Oxygen and carbon dioxide transfer in membrane oxygenators

Abstract

Gas transfer in membrane oxygenators can be limited by the liquid dispersion or the membrane diffusion. If limited by liquid dispersion, the increase in average oxygen saturation of blood flowing in straight gas-permeable tubes is dependent upon the flow rate, the tube length, and the diffusion coefficient and independent of the tube diameter. The mathematical solution is surprisingly insensitive to shifts of the oxyhemoglobin dissociation curve. The assumptions utilized in the model and the analytic solution were verified by a series of experiments using cattle blood. Tube staging, turbulence, and tube coiling bring about mixing and significantly improve the oxygenation rate. For coiled tubes, the oxygenation efficiency depends on the Reynolds number, the Schmidt number, and the tightness of the coil. The limit on the rate of oxygen addition and carbon dioxide removal might be imposed, for thick-walled tubes, by the diffusion through the tube wall. The wall-limited case is governed by CO₂ removal.

Sommaire

Le transfert des gaz dans les oxygénateurs à membrane peut être limité par la dispersion du liquide ou la diffusion de la membrane. S'il est limité par la dispersion du liquide, l'accroissement de la saturation moyenne d'oxygène du sang circulant dans des tubes rectilignes poreux dépend du débit, de la longueur du tube, du coefficient de diffusion, et est indépendant du diamètre du tube. Il est surprenant de noter que la solution mathématique se trouve être insensible aux dérives de la courbe de dissociation de l'oxyhémoglobine. Les hypothèses retenues pour le modèles et pour la solution analytique sont vérifiées par une série d'expériences utilisant du sang d'animaux. La succession de tubes, les turbulences et la courbure des tubes provoque un brassage qui augmente le taux d'oxygénation de façon significative. Pour les tubes en serpentin, l'efficacité de l'oxygénation dépend du nombre de Reynolds, du nombre de Schmidt et de l'étroitesse du serpentin. La limite au taux d'addition d'oxygène et à l'élimination de gaz carbonique peut être imposée au moyen de la diffusion à travers la paroi, pour les tubes à parois épaisses. C'est l'élimination du gaz carbonique qui régit cette limitation par la paroi.

Zusammenfassung

Die Gasübertragung in Membranoxygenatoren kann durch die Flüssigkeitsdispersion oder die Membrandiffusion limitiert werden. Liegt die Begrenzung in der Flüssigkeitsdispersion, so hängt der Anstieg der durchschnittlichen Sauerstoffsättigung des in geraden gaspermeablen Schläuchen fließenden Blutes von der Strömungsgeschwindigkeit, der Schlauchlänge und dem Diffusionskoeffizienten ab, während er vom Schlauchdurchmesser unabhängig ist. Die mathematische Lösung ist erstaunlich unempfindlich gegenüber Verschiebungen in der Oxyhämoglobin-Dissoziationskurve. Die in dem Modell und in der analytischen Lösung benutzten Annahmen wurden in einer Reihe von Versuchen mit Rinderblut bestätigt. Durch entsprechende Lagerung und Wickelung der Schläuche und durch Turbulenz wird gemischt und eine bedeutende Verbesserung der Oxygenationsgeschwindigkeit erzielt. Bei gewickelten Schläuchen hängt die Wirksamkeit der Oxygenation von der Reynoldschen Zahl, der Schmiatschen Zahl und der Enge der Wicklung ab. Bei dickwandigen Schläuchen kann eine Geschwindigkeitsbegrenzung der Sauerstoffzugabe und der Kohlendioxydabgabe per Diffusion durch die Schlauchwand gegeben sein. Der wandbegrenzte Fall ist von der CO₂-Entfernung gesteuert.