專利名稱：磁場和磁場梯度增強(qiáng)的離心固－液分離的制作方法
本專利申請要求2004年2月17日提交的美國臨時專利申請No.60/545,063和2004年3月12日提交的美國臨時專利申請No.60/552,581的權(quán)益，其中每一項都以其整體列為本文的一部分，以期達(dá)到所有目的。
發(fā)明領(lǐng)域 本發(fā)明涉及連續(xù)的、間歇的和改善的離心固-液分離方法。

背景技術(shù)：
固-液分離的使用是廣泛的，范圍從固-液混合物中礦物質(zhì)的大體積分離到生物技術(shù)或醫(yī)藥工業(yè)中高價值產(chǎn)物的小批量分離。在過去50年中，重力，壓力、溫度、離心作用、和流體力學(xué)一直主宰傳統(tǒng)的固-液分離。傳統(tǒng)的固-液分離典型地由2個基本步驟組成。第一步是一個機(jī)械步驟，其中用機(jī)械手段使用固體顆粒物與液體分離。該機(jī)械手段可以是機(jī)械壓力，例如由活塞、氣體壓力、流體壓力、重力壓力、離心壓力或其組合施加的機(jī)械壓力，其中液體通過過濾器而固體由該過濾器截留。所遇到的一個問題是由于固體“穿透”即通過該過濾器而造成的固體損失。一個甚至更嚴(yán)重的問題是該機(jī)械分離步驟不能導(dǎo)致完全分離。這需要第二個步驟，即熱干燥步驟。熱干燥過程，與機(jī)械步驟相比，能量效率低非常多，即低100～200倍以上。由于每年加工龐大體積的材料，因而更高效率的機(jī)械固-液分離將因減少下游干燥需要而導(dǎo)致總能耗大幅度降低。這會沖擊能源消耗，因為熱干燥占世界總能源消耗的顯著部分。
在一些情況下，高梯度磁場分離已經(jīng)用來分離固-液混合物中的特定磁性固體。
本發(fā)明的一個目的是提供一種效率更高、更快的離心固-液分離方法。
發(fā)明概要 本發(fā)明提供一種含有磁性微粒的固-液混合物的離心固-液分離方法，包含使該固-液混合物同時經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用。一個旋轉(zhuǎn)的磁性基體是該定域磁場梯度的源。這些定域磁場梯度所提供的磁力將磁性微粒吸引到該旋轉(zhuǎn)磁性基體上。這個過程可以是連續(xù)的，也可以是間歇的。
本發(fā)明也提供該磁性基體，從而在該過程期間磁場得以存在。
當(dāng)該固-液混合物含有亞鐵磁性、高鐵磁性、抗亞鐵磁性、順磁性或抗磁性固體時，或當(dāng)該固-液混合物接種亞鐵磁性微?；蝽槾判晕⒘r，本發(fā)明的方法是有效的。當(dāng)磁性微粒附著到要分離的目標(biāo)材料上時，即當(dāng)使用“功能化磁性珠?！辈⑹怪街礁邇r值目標(biāo)材料例如蛋白質(zhì)、DNA質(zhì)粒及其它生物材料上時，該方法是特別有用的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，≥100T/m的磁場梯度可用于本發(fā)明方法。較好的是高磁場梯度，即≥5000T/m的梯度。
本發(fā)明也提供一種改進(jìn)的、含有磁性微粒的固-液混合物的離心固-液分離方法，該改進(jìn)包含使該固-液混合物同時經(jīng)受離心作用和一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以促進(jìn)該磁性微粒的聚集。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種在使該固-液混合物經(jīng)受離心分離過程之前使含有磁性微粒的固-液混合物經(jīng)受一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以促進(jìn)該磁性微粒聚集的方法。
附圖簡要描述

圖1是顯示該磁性基體各元件的構(gòu)型的一些實例。
圖2是一幅示意圖，顯示連續(xù)離心方法的一種實施方案。

具體實施例方式 本發(fā)明提供含有磁性微粒的固-液混合物的連續(xù)、間歇和改進(jìn)的離心固-液分離方法。
本發(fā)明的方法包含使該固-液混合物同時經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用。磁場梯度導(dǎo)致磁力作用于該固-液混合物中存在的磁性微粒，即亞鐵磁性、高鐵磁性、抗亞鐵磁性、順磁性或抗磁性微粒。旋轉(zhuǎn)磁性基體最方便地產(chǎn)生本發(fā)明所需要的定域磁場梯度和離心作用。該定域磁場梯度提供的磁力將磁性微粒吸引到磁性基體上。磁場梯度較好≥100T/m。最好的是高磁場梯度，即≥5000T/m的梯度。
該磁性基體由能提供定域磁場梯度的任何材料構(gòu)成。典型地，它是用一種當(dāng)置于磁場中時能提供定域磁場梯度的材料例如鋼絲、鋼棒、鋼毛、鋼絲網(wǎng)等構(gòu)成的。磁性基體在其中旋轉(zhuǎn)的容器外的螺線管或永磁體可以產(chǎn)生該磁場。該磁性基體可以由一種包含磁性金屬絲陣列的元件組成，也可以由多個可以相同也可以不同的此類元件組成。將這些元件排列在該容器內(nèi)。在一種實施方案中，該元件是平面的且該平面垂直于該容器的軸。這些元件可以具有的一些構(gòu)型的實例顯示于圖1中。圖1a顯示一種包含從中心向外徑向延伸的金屬絲或棒的元件。圖1b顯示一種包含向外徑向延伸的金屬絲和同心圓金屬絲的元件。圖1c顯示一種包含向外延伸的支化金屬絲的元件。圖1d顯示一種包含從中心向外延伸的彎曲金屬絲的元件。圖1e顯示一種包含金屬絲網(wǎng)的元件。這些金屬絲的形狀和尺寸可以各異。這些元件相對于該容器直徑而言的直徑可以各異。在一種實施方案中，所使用的元件從中心即該容器的軸延伸到該容器的內(nèi)壁。該磁性基體的金屬絲可以自由放置也可以有支持。在另一種實施方案中，該元件不是平面的，而是呈錐形，其軸沿該容器的軸配置。
該磁性基體是在該固-液混合物向其中進(jìn)料的容器內(nèi)旋轉(zhuǎn)的。該磁性基體在其中旋轉(zhuǎn)的容器可以是一臺有旋轉(zhuǎn)部件的離心機(jī)，在這種情況下，該離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和旋轉(zhuǎn)的磁性基體兩者對該磁性微粒經(jīng)受的離心力都有貢獻(xiàn)?！半x心機(jī)”這一術(shù)語在此用來包括任何一種有能提供離心力的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)螺桿及其它旋轉(zhuǎn)部件的容器。它包括能提供離心力的潷析器、分離器和旋液分離器。在這種情況下，該磁性基體可以固定到該離心機(jī)的轉(zhuǎn)子、螺桿或軸上并以與該離心機(jī)相同的頻率旋轉(zhuǎn)，也可以附著到一個有單獨驅(qū)動的單獨軸上以獨立地調(diào)整旋轉(zhuǎn)頻率。離心機(jī)與磁性基體旋轉(zhuǎn)頻率之差可以用來作為調(diào)整該分離過程的一個參數(shù)?！半x心機(jī)”這一術(shù)語也包括一種有一個切向即徑向入口的靜態(tài)離心機(jī)，該入口導(dǎo)致固-液混合物的螺旋運動和離心力。
替而代之，該磁性基體在其內(nèi)旋轉(zhuǎn)的容器可以是固定的即不旋轉(zhuǎn)的容器。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)的磁性基體是離心力的唯一來源。
該固-液混合物可以要么軸向地要么切向地即徑向地進(jìn)料到該容器中。該固-液混合物可以包括絮凝劑、表面活性劑、和溶膠。該固-液混合物還可以簡稱為懸浮液。
該固-液混合物中的磁性微?？梢允莵嗚F磁的、高鐵磁的、抗亞鐵磁的、順磁的或抗磁的。該固-液混合物也可以接種亞鐵磁或順磁微粒以促進(jìn)分離。當(dāng)使用“功能化磁性珠?！睍r，即當(dāng)磁性微粒附著到要分離的目標(biāo)固體上時，這種改進(jìn)的方法也是有效的。高價值目標(biāo)材料例如昂貴的生物材料可以附著到這樣的磁性微粒上，以期便利該分離過程和減少昂貴生物材料的損失。“功能化磁性珠?！笔峭ㄟ^用一種已知能結(jié)合到該目標(biāo)生物材料上的生物實體或化學(xué)實體處理其表面而“功能化”的磁性微粒。在有附著目標(biāo)材料的“功能化磁性珠?！狈蛛x之后，一個分離步驟可以使該目標(biāo)材料與該功能化磁性珠粒分離。該磁性珠?？梢灾貜?fù)利用。本文中使用的“磁性微?！卑ū径沃刑岬降乃写判圆牧稀?br> 由于磁力作用的結(jié)果，該磁性微粒被吸引并粘附到磁性基體上。由于離心力作用的結(jié)果，該磁性微粒沿徑向朝外移向該容器內(nèi)壁。該磁性微粒沿徑向朝外移動及其集合于該磁性基體的外端導(dǎo)致該磁性基體的自凈，從而可以收集額外的磁性微粒。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)的磁性基體是離心力的唯一來源時，基本上只有磁性微粒才感受該離心力，因為它們粘附到旋轉(zhuǎn)的磁性基體上。這些磁性微粒朝外移動到該容器的內(nèi)壁，在此可以將其收集。當(dāng)該過程這樣進(jìn)行時，它會特別有用于從含有要回收的磁性微粒和被認(rèn)為是廢產(chǎn)物的組成部分的非磁性微粒的固-液混合物中分離出磁性微粒。本發(fā)明的方法當(dāng)以這種方式進(jìn)行時特別適合于作為連續(xù)法運行。將固-液混合物連續(xù)進(jìn)料到磁性基體在其內(nèi)旋轉(zhuǎn)的容器中。磁性微粒收集于該磁性基體的外端并從該容器上取下作為產(chǎn)品。該固-液混合物中的任何非磁性微粒都不吸引到該磁性基體上，而隨液體一起流過該容器并隨廢物流中的液體一起從該容器中排出。
其旋轉(zhuǎn)的磁性基體是離心力的唯一來源的本發(fā)明連續(xù)法的一種實施方案的一幅示意圖顯示于圖2中。圖2a顯示一個有兩套同心圓筒壁的正圓筒形式的容器1的縱斷面?？v壁2圍成一個內(nèi)圓筒，而壁2和3圍成一個外圓筒殼。旋轉(zhuǎn)的磁性基體4附著到軸5上。軸5像箭頭6所指出的那樣旋轉(zhuǎn)。箭頭標(biāo)記的B指出磁場的存在和方向。該磁場可以在另一個方向上，但較好平行于該容器的軸或有一個平行于該容器的軸的大分量。圖2b是一個水平截面，顯示該旋轉(zhuǎn)磁性基體的構(gòu)型。在這種情況下，該磁性基體只包含一個元件，但類似的或不同的元件可以附著到軸5上并由其旋轉(zhuǎn)。為該元件顯示的構(gòu)型類似于圖1a中所顯示的那種，即有從中心沿徑向朝外延伸的金屬絲或棒。這些金屬絲或棒從該軸延伸出來，經(jīng)由壁2上的孔進(jìn)入外圓筒殼中。該固-液混合物像箭頭7所指出的那樣連續(xù)地饋入內(nèi)圓筒中。該固-液混合物包含顯示為有白色中心的小球8的磁性微粒、顯示為實心黑球9的非磁性固體、和液體。該固-液混合物，作為任何施加的壓力和重力的結(jié)果，從內(nèi)圓筒頂部朝底部流動。作為該磁性基體的磁場梯度和所產(chǎn)生的磁力的結(jié)果，磁性微粒被吸引并附著到該磁性基體上。高磁場梯度是較好的，因為它們導(dǎo)致更大的力和該磁性微粒對該磁性基體的更強(qiáng)附著。作為該旋轉(zhuǎn)磁性基體所提供的離心力的結(jié)果，該磁性微粒沿徑向朝外移向壁2。它們經(jīng)由壁2上的孔進(jìn)入外圓筒殼。將一種液相緩沖溶液像箭頭10所指出的那樣饋入外圓筒殼中。當(dāng)磁性微粒通過壁2上的孔進(jìn)入外圓筒殼中時，它們就卷入該緩沖溶液流中并像箭頭11所指出的那樣從該裝置排出。該緩沖溶液要選擇得便利該磁性微粒從該溶液中分離出來。當(dāng)該磁性微粒是有所附著的目標(biāo)產(chǎn)物的功能化磁性珠粒時，就使目標(biāo)產(chǎn)物與該磁性珠粒分離并重復(fù)利用該磁性珠粒。非磁性微粒沒有吸引到該磁性基體上，基本上不受離心力作用，繼續(xù)隨該固-液混合物的液體一起經(jīng)由內(nèi)圓筒流動，并像箭頭12所指出的那樣隨該液體一起從內(nèi)圓筒排出。
本發(fā)明方法可以用于選擇性分離，即使磁性微粒與非磁性微粒和液體分離。這種方法也可以用來分離液體中的磁性微粒，或?qū)⒉煌６鹊拇判晕⒘７诸?。高梯度磁場?dǎo)致高磁力，使得能分離更小的磁性微粒，從而能使用更小的微粒作為磁性珠粒。作為磁場存在的結(jié)果的聚集便利這樣的分離。磁性納米微?？梢杂帽景l(fā)明方法分離。
本發(fā)明也為含有磁性微粒的固-液混合物的離心固-液分離提供一種改進(jìn)的方法，該改進(jìn)包含使該固-液混合物同時經(jīng)受離心作用和一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以促進(jìn)該磁性微粒的聚集。在一種實施方案中，一個振蕩磁場與離心作用配合使用。
從均勻磁場的施加所產(chǎn)生的改進(jìn)是由于該混合物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化或濾餅的多孔性結(jié)構(gòu)所致。均勻的磁場能使磁性微粒正向或反向準(zhǔn)直。因此，所施加的均勻磁場改變該固-液混合物的結(jié)構(gòu)。該固體微粒在該磁場的存在下聚集。當(dāng)這些微粒聚集時，它們增加其有效直徑。該聚集體有更高的質(zhì)量，因而感受到比一個單一磁性微粒更高的離心力。因此，微粒的聚集導(dǎo)致固-液分離時間減少。該均勻磁場可以在相對于離心力而言的任何角度上施加。
有了磁場梯度，就有磁力作用于該磁性微粒上。該磁場梯度會有助于有以上所討論的優(yōu)點的聚集。
也有利的是，在使該固-液混合物經(jīng)受離心分離過程之前，使該固-液混合物經(jīng)受一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以期使該固體微粒聚集。在一種實施方案中，將一個振蕩磁場與離心作用結(jié)合使用。在這個聚集步驟之后，可以使該固-液混合物經(jīng)受與該離心作用過程結(jié)合的另一均勻磁場、一個磁場梯度或兩者。該離心作用過程可以是本發(fā)明的連續(xù)法，也可以是沒有磁性基體的慣常離心作用過程。
發(fā)明實施例 本實施例的目的是要證實在離心分離過程期間作為施加磁場的結(jié)果的改善。
使用一臺直徑為35mm、長度為94mm的靜態(tài)有機(jī)玻璃離心機(jī)測定一種由水中約0.5vol％磁鐵礦Fe3O4組成的固-液混合物的分離。該磁鐵礦有20μm的中值粒度。在該離心機(jī)的一端附近，有一個噴嘴直徑為2mm的切向入口。該固-液混合物對該切向入口的饋入導(dǎo)致該混合物的螺旋運動和作用于該磁鐵礦微粒上的離心力。在該離心機(jī)的另一端，有兩個出口，即一個切向下流式出口和一個軸向上流式出口。進(jìn)料流量率是3.9l/min。
作為離心力的結(jié)果，該磁鐵礦微?？梢灶A(yù)期會沿徑向朝外移動并集合于該下流式出口，而清水則經(jīng)由軸向上流式出口離開該工藝室。
該過程以不加磁場的方式運行，在上流式出口流中實測0.39vol％磁鐵礦。
然后，將該靜態(tài)離心機(jī)置于一個均勻磁場中，即B＝0.035T-一種超導(dǎo)磁體的非常小剩余磁場。該過程在這種小磁場的存在下運行，在上流式出口流中實測0.29vol％磁鐵礦。這就是在上流式出口流中磁鐵礦體積百分率降低25％。這顯示當(dāng)在離心分離過程期間施加一個磁場時微粒聚集的效益和分離的改善。
權(quán)利要求
1.含有磁性微粒的固-液混合物的離心固-液分離的連續(xù)方法，包含使該固-液混合物同時經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用，其中所述定域磁場梯度的來源是在所述離心作用發(fā)生的容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁性基體。
2.權(quán)利要求1的連續(xù)方法，其中所述磁性基體在于離心作用期間磁場的存在。
3.權(quán)利要求1的連續(xù)方法，其中所述容器是一種離心機(jī)。
4.權(quán)利要求1的連續(xù)方法，其中所述旋轉(zhuǎn)磁性基體是該離心力的唯一來源。
5.權(quán)利要求1的連續(xù)方法，其中所述旋轉(zhuǎn)磁性基體由一個包含磁性金屬絲陣列的元件組成。
6.權(quán)利要求1的連續(xù)方法，其中所述旋轉(zhuǎn)磁性基體由兩個或更多個各自包含磁性金屬絲陣列的元件組成。
7.權(quán)利要求2的連續(xù)方法，其中所述旋轉(zhuǎn)磁性基體從所述容器的軸延伸到所述容器的內(nèi)壁。
8.權(quán)利要求2的連續(xù)方法，其中所述定域磁場梯度有≥100T/m的量級。
9.權(quán)利要求9的連續(xù)方法，其中所述定域磁場梯度有≥5000T/m的量級。
10.權(quán)利要求1～9中任何一項的連續(xù)方法，其中所述磁性材料是附著到高價值目標(biāo)材料上的功能化磁性珠粒。
11.權(quán)利要求1～9中任何一項的連續(xù)方法，其中，在使所述固-液混合物經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用之前，使所述固-液混合物經(jīng)受一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以促進(jìn)該磁性微粒的聚集。
12.權(quán)利要求10的連續(xù)方法，其中，在使所述固-液混合物經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用之前，使所述固-液混合物經(jīng)受一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以促進(jìn)該磁性微粒的聚集。
13.權(quán)利要求1～9中任何一項的連續(xù)方法，其中所述連續(xù)方法用來對不同粒度的磁性材料進(jìn)行分類。
14.權(quán)利要求1～9中任何一項的連續(xù)方法，其中所述連續(xù)方法用來將磁性材料與非磁性材料分開。
15.權(quán)利要求14的連續(xù)方法，其中，在使所述固-液混合物經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用之前，使所述固-液混合物經(jīng)受一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以促進(jìn)該磁性微粒的聚集。
16.含有磁性微粒的固-液混合物的離心固-液分離的間歇方法，包含使該固-液混合物同時經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用，其中所述定域磁場梯度的來源是在所述離心作用發(fā)生的容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁性基體。
17.權(quán)利要求16的間歇方法，其中所述磁性基體在于離心作用期間磁場的存在。
18.權(quán)利要求16的間歇方法，其中所述容器是一種離心機(jī)。
19.權(quán)利要求16的間歇方法，其中所述旋轉(zhuǎn)磁性基體是該離心力的唯一來源。
20.權(quán)利要求16的間歇方法，其中所述旋轉(zhuǎn)磁性基體由一個包含磁性金屬絲陣列的元件組成。
21.權(quán)利要求16的間歇方法，其中所述旋轉(zhuǎn)磁性基體由兩個或更多個各自包含磁性金屬絲陣列的元件組成。
22.含有磁性微粒的固-液混合物的離心固-液分離的改進(jìn)方法，該改進(jìn)包含使該固-液混合物同時經(jīng)受離心作用和一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以促進(jìn)該磁性微粒的聚集。
23.權(quán)利要求22的改進(jìn)方法，其中所述離心過程用來將磁性材料與非磁性材料分開。
24.含有磁性微粒的固-液混合物的離心固-液分離的改進(jìn)方法，該改進(jìn)包含在使該固-液混合物經(jīng)受一個離心分離過程之前使所述固-液混合物經(jīng)受一個均勻磁場、一個磁場梯度或兩者，以促進(jìn)該磁性微粒的聚集。
25.權(quán)利要求24的改進(jìn)方法，其中該固-液混合物所經(jīng)受的離心過程包含使該固-液混合物同時經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用，且其中所述定域磁場梯度的來源是在所述離心作用發(fā)生的容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁性基體。
26.權(quán)利要求24或25的改進(jìn)方法，其中所述離心過程用來將磁性材料與非磁性材料分開。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連續(xù)的或間歇的離心固－液分離方法，包含使該固－液混合物同時經(jīng)受定域磁場梯度和離心作用，還涉及改善的離心固－液分離方法，其中該改善包含使該固－液混合物在該離心之前和/或期間同時經(jīng)受一個均勻磁場、一個磁場梯度、或兩者。
文檔編號B01D35/06GK1917959SQ20058000458
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者B·C·福赫斯, C·霍夫曼, K·凱勒, C·M·雷伊 申請人:納幕爾杜邦公司