Suitability of water as a blood model for the quantitative determination of the CO2 separation rate of membrane oxygenators

Abstract

Wasser ist aufgrund seiner einfachen Handhabung ein gängiger Blutersatz zur Bestimmung der CO2 Abtrennleistung von künstlichen Lungen, sogenannten Oxygenatoren. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden in vivo Tests mit Schweineblut in Form von in vitro Tests mit Wasser wiederholt. In beiden Versuchskampagnen wurde die CO2 Abtrennleistung eines Oxygenatorprototypen bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass Wasser trotz einer geringeren CO2 Bindungskapazität und einer niedrigeren Viskosität ähnliche CO2 Abfuhrraten wie Blut aufweist. Um den Einfluss der Bindungskapazität sowie der Viskosität auf die Konzentrationspolarisation in der Grenzschicht zu untersuchen wurden numerische Strömungssimulationen (engl.: Computational Fluid Dynamics (CFD) Simualtions) durchgeführt. Die Konzentrationspolarisation welche blutseitig an der Membranoberfläche auftritt ist dabei von besonderem Interesse. Sie kann als der dominierende Widerstand für die CO2 Abtransport angesehen werden. Die CFD Simulationen welche mit dem Open-Source Programm OpenFOAM® und dem hausintern entwickelten Solver membraneFOAM durchgeführt wurden, erlauben dabei eine Bestimmung der Dicke der Konzentrationspolarisation sowie der CO2 Abfuhrrate.Die CO2 Abfuhrrate lässt sich darüber hinaus auch durch Sherwood-Korrelationen bestimmen. In Zuge dieser Arbeit wurden die empirischen Parameter einer SherwoodKorrelation bestimmt. Hierfür wurde die in vitro mit Wasser bestimmte CO2 Abtrennleistung des Oxygenatorprototypen herangezogen. Des Weiteren wird eine Methode evaluiert, welche die Umrechnung des Transportwiderstandes und somit der CO2 Abtrennleistung mit Wasser zu jener mit Blut erlaubt. Die Umrechnung wird durch eine geeignete Anpassung der Materialparameter in der Reynolds- und Schmidtzahl, welche in der Sherwood-Korrelation enthalten sind, vorgenommen.

In the context of this master thesis in vivo tests with porcine blood were repeated in the form of in vitro tests with water. In both test campaigns the CO2 separation efficiency of an oxygenator prototype was determined. It could be shown that water has similar CO2 removal rates as blood despite lower CO2 binding capacity and lower viscosity.Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were performed to investigate the influence of the binding capacity and viscosity on the concentration polarization in the boundary layer. The concentration polarization which occurs on the blood side of the membrane surface is of particular interest. It is the limiting factor and dominant resistance for the CO2 separation rate. The CFD simulations performed with the opensource program OpenFOAM® and the in-house developed solver membraneFOAM allow to determine the thickness of the concentration polarization and the CO2 removal rate.The CO2 removal rate can also be determined by Sherwood correlations. In this work the empirical parameters of a Sherwood correlation were determined. For this purpose, the CO2 removal rate of the oxygenator prototype determined in vitro with water was used. Furthermore, a method is evaluated which allows the conversion of the transport resistance and thus the CO2 removal rate with water to that with blood. The conversion is performed by a suitable adjustment of the material parameters in the Reynolds and Schmidt numbers, which are contained in the Sherwood correlation.