本申請要求于2014年4月4日提交的美國臨時專利申請序列號61/975,035的優(yōu)先權，其全部內容均以引用的方式并入本文。本申請還是于2013年9月13日提交的美國專利申請序列號14/026,413的部分延續(xù)案，其中所述美國專利申請序列號14/026,413要求于2012年10月2日提交的美國臨時專利申請序列號61/708,641的優(yōu)先權。所述美國專利申請序列號14/026,413還是2013年3月15日提交的美國專利申請序列號13/844,754的部分延續(xù)案，其中所述美國專利申請序列號13/844,754要求于2012年3月15日提交的美國臨時專利申請序列號61/611,159、同樣于2012年3月15日提交的美國臨時專利申請序列號61/611,240、和于2013年1月21日提交的美國臨時專利申請序列號61/754,792的優(yōu)先權。這些申請的全部內容均以引用的方式并入本文。

背景技術：

在許多應用中，將顆粒/流體混合物分離成其單獨的組分的能力是合乎需要的。聲泳是使用高強度聲波，而不使用膜或物理尺寸排阻過濾器來分離顆粒。已知當密度和/或壓縮率存在差異(或稱為聲學對比系數)時，高強度聲音駐波能夠對流體中的顆粒施加力。駐波中的壓力分布包含在其波節(jié)處的局部最小壓力振幅和在其波腹處的局部最大值的區(qū)域。根據顆粒的密度和壓縮率，它們將被捕獲在駐波的波節(jié)或波腹處。駐波的頻率越高，能夠由駐波的壓力捕獲的顆粒越小。

許多因素導致了生物技術領域的發(fā)展，其中一些因素包括可用于生物反應器的設備的改進。設備的改進使得能夠以大規(guī)模、低成本進行生物衍生物(例如單克隆抗體和重組蛋白)的生產。用于基于生物學的新藥的生產工藝的關鍵因素之一是生物反應器及與其相關的輔助工藝。

現代生物反應器是一種非常復雜的設備。除了其他參數，生物反應器涉及流體流速、氣體含量、溫度、pH和氧含量的調節(jié)。能夠調整所有這些參數，進而使得細胞培養(yǎng)能夠盡可能有效地由生物反應器工藝產生所需的生物分子。用于生物反應器的一種工藝是灌注式工藝。灌注式工藝由于其低資金成本和高生產量而區(qū)別于補料式和分批補料式(fed-batch)工藝。

在分批補料式工藝中，將培養(yǎng)物接種于生物反應器中。采用在生長周期過程中逐步添加大量新鮮的所選的營養(yǎng)物來提高生產率和生長。在收獲培養(yǎng)物之后回收產物，產物通常是單克隆抗體或重組蛋白。目前采用多種類型的分離用過濾器將細胞、細胞碎片和其他廢物與所需的產物分離。這種過濾器是昂貴的，并且在處理生物反應器材料時會變得堵塞從而失去功能。分批補料式生物反應器還具有高的啟動成本，并且為了在生長周期結束時獲得具有成本效益的量的產物而通常需要大的體積，并且這種工藝包括大量的非生產性停工期。

灌注式生物反應器處理被供入生物反應器中的一批連續(xù)的新鮮培養(yǎng)基，同時抑制生長的副產物被不斷地移除。灌注式生物反應器工藝可以縮短或取消非生產性停工期。灌注式培養(yǎng)所達到的細胞密度(3000-10000萬個細胞/ml)通常高于分批補料模式的細胞密度(500-2500萬個細胞/ml)。然而，灌注式生物反應器需要細胞保持裝置以防止當移除副產物時培養(yǎng)物逸出。這些細胞保持系統(tǒng)增加了灌注式工藝的復雜程度，并且需要管理、控制和維持以有效運轉。以前，諸如細胞保持設備的故障或失靈等操作問題是灌注式生物反應器的難題。這在過去限制了它們的吸引力。

希望提供能夠降低使用生物反應器并從制備所需產物的細胞中將其分離的成本和努力的手段。

技術實現要素：

在多個實施方案中，本公開涉及用于生產如重組蛋白或單克隆抗體等生物分子的系統(tǒng)，以及用于從一次性的或非一次性的生物反應器系統(tǒng)的細胞培養(yǎng)物中分離這些所需產物的方法。一般而言，所述生物反應器包括用于產生多維聲駐波的聲泳裝置，其位于生物反應器的出口附近。這種駐波是由超聲換能器和反射器產生的。在本公開中，反射器是由基本上透聲的的薄材料(如某些塑料膜)，而不是固體金屬形成的。該薄材料提供恒定的壓力邊界，也稱為自由表面。實質上，這些實施方案是提供壓力釋放表面(例如從塑料膜的透明層)的例子。

在多個實施方案中，公開了一種包括具有至少一個入口和至少一個出口的流動室的裝置。至少一個超聲換能器位于所述流動室的室壁上。所述換能器包括由電壓信號驅動的壓電材料，從而在所述流動室內產生多維聲駐波。薄結構位于所述流動室的與所述至少一個超聲換能器相對的室壁上。所述薄結構提供充當反射器的壓力釋放邊界。

在具體的實施方案中，所述薄結構為塑料膜。所述塑料膜可以由選自由烯烴、聚氨酯、聚脲、聚酯、聚苯乙烯、聚酰胺、纖維素、離聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇縮丁醛，聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚四氟乙烯及其組合組成的組中的材料制成。更具體而言，所述塑料膜可以為聚丙烯。

所述薄結構能夠為(任選地)光學透明的。所述薄結構可以基本上是平的。所述薄結構可以具有這樣的厚度：其相對于由所述至少一個超聲換能器發(fā)射的頻率的波長的1/2或更小。一般而言，該厚度在10微米至1毫米(mm)的范圍內。

所述換能器可以具有包含壓電材料的殼體。該壓電材料可以為空氣襯里，即，不具有襯里層。該壓電材料可以為陶瓷晶體。

在其它實施方案中，所述壓電材料由實質上透聲的材料支撐。所述實質上透聲的材料可以為輕木、軟木、或泡沫。所述實質上透聲的材料的厚度可以為至多1英寸。所述實質上透聲的材料可以為柵格的形式。

在某些實施方案中，所述超聲換能器可以具有與所述流動室內的流體接觸的面，所述面涂覆有耐磨層，該耐磨層包含鉻、電解鎳、化學鍍鎳、聚對二甲苯、玻璃化碳或聚氨酯。

該裝置還可以包括：通向環(huán)形腔室的裝置入口、位于所述裝置入口下游的波狀噴嘴壁、由所述環(huán)形腔室包圍的收集管道、以及將所述波狀噴嘴壁連接到所述流動室入口的連接管道。

所述裝置能夠包括多個跨越所述流動室的寬度的換能器。

在多個實施方案中，還公開了一種從宿主流體中分離次級流體或顆粒的方法，包括：使所述宿主流體和次級流體或顆粒的混合物流過裝置，所述裝置包括：具有至少一個入口和至少一個出口的流動室；位于所述流動室的室壁上的超聲換能器，所述換能器包括由電壓信號驅動的壓電材料，從而在所述流動室內產生多維聲駐波；和位于所述流動室的與所述至少一個超聲換能器相對的室壁上的薄結構，所述薄結構提供充當反射器的壓力釋放邊界；以及將所述次級流體或顆粒的較小顆粒捕獲在所述多維聲波駐波中，以從所述宿主流體中分離所述次級流體或顆粒。所述次級流體或顆粒在特定點處成簇或聚結，使得最終連續(xù)地發(fā)生重力分離。換句話說，一旦發(fā)生成簇、聚結或團聚，連續(xù)的重力分離或發(fā)生。脈沖電壓信號驅動所述至少一個超聲換能器。

所述顆粒可以為中國倉鼠卵巢(CHO)細胞、NS0雜交瘤細胞、幼小倉鼠腎(BHK)細胞、昆蟲細胞或人細胞(如干細胞和T-細胞)。所述混合物可以連續(xù)地流過所述流動室。所述駐波可以具有軸向力和橫向力，所述橫向力與所述軸向力具有至少相同的數量級。

在多個實施方案中，還公開了一種裝置，包括：具有至少一個入口和至少一個出口的流動室。至少一個超聲換能器位于所述流動室的室壁上。所述換能器包括由電壓信號驅動的壓電材料，從而在所述流動室內產生多維聲駐波。薄結構位于所述流動室的與所述至少一個超聲換能器相對的室壁上。所述薄結構提供充當反射器的壓力釋放邊界。所述裝置具有-0.1至-1.0的聲反射系數。

以下更具體地描述這些和其他非限制性特征。

附圖簡要說明

以下是對附圖的簡要描述，其是為了說明本文所公開的示例性實施方案的目的，不旨在對其進行限制。

圖1為流動室的示意性平面圖，示出了本公開的薄結構/反射器。

圖2為示出如何計算圖1的裝置的聲反射系數的示意圖。

圖3A為具有一個超聲換能器和用作反射器的透明薄塑料膜的聲泳分離器的圖片。

圖3B為示出薄塑料膜反射器的圖片。

圖4為其中能夠使用本公開的反射器的聲泳分離器的截面圖。

圖5為常規(guī)超聲換能器的截面圖。

圖6為本公開的超聲換能器的截面圖。該換能器中存在氣隙，并且不存在襯里層或耐磨板。

圖7為本公開的超聲換能器的截面圖。該換能器中存在氣隙，并且存在襯里層和耐磨板。

圖8為以不同頻率驅動的正方形換能器的電阻抗振幅對頻率的圖。

圖9示出圖8中的峰振幅中的七個的沿流體流的正交方向的捕獲線(trapping line)結構。

圖10是示出聲輻射力、浮力和斯托克斯阻力與顆粒大小的關系的曲線圖。水平軸以微米(μm)表示并且垂直軸以牛頓(N)表示。

圖11為具有透聲的膜蓋的實驗用超聲換能器的圖片。

具體實施方式

通過參照以下對所需實施方案及其所包括的例子的詳細描述，本公開將更加易于理解。在以下說明書及其所附權利要求中，提及了大量術語，其應當被定義為具有以下含義。

雖然為了清楚起見在以下描述中使用了特定術語，但這些術語僅旨在指代被選擇在圖中示出的實施方案的特定結構，而不旨在限定或限制本公開的范圍。在圖中以及下文的描述中，應當理解相同的數字標號指代相同功能的部件。

除非特別說明，否則單數形式“一個”、“一種”和“這種”包括復數的所指對象。

本文所用術語“包括”是指存在所指部件/步驟，并且允許存在其他部件/步驟。術語“包括”應當被解釋為包括術語“由……構成”，術語“由……構成”只允許存在所指部件/步驟，以及來自所指部件/步驟制造過程中的任何雜質。

數值應當被理解為包括當簡化為相同數目的有效數字時相同的那些數值，以及本申請中所述的用于確定所述值的常規(guī)測量技術實驗誤差以內的與所述值不同的數值。

本文所公開的所有范圍包括所述的端點和獨立的組合(例如，范圍“2克至10克”包括端點2克和10克，以及所有中間的值)。

術語“實質上”和“約”能夠用于包括能夠變化而不改變該值的基本功能的任何數值。當在范圍中使用時，術語“實質上”和“約”還公開了由兩個端點的絕對值限定的范圍，例如，范圍“約2至約4”還公開了范圍“2至4”。術語“實質上”和“約”可以指所指示數字的正或負10％。

應當注意到，本文所用的很多術語為相對術語。例如，術語“上部”和“下部”在位置上彼此相對，即，在給定的方向，上部部件位于比下部部件更高的高度，但如果裝置倒轉，這些術語可以改變。術語“入口”和“出口”是相對于流體流經給定結構而言的，例如，流體流過入口進入結構，并且流過出口流出結構。術語“上游”和“下游”是相對于流體流過各部件的方向而言的，即，流體在流過下游部件之前流過上游部件。應當注意到，在環(huán)路中，第一部件可以被描述為第二部件的上游也可以被描述為第二部件的下游。

術語“水平”和“垂直”用于描述相對于絕對參照物(即地平面)的方向。然而，這些術語不應當被解釋為要求結構之間彼此絕對的平行或絕對地垂直。例如，第一垂直結構和第二垂直結構不是必須彼此平行。術語“向上”和“向下”也是相對于絕對參照物而言的；向上流動常與地球重力相反。

本申請涉及“相同的數量級”。如果大數值除以小數值的商為小于10的值，那么兩個數值為相同的數量級。

本公開的聲泳分離技術采用超聲駐波來捕獲體(即，保持固定)宿主流體流中的顆粒或次級流。根據顆?；虼渭壛黧w相對于宿主流體的聲學對比系數，該顆粒或次級流體收集在多維聲駐波的波節(jié)或波腹處，從而形成了這樣的簇，當該簇已生長到(例如，通過聚結或凝聚)足夠大的尺寸從而克服多維聲駐波的保持力時，形成最終由多維聲駐波中析出。這與其中粒子軌跡僅僅由聲學輻射力的效果改變的先前方法形成了重要區(qū)別。從顆粒散射的聲場導致三維聲學輻射力，其起到了三維捕獲場的作用。當顆粒相對于波長較小時，聲學輻射力與顆粒體積(例如半徑的立方)成比例。其還與頻率和聲學對比系數成比例。其還與聲能(例如聲壓振幅的平方)成比例。對于諧波激勵，力的正弦空間變化驅動顆粒進入駐波內的穩(wěn)定軸向位置。當施加于顆粒上的聲學輻射力強于流體動力阻力與浮力和重力的組合效果時，顆粒被捕獲在聲駐波場中。這導致被捕獲的顆粒聚集、凝聚和/或聚結。強的側向力造成顆粒的快速成簇。因此，能夠通過增強的重力分離將一種材料的相對大的固體與不同材料、相同材料和/或宿主流體料的較小顆粒分離。

聲泳裝置的一個具體應用是生物反應器材料的處理。重要的是能夠從流體流中被表達的物質中過濾所有細胞和細胞碎片。被表達的物質包含生物分子，例如重組蛋白或單克隆抗體，并且包含要收集的所需的產物。通過使用聲泳，細胞和細胞碎片的分離是非常有效的并且導致被表達的物質的非常少的損失。這是對當前的過濾方法(深層過濾、切向流體過濾等)的改進，當前的過濾方法在高細胞密度下顯示出有限的效率，使得被表達的物質由過濾床本身導致的損失可高達由生物反應器產生的物質的5％。已經證明使用包括中國倉鼠卵巢(CHO)、NS0雜交瘤細胞、幼小倉鼠腎(BHK)細胞和人細胞在內的哺乳動物細胞培養(yǎng)物對于生產/表達現今藥物所需的重組蛋白和單克隆抗體是非常有效的。通過聲泳來過濾哺乳動物細胞和哺乳動物細胞碎片有助于大大地提高生物反應器的收率。通過使用多維聲波的聲泳方法也可以與上游或下游的標準過濾方法結合，所述過濾方法例如為使用硅藻土的深層過濾、切向流體過濾(TFF)或其他物理過濾方法。

在此方面，對比系數為顆粒的壓縮率和密度與流體本身的壓縮率和密度之間的差別。這些性質為顆粒和流體本身的特征。與細胞懸浮在其中的培養(yǎng)基相比，大多數細胞類型都具有較高的密度和較低的壓縮率，因此細胞與培養(yǎng)基之間的聲學對比系數為正值。因此，軸向聲學輻射力(ARF)驅動具有正的對比系數的細胞朝向聲壓波節(jié)面(pressure nodal plane)移動，而具有負的對比系數的細胞或其他顆粒被驅動為朝向聲壓波腹平面(pressure anti-nodal plane)移動。聲學輻射力的徑向或橫向分力捕獲細胞。ARF的徑向或橫向分力大于流體動力阻力與重力的組合效果。徑向或橫向分力驅動細胞/顆粒向平面移動，在該處它們能夠成簇成較大的組，然后從流體中重力分離。

當細胞在駐波的波節(jié)凝聚時，還存在細胞培養(yǎng)基的物理洗滌作用，由此，由于細胞與已經保持在駐波中的細胞接觸，因此更多的細胞被捕獲。這通常可由細胞培養(yǎng)基中分離細胞。所表達的生物分子保留在營養(yǎng)液流(即，細胞培養(yǎng)基)中。

期望地，超聲換能器在流體中產生三維或多維聲駐波，該三維或多維聲駐波對懸浮的顆粒施加橫向力以伴隨軸向力，由此增加駐波的顆粒捕獲和聚集能力。在文獻中公開的典型結果記載中，橫向力比軸向力小兩個數量級。與此形成對比的是，本申請公開的技術提供了更高的橫向力，達到與軸向力相同數量級。

對于三維聲場，Gor’kov公式能夠用于計算適用于任何聲場的聲輻射力F_ac。主聲輻射力F_ac被定義為場勢(field potential)U的函數，

F_A＝-▽(U)，

其中場勢U定義如下：

并且f₁和f₂是單極和偶極貢獻率，定義如下：

其中p是聲壓，u為流動顆粒速度，Λ為細胞密度ρ_p與流體密度ρ_f的比，σ為細胞聲速c_p與流體聲速c_f的比，V_o為細胞體積，<>表示求經過波周期的時間平均值。Gor’kov公式適用于小于波長的顆粒。對于較大的粒徑，Ilinskii提供了對于任何顆粒大小的用于計算3D聲學輻射力的等式。請參見Ilinskii,Acoustic Radiation Force on a Sphere in Tissue(對組織中球體的聲學輻射力),The Journal of the Acoustical Society of America(美國聲學學會雜志),132,3,1954(2012)，其通過引用并入本文中。

壓電晶體在超聲換能器中以多模方式擾動允許產生多維聲駐波。壓電晶體能夠被具體地設計成在指定的頻率下以多模式方式變形，從而允許產生多維聲駐波。多維聲駐波能夠通過壓電晶體的不同模式產生，例如會產生多維聲駐波的3x3模式。也可以通過使壓電晶體通過許多不同模態(tài)振動來產生多個多維聲駐波。因此，該晶體將激發(fā)多種模式，例如0x0模式(即，活塞模式)到1x1、2x2、1x3、3x1、3x3和其它更高階模式，然后循環(huán)回到晶體的較低模式(不一定以直階)。晶體在模式之間的切換或抖動允許實現各種多維波形以及在指定時間內產生的單個活塞模態(tài)。

還可以用任意相位驅動多個超聲換能器。換句話說，在彼此異相的同時，多個換能器可以用于分離流體流中的物質?；蛘撸部梢赃\作已經被分成有序陣列的單獨超聲換能器，使得陣列的某些組件將與陣列的其他組件異相。

有時，由于聲流動，需要調整駐波的頻率和電壓振幅。這可以通過振幅調節(jié)和/或頻率調節(jié)來完成。還可以利用駐波傳播的工作循環(huán)來實現捕獲材料的某些結果。換言之，可以在不同的頻率下啟動或者關閉聲束，從而實現所需的結果。

由本公開的超聲換能器產生的總聲學輻射力(ARF)的橫向力是可觀的，并且足以克服處于等于和大于1cm/秒的高線性速度的流體動力阻力。例如，為了分離細胞/顆粒，通過本公開的裝置的線性速度能夠最小為4cm/分鐘，并且為了分離油/水相，能夠高達1cm/秒。流速能夠最小為25ml/分鐘，并且能夠高達40ml/分鐘到1000ml/分鐘的范圍，或甚至更高。這對于分批式反應器、分批補料式生物反應器、灌注式生物反應器而言均是如此。

本公開涉及聲泳裝置以及可以使這種裝置更經濟并且還提供增強應用范圍(它們能夠在這些應用中使用)的機會的結構。在這方面，圖1是流動室128的平面圖(俯視圖)。超聲波換能器130存在于流動室的一個室壁上，并且反射器132存在于與換能器相對的室壁上。流體流動進入/離開圖的平面。

反射器通常由固體材料(例如鋼或鋁板)制成。雖然金屬板提供良好的反射，但它也增加了流動室128的重量。在本公開中，反射器132為能夠提供壓力釋放邊界的薄結構。當聲壓在界面處為零時，出現壓力釋放邊界。

如圖1所示，薄結構132相對于流動室128具有基本上平坦的輪廓。薄結構將流動室128內的流體138與在流動室128外部的介質(通常為空氣)139分離。在運作時，由超聲換能器130產生的超聲傳播波134(如虛線所示)從反射器/空氣界面處產生的邊界137反射。換句話說，駐波的波長將穿過反射器的材料，然后從邊界137反射。因此，薄結構132應該由透聲的材料制成，即不會阻礙超聲波或具有非常低的阻抗。應當注意，聲波實際上是由空氣(即，在薄結構和空氣的界面處)反射的。為了本公開的目的，術語“反射器”可以用于指代將流動室的內部與流動室的外部分隔并且提供與空氣的界面的結構組件。然而，例如，在特定的實施方案中，換能器可以與多維聲駐波垂直定向，該多維聲駐波從換能器向上傳播進入流體中。在這種情況下，流體-空氣邊界將是提供壓力釋放邊界的自由表面，而不需要其它物理結構。

在具體的實施方案中，該薄結構的厚度為與其一起使用的超聲換能器的波長的1/2或更小，并且在更具體的實施方案中為波長的至多1/20或至多1/50。一般來說，這意味著薄結構具有10微米至1毫米的厚度。

在具體的實施方案中，提供壓力釋放邊界的薄結構是透聲的膜，例如塑料膜。塑料膜通常在框架內拉伸。塑料膜可以是透明的，從而使得流動室128的內部可視化。所述塑料膜可以由選自由烯烴、聚氨酯、聚脲、聚酯、聚苯乙烯、聚酰胺、纖維素、離聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇縮丁醛，聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚四氟乙烯及其組合組成的組中的材料制成。

圖2為解釋提供壓力釋放邊界的薄結構的運作的示意圖。還示出了流動室128，也示出了換能器130和薄結構132。在運作期間，流動室充滿流體(通常為水)，該流體具有聲阻抗Z1，其是流體的密度和流體中的聲速的乘積。當薄結構非常薄時，其聲阻抗可以忽略。流動室外部的介質139(通常為空氣)也具有聲阻抗Z2。如右側所示，腔室內的流體和腔室外的介質產生具有聲反射系數R的系統(tǒng)：該聲反射系數R是根據下式確定的：

聲阻抗是以瑞利(Rayls)(1瑞利＝1kg/m²/秒)來測量的。作為薄結構的功效的例子，0℃下的空氣的聲阻抗為428瑞利，而淡水的聲阻抗為148萬瑞利。因此，該系統(tǒng)的聲反射系數為-0.999這表明大多數聲能將以180度的相變而反射。

圖3A和圖3B中示出了使用透聲的膜作為反射器的聲泳顆粒分離器100的圖片。首先參考圖3A，多組分液體流(例如水或其它流體)進入入口104并且被分離的流體經由出口106在相對端離開。應當注意的是，當該液體流流過分離器時，該液體流通常處于壓力下。顆粒分離器100具有縱向流動通道108，該縱向流動通道108攜帶多組分液體流通過超聲換能器112和透聲的膜114，該透聲的膜114位于與換能器相對的室壁上。如圖所示，將薄塑料膜用作流動室內的空氣和流體之間的界面。圖3B是在設備運作期間的塑料膜的圖片。

圖4為其中能夠使用本公開的薄結構反射器(例如，薄塑料膜)的聲泳分離器的截面圖。這是用于將浮力流體或顆粒與宿主流體分離的4”×2.5”流動截面區(qū)域中間標度裝置124的圖。聲學路徑長度為4”。該裝置在這里顯示為這樣的取向：其中流動方向是向下的，該裝置用于從宿主流體中分離較低密度的顆粒。然而，該裝置可以基本上倒置以使得比宿主流體更重的顆粒分離。不是在向上方向上的浮力，而是由于重力，凝聚顆粒的重量將它們向下拉動。應當注意，該實施方案被描繪為具有流體垂直流動的取向。然而，也可以想到流體流可以在水平方向上或成一定角度。

含有顆粒的流體通過入口126進入裝置的環(huán)形腔室131。該環(huán)形腔室具有環(huán)形內徑和環(huán)形外徑。雖然在該圖中兩個入口是可見的，但是預期可以根據需要提供任何數量的入口。在特定的實施方案中，使用四個入口。入口徑向相對且定向。

波狀噴嘴壁129以在壁區(qū)域附近產生更高速度并且減少湍流的方式減小流動路徑的外徑，從而隨著流體速度分布的發(fā)展而產生近塞式流動，即，流體在中心線的方向上向下加速，而具有很少甚至沒有圓周運動分量和低的流動湍流。這產生了對于聲學分離和顆粒收集而言最佳的腔室流動分布。流體穿過連接管道127并進入流動/分離腔室128。波狀噴嘴壁129還為懸浮顆粒添加徑向運動分量，使顆粒更靠近裝置的中心線移動，并且與上升的、漂浮的凝聚顆粒產生更多的碰撞。這種徑向運動使得在到達分離腔室之前從連接管道127中的流體中最佳地擦除顆粒。波狀噴嘴壁129以在收集導管133的入口處產生大尺度渦流的方式引導流體，以增強顆粒收集。一般來說，裝置124的流動面積被設計成從環(huán)形腔室131到分離室128連續(xù)減小，以確保低湍流和渦流形成，從而實現更好的顆粒分離、凝聚和收集。噴嘴壁具有寬的端部和窄的端部。用術語擦洗來描述顆粒/液滴的凝聚、聚集、結塊或聚結的過程，該過程在當較大的顆粒/液滴沿與流體流動相反的方向行進并與較小的顆粒碰撞，從而有效地從懸浮液中擦洗較小的顆粒時發(fā)生。

流動/分離室128包括換能器陣列130和在腔室的相對側上的反射器132。反射器可以是上圖1中描述的薄膜-空氣界面，其中膜的一側暴露于流動室內的流體，并且膜的另一側暴露于流動室外部的空氣。在使用時，在換能器陣列130和薄膜-空氣界面132之間產生駐波134。這些駐波能夠用于凝聚顆粒，并且該取向用于凝聚飄浮的顆粒(例如油)。然后，包含殘余顆粒的流體通過流出口135離開。

隨著飄浮的顆粒凝聚，它們最終克服了流體動力阻力和聲輻射力的組合效果，并且它們的浮力136足以使飄浮的顆粒向上升高。在這方面，收集導管133被環(huán)形腔室131包圍。較大的顆粒將穿過該導管并進入收集室140。該收集室也可以是出口導管的一部分。收集導管和流出口在裝置的相對兩端。

應當注意，在分離室128中形成的飄浮的顆粒隨后穿過連接管道127和噴嘴壁129。這使得來自環(huán)形腔室的進入流在上升的凝聚顆粒上流動，這是由于由噴嘴壁施加的向內徑向運動導致的。這使得上升的顆粒也捕獲進入流中的較小顆粒，從而增加擦洗效率。因此，連接管道127和波狀噴嘴壁129的長度增加了擦洗效率。發(fā)現尺寸為0.1微米至20微米的顆粒有特別高的效率，然而常規(guī)方法的效率非常低。

本文的設計提供了優(yōu)化的速度分布(在流動室128的入口處具有低流動湍流)，在流動室之前的擦洗長度(以增強在聲學分離之前的顆粒凝聚和/或聚結)，以及收集渦流的使用(以有助于顆粒在收集導管133處的去除)。

本公開的換能器裝置產生三維壓力場，該三維壓力場包括垂直于流體流的駐波。壓力梯度足夠大，從而產生與駐波方向正交的聲泳力(即，聲泳力平行于流體流動方向)，其與駐波方向上的聲泳力有相同數量級。這允許在流動室中以及沿著良好限定的捕獲線產生增強的捕集、聚集和收集，這與常規(guī)裝置中僅在收集平面捕集顆粒形成對比。顆粒具有大量的時間移動到駐波的節(jié)點或波腹，從而產生顆?？梢约小⒛酆?或聚結，然后重力分離的區(qū)域。

在某些實施方案中，流體的流動具有高達1500的雷諾數(Reynold number)，即發(fā)生層流。對于工業(yè)中的實際應用，對于通過該系統(tǒng)的流動，雷諾數通常為10至1500。對于該顆粒，相對于流體運動的顆粒運動產生遠小于1.0的顆粒雷諾數。雷諾數表示在給定流場中慣性流動效應與粘性效應的比值。對于低于1.0的雷諾數，粘性力在流場中占主導地位。這導致顯著的阻尼，其中剪切力在整個流動中占主導地位。這種粘性力占主導的流動稱為斯托克斯(Stoke)流動。在這種情況下，室壁輪廓和流線型化很不重要。這與非常粘的流體的流動或在非常微小的通道中的流動相關，如MEMS器件。

如圖4所示，大的環(huán)形腔室后面是入口壁噴嘴，其加速并向中心線向內引導流體。壁輪廓將對分布具有大的影響。區(qū)域收斂增加了流動平均速度，但是決定速度分布的是壁輪廓。噴嘴壁輪廓將是流動流線，并且在分離器中被設計成具有小的曲率半徑。

現在更詳細地描述用于聲泳過濾裝置的超聲換能器可能是有幫助的。圖5為常規(guī)超聲換能器的截面圖。該換能器具有位于底端的耐磨板50、環(huán)氧樹脂層52、陶瓷晶體54(由例如PZT制成)、環(huán)氧樹脂層56、和襯里層58。在陶瓷晶體的兩側具有電極：正電極61和負電極63。環(huán)氧樹脂層56將襯里層58附接到晶體54。整個組件被包括在可以由例如鋁制成的外殼60中。電適配器62為電線穿過外殼并連接至附接于晶體54上的導線(未示出)提供連接。通常，襯里層被設計為增加阻尼并形成在寬的頻率范圍內具有均勻位移的寬帶換能器，并且被設計為抑制在特定的振動本征模式(vibrational eigen-mode)下的激發(fā)。耐磨板通常被設計為阻抗變換器以更好地匹配介質(換能器向其中進行輻射)的特征阻抗。

圖6為本公開的超聲換能器81的截面圖。換能器81被成形為盤或板，并且具有鋁外殼82。壓電晶體是大量的鈣鈦礦陶瓷晶體，每個由在較大的二價金屬離子(通常為鉛或鋇)的晶格中的小的四價金屬離子(通常為鈦或鋯)以及O^2-離子組成。作為例子，PZT(鋯鈦酸鉛)晶體86限定了換能器的底端，并且從殼體的外部暴露。晶體通過位于晶體和外殼之間的小的彈性層98(例如，硅樹脂或類似材料)支撐在其周邊上。換句話說，不存在耐磨層。

螺絲通過螺紋88將外殼的鋁頂板82a附接至外殼的殼體82b。所述頂板包括為換能器供電的連接器84。PZT晶體86的頂面連接至正電極90和負電極92(它們通過絕緣材料94隔離)。電極可以由任何導電材料制成，例如銀或鎳。通過晶體上的電極將電能提供至PZT晶體86。應指出，晶體86不具有襯里層或環(huán)氧樹脂層。換言之，在換能器中在鋁頂板82a和晶體86之間具有氣隙87(即，氣隙完全是空的)。如圖7所示，在一些實施方案中可以提供極小的襯里58和/或耐磨板50。

換能器的設計可影響系統(tǒng)的性能。通常的換能器為層狀結構，其中陶瓷晶體結合至襯里層和耐磨板。由于換能器負荷有駐波賦予的高機械阻抗，因此耐磨板的傳統(tǒng)的設計準則(例如，對于駐波應用的半波長厚度或對于輻射應用的四分之一波長厚度)和制造方法可能是不合適的。相比較，在本公開的一個實施方案中，換能器不具有耐磨板或襯里，這使得晶體以其本征模式之一振動并具有高的Q-因數。振動陶瓷晶體/盤直接暴露于流過流動腔室的流體。

去除襯里(例如使晶體以空氣作為襯里)還使得陶瓷晶體以很小的阻尼以振動的高階模振動(例如高階模位移)。在晶體具有襯里的換能器中，晶體以更均勻的位移振動，就像活塞。去除襯里使得晶體以非均勻位移模式振動。晶體的模態(tài)的階越高，晶體就具有越多的波節(jié)線。盡管捕獲線與波節(jié)的關聯不一定是一對一的，并且以更高的頻率驅動晶體不一定產生更多的捕獲線，但晶體的高階模位移產生更多的捕獲線。

在一些實施方案中，晶體可以具有極少地影響晶體的Q-因數(例如小于5％)的襯里。襯里可以由基本上透聲的材料制成，例如輕木、泡沫或軟木，其使得晶體以高階模態(tài)振動并保持高的Q-因數，同時還為晶體提供一定的機械支持。襯里層可以是實心的，或者可以是在層中具有孔的柵格，這樣柵格跟隨以特定的高階振動模式振動的晶體的波節(jié)，從而在波節(jié)位置提供支持，同時允許其余的晶體自由振動。柵格結構或透聲材料的目的是提供支持，而不降低晶體的Q-因數或干擾特定模態(tài)的激發(fā)。

使晶體直接與流體接觸避免了環(huán)氧樹脂層和耐磨板的阻尼和能量吸收效應，從而也提供了高的Q-因數。其他實施方案可以具有耐磨板或耐磨表面以防止含有鉛的PZT接觸宿主流體。這在(例如)如分離血液的生物應用中可能是希望的。這種應用可以使用諸如鉻、電解鎳或非電解鎳或玻璃化碳等的耐磨層。也可以使用化學氣相沉積涂覆聚(對二甲苯)(例如Parylene)或其他聚合物的層。諸如硅酮或聚氨酯等有機或生物相容性涂層也可用作耐磨表面。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)在一定電壓下運作從而使得顆粒被超聲駐波捕獲。顆粒被收集在良好限定的捕獲線中，這些捕獲線分開半個波長。在每個波節(jié)面中，顆粒被捕獲在最小聲輻射勢能處。聲輻射力的軸向分力驅動具有正對比系數的顆粒向聲壓波節(jié)面移動，而具有負對比系數的顆粒被驅動為向聲壓波腹平面移動。聲輻射力的徑向或橫向分力為捕獲、聚集和重力分離顆粒的力。在使用通常的換能器的系統(tǒng)中，聲輻射力的徑向或橫向分力通常比聲輻射力的軸向分力小幾個數量級。相反，分離器1中的橫向力能夠可觀地與軸向分力在一個數量級，并且足以克服在高達1cm/秒的線性速度下的流體動力阻力。如上所述，可以通過將換能器驅動為高階模態(tài)來提高橫向力，這種高階模態(tài)與其中晶體有效地像具有均勻位移的活塞那樣移動的振動形式不同。因此，所產生的波的類型被稱為具有位移特征的復合波，該復合波與漏對稱(leaky symmetric)(還稱為壓縮或延伸)蘭姆波相似。由于波輻射到水層中，因此它們發(fā)生泄漏，這導致在水層中產生聲駐波。對稱的蘭姆波具有相對于壓電元件的中性軸對稱的位移特征，其導致在3-D空間中產生多個駐波。這些高階振動模式可以包括模式(1,1)、(1,2)、(2,1)、(2,2)、(2,3)或(m,n)，其中m和n為1或更大。聲壓與換能器的驅動電壓成比例。電能與電壓的平方成比例。

在一些實施方案中，驅動換能器的脈沖電壓信號可以具有正弦、矩形、鋸齒或三角波形；并且頻率為500kHz至10MHz。脈沖電壓信號可以用脈沖寬度調制驅動，這產生任何所需的波形。脈沖電壓信號還可以具有振幅或頻率調制啟動/停止能力以消除聲流(streaming)。

換能器的尺寸、形狀和厚度決定了換能器在不同激發(fā)頻率下的位移，這進而影響了分離效果。通常，換能器在接近厚度共振頻率(半波長)的頻率下運作。換能器位移梯度(gradient)通常導致更多的用于待捕獲顆粒的位置。高階模位移在聲場中在所有方向上產生具有強梯度的三維聲駐波，由此在所有方向上產生相等的強聲學輻射力，這導致了多個捕獲線，其中捕獲線的數目與換能器的特定的模態(tài)有關。

為了研究換能器位移特性曲線對聲學捕獲力和分離效果的影響，使用1”x1”正方形換能器重復進行實驗10次，其中除了激發(fā)頻率以外所有條件均相同。將10個連續(xù)的聲共振頻率(圖8中以被圈起來的數字1-9和字母A示出)用作激發(fā)頻率。條件為：實驗持續(xù)時間30分鐘，1000ppm油濃度的約5微米SAE-30油液滴，流速500ml/分鐘，輸入功率20W。由于油比水致密，并且能夠利用聲泳從水中分離，因此使用了油液滴。

圖9示出當在含有油滴的水柱中運作時，所測量的換能器的作為在2.2MHz換能器共振附近的頻率的函數的電阻抗振幅。換能器電阻抗的最小值對應水柱的聲共振，并且其代表用于運作的可能的頻率。數值模擬表明，換能器位移特性曲線在這些聲共振頻率處變化顯著，由此直接影響聲駐波和所得捕獲力。由于該換能器在接近其厚度共振下運作，因此電極表面的位移是本質上異相的。換能器電極的典型位移是不均勻的，并且根據激發(fā)頻率改變。作為一個例子，在一個激發(fā)頻率下，產生了單行被捕獲的油液滴，位移在電極的中間具有單一最大值，在換能器邊緣附近具有最小值。在另一個激發(fā)頻率下，換能器特性曲線具有多個最大值，這導致產生多行受捕獲的油液滴。更高階的換能器位移模式導致更高的捕獲力以及多個穩(wěn)定的被捕獲的油液滴捕獲線。

作為換能器經過的油-水乳液，觀察并研究了油液滴捕獲線的特征。如圖9所示，對圖8所發(fā)現的10個共振頻率中的七個進行了捕獲線特征研究，包括對流動通道中的捕獲線數目進行觀察和繪制圖案。換能器的不同位移特性曲線可在駐波中產生不同的(更多的)捕獲線，其中位移特性曲線存在更多梯度通常會產生更高的捕獲力和更多的捕獲線。

換能器用于建立可產生相同數量級的與駐波方向垂直和沿駐波方向的力的壓力場。當力為大致相同數量級時，大小為0.1微米至300微米的顆粒更有效地向凝聚區(qū)域(“捕獲線”)移動。由于垂直聲泳分力具有相等的大梯度，因此在換能器與反射器之間具有在駐波方向上位置規(guī)則分布的“熱點”或顆粒集中區(qū)。熱點位于聲學輻射勢能最小的位置。這些熱點代表顆粒集中位置。

圖10是示出聲輻射力、流體動力阻力和浮力與顆粒半徑的縮放比例的對數-對數圖(對數y軸，對數x軸)。對實驗中使用的典型SAE-30油液滴進行計算。浮力是依賴于顆粒體積的力，因此對于微米量級的粒徑是可忽略的，但是對于幾百微米量級的粒徑會增長，并且變得顯著。流體動力阻力與流體速度成線性比例，因此對于微米尺寸顆粒通常超過浮力，但對于數百微米數量級的較大尺寸顆粒來說可忽略不計。聲輻射力縮放作用不同。當粒徑較小時，聲學捕獲力隨著粒子的體積而縮放。最終，當粒徑增大時，聲輻射力不再隨著顆粒半徑的立方而增加，并且將在特定的臨界粒徑下迅速消失。隨著粒徑的進一步增加，輻射力在大小上再次增加，但具有相反相位(圖中未示出)。隨著粒徑增加，該模式重復。

最初，當懸浮液流過具有主要為小的微米尺寸顆粒的系統(tǒng)時，對于待捕獲在駐波中的顆粒而言，聲輻射力必須平衡流體動力阻力和浮力的組合效果。在圖10中，這發(fā)生在粒徑為約3.5微米上，標記為R_c1。然后該圖表明所有較大顆粒也將被捕獲。因此，當小顆粒被捕獲在駐波中時，發(fā)生顆粒聚結/結塊/聚集/凝聚，導致有效粒徑的連續(xù)生長。隨著粒徑增大，聲輻射力從顆粒反射，使得大顆粒導致聲輻射力降低。粒徑繼續(xù)生長直到浮力/重力變?yōu)橹鲗?，這由第二臨界粒徑R_c2表示，在該尺寸下，根據顆粒相對于宿主流體的相對密度，顆粒將上升或下沉。因此，圖10解釋了小顆粒如何能夠在駐波中連續(xù)捕獲，生長成更大的顆?；驁F塊，然后最終由于浮力/重力的增加而上升或沉降。

在生物應用中，預期所述系統(tǒng)的所有部分(例如反應容器、導向或出自生物反應器的管道、溫度調節(jié)夾套等)都可以彼此分離，并且為一次性的。還可以改變換能器的頻率以在給定功率下獲得最佳效果。

提供以下實施例以說明本公開的裝置、組件和方法。這些實施例僅僅是說明性的并且不旨在將本公開限制于本文中闡述的材料、條件或工藝參數。

實施例

實施例1

使用厚度為0.60密爾(15.24微米)的聚烯烴熱收縮膜作為透聲的膜，以形成流體-空氣界面，并使用空的換能器殼體將其夾在適當位置。當換能器在2.2MHz的頻率下運作時，該厚度是波長的1/50。圖3A為測試裝置的圖片。

圖3B是在運作期間的塑料膜-空氣界面反射器的圖片。通過塑料膜(其也是光學透明的)可以看到5×5捕獲線模式的運作。白色的捕獲線通過塑料膜是可見的。與使用鋼反射器相比，該裝置的總效率僅降低了3％，其在測量誤差的范圍內。

實施例2

將透聲薄膜170附接到超聲換能器的壓電晶體(尺寸為1英寸×1英寸)172的表面。使用兩種不同的塑料薄膜，一個約60微米厚并且一個約350微米厚。使用超聲波傳輸凝膠174的薄層以確保在薄膜和晶面之間沒有氣穴。圖11為正方形換能器的圖片和所得結構的圖。

測試了三種類型的反射器：鋼反射器、約60微米厚的薄塑料膜反射器(R-ATF)和約350微米厚的薄塑料膜反射器(R-TBC)。使用了三種不同類型的壓電晶體：具有約60微米厚的塑料薄膜蓋的晶體(C-ATF)；具有約350微米厚的塑料薄膜蓋的晶體(C-TBC)；和未涂覆的γ滅菌晶體(UC)。

測試這些晶體/反射器組合以確定其對具有2億細胞/mL的3％酵母進料的分離和所指示的起始濁度的影響。進料流速為30ml/min，濃縮物產率為5mL/min，滲透物產率為25/mL/min。除非另有說明，晶體的功率為7-11瓦，并且頻率為2.2455MHz。350微米厚的膜約為在該頻率下的波長的厚度的一半。

30分鐘后，測量濃縮物、滲透物和滯留物。濃縮物是離開裝置的部分，其包含濃縮酵母和一些流體。滲透物是離開裝置的過濾部分，其主要是具有低得多的酵母濃度的液體。滯留物是運作后留在裝置中的剩余物質。

結果提供在下表1中。

表1

從本文可以看出，濁度在在滲透物中大大降低，而在濃縮物中大大增加，表明該系統(tǒng)的效率。

已經參照示例性實施方案描述了本公開。顯然，通過閱讀并理解上文的詳細描述，本領域技術人員可以進行改變或修改。本公開旨在被理解為包括所附權利要求及其等價形式的范圍以內的所有這些改變和修改。