用于磁场梯度增强离心的设备的制作方法

专利名称：用于磁场梯度增强离心的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由存在磁场梯度增强的离心设备。
背景技术：
从固-液混合物大体积分离矿物到生物技术或制药工业中的高价 值产物的小批量分离，固-液分离广泛应用。在过去的50年里，重力、 压力、温度、离心和流体动力一直是常规固-液分离的主要方面。常 规固-液分离通常由两个主要步骤组成。在第一步骤中，通过施加压 力使固体颗粒从液体分离。压力可通过机械施加压力的方法施加， 这可包括活塞、气体压力、流体动力压力、重力压力、离心压力或 其组合，其中液体通过滤器，而固体由滤器保留。所遇到的一个问 题是由于固体"穿透"(即通过)滤器发生固体损失。 一个更严重的问 题是机械分离步骤不产生完全分离。这必然要增加第二步骤，热干 燥过程。
热干燥过程的能量效率比机械步骤低得多，能量效率低100-200 倍。由于每年要处理大量材料，通过降低下游干燥需求，更有效的 机械固-液分离将使总体能耗显著降低。由于热干燥占全世界能量消 耗的相当大部分，因此这会影响能量消耗。
在某些情况下，已经用高梯度磁场分离从固体与液体的混合物 分离特定磁性固体。
本发明的目的就是提供一种能够更有效地分离包含磁性颗粒的 固-液混合物的设备。 发明概述
本发明提供一种离心分离包含磁性颗粒的固-液混合物的设备， 所述设备包括在其内部进行离心的容器和在容器内的旋转的磁性基
体(magnetic matrix)。此设备进《亍的分离过程通过存在磁场梯度得以 增强。旋转的磁性基体为磁场梯度源。由这些定域磁场梯度提供的 磁力将磁性颗粒吸^ 1到旋转的性基体。本发明提供一种可用于连 续方法的"^殳备和可用于分批方法的设备。
所述设备进一步包括在由^兹性基体占据的设备区域提供磁场的 装置。
在固-液混合物包含铁磁性、亚铁石兹性、反铁;磁性、顺;兹性或抗 磁性固体时，或者固-液混合物用铁磁性或顺磁性颗粒接种时，可使 用本发明的设备。在磁性颗粒结合到要被分离的目标物质时，即在 "官能化的磁性球粒"被使用并且结合到高价值目标物质时，如蛋
白质、DNA质粒及其他生物物质，也可使用此设备。
已发现产生> 100 T/m场梯度的磁性基体可用于此设备。产生高 磁场梯度如> 5000 T/m梯度的磁性基体是优选的。
附图简述


图1显示^f兹性基体元件的结构的一些实例。 图2为显示进行连续分离方法的磁场梯度增强离心设备的一个 实施方案的示意图。
发明详述
本发明提供一种对包含磁性颗粒的固-液混合物进行连续或分批 离心固-液分离的设备，其中所述设备的性能通过存在磁场梯度增强。
本发明的设备使固-液混合物同时经受离心和磁场梯度。在这些 梯度于其中进行分离的设备内起作用并因此使磁性颗粒在设备内经
历移动的意义上，这些梯度可以为定域磁场梯度。^兹场梯度对固-液 混合物中存在的磁性颗粒提供石兹力。磁性颗粒可以为铁磁性、亚铁 磁性、反铁磁性、顺磁性或抗f兹性颗粒。旋转的磁性基体产生磁场 梯度，而由磁场梯度提供的磁力将磁性颗粒吸引到磁性基体。磁场
梯度优选> 100 T/m。高磁场梯度如> 5000 T/m的梯度是最优选的。
磁性基体可由任何在磁场中提供磁场梯度的材料构成。通常由 在放入磁场时提供磁场梯度的材料构成，如钢线、钢棒、钢棉和/或 钢筛网。磁性基体可包括一个元件，所述元件包括一组磁线，或可 包括相同或不同的多个此类元件。元件可以多种结构布置于容器内。 在一个实施方案中，该元件是平面的，并且平面与容器的轴线垂直。
图1显示基体的元件可采^U々一些结构的实例。图la显示包括 从中心径向向外延伸的线或棒的基体。图lb显示包括径向向外延伸 的线和呈同心圆的线的基体。图lc显示包括向外延伸的支化线的基 体。图ld显示包括从中心向外延伸的弯线的基体。图le显示包括筛 网的基体。线的形状和尺寸可以变化。基体的元件直径可相对于容 器的直径改变。在一个实施方案中，可使基体的元件构成为使它们 从容器的中心(例如轴线)延伸到容器的边缘(例如内壁)。作为磁性基 体元件的线可以独立或者可被支撑。在另一个实施方案中，元件非 平面状，而是可以为其轴线沿着容器轴线的锥形。
因此，所述设备也可以包括提供作用于磁性基体的磁场的装置。 提供磁场的装置可包括其内磁性基体旋转的容器的内部或外部的螺 线管或永久磁铁。
磁性基体在容器内旋转，并且在容器内加入固-液混合物。其内 磁性基体旋转的容器可以为具有旋转部件的离心机，在此情况下， 离心机的旋转部件和旋转的磁性基体均有贡献于磁性颗粒所受的离 心力。本文所述术语"离心机"包括任何具有旋转转子、旋转螺杆 或提供离心力的其它旋转部件的容器。它可包括提供离心力的寇析 器、分离器和水力旋流器。在此情况下，可将磁性基体固定到离心
机的转子、螺杆或轴上，并以与离心机相同的频率旋转，或者连接 到具有单独驱动的单独的轴上，以便独立调节旋转频率。可用离心 机和磁性基体的旋转频率差作为参数调节分离过程的操作。术语"离 心机"也包括具有产生固-液混合物螺旋运动和离心力的切向(例如径 向)入口的静态离心机。
或者，其内磁性基体旋转的容器可以为静止的容器，即容器不 旋转。在这种情况下，旋转的磁性基体为作用于磁性颗粒的离心力 的P眷一来源。
固國液混合物中的磁性颗粒可以为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、 顺磁性或抗磁性颗粒。固-液混合物也可用铁磁性或顺磁性颗粒接种 以促进分离。在使用"官能化磁性球粒，，时，即在磁性颗粒结合到 要被分离的目标固体时，本发明设备也有效。高价值目标物质，如 昂贵的生物物质，可结合到此类磁性颗粒，以促进分离过程和减少 昂贵生物物质的损失。"官能化磁性球粒"为通过用已知结合到目 标生物物质的生物或化学实体处理其表面而"官能化"的磁性颗粒。 在结合目标物质的"官能化磁性球粒"被分离后， 一个分离步骤可 使目标物质从官能化磁性球粒分离。磁性球粒可重新利用。本文所 用"磁性颗粒"包括本段落以上提到的所有类型磁性物质。
由于磁场作用于基体，磁性颗粒被吸引并附着到磁性基体上。 由于离心力，磁性颗粒径向向外移向容器的内壁或其它边缘。磁性 颗粒径向向外移动并且聚集在》兹性基体的外端导致磁性基体自身清 洁，以便能够收集其它磁性颗粒。
在旋转的磁性基体为唯一 离心力源时，由于磁性颗粒附着到旋 转的磁性基体上，因此基本上只有磁性颗粒受到离心力。这些磁性 颗粒向外移向能够收集它们的容器的内壁或其它边缘。具有静止容 器和为唯一离心力源的旋转磁性基体的设备尤其适用于从固-液混合
物分离磁性颗粒，其中将所含的磁性颗粒回收，并且将非磁性颗粒
认作为废产物的部分。
设备包含入口，可通过入口力。入固-液混合物。可将固-液混合物 轴向或切向(即径向)加入容器。固-液混合物可视需要包含絮凝剂、 表面活性剂和溶胶。固-液混合物通常具有很多与悬浮液相同的性质。
在一个实施方案中，将设备设计成能够使分离作为连续过程进 行。可将固-液混合物通过入口连续加入其内磁性基体旋转的容器。 其中还提供了在磁性基体外端收集磁性颗粒和从容器通过产物出口 移除这些磁性颗粒的装置。固_液混合物中任何非磁性颗粒不^皮吸亏1 到磁性基体，而是随液体流动通过容器，并从容器随废物流中的液 体排出废物出口。
在连续运行设备中，将固-液混合物通过进料入口加入容器的一 端，并且将固-液混合物的残余物在;兹性颗粒已自其分离后从容器移 除。残余物可以只为液体，或者可以为液体和非^磁性颗粒的混合物。 在此实施方案中，所述设备进一步包括进料入口 ，可通过所述进料
入口将固-液混合物连续加入容器中；产物出口，可通过所述产物出 口使被分离的磁性颗粒从容器排出；和废产物出口，固-液混合物的
口排出。
在进行连续分离方法的不同实施方案中，容器自身没有旋转部 件，而旋转的磁性基体为唯一的离心力源。在这样一个实施方案中， 容器包含一套两个不同直径的同心正圆形圓筒，其中较小直径的圆 筒壁包围一个圆柱形区域，并且此组圆筒的两个壁包围具有圆柱壳 形或环形环区域。旋转的磁性基体的各元件从容器的轴线延伸通过 较小直径圆筒壁中的开口 ，提供开口使各元件伸入圆柱壳区域。
在此实施方案中，设备也可包括进入圆柱壳区域一端的緩沖溶 液入口 。固-液混合物的进料入口在与緩冲溶液入口相同的容器末端 进入较小直径圆筒内的圆柱形区域。废物出口在较小直径圆筒内的 圆柱形区域末端离开，这一端与其中进料入口进入的一端相对。产 物出口在圆柱壳区域的末端离开，这一端与其中乡爰冲溶液入口进入
的一端相对。进行连续方法并且其中旋转的磁性基体为作用于固-液混合物的唯一离心力源的设备的此实施方案的示意图显示于图2中。图2a显 示其中布置较小直径圆筒的正圓形圆筒形式的容器1的垂直截面图。 较小直径圓筒的垂直壁2包围一个内部圆柱形空间，并且壁2和壁3 包围一个外部圓柱壳。旋转的》兹性基体4结合到沿着容器的轴线的 轴杆5上。使轴杆5旋转的装置如箭头6所示提供。使轴杆5旋转 的装置可包括例如连接到轴杆的马达。所述设备还包括提供作用于 磁性基体的磁场的装置，标注的箭头B指示磁场的存在和方向。磁 场可指向其它方向，但优选平行于容器的轴线，或者具有平行于容 器轴线的主要分量。图2b为显示旋转磁性基体4的结构的水平横截面图。在此例中， 磁性基体只包含一种类型的元件，为所示的线或棒，但可将相似或 不同的元件连接到轴杆5上并由轴杆5旋转。对元件所示的结构与 图la所示的结构类似，即线或4奉从中心径向向外延伸。线或才奉从轴 杆延伸通过壁2中的开口 ，并且伸入外部圓柱壳。可将固-液混合物通过入口连续加入内部圓筒，如箭头7所示。 固-液混合物包含显示为具有白色中心区的球粒的磁性颗粒8和显示 为具有黑色线紋的球粒的非磁性固体9及液体。固-液混合物由于施 加的压力和重力从内部圆筒顶部流向底部。由于在万兹性基体的磁场 梯度和所产生的磁力，磁性颗粒被吸引并附着到磁性基体上。高磁 场梯度是优选的，因为它们产生较大力并且使磁性颗粒更强力附着 到磁性基体上。由于由旋转的磁性基体提供的离心力，磁性颗粒径 向向外移向壁2。它们通过壁2中的开口进入外部圆柱壳。在此实施方案中收集和移除磁性颗粒的方式由液相緩冲溶液提 供。液相緩冲溶液如箭头10所示通过入口进入外部圆柱壳。液相緩 冲溶液由于施加的压力和重力乂人圓柱壳的顶部流向底部。在^"兹性颗 粒通过壁2中的开口并进入外部圆柱壳时，它们被夹带到緩沖溶液
流中，并且如箭头11所示通过产物出口从设备排出。应选择緩冲溶 液以便促进磁性颗粒从溶液分离。在/f兹性颗粒为结合目标产物的官 能化磁性球粒时，使目标产物,人磁性球粒分离，并重新使用；兹性球 粒。非磁性颗粒不被吸引到磁性基体，基本上不受到离心力，而是 继续随固-液混合物中的液体流动通过内部圆筒，并且如箭头12所示 从内部圓筒随液体通过废物出口排出。可用本发明的设备选择性分离，即从非磁性颗粒和液体分离磁 性颗粒。也可用所述设备使磁性颗粒从液体分离或将不同大小的磁 性颗粒分级。高梯度磁场产生高磁力，高磁力允许分离较小的磁性 颗粒，因此能够用较小颗粒作为磁性球粒。由存在磁场产生的聚集 作用促进此分离。可由本发明的设备分离磁性纳米颗粒.适用于本发明的其它分离设备和使用方法描述于2005年2月17 曰同时提交的美国申请SN11/060,001和SN11/060,004,各申请全文 通过引用结合到本文中。
权利要求
1.一种用于离心分离包含磁性颗粒的固-液混合物的设备，所述设备包括(a)在内部进行离心的容器和(b)在容器内旋转的磁性基体。
2. 权利要求1的设备，所迷设备进一步包括(c)在由磁性基体占 据的容器区域提供磁场的装置。
3. 权利要求2的设备，其中所迷提供磁场的装置包括螺线管。
4. 权利要求1的设备，其中所述容器为离心机。
5. 权利要求1的设备，其中所述旋转的磁性基体为唯一的离心力源。
6. 权利要求1的设备，其中所述旋转的磁性基体产生量值>100 T/m的》兹场梯度。
7. 权利要求1的设备，其中所述旋转的磁性基体产生量值> 5000T/m的f兹场梯度。
8. 权利要求1的设备，其中所述旋转的磁性基体包括一个元件， 所述元件包括一组磁性线。
9. 权利要求1的设备，其中所述旋转的磁性基体包括多个元件， 每个元件包括一组-磁性线。
10. 权利要求1的设备，其中所述容器具有轴线和内壁，并且所 述旋转的磁性基体从容器的轴线延伸到容器的内壁。
11. 权利要求1的设备，所迷设备进一步包括(d) 进料入口 ，固-液混合物通过所述进料入口连续进入容器；(e) 产物出口 ，所分离的磁性颗粒通过所述产物出口从容器排出；和(f) 废物出口 ，已通过旋转磁性基体的固-液混合物的残余物通过 所述废物出口从容器排出。
12. 权利要求1的设备，所述设备具有轴线；其中所述容器包含 不同直径的两个同心正圓形圆筒；所述较小直径圆筒的壁包围一个 内部圓柱形区域；两个圆筒的相应壁包围圆柱壳区；并且所述旋转 的磁性基体的各个元件从容器的轴线延伸通过较小直径圆筒的壁中 的开口，并且进入圆柱壳区。
13.权利要求12的设备，所述设备进一步包括在容器的第一末端 进入圓柱壳区的緩沖溶液入口；在容器的第一末端进入内部圆柱区 的固-液混合物的入口；在容器第二末端离开内部圆柱区的废物出口； 和在容器的第二末端离开圓柱壳区的产物出口 。
全文摘要
本发明涉及一种进行连续或分批离心固-液分离过程的设备，其中所述固-液混合物经受磁场梯度和离心作用。
文档编号B03C1/029GK101160176SQ200680012796
公开日2008年4月9日 申请日期2006年2月17日 优先权日2005年2月17日
发明者B·富赫斯, C·K·霍夫曼, K·克勒 申请人:纳幕尔杜邦公司