CO2 removal from anaesthesia circuits using gas-ionic liquid membrane contactors

Abstract

Inhalational anaesthesia is delivered through assisted ventilation and is typically composed by 65-70% of anaesthetic gas (nitrous oxide or xenon), 30% of oxygen and 1-3% of halogenated hydrocarbons (HHCs). Due to the elevated costs of the anaesthesia agents, the remaining anaesthetics present in exhalation are recycled and reused, to minimize the amount of fresh anaesthesia and thus reduce the costs. An alkali hydroxide mixture, commonly called by soda lime, is used to remove CO2from the exhalation, to allow the rebreathing of the anaesthetics. However, some controversy is associated to the use of soda lime, due to the toxic compounds that can be formed in contact with HHCs.The present dissertation concerns the development of a membrane device to replace soda lime, based on two membrane contactors and a biocompatible ionic liquid as a safer strategy for the CO2removal in anaesthesia circuits. The work is divided in three main topics. The first topic focuses on the study of different cholinium-based ionic liquids affinity towards CO2, enhanced by the addition of carbonic anhydrase enzyme. The ionic liquids were tested with different water activities to assess the optimum water amount for the enzyme activity. The results showed an increased affinity towards CO2, when compared with most used ILs. The presence of a very low amount of carbonic anhydrase (0.1 mgCA/gIL) enhanced the CO2transport with a maximum increase of 63%.The second topic involved the understanding of the equilibrium and kinetics of CO2absorption in a cholinium lysinate ionic liquid solution. CO2absorption was monitored through pH measurements and attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR). A comprehensive model based on chemisorption thermodynamics and absorption kinetics is proposed and validated experimentally. Also,it is demonstrated the potential of using ATR-FTIR as a monitoring tool for absorption of CO2in aqueous solutions of cholinium lysinate.Finally, the third topic focuses on the evaluation of the performance of two distinct membrane contactors with cholinium-based ionic liquids: a microfluidic contactor with a dense polydimethylsiloxane membrane and a porous polytetrafluoroethylene capillary membrane contactor. The characterisation of the systems involved the determination of the mass transfer parameters, i.e. CO2flux across the membrane, overall mass transfer coefficients, selectivity and CO2loadings. Both configurations showed high performance for the capture of CO2, considering either nitrous oxide or xenon as inhalation anaesthetic agents. Aiming an extended shelf-life, a regenerating unit for the ionic liquid solution wasconsidered. The results showed that the use of ion-exchange resins is suitable to revert the chemisorption of CO2in these ionic liquids, avoiding the use of thermal regeneration.The major outcome from the work developed in this Ph.D. is that membrane contactors combined with cholinium-based ionic liquids are suitable for CO2removal from anaesthesia circuits and the recycling of anaesthetics with reuse of ionic liquid significantly reduces the cost per operation, leaving space for a widespread use of better performing, although more expensive, gases like xenon.

A anestesia é administrada por ventilação assistida e é tipicamente constituída por 65-70% de gás anestésico (óxido nitroso ou xénon), 30% de oxigénio e 1-3% de hidrocarbonetos halogenados. Devido ao seu elevado preço, os agentes anestésicos remanescentes presentes na expiração são reciclados, de modo a reduzir a quantidade de gases de anestesia necessários e, desta forma, reduzir os custos. Actualmente, para a remoção de CO2da corrente de expiração, é utilizada uma mistura alcalina, denominada cal sodada. No entanto, existe alguma controvérsia associada à utilização da cal sodada, devido à possibilidade de formação de compostos tóxicos através do contacto com os hidrocarbonetos halogenados.A presente dissertação centra-se no desenvolvimento de um processo de membranas para a substituição da cal sodada, baseado em dois contactores de membranas e um líquido iónico biocompatível, como alternativa mais segura para a remoção de CO2de circuitos de anestesia. O trabalho está dividido em três tópicos principais. O primeiro tópico foca-se no estudo da afinidade para o CO2 de diferentes líquidos iónicos à base do catião colina, aumentada pela adição da enzima anidrase carbónica. Os líquidos iónicos foram testados com diferentes atividades de água para avaliar a quantidade de água ideal para assegurar a atividade enzimática. Os resultados obtidos mostram que o sistema proposto tem uma afinidade superior para o CO2, quando comparado com os líquidos iónicos mais utilizados. A presença de uma quantidade reduzida de enzima (cerca de 0.1 mgCA/gIL) conduz a um aumento de cerca de 63% no transporte de CO2.O segundo tópico centra-se na compreensão do equilíbrio e da cinética da absorção de CO2numa solução de líquido iónico de lisinato de colina. A absorção de CO2foi monitorizada através de medidas de pH e de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier com reflectância total atenuada (ATR-FTIR). Foi proposto e validado experimentalmente um modelo termodinâmico e cinético de quimissorção. Foi ainda demonstrado o potencial da utilização de ATR-FTIR como ferramenta de monitorização da absorção de CO2em soluções aquosas de lisinato de colina.Finalmente, o terceiro tópicoimplica a avaliação do desempenho de dois contactores de membrana distintos com líquidos iónicos que integram o catião colina: um contactor microfluídico com uma membrana densa de polidimetilsiloxano, e um contactor de membrana capilar de politetrafluoroetileno poroso. Para estas configurações, foram determinados os parâmetros de transferência de massa, ou seja, o fluxo de CO2através da membrana, coeficientes globais de transferência de massa, selectividade e capacidade máxima de absorção de CO2. Ambas as configurações demonstraram um elevado desempenho para a captura de CO2, considerando tanto o óxido nitroso como o xénon como agentes de anestesia. Visando uma vida útil prolongada, foi ainda considerada uma unidade de regeneração para a solução de líquido iónico. Os resultados mostraram que a utilização de resinas de permuta iónica é adequada para reverter a quimissorção do CO2nestes líquidos iónicos.O principal resultado do trabalho desenvolvido neste doutoramento é a demonstração da eficiência de contactores de membranas, com utilização de líquidos iónicos integrando o catião colina, na remoção de CO2 em circuitos de anestesia. Igualmente relevante o facto de a recirculação dos compostos anestésicos e a regeneração do líquido iónico usado, reduzir significativamente os custos por operação, deixando espaço para o uso generalizado de gases mais seguros e eficientes, como o xénon apesar de mais dispendiosos.