BR112017024713B1

BR112017024713B1 - Método para a separação de um segundo fluido ou um particulado de um fluido principal

Info

Publication number: BR112017024713B1
Application number: BR112017024713-5A
Authority: BR
Inventors: Bart Lipkens; Ben Ross-Johnsrud; Evgenia Zabolotskaya; Yurii Ilinskii
Original assignee: Flodesign Sonics, Inc
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2022-09-27
Also published as: US20160339360A1; RU2708048C2; RU2017143001A3; US9550134B2; EP3297740A1; CN108093625B; KR20180010216A; WO2016187596A1; RU2017143001A; KR102603273B1; CA2986238A1; CN108093625A; BR112017024713A2

Abstract

MÉTODO PARA A SEPARAÇÃO DE UM FLUIDO OU UM PARTICULADO DE UM FLUIDO PRINCIPAL. A presente invenção refere-se a um método para separação de um segundo fluido ou um particulado de um fluido principal que é exposto. O método inclui o fluxo da mistura através de um dispositivo acústico-forético compreendendo uma câmara acústica, um transdutor ultrassônico e um refletor. O transdutor inclui um material piezelétrico acionado por um sinal de voltagem para se criar uma onda permanente acústica multidimensional na câmara acústica. Um sinal de voltagem é enviado para acionamento do transdutor ultrassônico em um perfil de deslocamento que é uma superposição de uma combinação de formatos de modo diferentes que são da mesma ordem de magnitude para a criação da onda permanente acústica multidimensional na câmara acústica, de modo que o segundo fluido ou particulado seja continuamente aprisionado na onda permanente, e, então, aglomere- se, agregue-se, forme grumos ou coalesça em conjunto, e subsequentemente suba ou se precipite do fluido principal, devido a forças de flutuação ou gravidade, e saia da câmara acústica.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica prioridade para o Pedido de Patente Provisório U.S. N° de Série 62/163.994, depositado em 20 de maio de 2015, cuja descrição é desse modo plenamente incorporada como referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES

[0002] O assunto descrito aqui refere-se ao uso de ondas perma nentes acústicas geradas de forma ultrassônica para a obtenção de aprisionamento, concentração e separação de componentes de fase suspensa e, desse modo, remover esses contaminantes de um meio fluido, tal como água.

[0003] Quando as partículas são entranhadas ou dispersas em um fluido fluindo, a agregação das partículas para a formação de grumos maiores é tipicamente devido a alguma atração ou adesão entre as partículas ou a adição de um agente de floculação que ajuda na atração e na agregação de partículas. As forças atrativas entre as partículas podem ser iônicas ou de emaranhamento físico.

[0004] Tipicamente, após os grumos de partículas serem formados no meio fluido, um processo de filtração física é utilizado para a separação dos grumos de partículas agregados, aglomerados, floculados ou formados por processo de outra forma. A maior parte do trabalho reportado na literatura para remoção de partículas de água envolve unidades de filtro substituíveis consistindo geralmente em cartuchos acondicionados, membranas de filtro, o meio de filtro físico e os grumos de partículas que foram separados do meio de fluido tipicamente são descartados, assim se criando um resíduo adicional e custos crescentes. Também, com o uso deste processo de filtração física, o ren- dimento do filtrado é diminuído, já que parte disto é usada para saturação do material de filtração. Ainda, conforme o filtro se enche, a capacidade de filtração é reduzida, e usar esses filtros requer paradas periódicas para a remoção do filtro e obtenção das partículas aprisionadas ali. Finalmente, embora partículas de mais de 10 micrômetros possam tipicamente ser capturadas por estas técnicas, partículas menores, tais como esporos bacterianos na faixa de tamanho de 1 mi- crômetro, tipicamente não são capturadas com eficiência suficiente.

[0005] Assim, são buscados métodos em que uma filtração contí nua possa ser realizada. Esses métodos contínuos seriam úteis em várias aplicações de filtração, tal como a filtração de óleo da água, componentes de sangue, resíduos em bacias de decantação e, geralmente, partículas de uma corrente de fluido e fluidos imiscíveis ou emulsificados de uma corrente de fluido.

[0006] Acustoforese é a separação de partículas e fluidos secun dários de um fluido primário ou principal usando-se ondas permanentes acústicas de alta intensidade, e sem o uso de membranas ou de filtros de exclusão de tamanho físicos. Tem sido sabido que ondas permanentes de alta intensidade de som podem exercer forças sobre as partículas em um fluido, quando houver um diferencial de peso específico e/ou compressibilidade, de outra forma conhecido como fator de contraste acústico. O perfil de pressão em uma onda permanente contém áreas de amplitudes de pressão mínimas locais em seus nós e máximos locais em seus antinós. Dependendo do peso específico e da compressibilidade das partículas, elas podem ser aprisionadas nos nós ou antinós da onda permanente. Geralmente, quanto mais alta a frequência da onda permanente, menor as partículas que podem ser aprisionadas devido à pressão da onda permanente.

[0007] Em dispositivos acústico-foréticos convencionais, ondas permanentes acústicas planas têm sido usadas para a realização do processo de separação. Contudo, uma única onda plana tende a aprisionar as partículas ou o fluido secundário de uma maneira tal que elas podem ser separadas apenas do fluido primário pela desativação da onda permanente plana. Isto não permite uma operação contínua. Também, a quantidade de potência que é necessária para a geração da onda permanente plana acústica tende a aquecer o fluido primário através de energia de perda.

[0008] Os dispositivos de acustoforese convencionais assim têm eficácia limitada, devido a vários fatores, incluindo geração de calor, uso de documentos encriptados planos, limites em fluxo de fluido, e a incapacidade de capturar tipos diferentes de materiais. Portanto, seria desejável prover sistemas e métodos de geração de agrupamentos de partículas para melhoria da separação por gravidade e da eficiência de coleta. Dispositivos de acustoforese melhorados usando dinâmica melhorada de fluidos também seriam desejáveis, de modo que a acusto- forese possa ser um processo contínuo.

BREVE DESCRIÇÃO

[0009] A presente invenção se refere, em várias modalidades, a dispositivos acústico-foréticos e métodos de separação de um segundo fluido ou um particulado a partir de um fluido principal. Brevemente, uma superposição de ondas permanentes acústicas multidimensionais é usada para o aprisionamento contínuo do segundo fluido ou particu- lado, o qual, então, aglomera-se, agrega, forma grumos ou coalesce em conjunto, e, subsequentemente, sobe ou se precipita do fluido principal devido à flutuação ou a forças de gravidade, e sai da câmara acústica.

[0010] O método exposto a aqui para a separação de um segundo fluido ou um particulado de um fluido principal inclui o fluxo de uma mistura do fluido principal e segundo fluido ou particulado através de um dispositivo acústico-forético. O dispositivo acústico-forético com- preende uma câmara acústica que tem pelo menos uma entrada e pelo menos uma saída; pelo menos um transdutor ultrassônico localizado em uma parede da câmara acústica, pelo menos um transdutor ultras- sônico incluindo um material piezelétrico acionado por um sinal de voltagem para se criar uma superposição das ondas permanentes acústicas multidimensionais na câmara acústica; e um refletor localizado em uma parede no lado oposto da câmara acústica a partir de pelo menos um transdutor ultrassônico. O método ainda compreende o envio de um sinal de voltagem para acionamento de pelo menos um transdutor ultrassônico em um perfil de procedimento que é uma superposição de uma combinação de modos diferentes (tais como planos, fundamentais e/ou formatos de modo de ordem mais alta) que são da mesma ordem de magnitude para a criação da onda permanente acústica mul-tidimensional na câmara acústica, de modo que o segundo fluido ou particulado seja continuamente aprisionado na onda permanente, e, então, aglomera-se, agrega, forma grumos, ou coalesce em conjunto, e, subsequentemente, sobe ou se precipita do fluido principal devido à flutuação ou forças de gravidade, e sai da câmara acústica.

[0011] O modo (1, 1) é conhecido como o modo fundamental. Os formatos de modo fundamental e de ordem mais alta podem eixo de transmissão picos em 0,005 Mega-Hertz de cada outro. Os formatos de modo de ordem mais alta podem incluir os modos (1, 3); (1, 5); (3, 3); (3, 5); e (5, 5). Em certas modalidades, os modos de ordem mais alta podem incluir até (25, 25) e mais altos.

[0012] Uma frequência de excitação do material piezelétrico pode ser mudada ou ter a intensidade diminuída por um pequeno intervalo, excitando o material piezelétrico em múltiplos modos de ordem mais alta, e, então, fazendo-se um ciclo de volta através de modos mais baixos do material piezelétrico, desse modo se permitindo que vários formatos de onda multidimensionais, juntamente com um formato de modo de pistão único, sejam gerados por um tempo designado. Em outras modalidades, uma frequência de excitação do material piezelé- trico é uma excitação de frequência fixa em que uma combinação ponderada de vários modos contribui para o perfil de deslocamento geral do elemento piezelétrico.

[0013] Em modalidades em particular, a onda permanente multi dimensional resulta em uma força de radiação acústica tendo uma componente de força axial e uma componente de força lateral que são da mesma ordem de magnitude. A onda permanente acústica multidimensional pode ser gerada na câmara acústica normal a uma direção de fluxo através dali. O material piezelétrico pode vibrar para criar um perfil de pressão através da superfície da mistura fluindo, o perfil de pressão tendo múltiplos máximos e mínimos. Pontos quentes na mistura podem ser gerados, que estão localizados em um mínimo do potencial de radiação acústica. O sinal de voltagem pode ter uma forma de onda senoidal, quadrada, triangular ou pulsada. O sinal de voltagem pode ter uma frequência de 100 kHz a 10 MHz. O sinal de voltagem pode ser acionado com capacidade de partida / parada de modulação de amplitude ou frequência para eliminação da corrente acústica. O refletor pode ter uma superfície não plana.

[0014] Em certas construções, pelo menos um transdutor ultrassô- nico pode compreender: um alojamento que tem uma extremidade de topo, uma extremidade de fundo e um volume interno; e um elemento piezelétrico na extremidade de fundo do alojamento tendo uma superfície externa exposta e uma superfície interna, o elemento piezelétrico sendo capaz de vibrar quando acionado por um sinal de voltagem. Uma camada de reforço pode contatar a superfície interna do elemento piezelétrico, a camada de reforço sendo feita de um material substancialmente acusticamente transparente. O material substancialmente acusticamente transparente pode ter uma espessura de até 2,54 cm (1 polegada). O material substancialmente acusticamente transparente pode ser na forma de um retículo. Uma superfície externa do elemento piezelétrico pode ser coberta por um material de superfície de desgaste com uma espessura de meio comprimento de onda ou menos, o material de superfície de desgaste sendo um revestimento de uretano, epóxi ou silicone. Em algumas modalidades, o elemento piezelétrico não tem uma camada de reforço ou uma camada de desgaste. O elemento piezelétrico pode ser cristalino, semicristalino ou não cristalino.

[0015] Nos métodos de acordo com a presente invenção, a mistu ra do segundo fluido ou particulado pode fluir verticalmente para baixo, e o segundo fluido ou particulado pode fluir para cima para um duto de coleta. Em modalidades alternativas, a mistura pode fluir verticalmente para cima, e o segundo fluido ou particulado pode mergulhar para um duto de coleta. O particulado pode ser células de ovário de hamster da China (CHO), células de hibridoma NS0, células de rim de filhote de hamster (BHK) ou células humanas.

[0016] Em modalidades particulares, a onda permanente acústica pode ser uma onda permanente acústica multidimensional. Os exemplos dessas ondas permanentes acústicas multidimensionais podem ser encontrados na Patente U.S. N° 9.228.183 comumente possuída, cujo conteúdo inteiro é desse modo plenamente incorporado como referência. Em outras modalidades, a onda permanente acústica pode ser uma onda permanente acústica plana. Mais ainda, em modalidades em particular, a onda permanente acústica pode ser uma combinação de uma onda permanente acústica plana e uma onda permanente acústica multidimensional, em que a onda permanente acústica plana e a onda permanente acústica multidimensional são sobrepostas em cada outra.

[0017] Estas e outras características não limitantes são mais parti cularmente descritas abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0018] O que vem a seguir é uma breve descrição dos desenhos, os quais são apresentados para fins de ilustração das modalidades de exemplo expostas aqui e não para fins de limitação das mesmas.

[0019] A figura 1 é um gráfico que mostra a relação da força de radiação acústica, gravidade / força de flutuação, e a força de arrasto de Stoke com tamanho de partícula. O eixo horizontal é em mícrons (μm) e o eixo vertical está em Newtons (N).

[0020] A figura 2 ilustra uma configuração geral de um elemento piezelétrico separado de uma camada limite refletiva por uma camada de água.

[0021] A figura 3 apresenta a abordagem tradicional de utilizar um transdutor e um refletor para a geração de uma onda permanente plana para a criação de planos acondicionados de forma solta de partículas em uma câmara acústica. Três vistas são vistas: uma vista de refletor, uma vista de sistema e uma vista isométrica.

[0022] A figura 4 apresenta uma nova abordagem de acordo com a presente invenção de utilização de um transdutor e um refletor para a geração de uma onda permanente acústica multidimensional para a criação de um agrupamento acondicionado de forma firme em uma câmara acústica. Três vistas são vistas: uma vista de refletor, uma vista de sistema e uma vista isométrica.

[0023] A figura 5 é um diagrama que ilustra um método de separa ção acústico-forética de acordo com a presente invenção para um segundo fluido ou partícula menos denso do que um fluido principal.

[0024] A figura 6 é um diagrama que ilustra um método de separa ção acústico-forética de acordo com a presente invenção para um segundo fluido ou partícula mais denso do que um fluido principal.

[0025] A figura 7 é um diagrama em seção transversal de um transdutor ultrassônico convencional.

[0026] A figura 8 é um diagrama em seção transversal de um transdutor ultrassônico de acordo com a presente invenção. Um espaço de ar está presente no transdutor, e nenhuma camada de reforço ou placa de desgaste está presente.

[0027] A figura 9 é um diagrama em seção transversal de um transdutor ultrassônico de acordo com a presente invenção. Um espaço de ar está presente no transdutor, e uma camada de reforço e uma placa de desgaste estão presentes.

[0028] A figura 10 mostra um deslocamento em plano e fora de plano de um cristal piezelétrico em que ondas compósitas estão presentes.

[0029] A figura 11 apresenta resultados analíticos para resposta de deslocamento de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm com uma camada de água de radiação.

[0030] A figura 12 apresenta resultados analíticos para a resposta de deslocamento de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm com uma câmara de fluido de 25,4 mm terminada por um refletor acústico.

[0031] A figura 13 apresenta um modelo numérico COMSOL bidi mensional das equações piezoelétricas de acordo com a presente invenção.

[0032] A figura 14 apresenta resultados analíticos para a resposta de deslocamento de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm com uma câmara de fluido de 25,4 mm terminada por um refletor acústico.

[0033] A figura 15 apresenta resultados analíticos para a resposta de corrente de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm com uma câmara de fluido de 25,4 mm terminada por um refletor acústico.

[0034] A figura 16 apresenta resultados experimentais para a res posta de corrente de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm operado com uma varredura de frequência de 30 kHz com uma câmara de fluido de 25,4 mm terminada por um refletor acústico.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0035] A presente invenção pode ser entendida mais prontamente por uma referência à descrição detalhada a seguir de modalidades desejadas e os exemplos incluídos ali. No relatório descritivo a seguir e nas reivindicações que se seguem, uma referência será feita a vários termos, os quais devem ser definidos para terem os significados a seguir.

[0036] Embora termos específicos sejam usados na descrição a seguir em nome da clareza, estes termos são pretendidos para referência apenas à estrutura em particular das modalidades selecionadas para ilustração nos desenhos e não são pretendidos para a definição ou a limitação do escopo da descrição. Nos desenhos e na descrição a seguir abaixo, é para ser entendido que designações numéricas similares se referem a componentes de função similar.

[0037] As formas singulares "um", "uma" e "o(a)" incluem referen tes plurais, a menos que o contexto claramente dite de outra forma.

[0038] O termo "compreendendo" é usado aqui como requerendo a presença do componente denominado e permitindo a presença de outros componentes. O termo "compreendendo" deve ser construído como incluindo os termos "consistindo em", o que permite que a presença apenas do componente denominado, juntamente com quaisquer impurezas que poderiam resultar da fabricação do componente denominado.

[0039] Valores numéricos devem ser entendidos como incluindo valores numéricos que são os mesmos quando reduzidos para o mesmo número de figuras significativas e valores numéricos que diferem do valor declarado por menos que o erro experimental de técnica de medição convencional do tipo descrito no presente pedido para a determinação do valor.

[0040] Todas as faixas expostas aqui são inclusivas do ponto final recitado e independentemente combinável (por exemplo, a faixa de "a partir de 2 gramas para 10 gramas" é inclusiva dos pontos finais, 2 gramas e 10 gramas, e todos os valores intermediários). Os pontos finais das faixas e quaisquer valores expostos aqui não são limitados à faixa precisa ou ao valor; eles são suficientemente precisos para incluírem os valores aproximados destas faixas e/ou destes valores.

[0041] O modificador "em torno de" usado em relação com uma quantidade é inclusivo do valor declarado e tem o significado ditado pelo contexto. Quando usado no contexto de uma faixa, o modificador "em torno de" também deve ser considerado como expondo a faixa definida pelos valores absolutos dos dois pontos extremos. Por exemplo, a faixa "de em torno de 2 a em torno de 10" também expõe a faixa "de 2 a 10". Os termos "em torno de" podem se referir a mais ou menos 10% do número indicado. Por exemplo, "em torno de 10%" pode indicar uma faixa de 9% a 11% e "de em torno de 1" pode significar de 0,9 a 1,1.

[0042] Deve ser notado que muitos dos termos usados aqui são termos relativos. Por exemplo, os termos "superior" e "inferior" são relativos a cada outro na localização, isto é, um componente superior está localizado em uma elevação mais alta do que um componente inferior em uma dada orientação, mas estes termos podem mudar, se o dispositivo for virado. Os termos "entrada" e "saída" são relativos a um fluido fluindo através delas com respeito a uma dada estrutura, por exemplo, um fluido flui através da entrada para a estrutura e flui através da saída para fora da estrutura. Os termos "a montante" e "a jusante" são relativos à direção na qual um fluido flui através dos vários componentes, isto é, o fluido flui através de um componente a montante, antes de fluir através do componente a jusante. Deve ser notado que, em um laço, um primeiro componente pode ser descrito como es- tando a montante de e a jusante de um segundo componente.

[0043] Os termos "horizontal" e "vertical" são usados para indica rem uma direção em relação a uma referência absoluta, isto é, um nível de solo. Contudo, estes termos não devem ser construídos como requerendo que estruturas sejam absolutamente paralelas ou absolutamente perpendiculares a cada outra. Por exemplo, uma primeira estrutura vertical e uma segunda estrutura vertical não são necessariamente paralelas uma a outra. Os termos "topo" e "fundo" ou "base" são usados para referência a superfícies em que o topo sempre é mais alto do que o fundo / a base em relação a uma referência absoluta, isto é, à superfície da Terra. Os termos "para cima" e "para baixo" também são relativos a uma referência absoluta; para cima sempre é contra a gravidade da Terra.

[0044] O termo "paralelo" deve ser construído em seu sentido de disposição de duas superfícies que mantêm uma distância geralmente constante entre elas, e não no sentido matemático estrito que essas superfícies nunca se interceptam quando estendidas até o infinito.

[0045] O presente pedido se refere à "mesma ordem de magnitu de". Dois números são da mesma ordem de magnitude, se o quociente do número maior dividido pelo número menor for um valor de pelo 1 e menos do que 10.

[0046] Acustoforese é a separação de partículas e fluidos secun dários de um fluido primário ou principal usando-se ondas permanentes acústicas de alta intensidade, e sem o uso de membranas ou de filtros de exclusão de tamanho físicos. Tem sido sabido que ondas permanentes de alta intensidade de som podem exercer forças sobre as partículas em um fluido, quando houver um diferencial de peso específico e/ou compressibilidade, de outra forma conhecido como fator de contraste acústico. O perfil de pressão em uma onda permanente contém áreas de amplitudes de pressão mínimas locais em seus nós e máximos locais em seus antinós. Dependendo do peso específico e da compressibilidade das partículas, elas podem ser aprisionadas nos nós ou antinós da onda permanente. Geralmente, quanto mais alta a frequência da onda permanente, menor as partículas que podem ser aprisionadas devido à pressão da onda permanente.

[0047] Quando ondas permanentes acústicas se propagam em líquidos, as oscilações rápidas podem gerar uma força não oscilante em partículas suspensas no líquido ou em uma interface entre líquidos. Esta força é conhecida como a força de radiação acústica. A força se origina a partir da não linearidade da onda se propagando. Como resultado da não linearidade, a onda é distorcida, conforme ela se propaga e as médias temporais são não nulas. Por uma expansão em série (de acordo com a teoria de perturbação), o primeiro termo não nulo será o termo de segunda ordem, o qual contabiliza a força de radiação acústica. A força de radiação acústica sobre uma partícula ou uma célula em uma suspensão de fluido é uma função da diferença de pressão de radiação em qualquer lado da partícula ou célula. A descrição física da força de radiação é uma superposição da onda incidente e de uma onda dispersa, além do efeito da partícula não rígida oscilando com uma velocidade diferente, se comparada com o meio circundante desse modo irradiando uma onda. A equação a seguir apresenta uma expressão analítica para a força de radiação acústica sobre uma partícula ou célula em uma suspensão de fluido em uma onda permanente plana. 3πP02VPβm f f

em que βm é a compressibilidade do meio fluido, p é o peso específico, Φ é o fator de contraste acústico, Vp é o volume de partícula, À é o comprimento de onda, k é 2n/À, Po é a amplitude de pressão acústica, x é a distância axial ao longo da onda permanente (isto é, perpendicu- lar à frente de onda), e

em que pp é o peso específico de partícula, pm é o peso específico de meio fluido, βp é a compressibilidade da partícula, e βm é a compressi- bilidade do meio fluido.

[0048] Para uma onda permanente multidimensional, a força de radiação acústica é um campo de força tridimensional, e um método para o cálculo da força é o método de Gor’kov, em que a força de ra- diação acústica primária FR é definida como uma função de um potencial U, FV = ~VU^, em que o potencial de campo U é definido como

e f1 e f2 são as contribuições de monopólo e dipolo definidas por

em que

em que p é a pressão acústica, u é a velocidade de partícula de fluido, Δ é a relação de peso específico de célula pp para peso específico de fluido pf, α é a relação de velocidade de som na célula Cp para a velocidade de som no fluido cf, Vo é o volume da célula, e < > indica uma média no tempo pelo período da onda.

[0049] O modelo de Gor’kov é para uma partícula única em uma onda permanente e é limitado a tamanhos de partícula que são pequenos com respeito ao comprimento de onda dos campos de som no fluido e na partícula. Também não leva em consideração o efeito de viscosidade do fluido e a partícula na força de radiação. Como resultado, este modelo não pode ser usado para separadores ultrassônicos de macroescala, uma vez que agrupamentos de partícula podem crescer até ficarem bastante grandes.

[0050] A figura 1 é um gráfico log-log (eixo y logarítmico, eixo x logarítmico) que mostra o escalonamento da força de radiação acústica, da força de arrasto de fluido e da força de flutuação com raio de partícula. Os cálculos são feitos para uma célula de mamífero típica usada em experimentos. No experimento, a célula de mamífero tinha um peso específico (pp) de 1,050 kg/m3 e uma velocidade de som de célula (cp) de 1,550 m/s. O fluido no qual a partícula foi feita fluir foi água tendo um peso específico de (pw) de 1000 kg/m3, uma velocidade de som em fluido (cf) de 1500 m/s, e uma vazão (vf) de 4 cm/min. O experimento usou 33 transdutores ultrassônicos PZT-8 acionados a uma frequência (f) de 2,2 MHz a uma pressão (p) de 1 MPa. Conforme explicado acima, a força da gravidade / de flutuação é uma força dependente de volume de partícula, e, portanto, é desprezível para ta-manhos de partícula da ordem de mícrons, mas cresce e se torna significativo para tamanhos de partícula da ordem de centenas de mí- crons. A força de arrasto de fluido se escalona linearmente com a velocidade de fluido, e, portanto, tipicamente excede à força de flutuação para partículas de tamanho de mícrons, mas é desprezível para partículas de tamanho maior da ordem de centenas de mícrons. O escalonamento de força de radiação acústica é diferente. Quando o tamanho de partícula é pequeno, a equação de Gor’kov é acurada e a força de aprisionamento acústica se escalona com o volume da partícula. Eventualmente, quando o tamanho de partícula cresce, a força de radiação acústica não aumenta mais com o cubo do raio de partícula, e rapida-mente desvanecerá a um certo tamanho de partícula crítico. Para maiores aumentos de tamanho de partícula, a força de radiação aumenta de novo de magnitude, mas com fase oposta (não mostrado no gráfico). Este padrão se repete para tamanhos de partícula crescentes.

[0051] Inicialmente, quando uma suspensão está fluindo através do sistema com partículas de tamanho mícron primariamente pequeno, é necessário que a força de radiação acústica equilibre o efeito combinado de força de arrasto de fluido e de força de flutuação para uma partícula a ser aprisionada na onda permanente. Na figura 1, isto acontece para um tamanho de partícula de em torno de 3,5 mícrons, rotulado como RC1. O gráfico então indica que todas as partículas maiores serão aprisionadas da mesma forma. Portanto, quando partículas pequenas são aprisionadas na onda permanente, uma coalescência / formação de grumos / agregação / aglomeração de partículas ocorre, resultando em um crescimento contínuo de tamanho de partícula efetivo. Conforme o tamanho de partícula cresce, a força de radiação acústica se reflete na partícula, de modo que partículas grandes façam com que a força de radiação acústica diminua. Um crescimento de tamanho de partícula continua até a força de flutuação se tornar dominante, o que é indicado por um segundo tamanho de partícula crítico, RC2, em cujo tamanho as partículas subirão ou mergulharão, dependendo de seu peso específico relativo com respeito ao fluido principal. Assim, a figura 1 explica com as partículas pequenas podem ser aprisionadas continuamente em uma onda permanente, crescem para partículas maiores ou grumos e, então, eventualmente subirão ou se precipitarão por causa da força de flutuação aumentada.

[0052] Um modelo mais complexo e completo do que para forças de radiação acústica que não é limitado por tamanho de partícula, como o modelo de Gor’kov, deve ser usado. Os modelos que foram implementados na presente invenção são com base no trabalho teórico de Yurii Ilinskii e Evgenia Zabolotskaya, conforme descrito em AIP Conference Proceedings, Vol. 1474-1, pp. 255-258 (2012). Estes modelos também incluem o efeito de fluido e viscosidade de partícula, e, portanto, são um cálculo mais acurado da força de radiação acústica. A figura 2 mostra uma configuração muito geral de um material pieze- létrico com eletrodos em suas faces. Um eletrodo é configurado como um eletrodo de potencial elétrico periódico, enquanto o outro eletrodo é configurado como um eletrodo de aterramento. O material piezelétri- co está localizado oposto a um refletor acústico que provê uma condição de camada limite refletiva. O refletor e o material piezelétrico são separados por uma camada de água. A formulação geral das equações piezoelétricas é:

em que p é o peso específico, w é a frequência angular, u é o tensor de deslocamento, Φ é o potencial de campo elétrico, À é o tensor de elasticidade, e é o tensor de acoplamento, e ε é o tensor de permissi- vidade. Com base nesta formulação geral, as soluções assumidas das equações piezoelétricas são:

em que u e £ são a amplitude complexa e k e K são os números de onda do elemento piezelétrico. Para 33 elementos piezelétricos PZT-8 orientados, há cinco valores À independentes, três valores e independentes e dois valores ε independentes.

[0053] As condições de camada limite mecânicas são definidas pelas equações a seguir:

em que α é a tensão, dz é a espessura do elemento piezelétrico, pw é a pressão acústica em água, pw é o peso específico da água, kw é o número de onda em água, KR é o coeficiente de reflexão, e L é o comprimento da camada de água.

[0054] As condições de camada limite elétricas são definidas pelas equações a seguir:

em que V é a amplitude de voltagem, n é o índice periódico, e m é o índice periódico do (n, m) modo de interesse.

[0055] A tecnologia de separação acústico-forética da presente invenção emprega ondas permanentes acústicas ultrassônicas multi- dimensionais, ondas permanentes acústicas planas ou combinações, isto é, superposições, de ondas permanentes acústicas planas e mul- tidimensionais (coletivamente referidas aqui simplesmente como on- das permanentes acústicas) para aprisionamento de partículas ou um fluido secundário em um volume de fluido contendo as referidas partículas / o referido fluido secundário.

[0056] A figura 3 apresenta a abordagem tradicional de utilização de um transdutor e refletor localizados opostos um ao outro para a geração de uma onda permanente plana entre eles. O lado esquerdo da figura 3 representa uma vista da câmara acústica, conforme visto através do refletor, enquanto a ilustração média da figura 3 apresenta uma vista de sistema da câmara acústica a partir de cima. Conforme pode ser visto na figura 3, a geração de uma onda permanente plana em uma câmara acústica resulta na criação de planos acondicionados de forma solta de partículas na câmara acústica, tipicamente correspondendo aos planos nodais de pressão para partículas com contraste acústico positivo.

[0057] A figura 4, por outro lado, apresenta uma nova abordagem de utilização de transdutor e refletor localizados opostos um ao outro para a geração de uma onda permanente acústica multidimensional entre eles, ou uma superposição de ondas permanentes acústicas multidimensionais. Como com a figura 3, o lado esquerdo da figura 4 apresenta uma vista da câmara acústica conforme visto através do refletor, enquanto a ilustração média da figura 4 apresenta uma vista de sistema da câmara acústica a partir de cima. Conforme pode ser visto na figura 4, a geração de uma onda permanente acústica multidimensional em uma câmara acústica resulta na criação dos agrupamentos acondicionados firmemente de partículas na câmara acústica, tipicamente correspondendo à localização dos nós de pressão ou antinós na onda permanente, dependendo do fator de contraste acústico.

[0058] As partículas ou o fluido secundário se coletam nos nós ou antinós da onda permanente acústica, dependendo do fator de contraste acústico de partículas ou fluido secundário em relação ao fluido principal, formando agrupamentos / grumos / aglomerados / gotículas coalescidas que continuamente caem da onda permanente acústica, quando os agrupamentos tiverem crescido até um tamanho grande o bastante para vencer a força de manutenção da onda permanente acústica (por exemplo, por coalescência ou aglomeração) e o peso específico de partícula / fluido secundário é mais alto do que o do fluido principal, ou para emergir da onda permanente acústica, quando o peso específico de partícula / fluido secundário for pequeno em relação ao comprimento de onda. É proporcional à frequência e ao fator de contraste acústico. Também escalona com a energia acústica (por exemplo, o quadrado da amplitude de pressão acústica). Para excitação harmônica, a variação espacial senoidal da força é o que comanda as partículas para as posições axiais estáveis nas ondas permanentes. Quando a força de radiação acústica exercida nas partículas é mais forte do que o efeito combinado de força de arrasto de fluido e flutuação e força gravitacional, a partícula é aprisionada no campo de onda permanente acústica. Isto resulta em concentração, aglomeração e/ou coalescência das partículas aprisionadas. As forças laterais fortes criam um agrupamento rápido de partículas. As partículas de tamanho do mícron, por exemplo, bactérias, células de mamífero, microalgas, partículas de metal, levedura, fungos, lipídios, gotículas de óleo, hemá- cias, leucócitos, plaquetas, etc., assim podem ser separadas do fluido principal através de uma separação gravitacional melhorada. Para o caso de uma suspensão com vários tamanhos de partícula diferentes, é possível sintonizar os parâmetros de sinal de saída para precipitação do grupo de partículas que são de tamanho maior, ao passo que o grupo de partículas de tamanho menor pode ser mantido em suspensão. Estas duas camadas então podem ser colhidas separadamente. Um processo repetido então pode ser usado para se fracionarem os grupos de partículas de tamanho diferente de acordo com o tamanho. Neste sentido, as on- das permanentes acústicas multidimensionais geradas por meio de cada transdutor podem ser de frequências diferentes.

[0059] Uma aplicação específica para o dispositivo de acustofore- se é no processamento de materiais de biorreator. É importante ser capaz de separar células relativamente maiores e resíduos de célula dos materiais expressos que estão no fluido principal. Os materiais expressos são compostos por biomoléculas, tais como proteínas recom- binantes e anticorpos monoclonais, e são o produto desejado a ser recuperado. Através do uso de acustoforese, a separação das células e do resíduo de célula é muito eficiente e leva a muito pouca perda dos materiais expressos. Isto é um melhoramento em relação a processos de filtração de corrente (filtração de profundidade, filtração de fluxo tangencial e similares), os quais mostram eficiências limitadas em pesos específicos altos de célula, de modo que a perda dos materiais expressos nos leitos de filtro em si pode ser de até 5% dos materiais produzidos pelo biorreator. O uso de culturas de célula de mamí-fero incluindo células de ovário de hamster da China (CHO), células de hibridoma NS0, células de rim hamster (BHK) ou células de inseto e células humanas (por exemplo, células T, células B, células tronco, hemácias), e células vivas / biológicas em geral provou ser uma forma muito eficaz de produção / expressão das proteínas recombinantes e anticorpos monoclonais requeridos dos produtos farmacêuticos de hoje em dia. A filtração das células de mamífero e o resíduo de células de mamífero através de acustoforese ajuda a aumentar grandemente a produção do biorreator. Conforme desejado, o processo de acustofo- rese também pode ser acoplado a um processo de filtração padrão a montante ou a jusante, tal como filtração em profundidade, filtração de fluxo tangencial (TFF) ou outros processos de filtração física.

[0060] Neste sentido, o fator de contraste acústico é uma função da relação de compressibilidade de partícula para fluido e peso espe- cífico de partícula para fluido. A maioria dos tipos de célula apresenta um peso específico mais alto e uma compressibilidade mais baixa do que o meio no qual eles estão em suspensão, de modo que o fator de contraste acústico entre as células e o meio tenha um valor positivo. Como resultado, a força de radiação acústica (ARF) axial dirige as células, com um fator de contraste positivo, para os planos nodais de pressão, ao passo que as células ou outras partículas com um fator de contraste negativo são dirigidas para os planos antinodais de pressão. A componente radial ou lateral da ARF é maior do que o efeito combinado de força de arrasto de fluido e força gravitacional. A componente radial ou lateral dirige as células / partículas para localizações específicas (pontos) nestes planos em que elas se agrupam, formam grumos, aglomeram ou coalescem em grupos maiores, os quais então continuamente gravitarão separados do fluido.

[0061] Desejavelmente, o(s) transdutor(es) ultrassônico(s) geram uma onda permanente acústica tridimensional ou multidimensional no fluido que exerce uma força lateral sobre as partículas em suspensão para acompanhar a força axial de modo a aumentar as capacidades de aprisionamento de partícula e formação de grumos da onda permanente. Os resultados típicos publicados na literatura declaram que a força lateral é duas ordens de magnitude menor do que a força axial. Em contraste, a tecnologia exposta neste pedido provê que uma força lateral seja da mesma ordem de magnitude que a força axial (isto é, uma onda permanente acústica multidimensional). Contudo, em certas modalidades descritas adicionalmente aqui, as combinações de transdutores que produzem ondas permanentes acústicas multidimensio- nais e ondas permanentes planas são contempladas. Para as finalidades desta descrição, uma onda permanente em que a força lateral é da mesma ordem de magnitude que a força axial é considerada uma "onda permanente acústica multidimensional".

[0062] Pode ser necessário, às vezes, devido à corrente acústica, modular a amplitude de frequência ou voltagem da onda permanente. Isto pode ser feito por modulação de amplitude e/ou por modulação de frequência. O ciclo de carga da propagação da onda permanente também pode ser utilizado para a obtenção de certos resultados para aprisionamento de materiais. Em outras palavras, o feixe acústico pode ser sintonizado e parado em frequências diferentes para a obtenção dos resultados desejados.

[0063] Uma representação diagramática de uma modalidade para remoção de óleo ou outro material mais leve do que água é mostrada na figura 5. As frequências de excitação tipicamente na faixa de centenas de kHz a dezenas de MHz são aplicadas pelo transdutor 10. Uma ou mais ondas permanentes são criadas entre o transdutor 10 e o refletor 11. Microgotículas 12 são aprisionadas em ondas permanentes nos antinós de pressão 14, em que elas se aglomeram, agregam, formam grumos ou coalescem, e, no caso de um material flutuante, flutuam até a superfície e são descarregados através de uma saída de efluente 16 localizada acima do percurso de fluxo. A água clareada é descarregada na saída 18. A tecnologia de separação acústico-forética pode realizar uma separação de partícula de componente múltiplo sem qualquer incrustação em um custo muito reduzido.

[0064] Uma representação diagramática de uma modalidade para remoção de contaminantes ou outro material mais pesado do que a água é mostrada na figura 6. As frequências de excitação tipicamente na faixa de centenas de kHz a dezenas de MHz são aplicadas pelo transdutor 10. Os contaminantes a partir da água entrando 13 são aprisionadas em ondas permanentes nos nós de pressão 15, em que eles se aglomeram, agregam, formam grumos ou coalescem, e, no caso de um material mais pesado, mergulham no coletor de fundo e são descarregados através de uma saída de efluente 17 localizada abaixo do percurso de fluxo. A água clareada é descarregada na saída 18.

[0065] Conforme explicado previamente, o transdutor ultrassônico e o refletor estão localizados em lados opostos da câmara acústica. Desta forma, uma ou mais ondas permanentes acústicas são criadas ente o transdutor ultrassônico e o refletor.

[0066] Antes da discussão de uma otimização adicional dos siste mas, é útil prover uma explicação agora sobre como as ondas permanentes acústicas multidimensionais são geradas. A onda permanente acústica multidimensional necessária para coleta de partícula é obtida pelo acionamento de um transdutor ultrassônico em uma frequência que gera a onda permanente acústica e excita um modo de vibração 3D fundamental do elemento piezelétrico de transdutor. Uma perturbação do elemento piezelétrico em um transdutor ultrassônico de uma forma de modo múltiplo permite a geração de uma onda permanente acústica multidimensional. Um elemento piezelétrico pode ser especificamente projetado para se deformar em uma forma de modo múltiplo em frequências designadas, permitindo a geração de uma onda permanente acústica multidimensional. A onda permanente acústica multidimensional pode ser gerada por modos distintos do elemento pieze- létrico, tal como um modo 3 x 3 que geraria ondas permanentes acústicas multidimensionais. Uma multidão de ondas permanentes acústicas multidimensionais também pode ser gerada ao permitir que o elemento piezelétrico vibre através de muitos formatos de modo diferentes. Assim, o elemento excitaria múltiplos modos, tal como de um modo 0x0 (isto é, um modo de pistão) a 1x1 (o modo fundamental), a 2x2, 1x3, 3x1, 3x3 e outros modos de ordem mais alta e, então, faria um ciclo de volta através dos modos inferiores do elemento (não necessariamente em uma ordem direta). Esta comutação ou redução de intensidade do elemento piezelétrico entre os modos permite vários forma tos de onda multidimensional, juntamente com um formato de modo de pistão único, a ser gerado por um tempo designado.

[0067] Também é possível excitar ou escolher uma frequência de excitação que excita múltiplos modos ao mesmo tempo, cada modo com um grau variável de amplitude de deslocamento. Através desta combinação de múltiplos modos excitados ao mesmo tempo com amplitude de deslocamento variável, é possível gerar uma superposição desejável de ondas permanentes acústicas multidimensionais para aprisionamento, agrupamento e separação de um fluido secundário ou uma partícula de um fluido principal.

[0068] A dispersão do campo acústico fora das partículas resulta em uma força de radiação acústica tridimensional, que atua como um campo de aprisionamento tridimensional. A força de radiação acústica é proporcional ao volume de partícula (por exemplo, o cubo do raio), quando a partícula for pequena em relação ao comprimento de onda. É proporcional à frequência e ao fator de contraste acústico. Também escalona com a energia acústica (por exemplo, o quadrado da amplitude de pressão acústica). Quando a força de radiação acústica exercida sobre as partículas é mais forte do que o efeito combinado de força de arrasto de fluido e a flutuação e a força gravitacional, as partículas são aprisionadas no campo de onda permanente acústica. Isto resulta em concentração, aglomeração e/ou coalescência das partículas aprisionadas. Sólidos relativamente grandes de um material assim podem ser separados de partículas menores de um material diferente, do mesmo material e/ou do fluido principal através de uma separação gravitacional melhorada.

[0069] A onda permanente multidimensional gera forças de radia ção acústica na direção axial (isto é, na direção da onda permanente, entre o transdutor e o refletor, perpendicularmente à direção de fluxo) e a direção lateral (isto é, na direção de fluxo). Conforme a mistura flui através da câmara acústica, as partículas em suspensão experimentam uma componente de força axial forte na direção da onda permanente. Uma vez que esta força acústica é perpendicular à direção de fluxo e à força de arrasto, ela rapidamente move as partículas para planos nodais de pressão ou planos antinodais, dependendo do fator de contraste da partícula. A força de radiação acústica lateral então atua para mover as partículas concentradas em direção ao centro de cada nó plano, resultando em aglomeração ou formação de grumos. A componente de força de radiação acústica lateral tem que vencer o arrasto de fluido para esses grumos de partículas para crescerem con-tinuamente e, então, caem da mistura devido à gravidade. Portanto, a queda em arrasto por partícula, conforme o agrupamento de partícula aumenta de tamanho, bem como a queda em força de radiação acústica por partícula, conforme o agrupamento de partícula cresce de tamanho, devem ser consideradas para o dispositivo separador acústico funcionar efetivamente. Na presente invenção, a componente de força lateral e a componente de força axial da onda permanente acústica multidimensional são da mesma ordem de magnitude. Neste sentido, é notado que, em uma onda permanente acústica multidimensional, a força axial é mais forte do que a força lateral, mas a força lateral de uma onda permanente acústica multidimensional é muito mais alta do que a força lateral de uma onda permanente plana, usualmente por duas ordens de magnitude ou mais.

[0070] Alguma explicação adicional dos transdutores ultrassônicos usados nos dispositivos, sistemas e métodos da presente invenção podem ser úteis da mesma forma. Neste sentido, os transdutores usam um elemento piezelétrico, usualmente feito de PZT-8 (titanato zirconato de chumbo). Esses elementos podem ter uma seção transversal de 2,54 cm (1 polegada) e uma frequência de ressonância nominal de 2 MHz, e também podem ser de um tamanho maior. Cada módulo de transdutor ultrassônico pode ter apenas um elemento pie- zelétrico, ou pode ter múltiplos elementos que atuam, cada um, como um transdutor ultrassônico separado e são controlados por um ou múltiplos amplificadores. O(s) elemento(s) piezelétrico(s) pode(m) ser cris- talino(s), semicristalino(s) ou não cristalino(s). O(s) elemento(s) pieze- létrico(s) pode(m) ser quadrado(s), retangular(es), de polígono irregular, ou geralmente de qualquer formato arbitrário. O(s) transdutor(es) é (são) usado(s) para a criação de um campo de pressão que gera forças da mesma ordem de magnitude ortogonais à direção de onda permanente (lateral) e na direção de onda permanente (axial).

[0071] A figura 7 é um diagrama de seção transversal de um transdutor ultrassônico convencional. Este transdutor tem uma placa de desgaste 50 em uma extremidade de fundo, uma camada de epóxi 52, um elemento piezelétrico 54 (por exemplo, um cristal de cerâmica feito, por exemplo, de PZT), uma camada de epóxi 56 e uma camada de reforço 58. Em qualquer lado do elemento piezelétrico, há um eletrodo; um eletrodo positivo 61 e um eletrodo negativo 63. A camada de epóxi 56 afixa a camada de reforço 58 ao elemento piezelétrico 54. O conjunto inteiro está contido em um alojamento 60, o qual pode ser feito, por exemplo, de alumínio. Um adaptador elétrico 62 provê uma conexão para fios passarem através do alojamento e se conectarem a cabos (não mostrados) para afixação ao elemento piezelétrico 54. Tipicamente, as camadas de reforço são projetadas para a adição de amortecimento e para a criação de um transdutor de banda larga com um deslocamento uniforme através de uma ampla faixa de frequência e são projetadas para suprimirem a excitação de automodos de vibração em particular. As placas de desgaste usualmente são projetadas como transformadores de impedância para melhor combinação da im- pedância característica do meio no qual o transdutor irradie.

[0072] A figura 8 é uma vista em seção transversal de um transdu- tor ultrassônico 81 da presente invenção. O transdutor 81 é conformado como um disco ou uma placa, e terminal um alojamento de alumínio 82. O elemento piezelétrico pode ser, por exemplo, uma massa de cristais de cerâmica de perovskita, cada um consistindo em um íon de metal tetravalente pequeno, usualmente de titânio ou zircônio, em um retículo de íons de metal divalente maiores, usualmente chumbo ou bário, e íons de O2. Como um exemplo, na modalidade mostrada na figura 8, um cristal de PZT (titanato zirconato de chumbo) 86 define a extremidade de fundo do transdutor, e é exposto a partir do exterior do alojamento. O cristal é suportado em seu perímetro por uma camada elástica pequena 98, por exemplo, silicone ou um material similar localizado entre o cristal e o alojamento. Dito de uma outra forma, nenhuma camada de desgaste está presente. Em modalidades em particular, o cristal é um polígono irregular, e, em modalidades adicionais, é um polígono irregular assimétrico.

[0073] Os parafusos 88 se afixam a uma placa de topo de alumínio 82a do alojamento ao corpo 82b do alojamento através de roscas. A placa de topo inclui um conector 84 para acionamento do transdutor. A superfície de topo do cristal de PZT 86 é conectada a um eletrodo positivo 90 e a um eletrodo negativo 92, os quais são separados por um material de isolamento 94. Os eletrodos podem ser feitos a partir de qualquer material condutor, tal como prata ou níquel. A potência elétrica é provida para o cristal de PZT 86 através dos eletrodos no cristal. Note que o cristal 86 não tem uma camada de reforço ou uma camada de epóxi. Dito de uma outra forma, há um espaço de ar 87 no transdutor entre a placa de topo de alumínio 82a e o cristal 86 (isto é, o espaço de ar está completamente vazio). Um reforço mínimo 58 e/ou uma placa de desgaste 50 podem ser providos em algumas modalidades, conforme visto na figura 9.

[0074] O projeto de transdutor pode afetar a performance do sis- tema. Um transdutor típico é uma estrutura em camadas com o elemento piezelétrico ligado a uma camada de reforço e uma placa de desgaste. Devido ao fato de o transdutor estar localizado com a impe- dância mecânica alta apresentada pela onda permanente, as recomendações de projeto tradicionais para placas de desgaste, por exemplo, espessura de meio comprimento de onda para aplicações de onda permanente ou espessura de um quarto de comprimento de onda para aplicações de radiação, e métodos de fabricação podem não ser apropriados. Ao invés disso, em uma modalidade a presente invenção dos transdutores, não há nenhuma placa de desgaste, permitindo-se que o elemento piezelétrico vibre em um de seus automodos (isto é, perto da autofrequência) com um fator Q alto. O material pieze- létrico vibrando, tal como, por exemplo, um cristal / disco de cerâmica, é exposto diretamente ao fluido fluindo através da câmara acústica.

[0075] A remoção do reforço (por exemplo, tornando o elemento piezelétrico com reforço de ar) também permite que o elemento vibre em modos de ordem mais alta de vibração com pouco amortecimento (por exemplo, deslocamento modal de ordem mais alta). Em um transdutor tendo um elemento piezelétrico com um reforço, o elemento vibra com um deslocamento mais uniforme, como um pistão. A remoção do reforço permite que o elemento vibre em um modo de deslocamento não uniforme. Quanto mais alta a ordem do formato de modo do elemento piezelétrico, mais linhas modais o elemento terá. O deslocamento modal de ordem mais alta do elemento cria mais linhas de aprisionamento, embora a correlação de linha de aprisionamento para nó não seja necessariamente de um para um, e o acionamento do elemento a uma frequência mais alta não necessariamente produzirá mais linhas de aprisionamento.

[0076] Em algumas modalidades, o elemento piezelétrico pode ter um reforço que minimamente afeta o fator Q do cristal (por exemplo, menos de 5%). O reforço pode ser feito de um material substancialmente acusticamente transparente tal como madeira de balsa, espuma ou rolha, que permite que o elemento vibre em um formato de modo de ordem mais alta e mantém um fator Q alto, enquanto ainda se provê algum suporte mecânico para o elemento. A camada de reforço pode ser um sólido ou pode ser um retículo tendo orifícios através da camada, de modo que o retículo siga os nós do elemento de vibração em um modo de vibração de ordem mais alta em particular, provendo suporte em localizações de nó, enquanto se permite que o restante do elemento vibre livremente. A meta do trabalho de retículo ou material substancialmente acusticamente transparente é prover suporte para diminuição do fator Q do elemento piezelétrico ou interferindo com a excitação de um formato de modo em particular.

[0077] A colocação do elemento piezelétrico em contato direto com o fluido também contribui para o fator Q alto ao evitar o amortecimento e os efeitos de absorção de energia da camada de epóxi e da placa de desgaste. Outras modalidades podem ter placas de desgaste ou uma superfície de desgaste para se evitar que o PZT, o qual contém chumbo, contate o fluido principal. Isto pode ser desejável, por exemplo, em aplicações biológicas, tal como na separação de sangue. Essas aplicações poderiam usar uma camada de desgaste, tal como de cromo, níquel eletrolítico ou níquel sem elétrons. Uma deposição de vapor de produto químico também poderia ser usada para a aplicação de uma camada de poli(p-xileno) (por exemplo, Parileno) ou outros polímeros ou filmes de polímero. Revestimentos orgânicos ou biocompa- tíveis, tal como silicone ou poliuretano, também são usáveis como uma superfície de desgaste.

[0078] Uma perturbação do elemento piezelétrico em um transdu tor ultrassônico de uma forma de modo múltiplo permite a geração de uma onda permanente acústica multidimensional. Um elemento pieze- létrico pode ser especificamente projetado para se deformar de uma forma de modo múltiplo em frequências designadas, permitindo a geração de uma onda permanente acústica multidimensional. A onda permanente acústica multidimensional pode ser gerada por modos distintos do elemento piezelétrico, tal como o modo 3x3 que geraria ondas permanentes acústicas multidimensionais. Uma multidão de ondas permanentes acústicas multidimensionais também pode ser gerada ao se permitir que o elemento piezelétrico vibre através de muitos formatos de modo diferentes pela mudança da frequência por um intervalo pequeno. Assim, o elemento piezelétrico excitaria múltiplos modos, tal como de um modo 0x0 (isto é, um modo de pistão) a 1x1 (o modo fundamental), a 2x2, 1x3, 3x1, 3x3 e outros modos de ordem mais alta e, então, faria um ciclo de volta através dos modos inferiores do elemento (não necessariamente em uma ordem direta). Esta comutação ou redução de intensidade do elemento piezelétrico entre os modos permite vários formatos de onda multidimensional, juntamente com um formato de modo de pistão único, a ser gerado por um tempo designado. Em outras modalidades, a excitação é uma excitação de frequência fixa em que uma combinação ponderada de vários modos contribui para o perfil de deslocamento geral do elemento piezelétrico. A força lateral da força de radiação acústica (ARF) total gerada pelos transdutores ultrassônicos da presente invenção é significativa e é suficiente para vencer a força de arrasto de fluido em velocidades lineares altas de até 1 cm/s e além. Por exemplo, velocidades lineares através dos dispositivos da presente invenção podem ser um mínimo de 4 cm/min para separação de células / partículas, e pode ser tão alta quanto 1 cm/s para separação de fases de óleo / água.

[0079] A força lateral da força de radiação acústica gerada pelo transdutor pode ser aumentada pelo acionamento do transdutor em formatos de modo de ordem mais alta, em oposição a uma forma de vibração em que o elemento piezelétrico efetivamente se move como um pistão tendo um deslocamento uniforme. A pressão acústica é proporcional à voltagem de acionamento do transdutor. A potência elétrica é proporcional ao quadrado da voltagem. O transdutor é tipicamente uma placa piezoelétrica fina, com um campo elétrico no eixo z e um deslocamento primário no eixo z. O transdutor tipicamente é acoplado em um lado pelo ar (isto é, o espaço de ar no transdutor) e no outro lado pela mistura de fluido do meio de cultura de célula. Os tipos de ondas gerados na placa são conhecidos como ondas compósitas. Um subconjunto de ondas compósitas na placa piezoelétrica é similar a ondas de Lamb simétricas com vazamento (também referidas como de compressão ou de extensão). A natureza piezoelétrica da placa tipicamente resulta na excitação de ondas de Lamb simétricas. As ondas são com vazamento porque elas irradiam para a camada de água, o que resulta na geração de ondas permanentes acústicas na camada de água. As ondas de Lamb existem em placas finas de extensão infinita com condições livres de tensão em suas superfícies. Devido ao fato de os transdutores desta modalidade serem de natureza fina, os deslocamentos modais reais são mais complicados.

[0080] A figura 10 mostra a variação típica do deslocamento em plano (deslocamento em x) e do deslocamento fora de plano (deslocamento em y) através da espessura da placa, o deslocamento em plano sendo uma função par através da espessura da placa e o deslocamento fora de plano sendo uma função ímpar. Devido ao tamanho finito da placa, os componentes de deslocamento variam através da largura e do comprimento da placa. Em geral, um modo (m, n) é um modo de deslocamento do transdutor, no qual há m ondulações no deslocamento de transdutor na direção de largura e n ondulações na direção de comprimento, e com a variação de espessura, conforme descrito na figura 10. O número máximo de m e n é uma função da dimensão do elemento piezelétrico e da frequência de excitação. Existem modos tridimensionais adicionais que não são da forma (m, n).

[0081] Os transdutores são acionados de modo que o elemento piezelétrico vibre em modos de ordem mais alta da fórmula geral (m, n), em que m e n são independentemente 1 ou maiores. Em modalidades em particular, o elemento piezelétrico vibra em pelo menos três modos: modo (1, 1); (1, 3); e (3, 3). Modos de ordem mais alta produzirão mais nós e antinós, resultando em ondas permanentes tridimensionais na camada de água, caracterizadas por gradientes fortes no campo acústico em todas as direções, não apenas na direção das ondas permanentes, mas também nas direções laterais. Como uma consequência, os gradientes acústicos resultam em forças de aprisionamento mais fortes na direção lateral.

[0082] A figura 11 apresenta resultados analíticos para a resposta de deslocamento de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm irradiando em uma camada de água semi-infinita. O cristal foi acionado em três modos (m, n) diferentes: Modo 11 (1, 1), Modo 13 (1, 3) e Modo 33 (3, 3). Na figura 11, a linha mais superior representa a soma de todos os três modos, a linha média superior representa o Modo 11, a linha média inferior representa o Modo 13, e a linha mais inferior representa o Modo 33. Conforme pode ser visto na figura 11, há pouco impacto sobre o deslocamento total do cristal piezelétrico na direção de polarização. Quando o elemento piezelétrico irradia para a camada de água, seu perfil de deslocamento é principalmente aquele do modo fundamental. A amplitude de deslocamento dos modos de ordem mais alta é menor através da faixa de frequência inteira de interesse e, desse modo, têm um efeito mínimo sobre a geração da onda acústica irradiada. Note também que as frequências de ressonância dos modos de ordem mais alta aumentam com o número de modo.

[0083] A figura 12 apresenta resultados analíticos para a resposta de deslocamento de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm com uma câmara de fluido de 25,4 mm terminada por um refletor acústico rígido. De novo, o cristal foi acionado em três modos (m, n) diferentes: Modo 11 (1, 1), Modo 13 (1, 3) e Modo 33 (3, 3). Na figura 12, a linha mais superior representa a soma de todos os três modos, a linha média superior representa o Modo 11, a linha média inferior re-presenta o Modo 13, e a linha mais inferior representa o Modo 33. Conforme pode ser visto por uma comparação da figura 12 com a figura 11, na figura 12, há múltiplos modos com ordens similares de magnitude de deslocamento do cristal piezelétrico na direção de polarização. Dito de uma outra forma, o modo fundamental (1, 1) não é mais dominante em todas as frequências. Para algumas frequências de excitação, o modo (1, 3) é dominante, enquanto o modo (3, 3) é dominante para uma outra frequência. Para outras frequências, a intensidade de vários modos é similar, e, portanto, todos contribuem para o perfil de deslocamento geral, o qual então é uma superposição de cada um dos modos. Deve ser notado que os picos no deslocamento dos três modos se sobrepõem a cada outro em frequências aproximadamente equivalentes na região de frequências mais altas. Os picos em cada modo estão aproximadamente a 0,005 Mega-Hertz (MHz) de cada outro.

[0084] Com base nestes resultados analíticos, um modelo numéri co foi desenvolvido usando-se as equações piezoelétricas descritas acima. Na figura 13, este modelo numérico é representado em um modelo COMSOL bidimensional, no qual o(s) cristal(is) piezelétrico(s) foi (foram) operado(s) a uma frequência de 2,235 MHz. Na figura 13, o eixo y representa a altura do sistema em centímetros (polegadas) e o eixo x representa a largura do sistema em centímetros (polegadas) (2,54 cm = 1 polegada). Os dois rótulos do gráfico representam o deslocamento total do cristal piezelétrico em centímetros (polegadas) (ró- tulo mais à direita), e o rótulo interno representa o potencial acústico (U). Conforme pode ser visto na figura 13, a geração de uma onda permanente acústica multidimensional cria múltiplas linhas de mínimos de potencial acústico.

[0085] A figura 14 e a figura 15 apresentam três resultados numé ricos. Mais especificamente, a figura 14 apresenta resultados numéricos para a resposta de deslocamento de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm com uma câmara de fluido de 25,4 mm. Conforme pode ser visto na figura 14, o perfil de deslocamento tem múltiplos picos através da faixa de frequências de operação. Para uma camada de fluido de 25,4 mm, o espaçamento de frequência de ressonância acústica plana é de em torno de 29 kHz. Os picos adicionais vistos na figura 15 são indicações da ação dos modos de ordem mais alta, de modo similar às predições do modelo teórico. A figura 15 apresenta os resultados numéricos para a resposta de corrente de um cristal piezelétrico PZT-8 de 25,4 x 25,4 x 1 mm com uma câmara de fluido de 25,4 mm. Conforme pode ser visto por uma comparação da figura 15 com a figura 14, a resposta de corrente permite um comportamento similar à resposta de deslocamento, à medida em que a resposta de corrente tem múltiplos picos através da faixa de frequências de operação.

[0086] Em modalidades, o sinal de voltagem acionando o transdu tor pode ter uma forma de onda senoidal, quadrada, de dente de serra, pulsada ou triangular; e ter uma frequência de 500 kHz a 10 MHz. O sinal de voltagem pode ser acionado com uma modulação de largura de pulso, o que produz qualquer forma de onda desejada. O sinal de voltagem também pode ter uma capacidade de partida / parada de modulação de amplitude ou frequência para eliminação de transmissão contínua. Em uma configuração experimental mostrada na figura 16, uma varredura de 30 kHz foi usada, e a resposta de corrente foi plotada versus frequência, de modo similar à figura 15. Conforme visto na figura 16, múltiplos picos de ressonância mostraram existir, mostrando que os resultados experimentais confirmam os resultados teóricos e numéricos.

[0087] Os transdutores são usados para a criação de um campo de pressão que gera forças de radiação acústica da mesma ordem de magnitude ortogonais à direção de onda permanente e na direção de onda permanente. Quando as forças são aproximadamente da mesma ordem de magnitude, as partículas de tamanho de 0,1 mícrons a 300 mícrons serão movidas mais efetivamente em direção a "linhas de aprisionamento", de modo que as partículas não passem através do campo de pressão. Ao invés disso, as partículas permanecerão na câmara acústica, a partir do que elas podem ser vantajosamente coletadas através de saídas específicas do dispositivo acústico-forético ou de outra forma recicladas de volta para um biorreator associado.

[0088] Os dispositivos acústico-foréticos e os métodos descritos aqui são úteis para a separação de um segundo fluido ou particulado de um fluido principal. Neste sentido, os dispositivos e métodos da presente invenção utilizam um deslocamento modal de ordem mais alta de um elemento piezelétrico, com múltiplos modos tendo a mesma ordem de magnitude, o que permite um aprisionamento mais forte e mais eficiente do segundo fluido ou particulado.

[0089] A presente invenção foi descrita com referência a modali dades de exemplo. Obviamente, modificações e alterações ocorrerão a outros mediante a leitura e o entendimento da descrição detalhada precedente. Pretende-se que a presente invenção seja construída incluindo todas essas modificações e alterações, à medida que elas vierem no escopo das reivindicações em apenso ou equivalentes das mesmas.

Claims

1. Método para a separação de um segundo fluido ou um particulado de um fluido principal, caracterizado pelo fato de compreender: fluir uma mistura do fluido principal e do segundo fluido ou particulado através de um dispositivo acústico-forético, o dispositivo acústico-forético compreendendo: - uma câmara acústica que tem pelo menos uma entrada e pelo menos uma saída (18); - pelo menos um transdutor ultrassônico (10) localizado em uma parede da câmara acústica, o pelo menos um transdutor ultras- sônico (10) incluindo um material piezelétrico acionado por um sinal de voltagem para a criação de uma onda permanente acústica multidimensional na câmara acústica; e - um refletor (11) localizado em uma parede no lado oposto da câmara acústica a partir de pelo menos um transdutor ultrassônico (10); e enviar um sinal de voltagem para o acionamento do pelo menos um transdutor ultrassônico (10) em um perfil de deslocamento que é uma superposição de uma combinação de modos diferentes que são da mesma ordem de magnitude para a criação da onda permanente acústica multidimensional na câmara acústica, de modo que o segundo fluido ou particulado seja continuamente aprisionado na onda permanente e, então, aglomere-se, agregue-se, forme grumos ou coa- lesça em conjunto, e subsequentemente suba ou se precipite do fluido principal, devido a forças de flutuação ou gravidade, e saia da câmara acústica.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os modos diferentes terem picos em frequências diferenciadas de até 0,005 MHz uma da outra.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a combinação de modos diferentes ser de pelo menos dois dos modos (1, 1); (1, 3); (1, 5); (3, 3); (3, 5); e (5, 5).

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o material piezelétrico vibrar para a criação de um perfil de pressão através da superfície da mistura fluindo, o perfil de pressão tendo múltiplos máximos e mínimos.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pontos quentes na mistura serem gerados, que estão localizados em um mínimo do potencial de radiação acústica.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos um transdutor ultrassônico (10) compreender: um alojamento (60) que tem uma extremidade de topo, uma extremidade de fundo e um volume interno; e um elemento piezelétrico (54) na extremidade de fundo do alojamento tendo uma superfície externa exposta e uma superfície interna, o elemento piezelétrico (54) sendo capaz de vibrar quando acionado por um sinal de voltagem.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de uma camada de reforço (58) contatar a superfície interna do elemento piezelétrico (54), a camada de reforço (58) sendo feita de um material substancialmente acusticamente transparente.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o material substancialmente acusticamente transparente ser madeira de balsa, rolha ou espuma.

9. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o material substancialmente acusticamente transparente ter uma espessura de até 2,54 cm (1 polegada).

10. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o material substancialmente acusticamente transparen- te ser na forma de um retículo.

11. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de uma superfície externa do elemento piezelétrico (54) ser coberta por um material de superfície de desgaste com uma espessura de meio comprimento de onda ou menos, o material de superfície de desgaste sendo um revestimento de uretano, epóxi ou silicone.

12. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o elemento piezelétrico (54) não ter uma camada de reforço ou uma camada de desgaste.

13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o particulado ser células de ovário de hamster da China (CHO), células de hibridoma NS0, células de rim de filhote de hamster (BHK) ou células humanas.

14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sinal de voltagem ter uma forma de onda senoidal, quadrada, em dente de serra, triangular ou pulsada.

15. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sinal de voltagem ter uma frequência de 100 kHz ou 10 MHz.

16. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o sinal de voltagem ser acionado com uma capacidade de começo/parada de modulação de amplitude ou frequência para eliminação de um fluxo acústico.

17. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o refletor (11) ter uma superfície não plana.

18. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a onda permanente acústica multidimensional ser gerada na câmara acústica normal a uma direção de fluxo através dali.

19. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a frequência de excitação do material piezelétrico ser mudada ou ter a intensidade diminuída por um intervalo pequeno, excitando o material piezelétrico em modos de ordem mais alta, e, então, em ciclos retornando a frequência através de modos mais baixos do material piezelétrico, desse modo permitindo que vários formatos de onda multidimensional, juntamente com um formato de modo de pistão único, sejam gerados por um tempo designado.

20. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma frequência de excitação do material piezelétrico ser uma excitação de frequência fixa, em que uma combinação ponderada de vários modos contribui para o perfil de deslocamento geral do elemento piezelétrico (54).