CN106457075A - 用于声泳装置的反射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装置，其包括具有至少一个入口和至少一个出口的流动室。至少一个超声换能器位于流动室的室壁上，运作该超声换能器以在流动室中产生多维声驻波。反射器位于流动室中与所述至少一个超声换能器相对一侧的室壁上。反射器由提供压力释放边界的薄结构(如塑料膜/空气界面)形成。

Description

用于声泳装置的反射器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年4月4日提交的美国临时专利申请序列号61/975,035的优先权，其全部内容均以引用的方式并入本文。本申请还是于2013年9月13日提交的美国专利申请序列号14/026,413的部分延续案，其中所述美国专利申请序列号14/026,413要求于2012年10月2日提交的美国临时专利申请序列号61/708,641的优先权。所述美国专利申请序列号14/026,413还是2013年3月15日提交的美国专利申请序列号13/844,754的部分延续案，其中所述美国专利申请序列号13/844,754要求于2012年3月15日提交的美国临时专利申请序列号61/611,159、同样于2012年3月15日提交的美国临时专利申请序列号61/611,240、和于2013年1月21日提交的美国临时专利申请序列号61/754,792的优先权。这些申请的全部内容均以引用的方式并入本文。

背景技术

在许多应用中，将颗粒/流体混合物分离成其单独的组分的能力是合乎需要的。声泳是使用高强度声波，而不使用膜或物理尺寸排阻过滤器来分离颗粒。已知当密度和/或压缩率存在差异(或称为声学对比系数)时，高强度声音驻波能够对流体中的颗粒施加力。驻波中的压力分布包含在其波节处的局部最小压力振幅和在其波腹处的局部最大值的区域。根据颗粒的密度和压缩率，它们将被捕获在驻波的波节或波腹处。驻波的频率越高，能够由驻波的压力捕获的颗粒越小。

许多因素导致了生物技术领域的发展，其中一些因素包括可用于生物反应器的设备的改进。设备的改进使得能够以大规模、低成本进行生物衍生物(例如单克隆抗体和重组蛋白)的生产。用于基于生物学的新药的生产工艺的关键因素之一是生物反应器及与其相关的辅助工艺。

现代生物反应器是一种非常复杂的设备。除了其他参数，生物反应器涉及流体流速、气体含量、温度、pH和氧含量的调节。能够调整所有这些参数，进而使得细胞培养能够尽可能有效地由生物反应器工艺产生所需的生物分子。用于生物反应器的一种工艺是灌注式工艺。灌注式工艺由于其低资金成本和高生产量而区别于补料式和分批补料式(fed-batch)工艺。

在分批补料式工艺中，将培养物接种于生物反应器中。采用在生长周期过程中逐步添加大量新鲜的所选的营养物来提高生产率和生长。在收获培养物之后回收产物，产物通常是单克隆抗体或重组蛋白。目前采用多种类型的分离用过滤器将细胞、细胞碎片和其他废物与所需的产物分离。这种过滤器是昂贵的，并且在处理生物反应器材料时会变得堵塞从而失去功能。分批补料式生物反应器还具有高的启动成本，并且为了在生长周期结束时获得具有成本效益的量的产物而通常需要大的体积，并且这种工艺包括大量的非生产性停工期。

灌注式生物反应器处理被供入生物反应器中的一批连续的新鲜培养基，同时抑制生长的副产物被不断地移除。灌注式生物反应器工艺可以缩短或取消非生产性停工期。灌注式培养所达到的细胞密度(3000-10000万个细胞/ml)通常高于分批补料模式的细胞密度(500-2500万个细胞/ml)。然而，灌注式生物反应器需要细胞保持装置以防止当移除副产物时培养物逸出。这些细胞保持系统增加了灌注式工艺的复杂程度，并且需要管理、控制和维持以有效运转。以前，诸如细胞保持设备的故障或失灵等操作问题是灌注式生物反应器的难题。这在过去限制了它们的吸引力。

希望提供能够降低使用生物反应器并从制备所需产物的细胞中将其分离的成本和努力的手段。

发明内容

在多个实施方案中，本公开涉及用于生产如重组蛋白或单克隆抗体等生物分子的系统，以及用于从一次性的或非一次性的生物反应器系统的细胞培养物中分离这些所需产物的方法。一般而言，所述生物反应器包括用于产生多维声驻波的声泳装置，其位于生物反应器的出口附近。这种驻波是由超声换能器和反射器产生的。在本公开中，反射器是由基本上透声的的薄材料(如某些塑料膜)，而不是固体金属形成的。该薄材料提供恒定的压力边界，也称为自由表面。实质上，这些实施方案是提供压力释放表面(例如从塑料膜的透明层)的例子。

在多个实施方案中，公开了一种包括具有至少一个入口和至少一个出口的流动室的装置。至少一个超声换能器位于所述流动室的室壁上。所述换能器包括由电压信号驱动的压电材料，从而在所述流动室内产生多维声驻波。薄结构位于所述流动室的与所述至少一个超声换能器相对的室壁上。所述薄结构提供充当反射器的压力释放边界。

在具体的实施方案中，所述薄结构为塑料膜。所述塑料膜可以由选自由烯烃、聚氨酯、聚脲、聚酯、聚苯乙烯、聚酰胺、纤维素、离聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛，聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚四氟乙烯及其组合组成的组中的材料制成。更具体而言，所述塑料膜可以为聚丙烯。

所述薄结构能够为(任选地)光学透明的。所述薄结构可以基本上是平的。所述薄结构可以具有这样的厚度：其相对于由所述至少一个超声换能器发射的频率的波长的1/2或更小。一般而言，该厚度在10微米至1毫米(mm)的范围内。

所述换能器可以具有包含压电材料的壳体。该压电材料可以为空气衬里，即，不具有衬里层。该压电材料可以为陶瓷晶体。

在其它实施方案中，所述压电材料由实质上透声的材料支撑。所述实质上透声的材料可以为轻木、软木、或泡沫。所述实质上透声的材料的厚度可以为至多1英寸。所述实质上透声的材料可以为栅格的形式。

在某些实施方案中，所述超声换能器可以具有与所述流动室内的流体接触的面，所述面涂覆有耐磨层，该耐磨层包含铬、电解镍、化学镀镍、聚对二甲苯、玻璃化碳或聚氨酯。

该装置还可以包括：通向环形腔室的装置入口、位于所述装置入口下游的波状喷嘴壁、由所述环形腔室包围的收集管道、以及将所述波状喷嘴壁连接到所述流动室入口的连接管道。

所述装置能够包括多个跨越所述流动室的宽度的换能器。

在多个实施方案中，还公开了一种从宿主流体中分离次级流体或颗粒的方法，包括：使所述宿主流体和次级流体或颗粒的混合物流过装置，所述装置包括：具有至少一个入口和至少一个出口的流动室；位于所述流动室的室壁上的超声换能器，所述换能器包括由电压信号驱动的压电材料，从而在所述流动室内产生多维声驻波；和位于所述流动室的与所述至少一个超声换能器相对的室壁上的薄结构，所述薄结构提供充当反射器的压力释放边界；以及将所述次级流体或颗粒的较小颗粒捕获在所述多维声波驻波中，以从所述宿主流体中分离所述次级流体或颗粒。所述次级流体或颗粒在特定点处成簇或聚结，使得最终连续地发生重力分离。换句话说，一旦发生成簇、聚结或团聚，连续的重力分离或发生。脉冲电压信号驱动所述至少一个超声换能器。

所述颗粒可以为中国仓鼠卵巢(CHO)细胞、NS0杂交瘤细胞、幼小仓鼠肾(BHK)细胞、昆虫细胞或人细胞(如干细胞和T-细胞)。所述混合物可以连续地流过所述流动室。所述驻波可以具有轴向力和横向力，所述横向力与所述轴向力具有至少相同的数量级。

在多个实施方案中，还公开了一种装置，包括：具有至少一个入口和至少一个出口的流动室。至少一个超声换能器位于所述流动室的室壁上。所述换能器包括由电压信号驱动的压电材料，从而在所述流动室内产生多维声驻波。薄结构位于所述流动室的与所述至少一个超声换能器相对的室壁上。所述薄结构提供充当反射器的压力释放边界。所述装置具有-0.1至-1.0的声反射系数。

以下更具体地描述这些和其他非限制性特征。

附图简要说明

以下是对附图的简要描述，其是为了说明本文所公开的示例性实施方案的目的，不旨在对其进行限制。

图1为流动室的示意性平面图，示出了本公开的薄结构/反射器。

图2为示出如何计算图1的装置的声反射系数的示意图。

图3A为具有一个超声换能器和用作反射器的透明薄塑料膜的声泳分离器的图片。

图3B为示出薄塑料膜反射器的图片。

图4为其中能够使用本公开的反射器的声泳分离器的截面图。

图5为常规超声换能器的截面图。

图6为本公开的超声换能器的截面图。该换能器中存在气隙，并且不存在衬里层或耐磨板。

图7为本公开的超声换能器的截面图。该换能器中存在气隙，并且存在衬里层和耐磨板。

图8为以不同频率驱动的正方形换能器的电阻抗振幅对频率的图。

图9示出图8中的峰振幅中的七个的沿流体流的正交方向的捕获线(trappingline)结构。

图10是示出声辐射力、浮力和斯托克斯阻力与颗粒大小的关系的曲线图。水平轴以微米(μm)表示并且垂直轴以牛顿(N)表示。

图11为具有透声的膜盖的实验用超声换能器的图片。

具体实施方式

通过参照以下对所需实施方案及其所包括的例子的详细描述，本公开将更加易于理解。在以下说明书及其所附权利要求中，提及了大量术语，其应当被定义为具有以下含义。

虽然为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但这些术语仅旨在指代被选择在图中示出的实施方案的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在图中以及下文的描述中，应当理解相同的数字标号指代相同功能的部件。

除非特别说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“这种”包括复数的所指对象。

本文所用术语“包括”是指存在所指部件/步骤，并且允许存在其他部件/步骤。术语“包括”应当被解释为包括术语“由……构成”，术语“由……构成”只允许存在所指部件/步骤，以及来自所指部件/步骤制造过程中的任何杂质。

数值应当被理解为包括当简化为相同数目的有效数字时相同的那些数值，以及本申请中所述的用于确定所述值的常规测量技术实验误差以内的与所述值不同的数值。

本文所公开的所有范围包括所述的端点和独立的组合(例如，范围“2克至10克”包括端点2克和10克，以及所有中间的值)。

术语“实质上”和“约”能够用于包括能够变化而不改变该值的基本功能的任何数值。当在范围中使用时，术语“实质上”和“约”还公开了由两个端点的绝对值限定的范围，例如，范围“约2至约4”还公开了范围“2至4”。术语“实质上”和“约”可以指所指示数字的正或负10％。

应当注意到，本文所用的很多术语为相对术语。例如，术语“上部”和“下部”在位置上彼此相对，即，在给定的方向，上部部件位于比下部部件更高的高度，但如果装置倒转，这些术语可以改变。术语“入口”和“出口”是相对于流体流经给定结构而言的，例如，流体流过入口进入结构，并且流过出口流出结构。术语“上游”和“下游”是相对于流体流过各部件的方向而言的，即，流体在流过下游部件之前流过上游部件。应当注意到，在环路中，第一部件可以被描述为第二部件的上游也可以被描述为第二部件的下游。

术语“水平”和“垂直”用于描述相对于绝对参照物(即地平面)的方向。然而，这些术语不应当被解释为要求结构之间彼此绝对的平行或绝对地垂直。例如，第一垂直结构和第二垂直结构不是必须彼此平行。术语“向上”和“向下”也是相对于绝对参照物而言的；向上流动常与地球重力相反。

本申请涉及“相同的数量级”。如果大数值除以小数值的商为小于10的值，那么两个数值为相同的数量级。

本公开的声泳分离技术采用超声驻波来捕获体(即，保持固定)宿主流体流中的颗粒或次级流。根据颗粒或次级流体相对于宿主流体的声学对比系数，该颗粒或次级流体收集在多维声驻波的波节或波腹处，从而形成了这样的簇，当该簇已生长到(例如，通过聚结或凝聚)足够大的尺寸从而克服多维声驻波的保持力时，形成最终由多维声驻波中析出。这与其中粒子轨迹仅仅由声学辐射力的效果改变的先前方法形成了重要区别。从颗粒散射的声场导致三维声学辐射力，其起到了三维捕获场的作用。当颗粒相对于波长较小时，声学辐射力与颗粒体积(例如半径的立方)成比例。其还与频率和声学对比系数成比例。其还与声能(例如声压振幅的平方)成比例。对于谐波激励，力的正弦空间变化驱动颗粒进入驻波内的稳定轴向位置。当施加于颗粒上的声学辐射力强于流体动力阻力与浮力和重力的组合效果时，颗粒被捕获在声驻波场中。这导致被捕获的颗粒聚集、凝聚和/或聚结。强的侧向力造成颗粒的快速成簇。因此，能够通过增强的重力分离将一种材料的相对大的固体与不同材料、相同材料和/或宿主流体料的较小颗粒分离。

声泳装置的一个具体应用是生物反应器材料的处理。重要的是能够从流体流中被表达的物质中过滤所有细胞和细胞碎片。被表达的物质包含生物分子，例如重组蛋白或单克隆抗体，并且包含要收集的所需的产物。通过使用声泳，细胞和细胞碎片的分离是非常有效的并且导致被表达的物质的非常少的损失。这是对当前的过滤方法(深层过滤、切向流体过滤等)的改进，当前的过滤方法在高细胞密度下显示出有限的效率，使得被表达的物质由过滤床本身导致的损失可高达由生物反应器产生的物质的5％。已经证明使用包括中国仓鼠卵巢(CHO)、NS0杂交瘤细胞、幼小仓鼠肾(BHK)细胞和人细胞在内的哺乳动物细胞培养物对于生产/表达现今药物所需的重组蛋白和单克隆抗体是非常有效的。通过声泳来过滤哺乳动物细胞和哺乳动物细胞碎片有助于大大地提高生物反应器的收率。通过使用多维声波的声泳方法也可以与上游或下游的标准过滤方法结合，所述过滤方法例如为使用硅藻土的深层过滤、切向流体过滤(TFF)或其他物理过滤方法。

在此方面，对比系数为颗粒的压缩率和密度与流体本身的压缩率和密度之间的差别。这些性质为颗粒和流体本身的特征。与细胞悬浮在其中的培养基相比，大多数细胞类型都具有较高的密度和较低的压缩率，因此细胞与培养基之间的声学对比系数为正值。因此，轴向声学辐射力(ARF)驱动具有正的对比系数的细胞朝向声压波节面(pressure nodalplane)移动，而具有负的对比系数的细胞或其他颗粒被驱动为朝向声压波腹平面(pressure anti-nodal plane)移动。声学辐射力的径向或横向分力捕获细胞。ARF的径向或横向分力大于流体动力阻力与重力的组合效果。径向或横向分力驱动细胞/颗粒向平面移动，在该处它们能够成簇成较大的组，然后从流体中重力分离。

当细胞在驻波的波节凝聚时，还存在细胞培养基的物理洗涤作用，由此，由于细胞与已经保持在驻波中的细胞接触，因此更多的细胞被捕获。这通常可由细胞培养基中分离细胞。所表达的生物分子保留在营养液流(即，细胞培养基)中。

期望地，超声换能器在流体中产生三维或多维声驻波，该三维或多维声驻波对悬浮的颗粒施加横向力以伴随轴向力，由此增加驻波的颗粒捕获和聚集能力。在文献中公开的典型结果记载中，横向力比轴向力小两个数量级。与此形成对比的是，本申请公开的技术提供了更高的横向力，达到与轴向力相同数量级。

对于三维声场，Gor’kov公式能够用于计算适用于任何声场的声辐射力F_ac。主声辐射力F_ac被定义为场势(field potential)U的函数，

F_A＝-▽(U)，

其中场势U定义如下：

并且f₁和f₂是单极和偶极贡献率，定义如下：

其中p是声压，u为流动颗粒速度，Λ为细胞密度ρ_p与流体密度ρ_f的比，σ为细胞声速c_p与流体声速c_f的比，V_o为细胞体积，<>表示求经过波周期的时间平均值。Gor’kov公式适用于小于波长的颗粒。对于较大的粒径，Ilinskii提供了对于任何颗粒大小的用于计算3D声学辐射力的等式。请参见Ilinskii,Acoustic Radiation Force on a Sphere in Tissue(对组织中球体的声学辐射力),The Journal of the Acoustical Society of America(美国声学学会杂志),132,3,1954(2012)，其通过引用并入本文中。

压电晶体在超声换能器中以多模方式扰动允许产生多维声驻波。压电晶体能够被具体地设计成在指定的频率下以多模式方式变形，从而允许产生多维声驻波。多维声驻波能够通过压电晶体的不同模式产生，例如会产生多维声驻波的3x3模式。也可以通过使压电晶体通过许多不同模态振动来产生多个多维声驻波。因此，该晶体将激发多种模式，例如0x0模式(即，活塞模式)到1x1、2x2、1x3、3x1、3x3和其它更高阶模式，然后循环回到晶体的较低模式(不一定以直阶)。晶体在模式之间的切换或抖动允许实现各种多维波形以及在指定时间内产生的单个活塞模态。

还可以用任意相位驱动多个超声换能器。换句话说，在彼此异相的同时，多个换能器可以用于分离流体流中的物质。或者，也可以运作已经被分成有序阵列的单独超声换能器，使得阵列的某些组件将与阵列的其他组件异相。

有时，由于声流动，需要调整驻波的频率和电压振幅。这可以通过振幅调节和/或频率调节来完成。还可以利用驻波传播的工作循环来实现捕获材料的某些结果。换言之，可以在不同的频率下启动或者关闭声束，从而实现所需的结果。

由本公开的超声换能器产生的总声学辐射力(ARF)的横向力是可观的，并且足以克服处于等于和大于1cm/秒的高线性速度的流体动力阻力。例如，为了分离细胞/颗粒，通过本公开的装置的线性速度能够最小为4cm/分钟，并且为了分离油/水相，能够高达1cm/秒。流速能够最小为25ml/分钟，并且能够高达40ml/分钟到1000ml/分钟的范围，或甚至更高。这对于分批式反应器、分批补料式生物反应器、灌注式生物反应器而言均是如此。

本公开涉及声泳装置以及可以使这种装置更经济并且还提供增强应用范围(它们能够在这些应用中使用)的机会的结构。在这方面，图1是流动室128的平面图(俯视图)。超声波换能器130存在于流动室的一个室壁上，并且反射器132存在于与换能器相对的室壁上。流体流动进入/离开图的平面。

反射器通常由固体材料(例如钢或铝板)制成。虽然金属板提供良好的反射，但它也增加了流动室128的重量。在本公开中，反射器132为能够提供压力释放边界的薄结构。当声压在界面处为零时，出现压力释放边界。

如图1所示，薄结构132相对于流动室128具有基本上平坦的轮廓。薄结构将流动室128内的流体138与在流动室128外部的介质(通常为空气)139分离。在运作时，由超声换能器130产生的超声传播波134(如虚线所示)从反射器/空气界面处产生的边界137反射。换句话说，驻波的波长将穿过反射器的材料，然后从边界137反射。因此，薄结构132应该由透声的材料制成，即不会阻碍超声波或具有非常低的阻抗。应当注意，声波实际上是由空气(即，在薄结构和空气的界面处)反射的。为了本公开的目的，术语“反射器”可以用于指代将流动室的内部与流动室的外部分隔并且提供与空气的界面的结构组件。然而，例如，在特定的实施方案中，换能器可以与多维声驻波垂直定向，该多维声驻波从换能器向上传播进入流体中。在这种情况下，流体-空气边界将是提供压力释放边界的自由表面，而不需要其它物理结构。

在具体的实施方案中，该薄结构的厚度为与其一起使用的超声换能器的波长的1/2或更小，并且在更具体的实施方案中为波长的至多1/20或至多1/50。一般来说，这意味着薄结构具有10微米至1毫米的厚度。

在具体的实施方案中，提供压力释放边界的薄结构是透声的膜，例如塑料膜。塑料膜通常在框架内拉伸。塑料膜可以是透明的，从而使得流动室128的内部可视化。所述塑料膜可以由选自由烯烃、聚氨酯、聚脲、聚酯、聚苯乙烯、聚酰胺、纤维素、离聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛，聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯、聚四氟乙烯及其组合组成的组中的材料制成。

图2为解释提供压力释放边界的薄结构的运作的示意图。还示出了流动室128，也示出了换能器130和薄结构132。在运作期间，流动室充满流体(通常为水)，该流体具有声阻抗Z1，其是流体的密度和流体中的声速的乘积。当薄结构非常薄时，其声阻抗可以忽略。流动室外部的介质139(通常为空气)也具有声阻抗Z2。如右侧所示，腔室内的流体和腔室外的介质产生具有声反射系数R的系统：该声反射系数R是根据下式确定的：

声阻抗是以瑞利(Rayls)(1瑞利＝1kg/m²/秒)来测量的。作为薄结构的功效的例子，0℃下的空气的声阻抗为428瑞利，而淡水的声阻抗为148万瑞利。因此，该系统的声反射系数为-0.999这表明大多数声能将以180度的相变而反射。

图3A和图3B中示出了使用透声的膜作为反射器的声泳颗粒分离器100的图片。首先参考图3A，多组分液体流(例如水或其它流体)进入入口104并且被分离的流体经由出口106在相对端离开。应当注意的是，当该液体流流过分离器时，该液体流通常处于压力下。颗粒分离器100具有纵向流动通道108，该纵向流动通道108携带多组分液体流通过超声换能器112和透声的膜114，该透声的膜114位于与换能器相对的室壁上。如图所示，将薄塑料膜用作流动室内的空气和流体之间的界面。图3B是在设备运作期间的塑料膜的图片。

图4为其中能够使用本公开的薄结构反射器(例如，薄塑料膜)的声泳分离器的截面图。这是用于将浮力流体或颗粒与宿主流体分离的4”×2.5”流动截面区域中间标度装置124的图。声学路径长度为4”。该装置在这里显示为这样的取向：其中流动方向是向下的，该装置用于从宿主流体中分离较低密度的颗粒。然而，该装置可以基本上倒置以使得比宿主流体更重的颗粒分离。不是在向上方向上的浮力，而是由于重力，凝聚颗粒的重量将它们向下拉动。应当注意，该实施方案被描绘为具有流体垂直流动的取向。然而，也可以想到流体流可以在水平方向上或成一定角度。

含有颗粒的流体通过入口126进入装置的环形腔室131。该环形腔室具有环形内径和环形外径。虽然在该图中两个入口是可见的，但是预期可以根据需要提供任何数量的入口。在特定的实施方案中，使用四个入口。入口径向相对且定向。

波状喷嘴壁129以在壁区域附近产生更高速度并且减少湍流的方式减小流动路径的外径，从而随着流体速度分布的发展而产生近塞式流动，即，流体在中心线的方向上向下加速，而具有很少甚至没有圆周运动分量和低的流动湍流。这产生了对于声学分离和颗粒收集而言最佳的腔室流动分布。流体穿过连接管道127并进入流动/分离腔室128。波状喷嘴壁129还为悬浮颗粒添加径向运动分量，使颗粒更靠近装置的中心线移动，并且与上升的、漂浮的凝聚颗粒产生更多的碰撞。这种径向运动使得在到达分离腔室之前从连接管道127中的流体中最佳地擦除颗粒。波状喷嘴壁129以在收集导管133的入口处产生大尺度涡流的方式引导流体，以增强颗粒收集。一般来说，装置124的流动面积被设计成从环形腔室131到分离室128连续减小，以确保低湍流和涡流形成，从而实现更好的颗粒分离、凝聚和收集。喷嘴壁具有宽的端部和窄的端部。用术语擦洗来描述颗粒/液滴的凝聚、聚集、结块或聚结的过程，该过程在当较大的颗粒/液滴沿与流体流动相反的方向行进并与较小的颗粒碰撞，从而有效地从悬浮液中擦洗较小的颗粒时发生。

流动/分离室128包括换能器阵列130和在腔室的相对侧上的反射器132。反射器可以是上图1中描述的薄膜-空气界面，其中膜的一侧暴露于流动室内的流体，并且膜的另一侧暴露于流动室外部的空气。在使用时，在换能器阵列130和薄膜-空气界面132之间产生驻波134。这些驻波能够用于凝聚颗粒，并且该取向用于凝聚飘浮的颗粒(例如油)。然后，包含残余颗粒的流体通过流出口135离开。

随着飘浮的颗粒凝聚，它们最终克服了流体动力阻力和声辐射力的组合效果，并且它们的浮力136足以使飘浮的颗粒向上升高。在这方面，收集导管133被环形腔室131包围。较大的颗粒将穿过该导管并进入收集室140。该收集室也可以是出口导管的一部分。收集导管和流出口在装置的相对两端。

应当注意，在分离室128中形成的飘浮的颗粒随后穿过连接管道127和喷嘴壁129。这使得来自环形腔室的进入流在上升的凝聚颗粒上流动，这是由于由喷嘴壁施加的向内径向运动导致的。这使得上升的颗粒也捕获进入流中的较小颗粒，从而增加擦洗效率。因此，连接管道127和波状喷嘴壁129的长度增加了擦洗效率。发现尺寸为0.1微米至20微米的颗粒有特别高的效率，然而常规方法的效率非常低。

本文的设计提供了优化的速度分布(在流动室128的入口处具有低流动湍流)，在流动室之前的擦洗长度(以增强在声学分离之前的颗粒凝聚和/或聚结)，以及收集涡流的使用(以有助于颗粒在收集导管133处的去除)。

本公开的换能器装置产生三维压力场，该三维压力场包括垂直于流体流的驻波。压力梯度足够大，从而产生与驻波方向正交的声泳力(即，声泳力平行于流体流动方向)，其与驻波方向上的声泳力有相同数量级。这允许在流动室中以及沿着良好限定的捕获线产生增强的捕集、聚集和收集，这与常规装置中仅在收集平面捕集颗粒形成对比。颗粒具有大量的时间移动到驻波的节点或波腹，从而产生颗粒可以集中、凝聚和/或聚结，然后重力分离的区域。

在某些实施方案中，流体的流动具有高达1500的雷诺数(Reynold number)，即发生层流。对于工业中的实际应用，对于通过该系统的流动，雷诺数通常为10至1500。对于该颗粒，相对于流体运动的颗粒运动产生远小于1.0的颗粒雷诺数。雷诺数表示在给定流场中惯性流动效应与粘性效应的比值。对于低于1.0的雷诺数，粘性力在流场中占主导地位。这导致显著的阻尼，其中剪切力在整个流动中占主导地位。这种粘性力占主导的流动称为斯托克斯(Stoke)流动。在这种情况下，室壁轮廓和流线型化很不重要。这与非常粘的流体的流动或在非常微小的通道中的流动相关，如MEMS器件。

如图4所示，大的环形腔室后面是入口壁喷嘴，其加速并向中心线向内引导流体。壁轮廓将对分布具有大的影响。区域收敛增加了流动平均速度，但是决定速度分布的是壁轮廓。喷嘴壁轮廓将是流动流线，并且在分离器中被设计成具有小的曲率半径。

现在更详细地描述用于声泳过滤装置的超声换能器可能是有帮助的。图5为常规超声换能器的截面图。该换能器具有位于底端的耐磨板50、环氧树脂层52、陶瓷晶体54(由例如PZT制成)、环氧树脂层56、和衬里层58。在陶瓷晶体的两侧具有电极：正电极61和负电极63。环氧树脂层56将衬里层58附接到晶体54。整个组件被包括在可以由例如铝制成的外壳60中。电适配器62为电线穿过外壳并连接至附接于晶体54上的导线(未示出)提供连接。通常，衬里层被设计为增加阻尼并形成在宽的频率范围内具有均匀位移的宽带换能器，并且被设计为抑制在特定的振动本征模式(vibrational eigen-mode)下的激发。耐磨板通常被设计为阻抗变换器以更好地匹配介质(换能器向其中进行辐射)的特征阻抗。

图6为本公开的超声换能器81的截面图。换能器81被成形为盘或板，并且具有铝外壳82。压电晶体是大量的钙钛矿陶瓷晶体，每个由在较大的二价金属离子(通常为铅或钡)的晶格中的小的四价金属离子(通常为钛或锆)以及O^2-离子组成。作为例子，PZT(锆钛酸铅)晶体86限定了换能器的底端，并且从壳体的外部暴露。晶体通过位于晶体和外壳之间的小的弹性层98(例如，硅树脂或类似材料)支撑在其周边上。换句话说，不存在耐磨层。

螺丝通过螺纹88将外壳的铝顶板82a附接至外壳的壳体82b。所述顶板包括为换能器供电的连接器84。PZT晶体86的顶面连接至正电极90和负电极92(它们通过绝缘材料94隔离)。电极可以由任何导电材料制成，例如银或镍。通过晶体上的电极将电能提供至PZT晶体86。应指出，晶体86不具有衬里层或环氧树脂层。换言之，在换能器中在铝顶板82a和晶体86之间具有气隙87(即，气隙完全是空的)。如图7所示，在一些实施方案中可以提供极小的衬里58和/或耐磨板50。

换能器的设计可影响系统的性能。通常的换能器为层状结构，其中陶瓷晶体结合至衬里层和耐磨板。由于换能器负荷有驻波赋予的高机械阻抗，因此耐磨板的传统的设计准则(例如，对于驻波应用的半波长厚度或对于辐射应用的四分之一波长厚度)和制造方法可能是不合适的。相比较，在本公开的一个实施方案中，换能器不具有耐磨板或衬里，这使得晶体以其本征模式之一振动并具有高的Q-因数。振动陶瓷晶体/盘直接暴露于流过流动腔室的流体。

去除衬里(例如使晶体以空气作为衬里)还使得陶瓷晶体以很小的阻尼以振动的高阶模振动(例如高阶模位移)。在晶体具有衬里的换能器中，晶体以更均匀的位移振动，就像活塞。去除衬里使得晶体以非均匀位移模式振动。晶体的模态的阶越高，晶体就具有越多的波节线。尽管捕获线与波节的关联不一定是一对一的，并且以更高的频率驱动晶体不一定产生更多的捕获线，但晶体的高阶模位移产生更多的捕获线。

在一些实施方案中，晶体可以具有极少地影响晶体的Q-因数(例如小于5％)的衬里。衬里可以由基本上透声的材料制成，例如轻木、泡沫或软木，其使得晶体以高阶模态振动并保持高的Q-因数，同时还为晶体提供一定的机械支持。衬里层可以是实心的，或者可以是在层中具有孔的栅格，这样栅格跟随以特定的高阶振动模式振动的晶体的波节，从而在波节位置提供支持，同时允许其余的晶体自由振动。栅格结构或透声材料的目的是提供支持，而不降低晶体的Q-因数或干扰特定模态的激发。

使晶体直接与流体接触避免了环氧树脂层和耐磨板的阻尼和能量吸收效应，从而也提供了高的Q-因数。其他实施方案可以具有耐磨板或耐磨表面以防止含有铅的PZT接触宿主流体。这在(例如)如分离血液的生物应用中可能是希望的。这种应用可以使用诸如铬、电解镍或非电解镍或玻璃化碳等的耐磨层。也可以使用化学气相沉积涂覆聚(对二甲苯)(例如Parylene)或其他聚合物的层。诸如硅酮或聚氨酯等有机或生物相容性涂层也可用作耐磨表面。

在本发明的系统中，该系统在一定电压下运作从而使得颗粒被超声驻波捕获。颗粒被收集在良好限定的捕获线中，这些捕获线分开半个波长。在每个波节面中，颗粒被捕获在最小声辐射势能处。声辐射力的轴向分力驱动具有正对比系数的颗粒向声压波节面移动，而具有负对比系数的颗粒被驱动为向声压波腹平面移动。声辐射力的径向或横向分力为捕获、聚集和重力分离颗粒的力。在使用通常的换能器的系统中，声辐射力的径向或横向分力通常比声辐射力的轴向分力小几个数量级。相反，分离器1中的横向力能够可观地与轴向分力在一个数量级，并且足以克服在高达1cm/秒的线性速度下的流体动力阻力。如上所述，可以通过将换能器驱动为高阶模态来提高横向力，这种高阶模态与其中晶体有效地像具有均匀位移的活塞那样移动的振动形式不同。因此，所产生的波的类型被称为具有位移特征的复合波，该复合波与漏对称(leaky symmetric)(还称为压缩或延伸)兰姆波相似。由于波辐射到水层中，因此它们发生泄漏，这导致在水层中产生声驻波。对称的兰姆波具有相对于压电元件的中性轴对称的位移特征，其导致在3-D空间中产生多个驻波。这些高阶振动模式可以包括模式(1,1)、(1,2)、(2,1)、(2,2)、(2,3)或(m,n)，其中m和n为1或更大。声压与换能器的驱动电压成比例。电能与电压的平方成比例。

在一些实施方案中，驱动换能器的脉冲电压信号可以具有正弦、矩形、锯齿或三角波形；并且频率为500kHz至10MHz。脉冲电压信号可以用脉冲宽度调制驱动，这产生任何所需的波形。脉冲电压信号还可以具有振幅或频率调制启动/停止能力以消除声流(streaming)。

换能器的尺寸、形状和厚度决定了换能器在不同激发频率下的位移，这进而影响了分离效果。通常，换能器在接近厚度共振频率(半波长)的频率下运作。换能器位移梯度(gradient)通常导致更多的用于待捕获颗粒的位置。高阶模位移在声场中在所有方向上产生具有强梯度的三维声驻波，由此在所有方向上产生相等的强声学辐射力，这导致了多个捕获线，其中捕获线的数目与换能器的特定的模态有关。

为了研究换能器位移特性曲线对声学捕获力和分离效果的影响，使用1”x1”正方形换能器重复进行实验10次，其中除了激发频率以外所有条件均相同。将10个连续的声共振频率(图8中以被圈起来的数字1-9和字母A示出)用作激发频率。条件为：实验持续时间30分钟，1000ppm油浓度的约5微米SAE-30油液滴，流速500ml/分钟，输入功率20W。由于油比水致密，并且能够利用声泳从水中分离，因此使用了油液滴。

图9示出当在含有油滴的水柱中运作时，所测量的换能器的作为在2.2MHz换能器共振附近的频率的函数的电阻抗振幅。换能器电阻抗的最小值对应水柱的声共振，并且其代表用于运作的可能的频率。数值模拟表明，换能器位移特性曲线在这些声共振频率处变化显著，由此直接影响声驻波和所得捕获力。由于该换能器在接近其厚度共振下运作，因此电极表面的位移是本质上异相的。换能器电极的典型位移是不均匀的，并且根据激发频率改变。作为一个例子，在一个激发频率下，产生了单行被捕获的油液滴，位移在电极的中间具有单一最大值，在换能器边缘附近具有最小值。在另一个激发频率下，换能器特性曲线具有多个最大值，这导致产生多行受捕获的油液滴。更高阶的换能器位移模式导致更高的捕获力以及多个稳定的被捕获的油液滴捕获线。

作为换能器经过的油-水乳液，观察并研究了油液滴捕获线的特征。如图9所示，对图8所发现的10个共振频率中的七个进行了捕获线特征研究，包括对流动通道中的捕获线数目进行观察和绘制图案。换能器的不同位移特性曲线可在驻波中产生不同的(更多的)捕获线，其中位移特性曲线存在更多梯度通常会产生更高的捕获力和更多的捕获线。

换能器用于建立可产生相同数量级的与驻波方向垂直和沿驻波方向的力的压力场。当力为大致相同数量级时，大小为0.1微米至300微米的颗粒更有效地向凝聚区域(“捕获线”)移动。由于垂直声泳分力具有相等的大梯度，因此在换能器与反射器之间具有在驻波方向上位置规则分布的“热点”或颗粒集中区。热点位于声学辐射势能最小的位置。这些热点代表颗粒集中位置。

图10是示出声辐射力、流体动力阻力和浮力与颗粒半径的缩放比例的对数-对数图(对数y轴，对数x轴)。对实验中使用的典型SAE-30油液滴进行计算。浮力是依赖于颗粒体积的力，因此对于微米量级的粒径是可忽略的，但是对于几百微米量级的粒径会增长，并且变得显着。流体动力阻力与流体速度成线性比例，因此对于微米尺寸颗粒通常超过浮力，但对于数百微米数量级的较大尺寸颗粒来说可忽略不计。声辐射力缩放作用不同。当粒径较小时，声学捕获力随着粒子的体积而缩放。最终，当粒径增大时，声辐射力不再随着颗粒半径的立方而增加，并且将在特定的临界粒径下迅速消失。随着粒径的进一步增加，辐射力在大小上再次增加，但具有相反相位(图中未示出)。随着粒径增加，该模式重复。

最初，当悬浮液流过具有主要为小的微米尺寸颗粒的系统时，对于待捕获在驻波中的颗粒而言，声辐射力必须平衡流体动力阻力和浮力的组合效果。在图10中，这发生在粒径为约3.5微米上，标记为R_c1。然后该图表明所有较大颗粒也将被捕获。因此，当小颗粒被捕获在驻波中时，发生颗粒聚结/结块/聚集/凝聚，导致有效粒径的连续生长。随着粒径增大，声辐射力从颗粒反射，使得大颗粒导致声辐射力降低。粒径继续生长直到浮力/重力变为主导，这由第二临界粒径R_c2表示，在该尺寸下，根据颗粒相对于宿主流体的相对密度，颗粒将上升或下沉。因此，图10解释了小颗粒如何能够在驻波中连续捕获，生长成更大的颗粒或团块，然后最终由于浮力/重力的增加而上升或沉降。

在生物应用中，预期所述系统的所有部分(例如反应容器、导向或出自生物反应器的管道、温度调节夹套等)都可以彼此分离，并且为一次性的。还可以改变换能器的频率以在给定功率下获得最佳效果。

提供以下实施例以说明本公开的装置、组件和方法。这些实施例仅仅是说明性的并且不旨在将本公开限制于本文中阐述的材料、条件或工艺参数。

实施例

实施例1

使用厚度为0.60密尔(15.24微米)的聚烯烃热收缩膜作为透声的膜，以形成流体-空气界面，并使用空的换能器壳体将其夹在适当位置。当换能器在2.2MHz的频率下运作时，该厚度是波长的1/50。图3A为测试装置的图片。

图3B是在运作期间的塑料膜-空气界面反射器的图片。通过塑料膜(其也是光学透明的)可以看到5×5捕获线模式的运作。白色的捕获线通过塑料膜是可见的。与使用钢反射器相比，该装置的总效率仅降低了3％，其在测量误差的范围内。

实施例2

将透声薄膜170附接到超声换能器的压电晶体(尺寸为1英寸×1英寸)172的表面。使用两种不同的塑料薄膜，一个约60微米厚并且一个约350微米厚。使用超声波传输凝胶174的薄层以确保在薄膜和晶面之间没有气穴。图11为正方形换能器的图片和所得结构的图。

测试了三种类型的反射器：钢反射器、约60微米厚的薄塑料膜反射器(R-ATF)和约350微米厚的薄塑料膜反射器(R-TBC)。使用了三种不同类型的压电晶体：具有约60微米厚的塑料薄膜盖的晶体(C-ATF)；具有约350微米厚的塑料薄膜盖的晶体(C-TBC)；和未涂覆的γ灭菌晶体(UC)。

测试这些晶体/反射器组合以确定其对具有2亿细胞/mL的3％酵母进料的分离和所指示的起始浊度的影响。进料流速为30ml/min，浓缩物产率为5mL/min，渗透物产率为25/mL/min。除非另有说明，晶体的功率为7-11瓦，并且频率为2.2455MHz。350微米厚的膜约为在该频率下的波长的厚度的一半。

30分钟后，测量浓缩物、渗透物和滞留物。浓缩物是离开装置的部分，其包含浓缩酵母和一些流体。渗透物是离开装置的过滤部分，其主要是具有低得多的酵母浓度的液体。滞留物是运作后留在装置中的剩余物质。

结果提供在下表1中。

表1

从本文可以看出，浊度在在渗透物中大大降低，而在浓缩物中大大增加，表明该系统的效率。

已经参照示例性实施方案描述了本公开。显然，通过阅读并理解上文的详细描述，本领域技术人员可以进行改变或修改。本公开旨在被理解为包括所附权利要求及其等价形式的范围以内的所有这些改变和修改。

Claims (21)

1.一种装置，包括：

流动室，其具有至少一个入口和至少一个出口；

至少一个超声换能器，其位于所述流动室的室壁上，所述换能器包括由电压信号驱动的压电材料，从而在所述流动室内产生多维声驻波；以及

薄结构，其位于与所述至少一个超声换能器相对的室壁上，所述薄结构提供充当反射器的压力释放边界。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述薄结构为塑料膜。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述塑料膜是由选自由烯烃、聚氨酯、聚脲、聚酯、聚苯乙烯、聚酰胺、纤维素、离聚物、聚氯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛，聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯，乙烯四氟乙、聚四氟乙烯及其组合组成的组中的材料制成的。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述薄结构是透明的。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述薄结构基本上是平的。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述薄结构的厚度为由所述至少一个超声换能器发射的波长的1/2或更小。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述换能器包括容纳所述压电材料的壳体。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述压电材料不具有衬里层。

9.根据权利要求7所述的装置，其中所述压电材料由实质上透声的材料支撑。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述实质上透声的材料为轻木、软木、或泡沫。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述实质上透声的材料的厚度为至多1英寸。

12.根据权利要求9所述的装置，其中所述实质上透声的材料为栅格的形式。

13.根据权利要求7所述的装置，其中所述超声换能器具有与所述流动室内的流体接触的面，所述面涂覆有耐磨层，该耐磨层包含铬、电解镍、化学镀镍、聚对二甲苯、玻璃化碳或聚氨酯。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述压电材料为陶瓷晶体。

15.根据权利要求1所述的装置，还包括：

装置入口，其通向环形腔室；

波状喷嘴壁，其位于所述装置入口的下游；

收集管道，其由所述环形腔室包围；以及

连接管道，其将所述波状喷嘴壁连接到所述流动室入口。

16.根据权利要求1所述的装置，包括多个跨越所述流动室的宽度的换能器。

17.一种从宿主流体中分离次级流体或颗粒的方法，包括：

使所述宿主流体和次级流体或颗粒的混合物流过装置，所述装置包括：

流动室，其具有至少一个入口和至少一个出口；

超声换能器，其位于所述流动室的室壁上，所述换能器包括由电压信号驱动的压电材料，从而在所述流动室内产生多维声驻波；以及

薄结构，其位于与所述至少一个超声换能器相对的室壁上，所述薄结构提供充当反射器的压力释放边界；以及

将所述次级流体或颗粒的较小颗粒捕获在所述多维声波驻波中，以从所述宿主流体中凝聚、聚集和聚结并连续地重力分离所述次级流体或颗粒。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述颗粒为中国仓鼠卵巢(CHO)细胞、NS0杂交瘤细胞、幼小仓鼠肾(BHK)细胞、昆虫细胞或人细胞。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述宿主流体连续地流过所述流动室。

20.根据权利要求17所述的方法，其中所述多维声驻波具有轴向力和横向力，所述横向力与所述轴向力具有至少相同的数量级。

21.一种装置，包括：

流动室，其具有至少一个入口和至少一个出口；

至少一个超声换能器，其位于所述流动室的室壁上，所述换能器包括由电压信号驱动的压电材料，从而在所述流动室内产生多维声驻波；以及

薄结构，其位于与所述至少一个超声换能器相对的室壁上，所述薄结构提供充当反射器的压力释放边界，其中所述装置具有-0.1至-1.0的声反射系数。