CN106794393A - 含颗粒的非流动流体的声泳净化 - Google Patents

含颗粒的非流动流体的声泳净化 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于从非流动主流体中分离颗粒的声泳装置。该装置包括分离单元和充分透声的容器，其中容器被放置在分离单元内。分离单元中的超声换能器在容器内产生平面声学驻波或多维声学驻波，捕获分布在非流动流体内的颗粒，并使它们聚结或聚集，然后因浮力或重力而分离。

Description

含颗粒的非流动流体的声泳净化
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年9月30日提交的美国临时专利申请No.62/057,514的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
背景技术
声泳(或声致泳动，acoustophoresis)利用高强度声学驻波从第一流体或主流体中分离颗粒和第二流体，而不需要使用膜或物理尺寸排除过滤器。已知的是，当密度和/或压缩系数中存在差异(也被称为声学对比系数(acoustic contrast factor))时，声音的高强度驻波可以对流体中的颗粒施加力。驻波中的压力分布包括位于其波节处的局部最小压力幅度的区域和位于其波腹处的局部最大值的区域。取决于颗粒的密度和压缩系数，将在驻波的波节或波腹处捕获这些颗粒。驻波的频率越高，因驻波的压力而能够被捕获的颗粒越小。通常对移动的流体流进行声泳处理。
存在许多以下应用：在这些应用中，需要净化含有颗粒或液滴的流体，或需要将二次相与主流体分离。在某些情况下，以间歇或半间歇模式执行这种处理可能是有利的，特别是当二次相的浓度较大时，例如体积浓度超过1％或例如超过10％时。应用于沉淀槽、食品和饮料工业中的酵母分离过程、生物制药中的哺乳动物细胞净化以及红血球和白血球从血浆的分离。
发明内容
在各种实施例中，本发明涉及使用驻波中的超声能量来以间歇模式从包含主流体和颗粒/第二流体的混合物的离散体积的流体中分离颗粒或第二流体。离散体积的流体是非流动的，即该流体不被第二体积的流体泵送、驱动流动或位移。使用声泳装置实现离散体积的流体的净化。结果，离散体积的流体被分成两部分，即颗粒浓度增大的部分和颗粒浓度降低的部分。声泳分离处理将颗粒和液滴捕获在声场内的稳定捕获位置中。强的三维声场进一步在这些位置处产生紧密堆积的团簇物，使得重力/浮力变得占优势，从而当它们比主流体重时产生颗粒的团簇物或团块的连续沉降，或当颗粒或液滴比主流体轻时从悬浮液中上升。
在各种实施例中，声泳装置包括：充分透声的容器，其具有上端和下端；以及分离单元，其由一个或多个壁部限定。分离单元包括至少一个超声换能器，该至少一个超声换能器具有由电压信号驱动以在分离单元中产生穿过容器的声学驻波的压电材料，并且分离单元可与容器分离。
通常，容器中保持有一定体积的流体。容器通常由充分透声的材料(例如塑料、玻璃、聚碳酸酯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯)形成，从而基于声学驻波的频率具有合适的厚度。容器可以是塑料瓶或塑料袋。
在某些实施例中，分离单元包括两个超声换能器。当需要使用两个超声换能器时，两个超声换能器可以位于分离单元的共用壁部上，使得仅需要单个反射器来在分离单元中传播驻波。作为选择，两个超声换能器可以彼此相反地定位，从而产生彼此交叉的波。
在一些实施例中，分离单元的壁部包括用于观察发生在容器下端中的分离的观察窗。观察窗还可用于允许容器在分离单元中的期望放置。
本文还公开了一种使用前述容器和分离单元净化含有颗粒的离散体积的流体介质的方法。该方法通常包括以下步骤：将离散体积的流体介质引入到具有上端和下端的容器；将容器放置到由至少一个壁部限定的分离单元中，分离单元包括具有压电材料的至少一个超声换能器，通过由与至少一个超声换能器相反定位的反射器反射入射波，压电材料能够在分离单元中产生声学驻波；以及驱动至少一个超声换能器以在分离单元中产生声学驻波，从而将颗粒与离散体积的流体介质分离。
通常，驱动超声换能器以产生声学驻波导致产生波节线和横向力，从而捕获在这些波节线中的离散体积的流体介质的颗粒。这些波节线中的颗粒聚丛、凝结、聚集或聚结，并且因重力而下沉到容器下端，或者因浮力而上升到容器上端。团簇物的下沉或上升还在离散体积本身内产生重力驱动流动，从而进一步增强各相的分离。在一些实施例中，流体位于容器与分离单元之间的间隙中，使得声学驻波经过分离单元中的该流体和容器中的离散体积的流体介质。
在某些实施例中，容器可以是可弃式分离袋，该可弃式分离袋包括外表面和由外表面界定的内部体积。在这样的实施例中，超声换能器至少部分地设置在分离袋的外表面的内部，使得可以在袋的内部体积中产生声学驻波。这实现了可弃式系统，由此悬浮在袋中的流体内的固体可以聚丛、团簇或聚集，并且从溶液中沉淀出来，而在流体中乳化的液滴聚丛、凝结、聚集或聚结，使得浮力迫使聚集或聚结的液滴从悬浮液中升出。驻波声场因此产生袋中的流体的净化。也就是说，在这种布置中，流体中的细胞、细胞碎片或其他固体被捕获在声学驻波(一个或多个)中，被聚丛成更大的组并且因重力而落回到分离袋中。
在下文更具体地描述了这些和其他非限制性特征。
附图说明
以下是附图的简单描述，这些附图是为了说明本发明所公开的示例性实施例而提供的，而不为了限制本发明。
图1是本发明的声泳装置的一个示例性实施例的透视图，可弃式容器(例如，塑料袋)与包括一个或多个超声换能器的可重复使用的分离单元协同工作。
图2是本发明的声泳装置的另一示例性实施例(其包括用于相对于容器移动分离单元的支撑结构)的剖视图。
图3是本发明的具有支撑结构的另一示例性声泳装置的透视图，这里，分离单元在其壁部内包含支撑结构，并且支撑结构仅沿着轴线平移超声换能器/反射器对，而分离单元的壁部相对于容器保持在静态位置。
图4是现有超声换能器的剖视图。
图5是本发明的超声换能器的剖视图，该换能器中存在空气间隙，并且不存在背衬层或耐磨板。
图6是本发明的超声换能器的剖视图，该换能器中存在空气间隙，并且存在背衬层和耐磨板。
图7是示出了声辐射力、重力/浮力和斯托克斯(Stokes)阻力与粒度的关系的曲线图，横轴以微米(μm)为单位，而纵轴以牛顿(N)为单位。
图8是当以不同频率驱动方形换能器时的阻抗幅度与频率之间的曲线图。
图9A示出从与流体流垂直的方向观察到的用于图8的7个峰值幅度的捕获线构造。
图9B是示出分离器的透视图，示出了捕获线。
图9C是从分离器的侧面(垂直于图9B的换能器)观察到的视图，示出了将捕获颗粒的驻波的捕获波节。
图9D是沿着如图9B所示的箭头116观看到的穿过换能器的表面截取的视图，示出了捕获线构造。
图10是本发明的声泳装置的视图，示出了部分地设置在分离单元内的塑料袋(即容器)，该分离单元具有由BNC线缆所传送的电压信号驱动的超声换能器。
图11是本发明的另一示例性声泳装置的示意图，可弃式柔性塑料袋包含嵌入的超声换能器。
图12是图11的袋的剖视图，示出了嵌入袋内的换能器。
具体实施方式
通过参考优选实施例及其所包含的实例的以下具体描述，可以更容易地理解本发明。在以下说明书以及所附权利要求书中，将参考定义为具有下述含义的大量术语。
虽然为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但这些术语仅意图指代图中被选择用于说明的实施例的特定结构，而不意图限定或限制本发明的范围。在附图和以下描述中，应当理解的是，相同的数字标号指代相同功能的部件。此外，应当理解的是，附图未按比例绘制。
除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”也包括复数个指代对象。
本文所用术语“包括”是指存在所指部件/步骤且允许存在其它部件/步骤。术语“包括”应当被解释为包括术语“由…组成”和“基本上由…组成”，这允许仅存在所指部件/步骤和不可避免的杂质且排除其他部件/步骤。
本文使用的所有数值包括：在减少到相同数量的有效数字时是相同的数值；以及相差小于用于测量该值的现有技术的实验误差的数值。
本文所公开的所有范围都包括所提及端值，并且可以独立组合(例如，“从2克至10克”的范围包括端值2克和10克以及所有中间值)。
术语“基本上”和“约”可以用于包括能够在不改变该值的基本功能的情况下变化的任意数值。当在范围内使用时，它们还公开了由两个端值的绝对值限定的范围，例如，“约2至约4”也公开了“从2至4”的范围。术语“约”可以指代指示数字的+/-10％。
应注意的是，本文所使用的许多术语是相对术语。例如，术语“上”和“下”在位置上是彼此相对而言的，即，在给定取向上，上部件位于比下部件更高的高度，但如果使装置倒转，则这些术语可能变化。术语“入口”和“出口”是对于给定结构而言相对于流动穿过它们的流体来说的，例如，流体经由入口流动到该结构中，并且经由出口流动到该结构外面。术语“上游”和“下游”是相对于流体流动穿过不同部件的方向而言的，即，流体在流动穿过下游部件之前流动穿过上游部件。应注意的是，在环路中，第一部件既可以描述为第二部件的上游，也可以描述为第二部件的下游。
术语“水平”和“竖直”用于表示相对于绝对基准(即，地平面)的方向。然而，这些用语不应当解释为要求这些结构彼此绝对平行或绝对垂直。例如，第一竖直结构和第二竖直结构不必彼此平行。术语“顶部”和“底部”用来指相对于绝对基准(即地球的表面)而言顶部总是高于底部的表面或端部。术语“向上”和“向下”也是相对于绝对基准而言；向上总是克服地球的重力。
术语“平行”应当解释为保持它们之间的大致恒定距离的两个表面的含义，并且不是以严格的如下数学含义进行解释：当延伸到无穷时，这些表面将永远不相交。
本发明涉及“相同的数量级”。如果较大数除以较小数得到的商是小于10的值，则这两个数具有相同的数量级。
本发明的声泳分离技术采用超声驻波在包含颗粒/第二流体的流体体积中捕获所述颗粒或第二流体。根据颗粒或第二流体相对于主流体的声学对比系数，颗粒或第二流体在声学驻波的波节或波腹处聚集，从而形成团簇物/团块/团聚体/聚结液滴，当团簇物已经生长到足够大的尺寸而克服了声学驻波的保持力(例如，通过聚结或聚集)并且颗粒/第二流体的密度高于主流体的密度时，团簇物持续从声学驻波中掉出，或者当颗粒/第二流体的密度低于主流体的密度时，团簇物从声学驻波中升出。当颗粒与波长相比而言较小时，声辐射力与颗粒体积(例如，半径的立方)成正比。声辐射力与频率和声学对比系数成正比。声辐射力还与声能(例如，声压幅度的平方)成比例。对于谐波激励而言，力的正弦空间变化将颗粒驱动到驻波中的稳定轴向位置。当施加在颗粒上的声辐射力强于流体阻力与浮力、重力的组合作用时，颗粒被捕获在声学驻波场中。这导致被捕获的颗粒的集中、聚集和/或聚结。大横向力产生颗粒的快速聚集。因此，可以通过增强的重力分离从主流体中分离出微米级的颗粒，例如细菌、哺乳动物细胞、微藻、金属颗粒、酵母、真菌、脂质、油滴、红血球、白血球、血小板等。对于具有几种不同粒度的悬浮液的情况，可以通过调整系统参数以沉淀出尺寸较大的颗粒组，而尺寸较小的颗粒组可保持悬浮。然后可以分开收获这两个层。然后可以使用重复的过程根据尺寸对不同尺寸颗粒的组进行分级。
声泳装置的一个具体应用是处理生物反应器材料(bioreactor material)。重要的是能够从主流体中存在的表达(expressed)材料分离出相对较大的细胞和细胞碎片。表达材料由例如重组蛋白或单克隆抗体等生物分子构成，并且是要回收的所需产物。通过使用声泳，对细胞和细胞碎片的分离是非常高效的，并且导致非常低的表达材料损耗。这是对现有过滤处理(深层过滤、切向流过滤等)的改进，现有过滤处理在高细胞密度的情况下表现出有限的效率，使得滤床本身中的表达材料的损耗可能高达生物反应器所产生的材料的5％。一般来说，包括中国仓鼠卵巢(CHO)、NS0杂交瘤细胞、幼仓鼠肾(BHK)细胞、昆虫细胞和人体细胞(例如，T细胞、B细胞、干细胞、红细胞)以及活体细胞/生物细胞在内的哺乳动物细胞培养物的使用已被证明是生产/表达出当今制药所需的重组蛋白和单克隆抗体的非常有效的方法。借助于声泳对哺乳动物细胞和哺乳动物细胞碎片的过滤有助于大大提高生物反应器的产量。根据需要，声泳处理还可以与上游或下游的标准过滤处理(例如，深层过滤、切向流过滤(TFF)或其它物理过滤处理)相结合。
就此而言，声学对比系数是颗粒对流体压缩系数与颗粒对流体密度的比率的函数。与悬浮有细胞的介质相比，大多数细胞种类表现出更高的密度和更低的压缩系数，使得细胞与介质之间的声学对比系数具有正值。结果，轴向声辐射力(ARF)将具有正对比系数的细胞驱动到压力波节面，而将具有负对比系数的细胞或其他颗粒驱动到压力波腹面。ARF的径向或横向分量比流体阻力和重力的组合作用大。径向或横向分量将细胞/颗粒驱动到这些平面内的特定位置(点)，在那里它们聚集、聚丛、凝聚或聚结成更大的组，然后在重力作用下与流体持续分离。
期望的是，超声换能器(一个或多个)在流体中产生三维或多维超声驻波，该三维或多维超声驻波对悬浮颗粒施加与轴向力共存的横向力，从而增强驻波的颗粒捕获和聚丛能力。发表在文献中的典型结果论述到：横向力比轴向力小两个数量级。与之相反，本发明中所公开的技术提供了与轴向力相同的数量级的横向力(即多维声学驻波)。然而，在本文进一步描述的某些实施例中，可以设想产生多维声学驻波和平面驻波的换能器的组合。为了本公开的目的，横向力与轴向力不是相同数量级的驻波被认为是“平面声学驻波”。
对于三维声场，可以使用Gor'kov(戈尔柯夫)公式来计算适用于任何声场的声辐射力Fac。主声辐射力Fac被定义为场势能U的函数，
其中，场势U被定义为
并且f1和f2为单极和偶极贡献，被定义为
其中，p为声压，u为流体颗粒速度，Λ为细胞密度ρp与流体密度ρf的比率，σ为细胞声速cp与流体声速cf的比率，Vo为细胞体积，并且<>表示求经过波周期的时间平均值。Gor'kov方程适用于小于波长的颗粒。对于较大的粒度，Ilinskii提供了用于计算任何粒度的3D声辐射力的方程。参见Ilinskii,Acoustic Radiation Force on a Sphere in Tissue(组织中球形体上的声辐射力),The Journal of the Acoustical Society of America,132,3,1954(2012)，该文献以引用的方式并入本文。
超声换能器中压电元件的多模方式的扰动允许生成多维声学驻波。压电元件可以被特别地设计成在设计频率下以多模方式变形，从而允许产生多维声学驻波。可以通过压电元件的诸如可生成多维声学驻波的3×3模式等不同模式生成多维声学驻波。也可以通过允许压电元件经由许多不同模式形状振动来产生多个多维声学驻波。因此，压电元件将激励诸如0×0(即，活塞模式)到1×1、2×2、1×3、3×1、3×3以及其它高阶模式等多个模式，然后通过压电元件的低阶模式循环返回(不一定是直接顺序(straight order))，或者激励可以是若干模式的加权组合。压电元件在多个模式之间的切换或抖动允许不同的多维波形，以及在指定时间中生成的单个活塞模态。
也可以用任意定相来驱动多个超声换能器。换言之，多个换能器可以在彼此异相的同时工作，以分离流体流中的材料。作为选择，也可以操作已被划分成有序阵列的单个超声换能器，使得该阵列的某些部分与阵列的其它部分异相。
有时，由于声流而可能需要调制驻波的频率或电压幅度。这可以借助于幅度调制和/或频率调制来完成。也可以利用驻波传播的占空比，来实现材料捕获的某些结果。换言之，为了实现所需结果，可以在不同频率下开启或切断声束。
由本发明的超声换能器生成的总声辐射力(ARF)的横向力是显著的，并且足以克服高达1厘米/秒以上的高线性速度的流体阻力。例如，穿过本发明的装置的线性速度对于细胞/颗粒的分离而言可以为4cm/min的最小值，而对于油/水相的分离而言可以高达1cm/sec。当如下面进一步描述的，超声换能器相对于流体的驻立体积(standing volume)移动以增强分离时，这可能是相关的。
如果需要，也可以使用来自多个超声换能器的多个驻波，这允许多个分离阶段。例如，在颗粒和流体的混合物中，第一换能器(及其驻波)将收集一定量的颗粒，并且第二换能器(及其驻波)将收集第一换能器不能保持的其它颗粒。这种构造在颗粒/流体比高(即，大体积的颗粒)的情况下是有用的，并且能够达到第一换能器的分离能力。该构造还可能对具有双模或更大尺寸分布的颗粒而言是有用的，其中，每个换能器可以被优化以捕获在一定尺寸范围内的颗粒。
图1示出了与离散体积的流体介质一起使用的本发明的声泳装置100的第一示例性实施例。该流体可以被认为是不流动的，因为没有使流体移动的泵，并且不存在被添加到该离散体积或从该离散体积位移的其它流体。声泳装置包括充分透声的容器110和分离单元120。这两个部件可彼此分离。
声泳装置的容器110通常由充分透声的材料形成，例如塑料、玻璃、聚碳酸酯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯(都具有适当的厚度)。然而，容器可以由适于允许本发明的一个或多个声学驻波通过的任何材料形成。容器可以是装配在分离单元中的瓶或袋或隔间的形式。这些形式之间的区别在于它们的组成和结构。瓶比袋更硬。当为空时，袋通常不能自我支撑，而瓶能够直立。例如，如图1所示的容器110是高密度聚乙烯袋。容器110通常具有上端112、下端114以及非流动流体介质位于其中的内部体积。该流体介质是主流体(其为流体介质的大部分)和分散在主流体中的第二流体或颗粒的混合物。
声泳装置的分离单元120由至少一个壁部122限定，并且可以具有多个壁部，壁部形成分离单元的侧部。例如，分离单元可以为圆筒形或矩形(如图所示)。壁部(一个或多个)是实心的。在分离单元的上端中存在开口126，以通过开口126接收容器110。同样，分离单元120可与容器110分离，使得容器可以是可弃式的或可重复使用的，这取决于声泳装置的所需应用。如这里所示，分离单元120的底座是实心的。
分离单元120包括位于壁部134上的至少一个超声换能器130。超声换能器130具有由电压信号驱动以产生声学驻波的压电元件。线缆132被示出用于将电力和控制信息发送到超声换能器130。可以存在反射器140并且反射器140位于与超声换能器130相反的壁部136上。因此，通过从换能器辐射的初始波和来自反射器的反射波来生成驻波。在一些实施例中，反射器不是必需的，而环境空气可以用于反射入射波并产生驻波。应当理解的是，可以利用各种换能器和反射器组合来产生本发明的声学驻波(一个或多个)，以分别加速分布在非流动流体介质内的颗粒的重力沉降或分布在非流动流体介质内的颗粒或低密度流体的浮力上升。平面和/或多维声学驻波(一个或多个)在容器内产生，并且用于增大非流动流体中的颗粒在容器中的沉降速度。该处理还可以用于间歇或半间歇操作，在该间歇或半间歇操作中，颗粒和流体混合可以停止一段时间，同时声学驻波被用于在恢复引入流体之前加速流体中颗粒的分离，使得现在分离出的颗粒到达阱或捕获区域的底部。应当注意，超声换能器与正被分离的离散体积的流体之间没有接触。
在某些实施例中，声泳装置包括位于分离单元的与反射器140所在的壁部136相反的共用壁部134上的多个超声换能器130。作为选择，超声换能器可以彼此相反定位，而不设置反射器。另外，分离单元120可以包括位于分离单元120的另一壁部138中的观察窗124。如图1的实施例所示，当提供观察窗时，观察窗可以位于分离单元的与超声换能器(一个或多个)和反射器所在的壁部相邻的壁部中，使得可以通过分离腔室120中的观察窗124观察容器110的下端114。在其他实施例中，观察窗可代替反射器。
在某些实施例中，诸如水等流体可以被放置在容器110和分离单元120之间的间隙空间105中，使得声学驻波经过分离单元中的流体和容器中的非流动流体介质。间隙流体可以是任何流体，但是期望的是使用具有与容器中离散体积的流体类似的声学性质的流体，使得不会阻止声学驻波(一个或多个)经过容器中的非流动流体介质，以在容器中进行分离和净化。间隙空间中的流体应当具有允许声学驻波(一个或多个)良好传输的声阻抗值，并且优选地具有低的声衰减。
在某些实施例中，分离单元120包括支撑结构，该支撑结构构造为相对于容器110竖直地移动超声换能器130(一个或多个)以及反射器140(如果存在的话)。根据竖直运动的方向，换能器的运动产生从上端112到下端114或从下端114到上端112穿过容器110中的非流动流体混合物的“扫过效应(sweeping effect)”。容器中流体的该“扫过”改善了分布在流体内的颗粒的沉降或浮力。超声换能器可以以约0.1毫米/秒至约1厘米/秒的线性速度相对于容器移动。
在图2中示出了一个这样的装置。这里，分离单元120由四个壁部122组成，换能器130位于一个壁部上(反射器未示出)。分离单元120包括上部开口126和下部开口128，容器110穿过这两个开口。这里，支撑结构150包括底座152和从底座垂直地竖立的支撑柱154。支撑柱提供用于相对于容器110上下移动分离单元120的机构，容器110保持其在底座上的位置。该机构可以是本领域任何已知的机构，例如齿轮、滑轮等。分离单元120在这里被示出为大致位于容器110的中间，并且箭头表示分离单元120可以根据需要向上或向下移动。例如，换能器130可以从容器110的上端112朝向下端114移动，以便增强颗粒在容器底部处的沉降。作为选择，换能器130可以从容器的下端114朝向容器110的上端112升高，以便增强例如油-水混合物(油正与水分离)中的上浮颗粒的分离。
图3中存在这种装置的另一实施例。这里，超声换能器130安装在分离单元120内的支撑结构150上，并且壁部134包括轨道，支撑结构沿着该轨道相对于容器110竖直地移动。分离单元120的壁部122不相对于容器110移动，只有换能器(以及反射器(如果存在的话))相对于容器110移动。
本发明的声泳装置的各个部分可以由任何合适的材料制成。此类合适的材料包括医用级塑料(例如，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯或其它丙烯酸酯)、诸如钢等金属或者玻璃。总体上要求材料稍微透明，使得可以制作出清晰的窗部，并且在声泳装置/系统的操作期间可以看到内部流动通道和流动路径。
在本发明的装置中使用的超声换能器的一些解释也可能是有帮助的。就此而言，换能器使用通常由PZT-8(锆钛酸铅)制成的压电元件。此类元件可以具有1英寸的直径和标称2MHz的共振频率，或者可以是正方形或矩形形状。每个超声换能器模块可以仅具有一个压电元件，或者可以具有多个压电元件，每个压电元件用作单独的超声换能器并且由一个或多个放大器控制。
图4是现有超声换能器的剖视图。该换能器具有位于底端处的耐磨板50、环氧树脂层52、陶瓷压电元件54(例如由PZT制成)、环氧树脂层56和背衬层58。在陶瓷压电元件的任一侧上，存在电极：正电极61和负电极63。环氧树脂层56将背衬层58粘附在压电元件54上。整个组件被容纳在可以由例如铝制成的壳体60中。电接插器62能够提供线材的连接，以使线材穿过壳体并连接到附接在压电元件54上的引线(未示出)。通常，背衬层被设计为增加阻尼并形成在宽的频率范围内具有均一位移的宽带换能器，并且被设计为抑制在特定的振动本征模式下的激励。耐磨板通常被设计为阻抗变压器，以更好地匹配能够被换能器辐射的介质的特性阻抗。
图5是本发明的超声换能器81的剖视图。换能器81被成形为正方形，并且具有铝制壳体82。压电元件是钙钛矿陶瓷块，每个钙钛矿陶瓷块由较大晶格的较小四价金属离子(通常为钛或锆)、二价金属离子(通常为铅或钡)以及O2-离子组成。作为实例，PZT(锆钛酸铅)压电元件86限定了换能器的底端，并且从壳体的外部露出。压电元件的周部被位于压电元件与壳体之间的小弹性层98(例如环氧树脂、硅树脂或类似材料)支撑。换言之，不存在耐磨板。然而，在一些实施例中，存在将压电元件与产生有声学驻波的流体分离的塑料层或其它材料层。
螺钉88借助螺纹将壳体的铝制顶板82a连接在壳体的主体82b上。顶板包括用于为换能器供电的连接器84。PZT压电元件86的顶表面连接到被绝缘材料94隔开的正电极90和负电极92。电极可以由任何导电材料(例如，银或镍)制成。电力通过压电元件上的电极提供给PZT压电元件86。应注意的是，压电元件86没有背衬层或环氧树脂层。换言之，在换能器中在铝制顶板82a与压电元件86之间存在空气间隙87(即，空气间隙完全是空的)。如图6所示，在一些实施例中可以设置最小的背衬58和/或耐磨板50。
换能器的设计可影响系统的性能。典型的换能器具有层状结构，该层状结构具有结合到背衬层和耐磨板的陶瓷压电元件。由于换能器负载有驻波所赋予的高机械阻抗，因此耐磨板的传统设计准则(例如，对于驻波应用而言的半波长厚度或对于辐射应用而言的四分之一波长厚度)和制造方法可能是不合适的。相反地，在本发明的一个实施例中，换能器不具有耐磨板或背衬，这使得压电元件以其本征模式(即，接近本征频率)之一振动并具有高的Q因数。振动的陶瓷压电元件直接暴露于流经流动腔室的流体。
去除背衬(例如，使压电元件以空气作为背衬)还允许陶瓷压电元件在很小的阻尼下以振动的高阶模振动(例如高阶模位移)。在压电元件具有背衬的换能器中，压电元件以更均一的位移振动，就像活塞一样。去除背衬使得压电元件以非均一位移模式振动。压电元件的模态的阶数越高，压电元件就具有越多的波节线。虽然捕获线与波节的相关性不必是一一对应的，并且以较高频率驱动压电元件不一定产生更多的捕获线，但压电元件的高阶模态位移会产生更多的捕获线。
在一些实施例中，压电元件可以具有对压电元件的Q因数影响最小(例如小于5％)的背衬。背衬可以由充分透声的材料制成，例如轻木、泡沫或软木，这使得压电元件以高阶模态振动并保持高的Q因数，同时还为压电元件提供一定的机械支撑。背衬层可以是实心的，或者可以是在层中具有孔的栅格，这样栅格与压电元件以特定的高阶振动模式振动的波节相符，从而在波节位置提供支撑，同时允许其余的压电元件自由振动。栅格结构或透声材料的目的是提供支撑，而不降低压电元件的Q因数或干扰特定模态的激励。
图7是对数-对数曲线图(对数y轴，对数x轴)，该曲线图示出了声辐射力、流体阻力和浮力与颗粒半径的比例关系，并且提供了对使用声辐射力分离颗粒的解释。对实验中所使用的典型CHO细胞完成了计算。浮力是与颗粒体积有关的力，因此，对微米级的粒度而言该浮力是可忽略的，但是对几百微米级的粒度而言该浮力变得重要。流体阻力(斯托克斯阻力)与速度成线性比例(当换能器相对于容器中的非流动流体移动时)，因此，对于微米尺寸的颗粒而言流体阻力通常超过浮力，但对于数百微米数量级的较大尺寸的颗粒而言流体阻力则可以忽略。声辐射力比例不同。当粒度较小时，Gor'kov方程是准确的，并且声学捕获力与颗粒的体积成比例。最终，当粒度变大时，声辐射力不再随着颗粒半径的立方增大，并且将在某一临界粒度迅速消失。对于粒度的进一步增大，辐射力的大小再次增加但具有相反的相位(未在图中示出)。该模式随着粒度的增大而重复。
最初，当容器包括主要具有小微米尺寸颗粒的主流体并且换能器相对于容器移动时，需要声辐射力来平衡用于将颗粒捕获在驻波中的流体阻力和浮力的组合效果。在图7中，这发生于粒度为约3.5微米的情况下(标记为Rc1)。然后，曲线图示出了还将捕获所有较大颗粒。因此，当小颗粒被捕获在驻波中时，颗粒发生聚结/聚丛/聚集/团聚，从而导致有效粒度的连续生长。作为颗粒团簇物，团簇物中所有颗粒上的总阻力远小于各个颗粒上的阻力之和。实质上，作为颗粒团簇物，它们减小了团簇物的总阻力。随着粒度变大，颗粒反射声辐射力，从而大颗粒使声辐射力减小。颗粒上的声横向力必须大于团簇物的阻力，以保持静止并且尺寸增大。
粒度继续生长直至重力/浮力变为主导，以第二临界粒度Rc2表示，在该尺寸下，颗粒将根据颗粒相对于主流体的相对密度而上升或下沉。在这种尺寸下，声学力是次要的，重力/浮力变为主导，并且颗粒自然地从主流体中掉出。并非所有颗粒将掉出，并且这些残留颗粒的尺寸也将继续变大。该现象说明了在大于尺寸Rc2的情况下声辐射力的快速下降和上升。因此，图7解释了小颗粒如何能够被连续捕获在驻波中，生长为更大颗粒或聚丛，然后最终由于增加的浮力或重力而上升或沉降。在没有换能器运动的情况下，则阻力仅仅取决于流体中的颗粒的运动，并且与换能器运动的情况相比将更小，即，Rc1将更小，因此对于固定的换能器的操作而言可以捕获更小尺寸的颗粒。
换能器的尺寸、形状和厚度决定了换能器在不同激励频率下的位移，这进而影响了颗粒分离效果。通常来说，换能器在接近厚度谐振频率(半波长)的频率下工作。换能器位移的梯度通常形成更多位置用于要被捕获的颗粒。高阶模位移在声场中的所有方向上生成具有强梯度的三维声学驻波，由此在所有方向上产生相等的强声辐射力，这导致了多个捕获线，其中捕获线的数目与换能器的特定模态有关。
图8示出了作为2.2MHz换能器共振附近的频率的函数的测量得到的换能器的阻抗振幅。换能器电阻抗的最小值对应于水柱的声共振，并且代表运行的可能频率。数值模型表明，换能器位移特性曲线在这些声共振频率处变化显著，由此直接影响声学驻波和所得捕获力。由于换能器在其厚度共振附近操作，因此电极表面的位移基本上是异相的。换能器电极的典型位移是不均一的并且随激励频率而变化。作为实例，在一个激励频率下，产生了单行被捕获的颗粒，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。在另一个激励频率下，换能器特性曲线具有多个最大值，从而产生多行被捕获的颗粒。更高阶的换能器位移模式导致更高的捕获力以及用于被捕获颗粒的多个稳定捕获线。
为了研究换能器位移特性曲线对声学捕获力和颗粒分离效率的影响，重复进行10次实验，其中，除了激励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)用作激励频率。条件为：实验持续时间30分钟，1000ppm油浓度的约5微米SAE-30油滴，流量500ml/min，输入功率20W。
当乳液经过换能器时，观察并研究油滴捕获线的特征。如图9A所示，对图8所标示的10个共振频率中的7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。
图9B示出了本发明的系统的等距视图，其中指示了捕获线位置。图9C是从侧面看去的系统的视图，示出了捕获线。图9D是当沿着箭头116直接看换能器表面时系统的视图。
激励频率的作用能够清楚地确定捕获线的数量，该数量从声学共振的激励频率处的单根俘获线5、9变为声学共振频率的九根捕获线4。在其它激励频率处，观察到四根或五根捕获线。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，其中位移特性曲线中的更多梯度通常会产生更高的捕获力和更多的捕获线。
在本系统中，系统在电压下操作，使得颗粒和颗粒团簇物被捕获在超声驻波中。颗粒和团簇物被收集在明确限定的捕获线中。每个捕获线与声学驻波的主方向对准。捕获线中的颗粒和团簇物被分开半个波长。在驻波的每个压力波节面内，颗粒被捕获在非常特定的点，通常是在声辐射电位的最小值处。声辐射力的轴向分量将具有正对比系数的颗粒驱动至压力波节面，而具有负对比系数的颗粒被驱动至压力波腹面。声辐射力的径向或横向分量是这样的力：将颗粒捕获在驻波中，将颗粒聚丛或聚集成紧密压缩的团簇物，然后当团簇物达到临界尺寸时，重力将其分离。在使用常规换能器的系统中，声辐射力的径向分量或横向分量一般要比声辐射力的轴向分量小几个数量级。因此，这种系统有两个限制。它具有非常微弱的颗粒捕获能力，此外，它不能产生足够紧密压缩的团簇物(其将因重力而分离)。本装置中的横向力可能相当大，具有与轴向力分量相同的数量级。强的聚集能力导致团簇物的快速形成，团簇物通过重力/浮力分离而从主流体中持续分离出来。
三维声学驻波是压电元件的振动模式的叠加结果。三维力场导致驻波的每个波节面内的强梯度。如图9B所示，沿着在驻波的轴向上的线形成多个颗粒团簇物。为了最佳的收集，颗粒团簇物的形状应该表现出最低的阻力。在颗粒雷诺数小于20时，柱形形状的阻力系数明显低于球形的阻力系数。对于给定的表面积，柱形还可以承载显著更多的颗粒(质量)，使得柱形颗粒团簇物与球形颗粒团簇物相比将具有更高的重力/浮力和更低的阻力。因此，柱形颗粒团簇物将比其它形状更快地掉落。应注意的是，使用“柱形”作为用于描述这种团簇物的形状的简写，其可能更好地被描述为椭圆形。
返回参考图1，整个系统因此如下操作。在分离单元120的换能器130与反射器140之间产生一个或多个声学驻波；这些波也经过容器110。容器110中的流体/颗粒混合物中存在的颗粒被捕获在声学驻波中的具有正声学对比系数的颗粒的压力波节处以及具有负声学对比系数的颗粒的压力波腹处，在这些部位，颗粒聚集、团聚、聚丛或聚结成更大的颗粒团簇物。然后团簇物上升或下沉并与流体分离，结果流体被净化。重力驱动的流动存在于系统中，这进一步增强了净化。当颗粒团块沉降时，等体积的较轻且已被净化的流体从底部区域位移并移动到顶部。
图11和图12示出了根据本发明的声泳装置的另一实施例。图11是袋的外观图，图12是袋的剖视图。在该实施例中，声泳装置通常包括可弃式分离袋310。可弃式分离袋310包括外表面314和由外表面314界定的内部体积316。可弃式分离袋310可由至少一种聚合物层(例如，聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯等)制成。还可以设想的是，袋可以由多层不同功能的聚合物层制成。这些聚合物层可以用作防水层、提供强度的层等。例如，在一些情况下，袋的外部(即最外层)是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚合物。袋的中间或中央层通常可以是乙烯-乙烯醇(EVOH)或聚乙酸乙烯酯(PVA)。内部层(与生物反应器细胞培养基接触)通常为诸如低密度聚乙烯或极低密度聚乙烯等聚乙烯聚丙烯。袋具有通常为至少1升到1000升的较大内部体积，并且在需要时甚至可以更大。
超声换能器330至少部分地设置在分离袋310的外表面314的内部，使得可以在袋的内部体积316中产生声学驻波。超声换能器330包括由电压信号驱动以产生声学驻波的压电元件。如图12所示，超声换能器330位于两个聚合物层322、324之间(请注意，两个层接合在一起，并且在它们之间没有剩余空间-这是附图的假象)。超声换能器和声学驻波与参考本文公开的各种其它实施例所描述的超声换能器和声学驻波相同。也就是说，通过超声换能器330在可弃式分离袋310的内部体积316内产生驻波声场，使得分布在流体内的颗粒可以聚结或聚集并且因重力或浮力而下降到驻波声场之下或上升到驻波声场之上。换言之，该实施例允许可弃式系统，由此分布在袋中流体内的固体可以聚集并且因重力或浮力和驻波声场而从驻波声场上方或下方的溶液掉落，从而导致袋中的流体的净化。这里，反射器是位于袋的与超声换能器相反的一侧的空气。该袋不与图1的分离单元120一起使用。
各种类型的塑料可以用于形成本发明的容器。匹配所选择的塑料的阻抗值是重要的，并且将取决于为了产生平面声学驻波、多维声学驻波或它们的组合而驱动超声换能器(一个或多个)时的频率。因此，可以设想的是，本文公开的容器或分离袋可以由表1的材料中的一种或多种形成，这取决于容器或分离袋的所需特性以及为了实现流体的非流动分离和净化而驱动超声换能器(一个或多个)时的所需频率。
下表1示出了各种类型的塑料的阻抗值。表1中的值为VI＝纵向声速(m/s)；D＝密度(g/cm3)；以及Z＝声阻抗(Megarayls)。
表1：各种塑料的阻抗值
材料 Vl D Z
ABS 2,230 1.03 2.31
亚克力Plexiglas 2,750 1.19 3.26
Adiprene 1,689 1.16 1.94
胶木 1,590 1.40 3.63
丁酯纤维素 2,140 1.19 2.56
聚甲醛树脂(Delrin) 2,430 1.42 3.45
EPO-TEK 301 2,640 1.08 2.85
乙烯醋酸乙烯酯 1,800 0.94 1.69
氯丁橡胶 1,600 1.31 2.10
迈拉 2,450 1.18 3.00
尼龙6/6 2,600 1.12 2.90
聚碳酸酯 2,270 1.22 2.77
聚酯铸模树脂 2,290 1.07 2.86
聚乙烯 1,950 0.90 1.76
聚乙烯(高密度) 2,430 0.96 2.33
聚乙烯(低密度) 1,950 0.92 1.79
聚丙烯 2,470 0.88 2.40
聚苯乙烯 2,320 1.04 2.42
聚氨酯 1,700 1.04 1.80
PVC 2,380 1.38 3.27
PVDF 2,300 1.79 4.20
透明胶带(2.5mm厚) 1,900 1.16 2.08
乙烯基(刚性) 2,230 1.33 2.96
在生物应用中，可以设想的是，系统的所有部分(即容器、分离单元等)都可以彼此分离，并且是可弃式的。避开离心机和过滤器允许流体与分布在其中的颗粒更好地分离，而不降低颗粒的活力。换能器还可以被驱动以产生快速的压力变化，以防止或清除因颗粒的团聚而引起的堵塞。还可以改变换能器的频率以在给定功率下获得最佳效果。
提供以下实例以说明本发明的装置、部件和方法。这些实施例仅仅是说明性的，并且不旨在将本发明限于本文所阐述的材料、条件或工艺参数。
实例
图10示出了用于如上文详细所述的声泳装置的实验装置。该声泳装置与图1所示的声泳装置非常相似，除了容器是测定体积的塑料袋。塑料袋的下端设置在分离单元的壁部内，并且分离单元包括超声换能器和反射器。超声换能器由BNC线缆所提供的电压信号驱动。由超声换能器产生的声学驻波穿过分离单元和容器的下端，以净化容器中所含的流体。
进行净化和分离处理，其中测定体积的塑料袋充满非流动的流体介质，即流体和酵母混合物。根据前述处理，将含有流体混合物的袋放入分离单元中，使得袋位于分离单元的换能器与反射器之间，使得声学驻波经过塑料袋和流体混合物这两者。流体含有1000mL体积的6％浓度的酵母。该混合物具有11,800的起始NTU(比浊法浊度单位)，并且在使用本文所述的装置和部件进行上述分离和净化处理之后，上净化层具有856的最终NTU，从而证明了使用声泳净化流体和酵母细胞的非流动混合物或静态环境的有效性。这证明：随着酵母细胞在声学驻波中聚结或聚集并且因重力而下沉到容器下端，发生流体的净化。
在下表2中示出了测试用的参数。表2示出了使用以2.2196MHz和2.2147MHz激励的压电超声换能器分离40分钟的6％酵母水溶液的净化结果。进料是分散有酵母的起始混合物。渗透物是在袋顶部处的净化流体，并且与进料相比含有较低浓度的颗粒。浓缩物是在袋底部处的流体，并且与进料相比含有更高浓度的颗粒。
表2：6％酵母水溶液的净化结果
已参考示例性实施例对本发明进行了描述。显然，在阅读并理解了前述详细说明后，其他人将能够对其进行修改和变更。其意在本发明应被解释为包括所有此类修改和变更，只要它们在所附权利要求书或其等同内容的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于净化离散体积的流体的声泳装置，包括：
充分透声的容器；以及
分离单元，其围绕所述容器并且由至少一个壁部和第一开口限定，所述容器能够插入所述第一开口中，所述分离单元包括至少一个超声换能器，所述至少一个超声换能器具有由电压信号驱动以产生声学驻波的压电材料。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述容器包括选自如下群组的材料，所述群组由塑料、玻璃、聚碳酸酯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯构成。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述声学驻波是平面一维声学驻波。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述声学驻波是多维声学驻波。
5.根据权利要求5所述的装置，其中，所述多维声学驻波产生具有相同数量级的轴向力分量和横向力分量的声辐射力。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括用于使所述容器和所述至少一个超声换能器相对于彼此移动的支撑结构。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述支撑结构沿着所述分离单元的一个壁部移动所述至少一个超声换能器。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述至少一个超声换能器固定在所述分离单元的所述至少一个壁部上的适当位置，并且所述分离单元相对于所述容器移动。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述分离单元的尺寸设定成在所述至少一个壁部与所述容器之间提供间隙空间。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个超声换能器是定位于所述分离单元的共用壁部上或彼此相反定位的多个超声换能器。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括位于所述分离单元的与所述至少一个超声换能器相反的壁部上的反射器。
12.一种使第二流体或颗粒与主流体分离的方法，包括：
将充分透声的容器放置在分离单元的第一开口中，所述容器容纳有离散体积的主流体和第二流体或颗粒的混合物，其中，所述分离单元包括至少一个壁部和至少一个超声换能器，所述至少一个超声换能器具有由电压信号驱动以在所述分离单元中产生声学驻波的压电材料；以及
驱动所述至少一个超声换能器以在所述容器中产生声学驻波，使得第二流体或颗粒被捕获在声学驻波中，聚丛、团簇、聚集或聚结在一起，并且因浮力或重力而持续地从所述主流体中上升或沉降出来。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述颗粒是中国仓鼠卵巢(CHO)细胞、NS0杂交瘤细胞、幼仓鼠肾(BHK)细胞、昆虫细胞或人体细胞。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在驱动所述至少一个超声换能器之前将流体放置在所述至少一个壁部与所述容器之间的间隙空间中。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括使所述容器和所述分离单元相对于彼此移动，以从所述容器的下端到所述容器的上端扫过非流动混合物，或者从所述容器的上端到所述容器的下端扫过所述非流动混合物。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述容器和所述分离单元相对于彼此以约0.1毫米/秒至约1厘米/秒的线性速度移动。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个超声换能器包括：
壳体，其具有顶端、底端和内部体积；以及
压电元件，其位于所述壳体的所述底端处，所述压电元件具有内表面和露出的外表面，当所述压电元件被电压信号驱动时，所述压电元件能够振动。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，背衬层与所述压电元件的所述内表面接触，所述背衬层由充分透声的材料制成。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少一个超声换能器至少是位于所述分离单元的共用壁部上的第一超声换能器和第二超声换能器；
驱动所述第一超声换能器以形成平面声学驻波；并且
驱动所述第二超声换能器以形成多维声学驻波。
20.一种用于净化非流动流体的声泳装置，包括：
可弃式分离袋，其包括外表面和由所述外表面界定的内部体积；以及
超声换能器，其至少部分地设置在所述可弃式分离袋的外表面的内部，所述超声换能器具有由电压信号驱动以在所述可弃式分离袋的所述内部体积内产生声学驻波的压电材料。
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