Etude de la cinétique de polarisation de concentration en microfiltration du sang en régime transitoire

(Reçu le 20 juin 1994, révisé le 20 septembre 1994, accepté le 23 septembre 1994)

Abstract
In plasma separation by membrane, the blood flows tangentially along a microporous membrane while the plasma crosses the membrane under the action of a transmembrane pressure gradient. As in other cross flow filtrations of suspensions, the permeate flux increases linearly at low transmembrane pressure and reaches a plateau at high transmembrane pressure due to concentration polarization and membrane fouling. Concentration polarization consists in the formation of a high particle concentration boundary layer near the membrane which is assumed to occur rapidly, in less than one minute. In the case of plasma filtration from blood, this layer consists of cells which are rejected by the membrane and it forms a reversible secondary membrane which becomes the limiting filtration mechanism. In this condition, the permeate flux becomes approximately independent of transmembrane pressure and is controlled mostly by the shear rate. In order to study the kinetics and time scales of establishment of these phenomena, we have investigated the transient response of microporous membrane under stepped charges in transmembrane pressure. When the pressure is suddenly raised from the unpolarized regime to a level corresponding to complete concentration polarization, the permeate flux reaches a peak in 0.4-0.6 s, which surpasses the equilibrium level by 60 to 80% depending upon the pressure, returning to the concentration polarization equilibrium level in 3 to 4 s. These data show that the membrane retains its original permeability only during the first 0.5 s of the pressure change and that concentration polarization takes about 3 to 4 s to build-up. This formation time decreases with increasing pressure. When the pressure returns to its initial level, the concentration polarization disappears instantaneously and the process can be repeated at a frequency up to 0.7 Hz. However, when a stepped pressure increase is applied in the concentration polarization regime, with initial pressure above 150 mmHg, the permeate flux hardly changes, which confirms that once concentration polarization is established, the system membrane-polarization layer ceases to behave as a porous medium even with increased resistance. These data can explain the permeate increase observed when pressure and flow pulsations at 1 Hz are superimposed on the retentate.

Résumé
La plasmaphérèse par membrane consiste à filtrer le plasma au travers d'une membrane microporeuse sous l'action de la pression transmembranaire. Comme toutes filtrations tangentielles, le flux de filtration augmente linéairement aux faibles pressions transmembranaires, puis atteint un plateau aux fortes pressions à cause du phénomène de polarisation de concentration et du colmatage de la membrane. La polarisation de concentration est due à la formation d'une couche fortement concentrée en soluté au voisinage de la membrane. Le temps de formation de cette couche est rapide, généralement inférieur à une minute. En microfiltration du sang, cette couche est constituée des globules qui forment une seconde membrane réversible qui limite le flux de filtration. Dans ce régime, le flux de perméat devient indépendant de la pression transmembranaire et dépend principalement du taux de cisaillement. Nous avons entrepris une étude de la réponse transitoire d'une membrane à des échelons de pression transmembranaire afin de comprendre la cinétique d'établissement de ces phénomènes. Lorsque l'on passe brusquement d'un régime non polarisé à celui polarisé, le flux de filtration croît jusqu'à un pic en 0,4 à 0,6 s dépassant la valeur du plateau de 60 à 80%, puis il revient à sa valeur d'équilibre correspondant au régime de polarisation de concentration en 3 à 4 s. Les données expérimentales montrent que la membrane garde une perméabilité originale pendant seulement 0,5 s lors d'un changement brusque de pression et que la couche de polarisation de concentration met environ 3 à 4 s à s'établir. Quand la pression transmembranaire est abaissée, la couche de polarisation disparaît également et le processus peut se répéter à une fréquence de 0,7 Hz. Mais, une fois le régime de polarisation de concentration atteint, la réponse de la membrane devient négligeable. Cette étude justifie le choix d'une fréquence de 1 Hz employée dans notre laboratoire en plasmaphérèse membranaire à débit pulsé.