用于磁場梯度增強離心的設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于磁場梯度增強離心的設備。本發(fā)明涉及一種進行連續(xù)或分批離心固-液分離過程的設備，其中所述固-液混合物經(jīng)受磁場梯度和離心作用。
【專利說明】用于磁場梯度增強離心的設備
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00680012796.6母案的分案申請。該母案的申請日為2006年2月17日；發(fā)明名稱為“用于磁場梯度增強離心的設備”。本申請要求2005年2月17日提交的美國臨時申請60/653，701的權利，其全文通過引用結合到本文中。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種由存在磁場梯度增強的離心設備。
【背景技術】
[0003]從固-液混合物大體積分離礦物到生物技術或制藥工業(yè)中的高價值產(chǎn)物的小批量分離，固-液分離廣泛應用。在過去的50年里，重力、壓力、溫度、離心和流體動力一直是常規(guī)固-液分離的主要方面。常規(guī)固-液分離通常由兩個主要步驟組成。在第一步驟中，通過施加壓力使固體顆粒從液體分離。壓力可通過機械施加壓力的方法施加，這可包括活塞、氣體壓力、流體動力壓力、重力壓力、離心壓力或其組合，其中液體通過濾器，而固體由濾器保留。所遇到的一個問題是由于固體“穿透”(即通過)濾器發(fā)生固體損失。一個更嚴重的問題是機械分離步驟不產(chǎn)生完全分離。這必然要增加第二步驟，熱干燥過程。
[0004]熱干燥過程的能量效率比機械步驟低得多，能量效率低100-200倍。由于每年要處理大量材料，通過降低下游干燥需求，更有效的機械固-液分離將使總體能耗顯著降低。由于熱干燥占全世界能量消耗的相當大部分，因此這會影響能量消耗。
[0005]在某些情況下，已經(jīng)用高梯度磁場分離從固體與液體的混合物分離特定磁性固體。
[0006]本發(fā)明的目的就是提供一種能夠更有效地分離包含磁性顆粒的固-液混合物的設備。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明提供一種離心分離包含磁性顆粒的固-液混合物的設備，所述設備包括在其內部進行離心的容器和在容器內的旋轉的磁性基體(magnetic matrix)。此設備進行的分離過程通過存在磁場梯度得以增強。旋轉的磁性基體為磁場梯度源。由這些定域磁場梯度提供的磁力將磁性顆粒吸引到旋轉的磁性基體。本發(fā)明提供一種可用于連續(xù)方法的設備和可用于分批方法的設備。
[0008]所述設備進一步包括在由磁性基體占據(jù)的設備區(qū)域提供磁場的裝置。
[0009]在固-液混合物包含鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性、順磁性或抗磁性固體時，或者固-液混合物用鐵磁性或順磁性顆粒接種時，可使用本發(fā)明的設備。在磁性顆粒結合到要被分離的目標物質時，即在“官能化的磁性球?！北皇褂貌⑶医Y合到高價值目標物質時，如蛋白質、DNA質粒及其他生物物質，也可使用此設備。
[0010]已發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生≥ 100T / m場梯度的磁性基體可用于此設備。產(chǎn)生高磁場梯度如≥ 5000T / m梯度的磁性基體是優(yōu)選的?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0011]圖1顯示磁性基體元件的結構的一些實例。
[0012]圖2為顯示進行連續(xù)分離方法的磁場梯度增強離心設備的一個實施方案的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明提供一種對包含磁性顆粒的固-液混合物進行連續(xù)或分批離心固-液分離的設備，其中所述設備的性能通過存在磁場梯度增強。
[0014]本發(fā)明的設備使固-液混合物同時經(jīng)受離心和磁場梯度。在這些梯度于其中進行分離的設備內起作用并因此使磁性顆粒在設備內經(jīng)歷移動的意義上，這些梯度可以為定域磁場梯度。磁場梯度對固-液混合物中存在的磁性顆粒提供磁力。磁性顆?？梢詾殍F磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性、順磁性或抗磁性顆粒。旋轉的磁性基體產(chǎn)生磁場梯度，而由磁場梯度提供的磁力將磁性顆粒吸引到磁性基體。磁場梯度優(yōu)選> 100T / m。高磁場梯度如≤5000T / m的梯度是最優(yōu)選的。
[0015]磁性基體可由任何在磁場中提供磁場梯度的材料構成。通常由在放入磁場時提供磁場梯度的材料構成，如鋼線、鋼棒、鋼棉和/或鋼篩網(wǎng)。磁性基體可包括一個元件，所述元件包括一組磁線，或可包括相同或不同的多個此類元件。元件可以多種結構布置于容器內。在一個實施方案中，該元件是平面的，并且平面與容器的軸線垂直。
[0016]圖1顯示基體的元件可采取的一些結構的實例。圖1a顯示包括從中心徑向向外延伸的線或棒的基體。圖1b顯示包括徑向向外延伸的線和呈同心圓的線的基體。圖1c顯示包括向外延伸的支化線的基體。圖1d顯示包括從中心向外延伸的彎線的基體。圖1e顯示包括篩網(wǎng)的基體。線的形狀和尺寸可以變化?；w的元件直徑可相對于容器的直徑改變。在一個實施方案中，可使基體的元.件構成為使它們從容器的中心(例如軸線)延伸到容器的邊緣(例如內壁)。作為磁性基體元件的線可以獨立或者可被支撐。在另一個實施方案中，元件非平面狀，而是可以為其軸線沿著容器軸線的錐形。
[0017]因此，所述設備也可以包括提供作用于磁性基體的磁場的裝置。提供磁場的裝置可包括其內磁性基體旋轉的容器的內部或外部的螺線管或永久磁鐵。
[0018]磁性基體在容器內旋轉，并且在容器內加入固-液混合物。其內磁性基體旋轉的容器可以為具有旋轉部件的離心機，在此情況下，離心機的旋轉部件和旋轉的磁性基體均有貢獻于磁性顆粒所受的離心力。本文所述術語“離心機”包括任何具有旋轉轉子、旋轉螺桿或提供離心力的其它旋轉部件的容器。它可包括提供離心力的潷析器、分離器和水力旋流器。在此情況下，可將磁性基體固定到離心機的轉子、螺桿或軸上，并以與離心機相同的頻率旋轉，或者連接到具有單獨驅動的單獨的軸上，以便獨立調節(jié)旋轉頻率?？捎秒x心機和磁性基體的旋轉頻率差作為參數(shù)調節(jié)分離過程的操作。術語“離心機”也包括具有產(chǎn)生固-液混合物螺旋運動和離心力的切向(例如徑向)入口的靜態(tài)離心機。
[0019]或者，其內磁性基體旋轉的容器可以為靜止的容器，即容器不旋轉。在這種情況下，旋轉的磁性基體為作用于磁性顆粒的離心力的唯一來源。
[0020]固-液混合物中的磁性顆粒可以為鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性、順磁性或抗磁性顆粒。固-液混合物也可用鐵磁性或順磁性顆粒接種以促進分離。在使用“官能化磁性球?！睍r，即在磁性顆粒結合到要被分離的目標固體時，本發(fā)明設備也有效。高價值目標物質，如昂貴的生物物質，可結合到此類磁性顆粒，以促進分離過程和減少昂貴生物物質的損失。“官能化磁性球?！睘橥ㄟ^用已知結合到目標生物物質的生物或化學實體處理其表面而“官能化”的磁性顆粒。在結合目標物質的“官能化磁性球粒”被分離后，一個分離步驟可使目標物質從官能化磁性球粒分離。磁性球?？芍匦吕?。本文所用“磁性顆粒”包括本段落以上提到的所有類型磁性物質。
[0021]由于磁場作用于基體，磁性顆粒被吸引并附著到磁性基體上。由于離心力，磁性顆粒徑向向外移向容器的內壁或其它邊緣。磁性顆粒徑向向外移動并且聚集在磁性基體的外端導致磁性基體自身清潔，以便能夠收集其它磁性顆粒。
[0022]在旋轉的磁性基體為唯一離心力源時，由于磁性顆粒附著到旋轉的磁性基體上，因此基本上只有磁性顆粒受到離心力。這些磁性顆粒向外移向能夠收集它們的容器的內壁或其它邊緣。具有靜止容器和為唯一離心力源的旋轉磁性基體的設備尤其適用于從固-液混合物分離磁性顆粒，其中將所含的磁性顆?；厥眨⑶覍⒎谴判灶w粒認作為廢產(chǎn)物的部分。
[0023]設備包含入口，可通過入口加入固-液混合物?？蓪⒐?液混合物軸向或切向(即徑向)加入容器。固-液混合物可視需要包含絮凝劑、表面活性劑和溶膠。固-液混合物通常具有很多與懸浮液相同的性質。
[0024]在一個實施方案中，將設備設計成能夠使分離作為連續(xù)過程進行?？蓪⒐?液混合物通過入口連續(xù)加入其內磁性基體旋轉的容器。其中還提供了在磁性基體外端收集磁性顆粒和從容器通過產(chǎn)物出口移除這些磁性顆粒的裝置。固-液混合物中任何非磁性顆粒不被吸引到磁性基體，而是隨液體流動通過容器，并從容器隨廢物流中的液體排出廢物出口。
[0025]在連續(xù)運行設備中，將固-液混合物通過進料入口加入容器的一端，并且將固-液混合物的殘余物在磁性顆粒已自其分離后從容器移除。殘余物可以只為液體，或者可以為液體和非磁性顆粒的混合物。在此實施方案中，所述設備進一步包括進料入口，可通過所述進料入口將固-液混合物連續(xù)加入容器中；產(chǎn)物出口，可通過所述產(chǎn)物出口使被分離的磁性顆粒從容器排出；和廢產(chǎn)物出口，固-液混合物的殘余物在已通過旋轉的磁性基體后可通過所述廢產(chǎn)物出口從容器出口排出。
[0026]在進行連續(xù)分離方法的不同實施方案中，容器自身沒有旋轉部件，而旋轉的磁性基體為唯一的離心力源。在這樣一個實施方案中，容器包含一套兩個不同直徑的同心正圓形圓筒，其中較小直徑的圓筒壁包圍一個圓柱形區(qū)域，并且此組圓筒的兩個壁包圍具有圓柱殼形或環(huán)形環(huán)區(qū)域。旋轉的磁性基體的各元件從容器的軸線延伸通過較小直徑圓筒壁中的開口，提供開口使各元件伸入圓柱殼區(qū)域。
[0027]在此實施方案中，設備也可包括進入圓柱殼區(qū)域一端的緩沖溶液入口。固-液混合物的進料入口在與緩沖溶液入口相同的容器末端進入較小直徑圓筒內的圓柱形區(qū)域。廢物出口在較小直徑圓筒內的圓柱形區(qū)域末端離開，這一端與其中進料入口進入的一端相對。產(chǎn)物出口在圓柱殼區(qū)域的末端離開，這一端與其中緩沖溶液入口進入的一端相對。
[0028]進行連續(xù)方法并且其中旋轉的磁性基體為作用于固-液混合物的唯一離心力源的設備的此實施方案的示意圖顯示于圖2中。圖2a顯示其中布置較小直徑圓筒的正圓形圓筒形式的容器I的垂直截面圖。較小直徑圓筒的垂直壁2包圍一個內部圓柱形空間，并且壁2和壁3包圍一個外部圓柱殼。旋轉的磁性基體4結合到沿著容器的軸線的軸桿5上。使軸桿5旋轉的裝置如箭頭6所示提供。使軸桿5旋轉的裝置可包括例如連接到軸桿的馬達。所述設備還包括提供作用于磁性基體的磁場的裝置，標注的箭頭B指示磁場的存在和方向。磁場可指向其它方向，但優(yōu)選平行于容器的軸線，或者具有平行于容器軸線的主要分量。
[0029]圖2b為顯示旋轉磁性基體4的結構的水平橫截面圖。在此例中，磁性基體只包含一種類型的元件，為所示的線或棒，但可將相似或不同的元件連接到軸桿5上并由軸桿5旋轉。對元件所示的結構與圖1a所示的結構類似，即線或棒從中心徑向向外延伸。線或棒從軸桿延伸通過壁2中的開口，并且伸入外部圓柱殼。
[0030]可將固-液混合物通過入口連續(xù)加入內部圓筒，如箭頭7所示。固-液混合物包含顯示為具有白色中心區(qū)的球粒的磁性顆粒8和顯示為具有黑色線紋的球粒的非磁性固體9及液體。固-液混合物由于施加的壓力和重力從內部圓筒頂部流向底部。由于在磁性基體的磁場梯度和所產(chǎn)生的磁力，磁性顆粒被吸引并附著到磁性基體上。高磁場梯度是優(yōu)選的，因為它們產(chǎn)生較大力并且使磁性顆粒更強力附著到磁性基體上。由于由旋轉的磁性基體提供的離心力,磁性顆粒徑向向外移向壁2。它們通過壁2中的開口進入外部圓柱殼。
[0031]在此實施方案中收集和移除磁性顆粒的方式由液相緩沖溶液提供。液相緩沖溶液如箭頭10所示通過入口進入外部圓柱殼。液相緩沖溶液由于施加的壓力和重力從圓柱殼的頂部流向底部。在磁性顆粒通過壁2中的開口并進入外部圓柱殼時，它們被夾帶到緩沖溶液流中，并且如箭頭11所示通過產(chǎn)物出口從設備排出。應選擇緩沖溶液以便促進磁性顆粒從溶液分離。在磁性顆粒為結合目標產(chǎn)物的官能化磁性球粒時，使目標產(chǎn)物從磁性球粒分離，并重新使用磁性球粒。非磁性顆粒不被吸引到磁性基體，基本上不受到離心力，而是繼續(xù)隨固-液混合物中的液體流動通過內部圓筒,并且如箭頭12所示從內部圓筒隨液體通過廢物出口排出。
[0032]可用本發(fā)明的設備選擇性分離，即從非磁性顆粒和液體分離磁性顆粒。也可用所述設備使磁性顆粒從液體分離或將不同大小的磁性顆粒分級。高梯度磁場產(chǎn)生高磁力，高磁力允許分離較小的磁性顆粒，因此能夠用較小顆粒作為磁性球粒。由存在磁場產(chǎn)生的聚集作用促進此分離?？捎杀景l(fā)明的設備分離磁性納米顆粒。
[0033]適用于本發(fā)明的其它分離設備和使用方法描述于2005年2月17日同時提交的美國申請SNl 1/060，001和SNl 1/060，004，各申請全文通過引用結合到本文中。
【權利要求】
1.一種用于離心分離包含磁性顆粒的固-液混合物的設備，所述設備包括(a)在內部進行離心的容器，其在軸上旋轉，(b)在容器內的軸上旋轉的磁性基體和(C)在所述容器外部提供磁場梯度的源，這些磁場梯度于設備內起作用； 其中所述容器與磁性基體在相同或不同的軸上旋轉； 其中所述磁性基體由鋼線構成，鋼線的形狀選自同心圓、支化線、彎線、篩網(wǎng)和錐形；和其中所述設備包括其中布置較小直徑圓筒的正圓形圓筒和在它們之間形成的殼、從較小圓筒進入所述殼的開口以及 收集和移除所述殼的磁性顆粒的裝置，其包括液相緩沖溶液。
2.權利要求1的設備，所述旋轉的磁性基體包括一組磁性線。
3.權利要求1的設備，其中所述容器和所述磁性基體以不同速度旋轉。
4.權利要求1的設備，其中所述容器具有壁并且所述磁性基體突出通過在該壁中的開□。
5.一種用于離心分離包含磁性顆粒的固-液混合物的設備，所述設備包括(a)在內部進行離心的容器，該容器在軸線上旋轉并具有壁，(b)在容器內的軸上旋轉的并吸引磁性顆粒的磁性基體和(C)在所述壁的開口，所述磁性顆粒從所述磁性基體通過該開口， 其中所述容器與磁性基體在相同或不同的軸上旋轉；并且 其中所述磁性基體由鋼線構成，鋼線的形狀選自同心圓、支化線、彎線、篩網(wǎng)和錐形。
6.權利要求5的設備,所述磁性基體包括一組磁性線。
7.權利要求5的設備，其中所述容器是能夠旋轉的并且所述容器和所述磁性基體以不問速度旋轉。
8.權利要求7的設備，其中所述磁性基體突出通過在該壁中的開口。
【文檔編號】B03C1/034GK103433135SQ201310372937
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2006年2月17日 優(yōu)先權日:2005年2月17日
【發(fā)明者】B.富赫斯, C.K.霍夫曼, K.克勒 申請人:納幕爾杜邦公司