CN109107776A - 一种离心分离杯及连续分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心分离杯，包括：过滤芯管、离心舱、固定盖、稳流套和导流套；过滤芯管包括滤床和芯管，芯管固定安装在滤床中部，芯管内部设有至少三条独立的流道，流道包括进液流道、浓缩液流道和滤过液流道；滤床外壁上设有滤膜；过滤芯管设在离心舱的中部，固定盖连接在过滤芯管的芯管上并与离心舱的顶部连接；稳流套的下部套设在芯管下部，稳流套的上部与离心舱上部套接，导流套设在稳流套与离心舱之间，导流套位于离心舱内侧底部且导流套的下部套设在芯管下部。使用时，过滤芯管和固定盖不动，离心舱转动。该离心分离杯能够实现连续分离。还涉及一种连续分离方法。属于分离技术领域。

Description

一种离心分离杯及连续分离方法

技术领域

本发明涉及分离技术领域，尤其涉及一种离心分离杯及连续分离方法。

背景技术

离心是以物质微粒的质量不同来获取目标产物。离心分离技术是借助于离心机旋转所产生的离心力，根据物质微粒的沉降系数、质量、密度及浮力等差异的不同，用离心力场进行分离和提取的物理分离分析技术，广泛用于生物学、医学、农学、化学、化工等领域。

当非均相体系围绕一中心轴做旋转运动时，运动物体会受到离心力的作用，旋转速率越高，运动物体所受到的离心力越大。在相同的转速下，容器中不同大小质量密度的物质会以不同的速率沉降。离心分离的首要条件是非均相体系在离心机创造的离心力场内做稳定的旋转，经过一段时间的离心操作，就可以实现密度不同物质的有效分离。但是，应用于连续分离非均相体系内的物质微粒存在困难；因为在分离容器内，连续进出液体产生的扰流现象会破坏分离体系内旋转流体的稳定。

虽然有提出将膜过滤与离心相结合的方法，但是，没有提供对物质微粒实施连续分离的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供能够实现连续分离的离心分离杯。

本发明的另一目的是：提供一种连续分离方法，该方法能够实现物质微粒的连续分离。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种离心分离杯，包括：过滤芯管、离心舱和固定盖；过滤芯管包括滤床和芯管，芯管位于滤床中部，芯管内部设有至少三条独立的流道，包括进液流道、浓缩液流道和滤过液流道；滤床外壁上设有滤膜；过滤芯管设在离心舱的中部，固定盖连接在过滤芯管的芯管上；使用时，过滤芯管和固定盖不动，离心舱转动。采用这种结构后，至少三条独立的流道构成的独立的通路分别用于液体进入、浓缩液和滤过液排出离心分离杯，因此，离心杯可以连续使用，实现离心分离杯的连续分离。

优选地，还包括稳流套和导流套，稳流套的上端与导流套的上端桥接固定(见图3)，导流套的上端与离心舱上部套接固定；导流套设在稳流套与离心舱之间，位于离心舱内圈和底部且导流套的下部套设在稳流套下部。采用这种结构后，将进液出口的进液流产生的轻度扰流控制在局部小范围，优化了分离条件。

优选地，滤床上设有导流槽和滤过液入口，导流槽沿周向和直向均布设置在滤床的底部，汇聚到滤过液入口；离心舱上部敞口，中部为圆筒状，底部为碟状，底部中央为弹头状的锥碗；稳流套和导流套的上部均设有若干交流孔；交流孔的大小和分布密度可根据分离要求选择不同数值。芯管中部设有多条相互间隔开的同心圆或圆形的独立流道。采用这种结构后，碟状的离心舱底部起到集聚分离后的浓缩液的作用。

优选地，稳流套位于进液流道的进液出口上方，浓缩液流道的浓缩液入口位于离心舱底部的锥碗处，离心舱与导流套之间构成出液缝隙，稳流套的与导流套之间构成进液缝隙。采用这种结构后，进液缝隙将液体导引至离心舱内的稳流区；物质微粒在获得较大离心动能的同时，可经交流孔进入稳旋区，避免稳旋区受扰流影响，提高了分离效果。

优选地，出液缝隙、锥碗、浓缩液流道构成完整的浓缩液通路，进液流道、进液缝隙构成完整的进液通路，滤床上的滤过液入口和芯管内的滤过液流道连通构成滤过液通路。采用这种结构后，分离后的浓缩液在离心舱的内侧壁集聚并下沉降，沿出液缝隙到达离心舱底部的锥碗处，经过浓缩液流道排出。进液通路将液体直接输送至稳旋区进行分离，提高分离效果。滤过液经过滤过液通路排出，保证了离心分离杯内分离后的各物质均能连续排出离心分离杯到储存装置。

优选地，离心舱、导流套和稳流套以相同的角速度同向转动。采用这种结构后，过滤芯管和固定盖静止，离心舱、导流套和稳流套以相同的角速度转动，使得稳流套外围空间液体的旋转相对稳定，提供较为稳定的分离场所；稳流套内围的空间液体发生激烈的扰流，起到对滤膜表面的冲刷作用。

优选地，稳流套和导流套将离心舱分隔成三个空间，稳流套的内围空间为激流区，激流区内液体处于激烈的扰流状态。稳流套的外围空间为稳旋流区，导流套的外围空间为稳旋区，稳旋区内液体处于比稳流区更稳定的旋转状态；稳流套的内侧空间为激流区，激流区内液体处于激烈的扰流状态。采用这种结构后，物质微粒在稳流区实现分离，经交流孔进入稳旋区，避免减少了进液流流动对稳旋区分离的影响。激流区激烈的扰流作用对滤膜表面起到冲刷的自清洁作用，不利于积垢的产生，有利于保持膜分离顺畅。

优选地，滤床为圆筒形或方形，圆筒形的滤床对应设有环向和直向的导流槽，方形的滤床对应设有条形的导流槽。导流槽向滤过液入口汇集。

一种连续分离方法，通过进液通路将待分离的液体输送至稳流区，离心舱、导流套和稳流套以相同的角速度同向旋转，在滤膜两侧设置压力差降；物质微粒受离心力的作用，在稳流区向远离离心舱轴线的位置迁移进入稳旋区，物质微粒受离心力与重力的双作用在离心舱的内侧壁集聚并下沉降，沿出液缝隙到达离心舱底部的锥碗处，经过浓缩液流道排出；小于滤膜孔径的物质微粒在滤膜上下游间的压力差降推动下穿过滤膜，滤出液经滤出液通路排出。采用这种结构后，在分离过程中，滤过液和浓缩液不停地向离心舱外排出，保证能够实现连续分离而不需要为清理离心分离杯而停止。

优选地，由泵提供正压或/和负压形成滤膜两侧的压力差降作为离心舱内液体流动、过滤的驱动力和流道内液体流动的驱动力。

本发明的原理是：在连续分离过程中，离心舱借助离心动能使液体围绕过滤芯管产生旋转运动，物质微粒受离心力的作用，在旋转体系中向远离过滤芯管的位置迁移。某物质微粒或受压力差降的作用会向滤膜方向运动的物质微粒被滤膜截留。物质微粒受离心力与重力的双作用在离心舱内壁集聚并下沉降，沿出液缝隙到达离心分离杯底部的锥碗处，可经过浓缩液流道排出。小于滤膜孔径的物质微粒在滤膜上下游间的压力差降推动下穿过滤膜，滤出液经滤出液通路排出。

在连续分离过程中，通过调节离心转速和滤膜上下游的压力差降，可以优化离心分离杯的使用条件，控制物质微粒在离心舱内的逗留时间，获得分离产物。

由于各种离心机转子的半径或者离心管至旋转轴中心的距离不同，离心力随之变化，因此常用“相对离心力(RCF)”或“数字xg”表示离心力，只要RCF值不变，一个样品可以在不同的离心机上获得相同的结果。RCF就是实际离心场转化为重力加速度的倍数。

相对离心力计算公式：

RCF＝X·N²·1.118·10^-5

式中：X为离心转子的半径距离(cm)；N为转子每分钟的转数(rpm)。

由此看出：相对离心力(RCF)的大小与离心半径的大小成正比，与转速的平方成正比。

在离心分离杯运行时，物质微粒主要受到离心力、过滤助力(与滤膜两侧的压力差降相关)、液体对物质微粒位移的阻力(与粘稠度、形状、体积相关)、重力、密度的影响。

在某种液态体系内，在转速(rpm)不变的情况下，相同物质微粒在不同的旋转半径下，所受的离心力不同；离圆心越远，所受离心力越大。

物质微粒进入稳旋区的位置，决定了它获得初始离心力的大小；离圆心越远所受离心力越大。

当离心力大于过滤助力+位移的阻力时，物质微粒逐渐远离滤膜；当离心力小于过滤助力+位移的阻力时，物质微粒逐渐靠近滤膜。因此，进液入口位置需要尽量远离圆心，有助于物质微粒获得较高的初始离心动能，提高分离效果。

在旋转半径固定的离心舱内。对于某一物质微粒来说，转速是一个重要调节的因素。

在进液入口确定、离心力大于过滤助力+位移阻力的前提下，离心舱旋转速度和滤膜上下游间压力差降的控制条件可有多种组合，以匹配不同的分离效率。

总的说来，本发明具有如下优点：

1、可以实现物质微粒连续分离。

2、离心舱被分隔成三个空间后，稳旋区的液体处于更加稳定的旋转状态，极大地优化了分离条件。

3、物质微粒被输送到稳流区，可获得的离心动能更大，提高了分离效果。

4、激流区的激烈扰流对滤膜面的冲刷具有自洁净作用。

附图说明

图1为本发明离心分离杯的结构示意图。

图2为过滤芯管的结构示意图。

图3为导流套和稳流套的结构示意图。

图4为导流套倒置的结构示意图。

图中的标号和对应的零部件名称为：

1-芯管，2-离心舱，3-固定盖，4-导流套，5-稳流套，6-滤床，7-滤膜，8-出液缝隙，9-进液缝隙，10-进液流道，11-进液入口，12-进液出口，13-滤过液流道，14-滤过液出口，15-滤过液入口，16-浓缩液流道，17-浓缩液出口，18-浓缩液入口，19-锥碗，20-交流孔，21-导流槽，A1-稳流区，A2-稳旋区，B-激流区。图中箭头表示物质微粒的流向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步详细的说明。

实例一

一种离心分离杯，包括：过滤芯管、离心舱、固定盖、稳流套和导流套。

过滤芯管设在离心舱的内部，上端连接固定盖，下端悬空于离心舱底部的锥碗内。过滤芯管包括滤床和芯管。滤床上设有导流槽，滤床外设有滤膜。导流槽汇集到滤过液入口；滤过液入口设置在滤床最低端。

离心舱上部敞口，中部为圆筒状，底部为碟状，底部中央为子弹头状的锥碗；离心舱底部起到集聚分离后物质微粒的作用。离心舱内设有稳流套和导流套。导流套的上端与离心舱的上端桥接固定，并套接固定在离心舱上部敞口处。

固定盖上设有进液流道入口、浓缩液流道出口和滤过液流道出口；内有进液通路、浓缩液通路和滤过液通路的流道。

固定盖和离心舱构成密闭的容器。

稳流套的上部与导流套的上部桥接固定，下部套设在芯管外围和下部，向内延伸到进液出口上方。导流套和稳流套将离心舱间隔成稳旋区、稳流区和激流区三个功能区。导流套与离心舱之间的空间为稳旋区，稳旋区内物质处于最稳定的离心旋转状态；导流套与稳流套之间的空间为稳流区，稳流区内液体受进液流轻度扰动的影响，旋转状态未达最佳；稳流套与过滤芯管之间的空间为激流区，激流区内液体处于激烈的扰动状态，对滤膜面的自清洁作用更强。稳流套和导流套上均设有交流孔，有利于稳旋区、稳流区与激流区之间的物质交流。离心舱与导流套之间构成出液缝隙。

导流套上端套接在离心舱上部开口处，设在稳流套与离心舱壁之间，位于离心舱内围和底部且导流套的下部套设在稳流套下部，并将离心舱底部和稳流套间分隔为上方的进液缝隙和下方的出液缝隙。进液缝隙是进液流道向外的延伸，将待分离液体导至稳流区。进液流道和进液缝隙构成完整的进液通路。浓缩液入口位于离心舱底部的锥碗内，出液缝隙、锥碗和浓缩液流道构成完整的浓缩液通路。滤床上的导流槽和滤过液流道形成滤过液通路。

一种连续分离方法，通过进液通路将待分离的液体输送至稳旋流区，离心舱、导流套和稳流套以相同的角速度同向旋转。与此同时，激流区滤膜两侧的压力差降促进分离的连续进行。物质微粒受离心力的作用，在稳旋流区向远离圆心轴线的位置运动进入稳旋区；而部分向圆心迁移且大于滤过孔径的物质微粒被滤膜截留；受离心力与重力的双作用，被截留的物质微粒在离心舱的内侧壁集聚并下沉降，沿出流缝隙到达离心舱底部的锥碗处，经过浓缩液流道排出；小于滤膜孔径的物质微粒穿过滤膜，经滤出液流道排出。因此，在分离过程中，待分离的液体在连续进入分离杯的同时，滤过液和浓缩液也连续向分离杯外排出；滤过液排出流速大于浓缩液排出流速。分离杯因此能够实现连续分离，而无需清理离心分离杯内的被截留物质而停止运行。

本实施例中将离心分离杯用于大规模细胞培养过程中更换培养液。

在生物制药领域，细胞是药物的制造者，生物药的产生依赖细胞的大规模培养。大规模的细胞培养过程中多处涉及到细胞与培养液分离的工艺环节。现有的解决方案多采用的是在培养液排出管处加装超声截留器、或在培养罐内安装细胞截留器。

超声细胞截留器是依靠超声波在液体内的传导能量来推动细胞的运动，常被安装在细胞大规模培养设备的出液端口来阻挡细胞。受到的影响因素主要有：液体流速，超声波功率，波能量的指数衰减，流出管道的大小等等。总之，难达到完全截留细胞的效果且设备价格昂贵。

因此，大规模培养细胞培养时，在培养罐内安装细胞截留器来实现更换培养液，是最多采用的方式。细胞截留器被安装在培养罐的搅拌轴上，随着搅拌轴的转动而转动。但是，搅拌轴转速通常不能大于150rpm。否则，造成的剪切力太大会损伤细胞而无法完成后续培养。在这样低转速条件下，细胞常在细胞截留器表面沉积或龛囤在滤孔处，导致培养液的更换无法完成。而且，在细胞的大规模培养培养过程中无法更换细胞截留器。

本实施例中将离心分离杯用于更换培养液，选用孔径小于细胞直径的滤膜。将培养液流出管路连接到分离杯的进液入口，细胞回流液管路连接到浓缩液出口，废液管路连接到滤过液出口。

由泵提供正压或/和负压形成滤膜两侧压力差降作为离心舱内液体流动、过滤的驱动力和流道内液体流动的驱动力。在综合考虑细胞对离心剪切力的敏感性的基础上，确定离心转速与细胞回流液量的关系，优化分离条件。

离心分离杯及配套设备是一套独立于细胞大规模培养设备以外的装置。离心分离杯的运行条件不改变大规模细胞培养的控制要求。在更换培养液时，离心分离杯的使用非常灵活，可以随时连接或拆卸，不影响细胞的大规模培养的过程。同时，离心分离杯的优势之一是可将积垢的发生率降至最低。就是出现了严重的积垢更换离心分离杯也是极易办到的。

实例二

本实施例中，将离心分离杯用于大规模细胞培养过程中收获细胞和清洗细胞。

本实施例中，将离心分离杯用于收获细胞和清洗细胞，采用孔径小于细胞直径的滤膜。培养液管路连接到进液入口，废液管路连接到滤过液出口，细胞收获在离心舱中。液体进完后，将清洗液管路换接到进液入口，进行细胞清洗。清洗完后，再通过浓缩液出口收集细胞。

由泵提供正压或/和负压形成滤膜两侧压力差降作为离心舱内液体流动的驱动力。在综合考虑细胞对离心剪切力的敏感性的基础上，确定离心转速与过滤压力的关系。

本实施例中未提及部分同实施例一，此处不再赘述。

实例三

本实施例中，将离心分离杯用于血浆分离。

目前，血浆采集的方法是使用离心式分离杯。在现有的分离杯结构中，只有血液入口和血浆收集出口，没有血细胞的回流通路。在血浆采集的过程中，血细胞在分离杯内逐渐聚集，离心分离的有效分离空间被细胞逐渐占据，分离效果愈来愈差，到最后丧失分离作用，此时，必须将分离杯内的血细胞回输排空后，才能再次开启采集血浆的工作。因此，它对血浆的采集是间断的，不具备连续采集的功能。

本实施例中，将离心分离杯用于血浆分离。将动脉管路连接到进液入口，静脉管路连到接浓缩液出口，血浆收集管路管连接到滤过液出口。采用孔径小于血细胞直径的滤膜。

本发明的离心分离杯具有独立的血细胞回流通路，在收集血浆的同时，血细胞通过浓缩液通路回输。在血浆中绝对无血细胞的前提下，可以连续采集血浆，因此，保证采浆质量、提高了采集效率。

由泵提供正压或/和负压形成滤膜两侧压力差降作为离心舱内血液流动的驱动力。

在综合考虑血细胞对离心剪切力的敏感性的基础上，优化离心转速、细胞回流液量的关系。

本实施例中未提及部分同实施例一，此处不再赘述。

实例四

本实施例中，将离心分离杯用于解冻红细胞去甘油。

采用孔径小于血细胞直径的滤膜。在进液入口外接一个三通阀的流出端，将储存复苏后经9％NaCl高渗溶液温浴混匀的解冻红细胞袋软管连接一个三通阀的流入端，0.9％NaCl等渗溶液连接另一个三通阀的流入端。浓缩液出口接废液收集袋。

由泵提供正压或/和负压形成滤膜两侧的压力差降作为离心舱内液体流动的驱动力。在综合考虑血细胞对离心剪切力的敏感性的基础上，优化离心转速、细胞回流液量的关系。

调节三通阀开关，将血细胞全部注入离心舱后，开通0.9％NaCl溶液通路。0.9％NaCl溶液由进液入口进入离心分离杯。对血细胞进行洗涤。洗涤的0.9％NaCl废液由滤过液出口流入废液收集袋。达到洗涤要求后，通过浓缩液出口收集洗涤后的血细胞。

本实施例中未提及部分同实施例一，此处不再赘述。

除了上述实施例提及的方式外，离心舱的形状和大小可根据实际应用需要制造成不同形状，并不局限于实施例所描述。进液入口的位置可根据实际应用需要制造，并不局限于实施例所描述。过滤芯管可根据实际应用需要制造成不同形状，并不局限于实施例所描述。滤膜可根据实际应用需要采用不同形状材料，并不局限于实施例所描述。滤膜的稳固形式可根据实际应用需要采用，并不局限于实施例所描述。芯管内部流道中可固体构建，也可以采用软管构建。离心分离杯不仅可以连续使用，也可以间歇使用。不仅可用于固液分离，还可用于包括蛋白质化学，分子生物学，免疫学，生物化学和微生物学等领域从小的生物分子中分离大的生物分子，收获细胞悬浮液以及澄清发酵液和细胞裂解物等。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离心分离杯，其特征在于，包括：过滤芯管、离心舱和固定盖；过滤芯管包括滤床和芯管，芯管位于滤床中部，芯管内部设有至少三条独立的流道，包括进液流道、浓缩液流道和滤过液流道；滤床外壁上设有滤膜；过滤芯管设在离心舱的中部，固定盖连接在过滤芯管的芯管上并与离心舱的顶部连接；使用时，过滤芯管和固定盖不动，离心舱转动。

2.按照权利要求1所述的离心分离杯，其特征在于：还包括稳流套和导流套，稳流套的下部套设在芯管下部，稳流套的上端与导流套的上端桥接固定，导流套的上端与离心舱上部套接固定，导流套设在稳流套与离心舱之间，导流套位于离心舱内侧底部且导流套的下部套设在芯管下部。

3.按照权利要求2所述的离心分离杯，其特征在于：滤床上设有导流槽和滤过液入口，导流槽沿周向和直向均布设置在滤床的底部，汇聚到滤过液入口；离心舱上部敞口，中部为圆筒状，底部为碟状，底部中央为弹头状的锥碗；稳流套和导流套的上部均设有若干交流孔；芯管中部设有至少三条相互间隔开的同心圆或圆形的独立流道。

4.按照权利要求3所述的离心分离杯，其特征在于：稳流套位于进液流道的进液出口上方，浓缩液流道的浓缩液入口位于离心舱底部的锥碗处，离心舱与导流套之间构成出液缝隙，稳流套的与导流套之间构成进液缝隙。

5.按照权利要求4所述的离心分离杯，其特征在于：出液缝隙、锥碗、浓缩液流道构成完整的浓缩液通路，进液流道、进液缝隙构成完整的进液通路，滤床上的导流槽和滤过液入口、芯管内的滤过液流道连通构成滤过液通路。

6.按照权利要求2所述的离心分离杯，其特征在于：离心舱、导流套和稳流套以相同的角速度同向转动。

7.按照权利要求2所述的离心分离杯，其特征在于：稳流套和导流套将离心舱分隔成三个空间，稳流套的内围空间为激流区，稳流套与导流套之间的空间为稳流区，导流套的外围空间为稳旋区，稳旋区内液体处于稳定的旋转状态。

8.按照权利要求3所述的离心分离杯，其特征在于：滤床为圆筒形或方形，圆筒形的滤床对应设有环形的导流槽，方形的滤床对应设有条形的导流槽。

9.一种连续分离方法，其特征在于：通过进液通路将待分离的液体输送至稳旋区，离心舱、导流套和稳流套以相同的角速度同向旋转，在滤膜两侧设置压力差降；物质微粒受离心力的作用，在稳旋区向远离离心舱轴线的位置迁移，物质微粒受离心力与重力的双作用在离心舱的内侧壁集聚并下沉降，沿出液缝隙到达离心舱底部的锥碗处，经过浓缩液流道排出；小于滤膜孔径的物质微粒在滤膜上下游间的压力差降推动下穿过滤膜经滤出液通路排出。

10.按照权利要求9所述的连续分离方法，其特征在于：由泵提供正压或/和负压形成滤膜两侧的压力差降作为离心舱内液体流动、过滤的驱动力和流道内液体流动的驱动力。