專利名稱：用于磁場梯度增強(qiáng)離心的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由存在磁場梯度增強(qiáng)的離心設(shè)備。
背景技術(shù)：
從固-液混合物大體積分離礦物到生物技術(shù)或制藥工業(yè)中的高價(jià) 值產(chǎn)物的小批量分離，固-液分離廣泛應(yīng)用。在過去的50年里，重力、 壓力、溫度、離心和流體動(dòng)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(gè)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(jī)械施加壓力的方法施加， 這可包括活塞、氣體壓力、流體動(dòng)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(gè)問 題是由于固體"穿透"(即通過)濾器發(fā)生固體損失。 一個(gè)更嚴(yán)重的問 題是機(jī)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。
熱干燥過程的能量效率比機(jī)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(jī)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(dāng)大部分，因此這會(huì)影響能量消耗。
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。
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(shè)備。 發(fā)明概述
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(shè)備， 所述設(shè)備包括在其內(nèi)部進(jìn)行離心的容器和在容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的磁性基
體(magnetic matrix)。此設(shè)備進(jìn)《亍的分離過程通過存在磁場梯度得以 增強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)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^ 1到旋轉(zhuǎn)的性基體。本發(fā)明提供一種可用于連 續(xù)方法的"^殳備和可用于分批方法的設(shè)備。
所述設(shè)備進(jìn)一步包括在由^茲性基體占據(jù)的設(shè)備區(qū)域提供磁場的 裝置。
在固-液混合物包含鐵磁性、亞鐵石茲性、反鐵;磁性、順;茲性或抗 磁性固體時(shí)，或者固-液混合物用鐵磁性或順磁性顆粒接種時(shí)，可使 用本發(fā)明的設(shè)備。在磁性顆粒結(jié)合到要被分離的目標(biāo)物質(zhì)時(shí)，即在 "官能化的磁性球粒"被使用并且結(jié)合到高價(jià)值目標(biāo)物質(zhì)時(shí)，如蛋
白質(zhì)、DNA質(zhì)粒及其他生物物質(zhì)，也可使用此設(shè)備。
已發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生> 100 T/m場梯度的磁性基體可用于此設(shè)備。產(chǎn)生高 磁場梯度如> 5000 T/m梯度的磁性基體是優(yōu)選的。
附圖簡述


圖1顯示^f茲性基體元件的結(jié)構(gòu)的一些實(shí)例。 圖2為顯示進(jìn)行連續(xù)分離方法的磁場梯度增強(qiáng)離心設(shè)備的一個(gè) 實(shí)施方案的示意圖。
發(fā)明詳述
本發(fā)明提供一種對(duì)包含磁性顆粒的固-液混合物進(jìn)行連續(xù)或分批 離心固-液分離的設(shè)備，其中所述設(shè)備的性能通過存在磁場梯度增強(qiáng)。
本發(fā)明的設(shè)備使固-液混合物同時(shí)經(jīng)受離心和磁場梯度。在這些 梯度于其中進(jìn)行分離的設(shè)備內(nèi)起作用并因此使磁性顆粒在設(shè)備內(nèi)經(jīng)
歷移動(dòng)的意義上，這些梯度可以為定域磁場梯度。^茲場梯度對(duì)固-液 混合物中存在的磁性顆粒提供石茲力。磁性顆?？梢詾殍F磁性、亞鐵 磁性、反鐵磁性、順磁性或抗f茲性顆粒。旋轉(zhuǎn)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> 100 T/m。高磁場梯度如> 5000 T/m的梯度是最優(yōu)選的。
磁性基體可由任何在磁場中提供磁場梯度的材料構(gòu)成。通常由 在放入磁場時(shí)提供磁場梯度的材料構(gòu)成，如鋼線、鋼棒、鋼棉和/或 鋼篩網(wǎng)。磁性基體可包括一個(gè)元件，所述元件包括一組磁線，或可 包括相同或不同的多個(gè)此類元件。元件可以多種結(jié)構(gòu)布置于容器內(nèi)。 在一個(gè)實(shí)施方案中，該元件是平面的，并且平面與容器的軸線垂直。
圖1顯示基體的元件可采^U々一些結(jié)構(gòu)的實(shí)例。圖la顯示包括 從中心徑向向外延伸的線或棒的基體。圖lb顯示包括徑向向外延伸 的線和呈同心圓的線的基體。圖lc顯示包括向外延伸的支化線的基 體。圖ld顯示包括從中心向外延伸的彎線的基體。圖le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(duì)于容 器的直徑改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，可使基體的元件構(gòu)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(nèi)壁)。作為磁性基 體元件的線可以獨(dú)立或者可被支撐。在另一個(gè)實(shí)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。
因此，所述設(shè)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(nèi)磁性基體旋轉(zhuǎn)的容器的內(nèi)部或外部的螺 線管或永久磁鐵。
磁性基體在容器內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并且在容器內(nèi)加入固-液混合物。其內(nèi) 磁性基體旋轉(zhuǎn)的容器可以為具有旋轉(zhuǎn)部件的離心機(jī)，在此情況下， 離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和旋轉(zhuǎn)的磁性基體均有貢獻(xiàn)于磁性顆粒所受的離 心力。本文所述術(shù)語"離心機(jī)"包括任何具有旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)螺桿 或提供離心力的其它旋轉(zhuǎn)部件的容器。它可包括提供離心力的寇析 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(jī)的轉(zhuǎn)子、螺桿或軸上，并以與離心機(jī)相同的頻率旋轉(zhuǎn)，或者連接 到具有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的單獨(dú)的軸上，以便獨(dú)立調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)頻率。可用離心 機(jī)和磁性基體的旋轉(zhuǎn)頻率差作為參數(shù)調(diào)節(jié)分離過程的操作。術(shù)語"離 心機(jī)"也包括具有產(chǎn)生固-液混合物螺旋運(yùn)動(dòng)和離心力的切向(例如徑 向)入口的靜態(tài)離心機(jī)。
或者，其內(nèi)磁性基體旋轉(zhuǎn)的容器可以為靜止的容器，即容器不 旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)的磁性基體為作用于磁性顆粒的離心力 的P眷一來源。
固國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(jìn)分離。在使用"官能化磁性球粒，，時(shí)，即在磁性顆粒結(jié)合到 要被分離的目標(biāo)固體時(shí)，本發(fā)明設(shè)備也有效。高價(jià)值目標(biāo)物質(zhì)，如 昂貴的生物物質(zhì)，可結(jié)合到此類磁性顆粒，以促進(jìn)分離過程和減少 昂貴生物物質(zhì)的損失。"官能化磁性球粒"為通過用已知結(jié)合到目 標(biāo)生物物質(zhì)的生物或化學(xué)實(shí)體處理其表面而"官能化"的磁性顆粒。 在結(jié)合目標(biāo)物質(zhì)的"官能化磁性球粒"被分離后， 一個(gè)分離步驟可 使目標(biāo)物質(zhì)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(zhì)。
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(nèi)壁或其它邊緣。磁性 顆粒徑向向外移動(dòng)并且聚集在》茲性基體的外端導(dǎo)致磁性基體自身清 潔，以便能夠收集其它磁性顆粒。
在旋轉(zhuǎn)的磁性基體為唯一 離心力源時(shí)，由于磁性顆粒附著到旋 轉(zhuǎn)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(nèi)壁或其它邊緣。具有靜止容 器和為唯一離心力源的旋轉(zhuǎn)磁性基體的設(shè)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?，并且將非磁性顆粒
認(rèn)作為廢產(chǎn)物的部分。
設(shè)備包含入口，可通過入口力。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(zhì)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，將設(shè)備設(shè)計(jì)成能夠使分離作為連續(xù)過程進(jìn) 行?？蓪⒐?液混合物通過入口連續(xù)加入其內(nèi)磁性基體旋轉(zhuǎn)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^皮吸虧1 到磁性基體，而是隨液體流動(dòng)通過容器，并從容器隨廢物流中的液 體排出廢物出口。
在連續(xù)運(yùn)行設(shè)備中，將固-液混合物通過進(jìn)料入口加入容器的一 端，并且將固-液混合物的殘余物在;茲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(shí)施方案中，所述設(shè)備進(jìn)一步包括進(jìn)料入口 ，可通過所述進(jìn)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
口排出。
在進(jìn)行連續(xù)分離方法的不同實(shí)施方案中，容器自身沒有旋轉(zhuǎn)部 件，而旋轉(zhuǎn)的磁性基體為唯一的離心力源。在這樣一個(gè)實(shí)施方案中， 容器包含一套兩個(gè)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(gè)圓柱形區(qū)域，并且此組圓筒的兩個(gè)壁包圍具有圓柱殼 形或環(huán)形環(huán)區(qū)域。旋轉(zhuǎn)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。
在此實(shí)施方案中，設(shè)備也可包括進(jìn)入圓柱殼區(qū)域一端的緩沖溶 液入口 。固-液混合物的進(jìn)料入口在與緩沖溶液入口相同的容器末端 進(jìn)入較小直徑圓筒內(nèi)的圓柱形區(qū)域。廢物出口在較小直徑圓筒內(nèi)的 圓柱形區(qū)域末端離開，這一端與其中進(jìn)料入口進(jìn)入的一端相對(duì)。產(chǎn) 物出口在圓柱殼區(qū)域的末端離開，這一端與其中鄉(xiāng)爰沖溶液入口進(jìn)入
的一端相對(duì)。進(jìn)行連續(xù)方法并且其中旋轉(zhuǎn)的磁性基體為作用于固-液混合物的唯一離心力源的設(shè)備的此實(shí)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1的垂直截面圖。 較小直徑圓筒的垂直壁2包圍一個(gè)內(nèi)部圓柱形空間，并且壁2和壁3 包圍一個(gè)外部圓柱殼。旋轉(zhuǎn)的》茲性基體4結(jié)合到沿著容器的軸線的 軸桿5上。使軸桿5旋轉(zhuǎn)的裝置如箭頭6所示提供。使軸桿5旋轉(zhuǎn) 的裝置可包括例如連接到軸桿的馬達(dá)。所述設(shè)備還包括提供作用于 磁性基體的磁場的裝置，標(biāo)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。圖2b為顯示旋轉(zhuǎn)磁性基體4的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)。對(duì)元件所示的結(jié)構(gòu)與 圖la所示的結(jié)構(gòu)類似，即線或4奉從中心徑向向外延伸。線或才奉從軸 桿延伸通過壁2中的開口 ，并且伸入外部圓柱殼?？蓪⒐?液混合物通過入口連續(xù)加入內(nèi)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(nèi)部圓筒頂部流向底部。由于在萬茲性基體的磁場 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?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生較大力并且使磁性顆粒更強(qiáng)力附著 到磁性基體上。由于由旋轉(zhuǎn)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(jìn)入外部圓柱殼。在此實(shí)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(jìn)入外部圓柱殼。液相緩 沖溶液由于施加的壓力和重力乂人圓柱殼的頂部流向底部。在^"茲性顆 粒通過壁2中的開口并進(jìn)入外部圓柱殼時(shí)，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(shè)備排出。應(yīng)選擇緩沖溶 液以便促進(jìn)磁性顆粒從溶液分離。在/f茲性顆粒為結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)物的官 能化磁性球粒時(shí)，使目標(biāo)產(chǎn)物,人磁性球粒分離，并重新使用；茲性球 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(dòng)通過內(nèi)部圓筒，并且如箭頭12所示 從內(nèi)部圓筒隨液體通過廢物出口排出。可用本發(fā)明的設(shè)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(shè)備使磁性顆粒從液體分離或?qū)⒉煌笮〉拇?性顆粒分級(jí)。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(jìn)此分離?？捎杀景l(fā)明的設(shè)備分離磁性納米顆粒.適用于本發(fā)明的其它分離設(shè)備和使用方法描述于2005年2月17 曰同時(shí)提交的美國申請SN11/060,001和SN11/060,004,各申請全文 通過引用結(jié)合到本文中。
權(quán)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(shè)備，所述設(shè)備包括(a)在內(nèi)部進(jìn)行離心的容器和(b)在容器內(nèi)旋轉(zhuǎn)的磁性基體。
2. 權(quán)利要求1的設(shè)備，所迷設(shè)備進(jìn)一步包括(c)在由磁性基體占 據(jù)的容器區(qū)域提供磁場的裝置。
3. 權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所迷提供磁場的裝置包括螺線管。
4. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述容器為離心機(jī)。
5. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述旋轉(zhuǎn)的磁性基體為唯一的離心力源。
6. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述旋轉(zhuǎn)的磁性基體產(chǎn)生量值>100 T/m的》茲場梯度。
7. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述旋轉(zhuǎn)的磁性基體產(chǎn)生量值> 5000T/m的f茲場梯度。
8. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述旋轉(zhuǎn)的磁性基體包括一個(gè)元件， 所述元件包括一組磁性線。
9. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述旋轉(zhuǎn)的磁性基體包括多個(gè)元件， 每個(gè)元件包括一組-磁性線。
10. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述容器具有軸線和內(nèi)壁，并且所 述旋轉(zhuǎn)的磁性基體從容器的軸線延伸到容器的內(nèi)壁。
11. 權(quán)利要求1的設(shè)備，所迷設(shè)備進(jìn)一步包括(d) 進(jìn)料入口 ，固-液混合物通過所述進(jìn)料入口連續(xù)進(jìn)入容器；(e) 產(chǎn)物出口 ，所分離的磁性顆粒通過所述產(chǎn)物出口從容器排出；和(f) 廢物出口 ，已通過旋轉(zhuǎn)磁性基體的固-液混合物的殘余物通過 所述廢物出口從容器排出。
12. 權(quán)利要求1的設(shè)備，所述設(shè)備具有軸線；其中所述容器包含 不同直徑的兩個(gè)同心正圓形圓筒；所述較小直徑圓筒的壁包圍一個(gè) 內(nèi)部圓柱形區(qū)域；兩個(gè)圓筒的相應(yīng)壁包圍圓柱殼區(qū)；并且所述旋轉(zhuǎn) 的磁性基體的各個(gè)元件從容器的軸線延伸通過較小直徑圓筒的壁中 的開口，并且進(jìn)入圓柱殼區(qū)。
13.權(quán)利要求12的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包括在容器的第一末端 進(jìn)入圓柱殼區(qū)的緩沖溶液入口；在容器的第一末端進(jìn)入內(nèi)部圓柱區(qū) 的固-液混合物的入口；在容器第二末端離開內(nèi)部圓柱區(qū)的廢物出口； 和在容器的第二末端離開圓柱殼區(qū)的產(chǎn)物出口 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種進(jìn)行連續(xù)或分批離心固-液分離過程的設(shè)備，其中所述固-液混合物經(jīng)受磁場梯度和離心作用。
文檔編號(hào)B03C1/029GK101160176SQ200680012796
公開日2008年4月9日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)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