld, die een grotere oppervlakte en compactere structuur bieden dan traditionele membranen. Dit heeft geleid tot hun bredere toepassing.
Bij het kiezen van het juiste membraan voor een specifieke toepassing is het belangrijk om rekening te houden met de specifieke behoeften van de patiënt of de industriële toepassing. Membranen met grotere poriën, bijvoorbeeld high-flux dialyzers, zijn tegenwoordig populairder omdat ze een breder scala aan moleculen kunnen verwijderen. Deze membranen vereisen echter geavanceerdere machines en hoogwaardige dialysaatoplossingen om een gecontroleerde verwijdering van stoffen te garanderen en om terugvloeiing van onzuiverheden in het bloed van de patiënt te voorkomen.
Naast de technologische en biochemische aspecten van dialyse, is het ook van belang te begrijpen dat de keuze van het membraan niet alleen afhankelijk is van technische vereisten zoals de poriegrootte, maar ook van het vermogen om veilig met het menselijk lichaam om te gaan. De biocompatibiliteit van de gebruikte materialen is essentieel om onnodige complicaties of negatieve effecten voor de patiënt te voorkomen. Het is belangrijk dat dialyseapparatuur periodiek wordt gecontroleerd en dat het dialysaat altijd steriel blijft om het risico op infecties te minimaliseren.
Hoe Ultrafiltratie (UF) zich heeft ontwikkeld tot een essentiële scheidingstechnologie in industriële toepassingen
Ultrafiltratie (UF) vereist een lagere bedrijfsdruk dan andere membraanfiltratieprocessen, zoals nanofiltratie (NF) en omgekeerde osmose (RO). Dit is te wijten aan de poreuze eigenschappen van UF-membranen, die grotere poriën hebben dan de membranen die bij NF en RO worden gebruikt. Hierdoor kan UF werken bij een druk van 200 tot 1000 kPa, wat resulteert in een hoge permeatiesnelheid.
In de beginjaren van haar ontwikkeling werd ultrafiltratie voornamelijk op laboratoriumschaal onderzocht, gericht op de zuivering en scheiding van verschillende stoffen. De eerste UF-membranen waren echter niet geschikt voor industriële commerciële toepassingen, aangezien ze onvoldoende mechanische en chemische sterkte hadden. In de jaren 60 leidde de fabricage van asymmetrische membranen door Loeb en Sourirajan tot een doorbraak, waardoor UF-membranen commercieel haalbaar werden. Deze membranen waren zowel selectief als doorlatend, wat de weg vrijmaakte voor verdere vooruitgang in membraantechnologie en haar industriële toepassingen.
In de late jaren 60 werd de eerste industriële UF-installatie geïnstalleerd, die gebruikt werd voor fractioneringstechnologie. Sindsdien heeft UF zich ontwikkeld tot een geavanceerde scheidingstechniek, met toepassingen in diverse industriële sectoren zoals waterbehandeling, afvalwaterbehandeling en -hergebruik, chemische productie, zuivelindustrie, en medische toepassingen. UF wordt vaak verkieslijk boven traditionele desinfectie- en waterbehandelingsprocessen vanwege de eenvoud van de werking, het lage energieverbruik, de verminderde chemische vraag, beperkte controlemethoden en de hoge efficiëntie.
In termen van energieverbruik is UF relatief goedkoop, omdat de benodigde drukgradient klein is. De grootste kosten zijn doorgaans verbonden aan het membraan zelf en de vervangingskosten ervan. Tabel 1.2 biedt een overzicht van de voordelen en nadelen van het UF-proces. Tegenwoordig zijn er in verschillende landen, waaronder de VS, Singapore, België, Nederland, Spanje, Duitsland, Koeweit en Namibië, succesvolle UF-installaties in bedrijf. De markt voor UF-membranen groeit gestaag, mede dankzij de groeiende bezorgdheid over milieuvervuiling, afname van zoetwaterbronnen, duurzaamheidsmaatregelen en strenge overheidsvoorschriften. In 2017 werd de markt geschat op ongeveer 950 miljoen USD en deze wordt naar verwachting 2,14 miljard USD bereiken in 2023. Grote spelers zoals Koch Membrane Systems, Dow Chemicals, Oasys Water, PennWell Corporation en GE Corporation domineren de wereldwijde UF-markt. Dow Chemical en Koch Membrane Systems beheersen samen meer dan 51% van het wereldwijde marktaandeel. De regio’s VS en Azië-Pacific hebben gezamenlijk ongeveer 65% van de wereldwijde marktaandeel vanwege de toenemende vraag naar afvalwaterbeheer, chemische verwerking en de farmaceutische sector.
Naast de bovengenoemde toepassingen is UF ook van belang in de biotechnologie en farmaceutische industrie, waar het wordt ingezet voor cellen scheiden, virussen verwijderen of het concentreren van biologische producten. Het gebruik van UF in deze sectoren groeit snel, aangezien het relatief weinig energie vereist en efficiënter is dan traditionele technieken zoals filtratie door gravitatie of chemische behandelingen. In de voedingsindustrie wordt UF gebruikt om waardevolle stoffen uit melk of sap te extraheren, en het speelt een belangrijke rol in de verwerking van bijproducten zoals wei-eiwit.
Het belang van UF-technologie is niet alleen te danken aan de steeds toenemende vraag naar duurzame waterbehandelingsoplossingen, maar ook aan de vooruitgang in materiaalwetenschappen die de prestaties van UF-membranen blijven verbeteren. Nieuwe membranen worden steeds duurzamer en energie-efficiënter, wat hun aantrekkingskracht vergroot in zowel ontwikkelde als ontwikkelingslanden.
De breedte van de toepassingen maakt UF een veelzijdige technologie die aan veel industriële behoeften voldoet. Toch is het belangrijk te begrijpen dat, hoewel UF-membranen steeds geavanceerder worden, ze nog steeds te maken hebben met uitdagingen zoals de opbouw van vervuiling op het membraanoppervlak, wat de efficiëntie van het proces kan verminderen. Membranen kunnen door de opeenhoping van verontreinigingen of het verkeerde gebruik van chemicaliën snel verslechteren, wat leidt tot de noodzaak voor regelmatige vervangingen en onderhoud. Dit betekent dat de initiële kosten van een UF-systeem kunnen variëren, afhankelijk van de vereisten voor het type afvalwater of vloeistof die gefilterd wordt.
Daarnaast is het van cruciaal belang voor gebruikers van UF-technologie om zich bewust te zijn van de specifieke vereisten van hun scheidingsbehoeften, zoals de grootte van de deeltjes of moleculen die moeten worden gefilterd. Voor sommige toepassingen kan een combinatie van UF met andere membranen zoals NF of RO, of zelfs met chemische behandelingsmethoden, noodzakelijk zijn om de gewenste resultaten te behalen.