用于精确地分离液体中悬浮的颗粒的先进颗粒介质的制作方法

专利名称：用于精确地分离液体中悬浮的颗粒的先进颗粒介质的制作方法
技术领域：
本发明涉及按照颗粒尺寸选择地分离颗粒。更具体地，本发明涉及一种先进的颗粒介质，其仔细地分级以允许按照颗粒尺寸精确和选择地分离液体中悬浮的颗粒的先进介质及使用这些先进颗粒介质进行精确及选择地分离的方法。
在本申请中，涉及一些公开物，专利及公开的专利申请，在本说明书后附了这些参考文件。在本申请中涉及的这些公开物、专利及公开的专利申请结合作为参考以更完全地说明本发明的现有技术。
本发明涉及颗粒产品(下面也称为“先进的颗粒介质”或“颗粒分离介质”)，其被仔细地分级以允许精确地及选择地分离悬浮在液体中的微颗粒，还涉及使用这些介质的方法及使用这些方法得到的通过的微颗粒悬浮液。本发明的介质及方法对于提供选择地回收悬浮在液体中的细颗粒(也就是低于某阈值的颗粒尺寸的颗粒)的装置同时减少悬浮液中粗颗粒的量是有用的。与在一般的过滤(例如除去颗粒)及色层分离法(例如溶解颗粒)中用的材料及方法不同，本发明的先进的颗粒介质及其应用可以以类似低机械过滤器的方式按照颗粒的尺寸选择地分离微颗粒。
按照颗粒尺寸精确地及选择地分离悬浮在液体中的颗粒是总的过滤领域中的一个分支。过滤是用于净化液体的普通手段。简单的机械筛分或过筛通常对过滤粗颗粒物质是有用的，使用离心式除尘器、水力旋流器及空气分粒等许多技术已用来粗分在液体中的颗粒。这些过滤的类型通常称为粗过滤或颗粒过滤。
超过滤(其包括如横流过滤，凝胶体渗透及尺寸排除色谱)一般用于大分子、胶体悬浮液及典型的颗粒尺寸小于0.1μm的超细颗粒物质的分析分离。
在颗粒过滤及超过滤之间有着微过滤区，在该区域中，要分离的颗粒物质的尺寸范围通常会导致可见的混浊液体。在微过滤及颗粒过滤区中，小规模通常用薄膜或由天然纤维、聚合物纤维或陶瓷纤维构成的纸进行大约在0.1μm到500μm范围的颗粒物质(也就是微颗粒)的去除或分离。在大的工业规模的过滤中，或为了提高过滤的效率，如硅藻土之类的颗粒介质被留在筛网或在如粗过滤用的类似的机械隔膜上的组合床中，这样给微过滤提供大的方便及经济性。
但是，微过滤的目的是得到分级而不是在微颗粒范围内的选择的颗粒分离。微过滤的典型的目标在从颗粒悬浮的液体中分离(或除去)所有的颗粒物质，而不是对悬浮在液体中的颗粒进行精确的尺寸分离，因此会留下一些颗粒悬浮在液体中。
类似地，本发明的先进颗粒介质和它们的使用方法与尺寸专选的色层分离法用的技术不同。后一个技术允许按照尺寸溶解颗粒，也就是，尺寸专选的色层分离法提供了按照颗粒尺寸顺序地分离颗粒。像其它的色层分离方法一样，尺寸专选的色层分离法依赖于颗粒通过介质的速率来控制在流动的液流中颗粒尺寸的分布，因而进行很细的颗粒的分离或溶解。为了进行溶解，尺寸专选的色层分离法也要求介质的颗粒尺寸的均匀性。相反的，如下面要说明的，先进的颗粒介质和使用这些介质的方法相对于阈值按照尺寸分离颗粒。在这方面，本发明的先进颗粒介质可方便地认为类似于机械纸过滤器。
使用颗粒介质的工作原理已发展了多年(Carman，1937；Heertjes，1949，1966；Ruth，1946；Sperry，1916；Tiller，1953，1962，1964)，和现在已经在实际的展望(Kiefer，1991)及从它们的基础的理论原理(Bear，1988；Norden，1994)两方面详细地详述了。结果，现在已发展了许多得到理想的液体净化及过程最佳化的方法(例如，Tarleton，1994)。还已经讨论了许多分离微颗粒的理论原理(Lloyd，1975；Tianshou，1998)。
颗粒介质通常用于三类过滤技术中(i).在深过滤中作为稳定的但不固结的多层床；(ii).作为预涂一隔膜和通过连续的物体供料在过滤器结块的微颗粒之间得到间隙的助滤剂；(iii).作为如过滤器板、垫或盒之类的复合材料的组元。
其中液体通过非固结的介质的稳定的多层床的深过滤是最普通的水过滤的方法。快速的沙滤和慢沙滤对城市的水设施是最通常的过滤方法，在实践中，其可以用多种介质，例如硅砂，硅砂砾，无烟煤和柘榴石。快速沙滤和其它深过滤方法在历史上是无选择的分离装置。这类过滤器的目的是除去微颗粒岩屑，例如藻类、细菌或其它种类的粗大的生物体，但仍允许有高的流速及低的工作成本。
在过滤领域中，从液体中相对非选择的颗粒分离的许多方法包括使用助滤剂，也就是用来净化液体中的颗粒物的介质。通常用于助滤剂的实例包括硅藻土及珍珠岩，由于它们在实际过滤中的高效率而常使用。助滤剂通常在称为“预涂覆”的阶段中，加到薄膜或支承上以改善净化及增加过滤过程中的流速。在称为“主体供料”的步骤中，助滤剂在液体净化时加到液体中，通过减小在薄膜处不希望的颗粒混浊度的负载而保持要求的液体的流速来减轻对流动的阻力。取决于所进行的颗粒净化，可在预涂覆、主体供料或同时在该两阶段使用助滤剂。
在某些净化过滤应用中，不同的助滤剂混合在一起以进一步使过滤过程改型或最佳化。在一些情形下，这些组合可包括例如硅藻土或珍珠岩与纤维素、激活的焦炭、粘土或其它材料的简单混合物。在一些情形下，这些组合可以是复合材料，其中助滤剂产品是与其它成分的紧密结合着制成板、垫或盒。过滤用的这些产品的其它的精心改型包括例如表面处理或加入化学剂到助滤剂产品、混合物或它们的复合材料中。
还有很多情形，其中颗粒的选择性分离是处理过程要求的结果。在这些情形下，可发现两组或更多组颗粒悬浮在液体中，这些液体高度地要求除去粗颗粒组及回收细颗粒组。
例如，有很多工业微颗粒产品，例如填料及颜料，其中如果能产出含有少量或不含大于某阈值直径的颗粒，可提高产品的效用及价值。例如，具有专门颗粒尺寸分布的油添填料常用于调节油漆的特性(例如高光泽、抛光或平直的光洁度)。得到这类填料的现代的工业方法，如旋风分离对提供具有理想的性能(例如颗粒尺寸)的填料通常是不合适的。
另一实例其中要求按照尺寸选择性分离颗粒，包括专门分离血中细胞类型。实例包括分别在要求尽可能多地回收红血液细胞或血小板情况下，把白血液细胞(也就是白细胞)与红血液细胞(也就是红细胞)分开，和把白血液细胞与血小板分开。
对这些细胞成分的特征已有评述(Junqueira，1975)。红血液细胞是具有平均最大尺寸为约7.2μm的双凹形的盘，而血小板是具有平均最大尺寸为约5μm的细胞质碎片。白血液细胞有几种变体，从组织结构分为大的粒细胞(例如嗜中性白细胞、嗜碱粒细胞、嗜曙红细胞)，它们是平均最大尺寸为约9-12μm的球形细胞，以及较小的无粒白细胞(例如单核细胞和淋巴细胞)，它们是平均最大尺寸为约6-12μm的球状细胞。当粒细胞与固体表面接触时遭到已知是膨胀的过程，从球形转为不定形的形态，平均最大尺寸增加到约22μm。
已经发展了一些分离白细胞与红血液细胞和血小板的方法，最常用的方法是基于包括处理的聚合物纤维的过滤元件(例如Pall，1990a，1990b，1992a，1992b，1993a，1993b，1993c，1994a，1994b，1994c，1995a，1995b；Pascale，1994)。常建议把一种胶体的预过滤器及微集合体过滤器用于与它们组合以便提高它们的性能。常需要对纤维的扩大的表面改型以得到要求的分离性能(Marinacco，1990)。在一个情形下，与离心法一起使用一玻璃纤维过滤器以把血纤维蛋白与血清分开(Adler，1975)。用玻璃珠过滤器挡住血小板的研究是过滤的一个实例(Pitney，1967)，详细检查了血小板对玻璃珠的粘接(Hellem，1971)，但是与本发明的先进颗粒介质不同，这些研究的目的不是得到精确的尺寸选择性。
已经发展了一些基于离心的液体机械原理而不是使用多孔介质作为分离装置的细胞分离的方法(Goffe，1993，Ishida，1988，1991，1993；Powers，1988；Hall，1987；Kolobow，1982，1983；Latham，1981a，1981b；Columbus，1977)。已使用离心及梯级胶体(Saunders，1995；Teng，1994，1995)及通过使抗体粘结固定(Calenoff，1987)把胎儿的红细胞与母体的血分开。已把无粒白细胞与重的血液成分分开(Luderer，1990，1991；Terasaki；1989)，还通过有机硅烷化的胶体二氧化硅的附着及接着用密度梯级的离心(Dorn，1990a，1990b)把其它的细胞混合物分开。
已有报告细胞有选择地粘到用抗体包覆的颗粒，包复的颗粒的相对密度比个体的低。这些浮起的颗粒可以随后浓缩，因而把免疫反应细胞(包括白血液细胞组)与非免疫反应细胞分离开(Delaage，1984，1992，1993)。还通过触变胶体(Smith，1989，1990)及相关的控制的浮力技术(Carroll，1987，1989)把粒细胞与无粒白细胞分离开。已把红血液细胞化学吸附到用抗体包覆的微球表面，最好允许白血球细胞留在血浆中而微颗粒用磁感应的凝集除去微颗粒(Kortwright，1988)。也有对其它的磁性分离的讨论(例如，Miltenyi，1995a，1995b；Yen，1980；Vorpahl，1994)。
已有用多孔颗粒聚合物结合动物血浆蛋白质使某些淋巴细胞与白细胞分开的的报告(Abe，1984)。通过聚合物颗粒与粘结剂连接来分析或传递液体(包括生物化学液体)的元件已经讨论了(Pierce，1981)。这些方法基于聚合物作支承来进行基于化学亲合力的分离，而不是如本发明中用的基于颗粒直径的选择性的挑选。
本发明的一方面提供了一种从微颗粒在液体中的悬浮液中按照颗粒的尺寸有选择地分离微颗粒的先进的颗粒介质，该介质的标准选择性等于或大于4.0。最佳的介质从以下组中选出具有介质指数等于或大于0.60的中等颗粒直径等于或大于20μm到30μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于1.0的中等颗粒直径大于35μm到180μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于2.0的中等颗粒直径大于180μm到500μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于3.0的中等颗粒直径大于500μm到1400μm的颗粒介质。
本发明的另一方面提供一种从微颗粒在液体中的悬浮液中按照颗粒的尺寸有选择地分离微颗粒的方法，包括下列步骤(a).把具有标准选择性等于或大于4.0的先进颗粒介质提供在一个支承上，颗粒介质从以下组中选出具有介质指数等于或大于0.60的中等颗粒直径等于或大于20μm到30μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于1.0的中等颗粒直径大于35μm到180μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于2.0的中等颗粒直径大于180μm到500μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于3.0的中等颗粒直径大于500μm到1400μm的颗粒介质，和(b).使所述的微颗粒悬浮液通过所述的先进颗粒介质，因而按照颗粒尺寸进行有选择的分离。
在一些最佳实施例中，所述的先进的颗粒介质包括刚性颗粒，如矿物或矿物产品、聚合物材料、无机盐、金属或玻璃。在一些最佳实施例中，所述的先进颗粒介质包括可压缩到表现为刚性颗粒的尺寸标准的颗粒，例如聚合物材料。
在一些最佳实施例中，所述的微颗粒悬浮液包括刚性颗粒。在一些最佳实施例中，所述的微颗粒悬浮液包括可压缩的颗粒。
在一些最佳实施例中，所述的微颗粒悬浮液包括细胞或细胞成分，如白血液细胞、红血液细胞和血小板、白血液细胞和红血液细胞、和白血液细胞和血小板。
在一些最佳实施例中，所述的液体是生物源，如血液或血液衍生的液体。
在一些最佳实施例中，所述的微颗粒悬浮液通过所述的先进颗粒介质借助重力进行。在一些最佳实施例中，所述的微颗粒通过所述的先进颗粒介质借助于在所述的支承的前面加上正压而进行的。在一些实施例中，所述的微颗粒通过所述的先进颗粒介质借助于在所述的支承外加上负压而进行的。
在一些实施例中，所述的微颗粒悬浮液中加入另外的先进颗粒介质。在一些实施例中，所述的先进颗粒介质结合在包括垫、板和盒一组中选出的一成分中。在一些实施例中，所述的先进颗粒介质包括在比先进颗粒介质亲水性差的过滤剂中。
在一些最佳实施例中，所述的先进颗粒介质留住的颗粒被收集、采集、浓缩或回收。在一些最佳实施例中，所述的留住的颗粒包括刚性颗粒。在一些最佳实施例中，所述的留住的颗粒包括可压缩的颗粒。在一些最佳实施例中，所述的留住的颗粒包括细胞，例如白血液细胞。
本发明的另一方面包括使用本发明第二方面的方法得到的通过的微颗粒悬浮液，更具体地，这种方法其中所述的微颗粒悬浮液包括细胞或细胞成分。
下面是对附图的简单说明。


图1是在实例1，2中的先进颗粒介质及HARBORLITE 1500S和CELITE 535的颗粒尺寸分布曲线，示出随颗粒直径变化的差分的体积百分比；图2是实例1中的供料颗粒悬浮液及通过的微颗粒悬浮液的颗粒尺寸分布曲线，示出随颗粒尺寸变化的累积的体积百分比；图3是实例2中的供料颗粒悬浮液及通过的微颗粒悬浮液的颗粒尺寸分布曲线，示出随颗粒尺寸变化的累积的体积百分比。
下面说明实施本发明的模式。
A.先进的颗粒介质本发明的先进的颗粒介质可以比普通的颗粒介质更精确地在一个选定的阈值下把废的粗的微颗粒与细的微颗粒分离开。
本发明的先进的颗粒介质(及它们的使用)允许以类似机械的低级过滤器的方式有选择地按照颗粒尺寸来分离微颗粒。本发明的介质及方法对于减少悬浮液中粗颗粒(也就是高于某阈值的颗粒)的量及提供有选择地回收悬浮在液体中的细颗粒(也就是低于某阈值的颗粒)是有用的。由于本发明的颗粒介质具有比较窄的颗粒分布，因此在这方面是有效的。这种介质具有很均匀的颗粒间的孔隙(也就是介质颗粒间的空间)，它们对不需要的粗的微颗粒的通过而言是太细的，但对细的微颗粒的通过而言又是足够大的。在介质成分中没有额外的细颗粒可防止不希望的搭挤作用，这种作用会降低分离的精度，及堵住除极细的微颗粒外所有的颗粒的通过。
颗粒悬浮液的颗粒尺寸分布可使用很多已知的方法测定，例如激光衍射、显微镜、图像分析、沉积法(用斯托克定律)、考特计数器、及通过小孔的方法。
对于迅速及精确地测定悬浮液中颗粒尺寸的分布有许多可靠的分析仪器及方法。优选的测定颗粒尺寸分布的方法是用激光衍射法。优选的测定先进的颗粒介质及微颗粒悬浮液的颗粒尺寸的分布的仪器是Leeds& Northrup Microtrac的X-100型仪器。该仪器是全自动的，用过滤器运行30秒，在100个计数道的几何级数格式的体积分布得出结果。该分布的特点是用一个算法来翻译衍射图案数据，其假定颗粒是有直径D的球形。颗粒尺寸分布的上限尺寸可方便地由仪器定作D90，也就是总的颗粒体积的90％测出有直径等于或小于该值。中间的颗粒尺寸定为D50，也就是总的颗粒体积的50％测出有直径等于或小于该值。颗粒分布的下限尺寸定为D10，也就是总的颗粒体积的10％测出有直径等于或小于该值。
本发明的先进的颗粒介质的中间的颗粒尺寸为约20到约1400微米。
分离介质的一种相应的有用的性能称为“介质指数”m，其可方便地由下式从颗粒尺寸分布计算出m＝D50(m)/(D90(m)-D10(m)式中D50(m)，D90(m)及D10(m)分别是以微米为单位的分离介质的D50，D90及D10。例如，如果D90(m)等于128.4，D10(m)等于68.90及D50(m)等于92.13，那么m等于1.5。m值越大，测颗粒尺寸相对平均颗粒尺寸的分布越窄。
对于其中间颗粒尺寸为约20-35μm的本发明的先进颗粒介质，介质指数优选地为大于或等于0.60(通常为约0.6至约1.2)，更优选地为大于或等于0.80(通常为约0.8至约1.2)，最优选地为大于或等于1.0(通常为约1.0至约1.2)。
对于其中间的颗粒尺寸为大于35μm至180μm的本发明的先进颗粒介质，介质指数优选地为大于或等于1.0(通常为约1.0至约2.0)，更优选地为大于或等于1.3(通常为约1.3至2.0)，更优选地为大于或等于1.6(通常为约1.6至约2.0)。
对于其中间的颗粒尺寸为大于180μm至500μm的本发明的先进的颗粒介质，介质指数优选地为大于或等于2.0(通常为约2.0至约4.0)，更优选地为大于或等于2.5(通常为约2.5至约4.0)，最优选的为大于或等于3.0(通常为约3.0至约4.0)。
对于其中间的颗粒尺寸为大于500μm至约1400μm的本发明的先进的颗粒介质，介质指数优选地为大于或等于3.0(通常为约3.0至约6.0)，更优选地为大于或等于4.0(通常为约4.0至约6.0)，最优选地为大于或等于5.0(通常为约5.0至约6.0)。
一个限定成“供入的微颗粒的离散(f)的性质可方便地由下式从还没有进行分离处理的微颗粒的悬浮液的颗粒尺寸分布数据计算出f＝40/(D90(f)-D50(f))其中D90(f)和D50(f)分别为以μm为单位的供入的悬浮液的D90及D50值。例如，如果D90(f)等于8.518，而D50(f)等于4.510，那么f等于9.98。f值对用于在实际试验或过程中用的供入的颗粒悬浮液是专门的。
以类似的方式，限定成“通过的微颗粒离散”(P)的性能可方便地按照下式从已进行用按本发明的先进颗粒介质分离的微颗粒悬浮液的颗粒尺寸分布数据计算出P＝40/(D90(P)-D50(P))式中D90(P)和D50(P)表示以μm为单位的通过的悬浮液的D90和D50值。例如，如果D90(P)等于4.480，D50(P)等于2.978，那么P等于26.7。
如果通过的微颗粒的离散P的量值大于供入的微颗粒的离散f(也就是P/f＞1)，那么发生了选定的颗粒尺寸分离。“相对的选择性”S可方便地从下式计算出S＝P/f式中P及f为如上限定，S值越大，则选择性越大。
例如，如果供入的悬浮液的供入的微颗粒的离散f为9.98，而通过的悬浮液的通过的微颗粒的离散P为26.7(对于一种专门的先进的颗粒介质)，那么计算得到(该介质的)相对选择性为2.68。在另一种分离中，使用同样的供入的悬浮液(具有同样的微颗粒的离散为9.98)但是用不同的先进的颗粒的介质，可测定通过的悬浮液的通过的微颗粒的离散只有14.0，计算该分离的相对选择性只有1.40。虽然两种情形下使用的颗粒供料发生了选择分离(也就是S＞1)但前一个先进颗粒介质的相对选择性比后者大。
用于评价介质的性能，使用标准的微颗粒悬浮液测定“标准的选择性”S。用于本公开的目的，把一种标准的微颗粒悬浮液限定为一种其中使用优选的激光衍射法测定的，不同直径的颗粒占据的百分比体积，贯穿分布是相等的，使得D90(r)等于18.65，D50(r)等于5.00。
该标准的微颗粒悬浮液的参考的微颗粒的离散r可方便地用下式算出r＝40/(D90(r)-D50(r))＝2.93式中D90(r)及D50(r)分别为以μm为单位的标准悬浮液的D90及D50。
如果f＝r，也就是说供入的微颗粒悬浮液与标准的微颗粒悬浮液一样，那么标准的选择性可方便地由下式算出S′＝P/f＝P/r对于有足够宽的颗粒尺寸分布以覆盖有兴趣的区域使得如果f＜＞r，P保持实际上不改变的这种非标准的供入的微颗粒悬浮液，其标准选择性可由下式估计出S′≌S+(f/r)也就是说，如供入的微颗粒的离散正比于参考的微颗粒离散那样，相对选择性与标准选择性成正比。例如，如果供入的悬浮液的供入的微颗粒的离散为9.66，一种专门的分离方法的相对选择性S为1.45，已知r为2.93(如上述)，那么可计算出估计的标准选择性为4.78。
本发明的先进颗粒介质的标准选择性等于或大于4.0(通常为约4.0至约40)，更优选地为等于或大于5.0(通常为约5.0至约40)，更加优选地为等于或大于6.0(通常为约6.0至约40)，再更加优选地为等于或大于8.0(通常为约8.0至约40)，又更加优选地为等于或大于10.0(通常为约10.0至约40)。
B.制备先进的颗粒介质的方法如上所述，本发明的先进的颗粒介质具有窄的颗粒尺寸分布。可以使用任何已知的制备具有要求的窄的颗粒尺寸分布、要求的介质指数及标准选择性的颗粒介质的方法。这些方法包括例如过筛，沉积法或旋流法。
在一个典型的方法中，可通过把颗粒过筛通过一筛，其具有给定的公称的筛孔的丝网，而剩余颗粒留在具有较小的给定的筛孔的丝网上来制备出先进的颗粒介质。
本发明的先进的颗粒介质可以由与要处理的颗粒悬浮液的液体及颗粒相容的任何材料制备，只要能得到要求的颗粒尺寸分布、介质指数、和标准选择性。例如，合适的材料是在分离过程的条件下，物理方面是稳定的(例如，在特别高或低的温度范围或在特别的液体中)，而化学是惰性的(例如与悬浮液的液体不反应)。
先进的颗粒介质可由比较刚性的颗粒制备，如从热碱处理的硅藻土(如下面实例说明的)制备出的比较刚性的颗粒。其它可以得到刚性颗粒的合适的材料包括其它矿物或矿物的产品(例如硅藻土或硅砂)，玻璃(例如硼硅酸盐)，金属(例如不锈钢或因康镍合金)或无机盐(例如硅酸钙)。其它的刚性颗粒包括硬的聚合物材料，例如刚性塑料(例如聚碳酸酯或聚四氟乙烯)。
先进的颗粒介质可由可压缩至刚性塑料尺寸的材料制成。这种材料包括例如软聚合物(例如橡胶、聚烯烃、粒状淀粉)。对于从可压缩的颗粒制备的先进颗粒介质、介质指数、平均颗粒直径和选择性是在实际使用条件下(也就是，在分离过程中经压缩的)测定的值。
附加的要求的性能(包括提高的选择性)可以由对先进的颗粒介质进一步改型而得到。例如由硅质材料(例如硅藻土、珍珠岩、硅砂、硅玻璃)制备的先进的颗粒介质的表面可以由化学处理改型使产品更加憎水或更加亲水。先进的颗粒介质可放在一个塑料容器中，少量的硅烷化剂(例如二甲基二氯硅烷，也就是SiCl2(CH3)2，或六甲基二硅氮烷，也就是(CH3)3Si-NH-Si(CH3)3)加到容器中。在蒸汽相中在24小时内表面发生反应。这类产品是憎水的，在包括类似的憎水液体(例如烃或油)的应用中期望有改进的机械性能。类似地，可以通过在水中含10％(重量/体积)的氨基丙基三乙基硅烷(也就是C9H23NO3Si)的水悬浮液中反应，在70℃回流3小时，过滤混合物，在空气中干燥固体得到更亲水的表面来改型先进的颗粒介质。要求特别的改型以允许进一步使先进的颗粒介质衍生，已把硅颗粒表面的终端的羟基基团、也就是(OH)转为氨丙基(-(CH2)3NH2)。先进的颗粒介质的亲水(例如氨基硅烷化)改型可进一步反应与有机化合物(例如蛋白质)连接，其可进一步提高选择性。前面已经说明过许多适合硅物质及其它材料衍生的其它反应(Hermanson.1992)。
在图1中图解比较了各种介质的颗粒尺寸分布。所示的先进颗粒介质的颗粒尺寸分布是实例1和2的，分别有中间的颗粒直径为92.13μm及介质指数为1.5，及中间的颗粒直径为127.4μm及介质指数为1.2。CELITE 535(加利福尼亚州，Lompoc市的Celite公司产的)是分级的热碱处理的硅藻土助滤剂，中间的颗粒直径40.71μm和介质指数为0.51。HARBORLITE1500S(加利福尼亚州，Lompoc市的Harborlite公司产的)是分级的珍珠岩助滤剂，中间的颗粒直径为50.06μm和介质指数为0.66。
C.使用先进的颗粒介质的方法本发明的先进的颗粒介质及它们的应用允许以类似机械低过滤器的方式，按照颗粒尺寸有选择地分离微颗粒。本发明的介质和方法对于总的减少悬浮液中粗颗粒的量(具有大于某阈值的颗粒尺寸的颗粒)及有选择地回收悬浮在液体中的细颗粒(也就是低于某阈值的颗粒尺寸的颗粒)的装置是有用的。
对于具体的直接应用，可使分离的精度选择和/或理想化(如所指出的，例如，通过减少颗粒尺寸高于某一专门的阈值的颗粒)。对于某些应用，很希望有选择的分离(几乎完全除去粗颗粒)。或者在其它应用中，由于例如经济及打算的最终用途，只有适度的选择性分离(具有适度的减少粗颗粒)是可以接受的。
本发明的先进的颗粒介质可用于多种方法中达到按尺寸分离颗粒。本发明的先进的颗粒介质可以用于其中介质(被一支承)支承着的任何方法中，支承的一个实例是一个隔膜，例如筛、膜片或垫。
本发明提供了一个从微颗粒在液体中的悬浮液(也就是微颗粒悬浮液)中按颗粒的尺寸分离出微颗粒的方法，该方法包括下面步骤(a).把本发明的先进颗粒介质提供到一个支承上；和(b).把微颗粒悬浮液通过介质，按照颗粒尺寸进行选择分离。
例如可借助重力使微颗粒悬浮液通过介质。类似地，可借助(例如使用如气体之类可相容的材料)加在支承前面的正压帮助微颗粒悬浮液通过介质，或借助介质外施加的负压(也就是真空)的帮助，只要要求的介质性能(例如颗粒尺寸、介质指数等)维持在这些条件下。分离方法可在(例如介质悬浮液或两者)在较低温度或高温下进行，只要要求的介质性能(例如化学状态、化学反应性、颗粒介质、介质指数等)保持在这些条件下。先进的颗粒介质可以复合材料(例如板、垫或盒)的形式制出及使用。
本发明的先进的颗粒介质对于选择分离刚性的和可压缩的微颗粒是有用的。
例如，在本发明的一个实施例中，通过把悬浮液通过在一个柱中包含的、并由隔膜(例如丝网或纤维垫)支承的本发明的先进颗粒介质床的方法，使工业填充材料(例如硅藻土、硅砂、碳酸钙)或颜料(例如二氧化钛)中的粗的微颗粒可选择地与要求的细的微颗粒脱开。通过一些手段可使本方法增加生产量。例如可用加在隔膜前面的可压缩材料(例如空气或氮气)对柱加压以使悬浮在液体中的细的微颗粒加速通过先进的颗粒介质。也可以在隔膜外加上真空或只用真空以使悬浮在液体中的细的微颗粒通过先进的颗粒介质。
为了进一步提高本方法的实用性，附加量的先进颗粒介质可加到作为主体供料的供入的微颗粒悬浮液中以补充用先进的颗粒介质预涂覆的上述的隔膜。对于如上述之类的填料和颜料，得到近1∶1的先进颗粒介质与供入的微颗粒悬浮液之比的量是典型的起始点。当分离过程中废的粗的微颗粒被介质挡住，加入先进的颗粒介质作为主体供料减小了床对流动的阻力，使得比单用预涂覆的隔膜可使微颗粒悬浮液的流量能保持更长的时间。
在另一个实施例中，更大的白血液细胞可从血液中要求的更细的微颗粒(例如红血液细胞或血小板)中除去。例如，全血的供入微颗粒悬浮液可通过包含在柱中且被隔膜(例如网筛、薄膜或垫)支承的本发明的先进的颗粒介质，而导致选择地分离白血液细胞而允许悬浮的红血液细胞通过。作为在上述使用模式中，通过一些手段可进一步提高本方法的生产量。例如可用在隔膜的前面加上可压缩材料(例如空气或氮气)对柱加压，以使液体中悬浮的细的微颗粒加速通过先进的颗粒介质。也可以在隔膜外对柱同时加以真空或只加真空以使在液体中悬浮的细的微颗粒加速通过先进的颗粒介质。
如上所述，为进一步提高方法的实用性，附加量的先进的颗粒介质可加到作为主体供料的供入的微颗粒悬浮液中以补充上述的预涂覆以先进的颗粒介质的隔膜。对于如上述的细胞之类的更可压缩的及可变形的微颗粒、得到约2∶1的先进颗粒介质与供入的微颗粒悬浮液之比的重量是一个典型的起始点。当分离过程中白血液细胞收集在介质中，加入先进的颗粒介质作为主体供料降低了床对流动的阻力，使得比单用预涂覆的隔膜可保持细的微颗粒悬浮液流量更长的时间。
虽然生物细胞是有些可变形的，但本发明的先进的颗粒介质也可以应用到其它可变形的或可压缩的微颗粒悬浮液。
在本发明精神范围内可对如上所述的本发明可作出其它的改型及变化。
D.实例下面实例中说明了两种本发明的先进的颗粒介质及它们的制备及使用方法，但是这些实例只是作为说明而不是作为对本发明的限制。
实例1通过在170至200目的筛之间过筛而制成先进的颗粒介质。
在本实例中，通过在足够的去离子水中使0.3克的3-4μm的微球及各为0.2克的5-6μm微球，6-8μm微球及8-10μm的微球的硅石制成最终体积为1L的浆料来制成1L的含有一组微球硅石颗粒(Potter微球)在水中的微颗粒浆料。本实例的微颗粒浆料的颗粒尺寸分布的D50(f)为4.510，D90(f)为8.518，产生供入的微颗粒的离散为9.98。
通过把经酸洗的热碱处理的硅藻土助滤剂(CELITE 544，由加利福尼亚州的Lompoc市的Celite公司生产)过筛制备出一个先进的颗粒介质。首先颗粒放在170目(90μm的公称的筛孔)筛上过筛，震摇过筛，筛上的粗粒子扔掉。过筛的颗粒在200目(75μm的公称的筛孔)筛上震摇，通过该筛的颗粒扔掉。对留在200目筛上的介质重复整个过筛程序，使用水流冲去介质中的细粒来进一步改善介质指数。该介质再在1100℃空气中干燥2小时。过筛出足够量的助滤剂以产生约50克介质。本实例的先进颗粒介质的颗粒尺寸分布具有D10(m)为68.90，D50(m)为92.13，和D90(m)为128.4，其介质指数为1.5。
一个1.5cm的先进颗粒介质床放在支承在325目(45μm)的不锈钢隔膜上的37mm直径的不锈钢过滤漏斗中，借助重力流动把300mL的在水中的微颗粒浆料导入床中。通过先进颗粒介质床的在水中的微颗粒浆料的颗粒尺寸分布具有D50(P)为2.978，D90(P)为4.480，通过的微颗粒的离散为26.67。该实例的相对选择性为2.67，计算出标准选择性为9.09。
本实例的结果在图2中图解示出。具有直径小于2.0μm的绝大多数微颗粒通过，而具有直径大于4.0μm的大部分颗粒不能通过。
高的相对及标准选择性表明被先进的颗粒介质挡住的粗的微颗粒比细的微颗粒百分比更大，因而达到了要求的精确及选择的分离。
实例2通过在100至200目的筛之间过筛而制成的先进的颗粒介质。
在本实例中，在足够的去离子水中使0.3克的3-4μm的微球及各为0.2克的5-6μm微球，6-8μm微球及8-10μm的微球的硅石制成最终体积为1L的浆料来制成1L的含有一组微球颗粒(Potter微球)在水中的微颗粒浆料。本实例的微颗粒浆料的颗粒尺寸分布的D50(f)为4.633，D90(f)为8.773，产生供入的微颗粒的离散为9.98。
通过把经酸洗的热碱处理的硅藻土助滤剂(CELITE 544，由加利福尼亚州的Lompoc市的Celite公司生产)过筛制备出一个先进的颗粒介质。首先颗粒放在100目(150μm的公称的筛孔)筛上过筛，震摇过筛，筛上的粗粒子扔掉。过筛的颗粒在120目(125μm的公称的筛孔)筛上震摇，通过该筛的颗粒扔掉。对留在120目筛上的介质重复整个过筛程序，使用水流冲去介质中的细粒来进一步改善介质指数。该介质再在1100℃空气中干燥2小时。过筛出足够量的助滤剂以产生约50克介质。本实例的先进颗粒介质的颗粒及尺寸分布具有D10(m)为81.69，D50(m)为127.4，和D90(m)为184.7，其介质指数为1.2。
1.5cm的先进颗粒介质床放在支承在325目(45μm)的不锈钢隔膜上的37mm直径的不锈钢过滤漏斗中，借助重力流动把300mL的在水中的微颗粒浆料导入床中。通过先进颗粒介质床的水中的微颗粒浆料的颗粒尺寸分布具有D50(P)为3.503，D90(P)为6.352，通过的微颗粒的离散为14.04。该实例的相对选择性为1.45，计算出的标准选择性为4.78。
本实例的结果在图3中图解示出。具有直径小于2.0μm的绝大多数微颗粒通过，而具有直径大于4.0μm的大部分颗粒不能通过。
再一次，高的相对及标准选择性表明被先进颗粒介质挡住的粗的微颗粒比细的微颗粒百分比更大，因而达到了要求的精确及选择的分离。
实例3通过在200至230目的筛之间过筛而制成先进的颗粒介质，接着通过改性来提高白血球细胞与红血球细胞的选择的分离。
在本实施例中，通过下面的方法制出先进的颗粒介质。通过把经酸洗的热碱处理的硅藻土助滤剂(CELITE 545，由加利福尼亚州的Lompoc市的Celite公司生产)使用喷气的Alpine颗粒分离器(新泽西州的Summit市的Micron Powder Systems公司生产)过滤，首先收集通过150目(106μm的公称筛孔)的筛的颗粒，并扔弃过粗的颗粒。通过150目筛的颗粒再放到230目(63μm公称筛孔)的筛上过筛。然后收集在筛上留着的颗粒，把过细的颗粒扔去。
留下的颗粒悬浮在水中，装到装在震动环上的230目筛上，用足够的去离子水冲洗以清除残存的过细颗粒。然后把留在筛上的颗粒转到放在230目筛上的200目(75μm公称筛孔)的筛上，该两筛都装在震动环上，再用去离子水漂洗。把留在200目筛上的颗粒扔掉，把留在230目筛上的颗粒收集起来。
把50克收集的颗粒放在500mL的锥形瓶中，其中加入PH5.5的200mL的0.1M醋酸钠(也就是CH3COONa)的缓冲剂。把瓶内的内装物在真空下用声波处理及排气以除去在只有硅藻土颗粒才有的复杂及多孔结构中带有的空气。在锥形瓶中加入20mL的3缩水甘油环氧丙烷三甲基硅烷(C9H20O5Si)，对锥形瓶加盖，把内装物在90℃(±0.5℃)的水中摇5小时。在这一步骤中，在颗粒表面的最终基团从硅醇(≡Si-OH)基团转为环氧基团(-(CH)O(CH2))。
随后把颗粒转到装有Whatman No.42的过滤纸的瓷漏斗上，用去离子水进行彻底的冲洗，接着用PH3.0的稀硫酸(H2SO4)的水溶液洗。过滤的颗粒转到含PH3.0的稀硫酸水溶液的1L的锥形瓶中。内装物在回流温度下加热1h使最终基团从环氧基团水解成二醇基团(-CH(OH)-CH2(OH))。内装物再转到装有Whatman No.42的过滤纸的瓷漏斗上，用去离子水及用甲醇(CH3OH)彻底冲洗，并在70℃空气中干燥16小时。
随后把颗粒悬浮在500mL的3％(体积比)的过氧化氢(H2O2)中，并在90℃的水池中搅拌1小时。该含有过氧化的二醇功能团的高度亲水性的颗粒转到装有Whatman No.42过滤纸的瓷漏斗上，用去离子水，用甲醇彻底地清洗，在70℃空气中干燥16小时，得到最终的先进颗粒介质。
该实例的先进颗粒介质的颗粒尺寸分布为D10(m)为52.19，D50(m)为74.46及D90(m)为122.5，得到介质指数为1.1。
通过把30g的先进颗粒介质放在丙烯酸塑料(比先进颗粒介质亲水性差的物质)以保证血液流通过介质，这样进行把本实例的先进的颗粒介质用来进行红血液细胞与白血液细胞的选择分离。过滤元件装有管接头使得血能借助重力方便地通过装在标准血袋的标准管流到过滤元件上。先进颗粒介质盖以在过滤元件顶部封着的塑料筛(Spectra/目；53μm的公称筛孔)，可由德克萨斯州的Houston市的Spectrum公司购得)以便把血液均匀地分散在先进颗粒介质的表面。先进颗粒介质支承在一个塑料筛(Spectra/目；41μm的公称筛孔，可由德克萨斯州的Houston市的Spectrum公司购得)上，该筛封在过滤元件的底部，以防止介质颗粒进到排出的血产品中。
先进的颗粒介质用200mL的可渗的生理盐溶液(0.9％NaCl，Baxtex Healthcare公司产)灌入，接着装入一单位(约300mL)的在前一天从输血者收集的O型自然的红血液细胞的浓缩物。用Baker 9000自动细胞计数仪测量，该红血液细胞浓缩物含有每mL为6.94×109个红血液细胞，及每mL为1.3×106个白血液细胞。
盐冲洗的部分弃去，收集红血液细胞产品直到红血液细胞浓缩物袋排空，产品的红血液细胞的平均浓度为6.92×109个红血液细胞/mL，而白血液细胞的浓度选择地降到6.1×103个血液细胞/mL。白血液细胞的浓度低于Baker仪器探测极限，改为用Nageotte方法用手动光学显微镜来测定。为参考目的，红血液细胞浓缩物的血细胞比容为56.6％，而红血液细胞产品的平均血细胞比容实际等于56.4％。
该实例的结果表明约99.7％的较小的红血液细胞是有选择地允许通过先进的颗粒介质，而较大的白血液细胞被有选择地限制通过先进的颗粒介质，只有小于0.5％通过。因此有选择地通过的红血液细胞与白血液细胞的比为200∶1。因此本发明的先进颗粒介质达到要求的精确及选择性的分离。
E.参考文献下面的出版物、专利及公开的专利说明书的内容结合作为本说明书的参考来更好地说明本发明的现有技术。
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权利要求
1.一种从微颗粒在液体中的悬浮液中按照颗粒的尺寸有选择地分离微颗粒的方法，包括下列步骤(a).把具有标准选择性等于或大于4.0的先进颗粒介质提供在一个支承上，颗粒介质从以下组中选出具有介质指数等于或大于0.60的中等颗粒直径等于或大于20μm到35μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于1.0的中等颗粒直径大于35μm到180μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于2.0的中等颗粒直径大于180μm到500μm的颗粒介质；具有介质指数等于或大于3.0的中等颗粒直径大于500μm到1400μm的颗粒介质，和(b).使所述的微颗粒悬浮液通过所述的先进颗粒介质，因而按照颗粒尺寸进行有选择的分离。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的先进颗粒介质包括刚性的颗粒。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于所述的刚性颗粒包括矿物或矿物产品。
4.按照权利要求2的方法，其特征在于所述的刚性颗粒包括一种聚合物材料。
5.按照权利要求2的方法，其特征在于所述的刚性颗粒包括无机盐、金属或玻璃。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的先进颗粒介质包括可压缩到表现为刚性颗粒的尺寸标准的颗粒。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于所述的可压缩颗粒包括一聚合物材料。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的微颗粒悬浮液包括刚性颗粒。
9.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的微颗粒悬浮液包括可压缩材料。
10.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的微颗粒悬浮液包括细胞或细胞成分。
11.按照权利要求10的方法，其特征在于所述的细胞或细胞成分包括从白血液细胞、红血液细胞和血小板的一组中选出的成分。
12.按照权利要求10的方法，其特征在于所述的细胞或细胞成分包括白血液细胞及红血液细胞的一组中选出的成分。
13.按照权利要求10的方法，其特征在于所述的细胞或细胞成分包括白血液细胞及血小板的一组中选出的成分。
14.按照权利要求10的方法，其特征在于所述的液体是生物液体。
15.按照权利要求10的方法，其特征在于所述的液体是血液。
16.按照权利要求10的方法，其特征在于所述的液体是血液衍生的液体。
17.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的微颗粒悬浮液通过所述的先进颗粒介质借助重力进行。
18.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的微颗粒悬浮液通过所述的先进颗粒介质借助于在所述的支承的前面加上正压而进行的。
19.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的微颗粒悬浮液通过所述的先进颗粒介质借助于在所述的支承外，加上负压而进行的。
20.按照权利要求1的方法，其特征在于在所述的微颗粒悬浮液中加入另外的先进颗粒介质。
21.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的先进颗粒介质结合在包括垫、板和盒这一组中选出的一成分中。
22.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的先进颗粒介质包括在比先进颗粒介质亲水性差的过滤剂中。
23.按照权利要求1的方法，其特征在于由所述的先进颗粒介质留住的颗粒被收集、采集、浓缩或回收。
24.按照权利要求23的方法，其特征在于所述的留住的颗粒包括刚性颗粒。
25.按照权利要求23的方法，其特征在于所述的留住的颗粒包括可压缩的颗粒。
26.按照权利要求23的方法，其特征在于所述的留住的颗粒包括细胞。
27.按照权利要求23的方法，其特征在于所述的留住的颗粒包括白血液细胞。
28.使用权利要求1-27中任一项的方法得到的通过的微颗粒悬浮液。
29.使用权利要求10的方法得到的通过的微颗粒悬浮液。
全文摘要
本发明涉及按照颗粒尺寸选择地分离颗粒。更具体地,本发明涉及先进的颗粒介质,其仔细地筛分以允许按照尺寸精确及选择地分离液体中悬浮的微颗粒,以及使用这些先进的颗粒介质进行精确及选择地分离的方法。
文档编号B01D37/02GK1198685SQ96197463
公开日1998年11月11日 申请日期1996年7月19日 优先权日1995年10月6日
发明者斯科特·K·帕尔姆, 蒂莫西·R·史密斯, 杰罗姆·C·休, 约翰·S·鲁尔斯顿, 斯塔西·M·理查德, 沙希·B·戴夫, 托马斯·E·苏尔皮齐奥 申请人:先进矿物公司