CN110339948B - 一种低转速微型颗粒分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低转速微型颗粒分离装置，根据本案设计，离心力被用于克服液体自身重力，从而在样品分离杯内自下向上爬升，在内壁形成薄层，液体薄层形成一个特别的限制空间，使微型颗粒作极化布朗运动，实现差异迁移，达到彼此分离的目的。本案装置包括电动机、传动轴、样品分离杯、进液管、样品收集槽、液体排出管和密封隔离层，所述电动机通过传动轴连接样品分离杯。本发明可以用于工业领域中，比如胶体金颗粒生产、切割用金刚石分拣，高品级煤炭、矿物提炼等等，也可用于生物医疗领域，将微生物/病原同其生长的介质分离，或用于分离分析不同的微生物种类，分离手段简单而且成功率高，适用范围广，实用性强。

Description

一种低转速微型颗粒分离装置

技术领域

本发明涉及微型颗粒分离技术领域，具体为一种低转速微型颗粒分离装置。

背景技术

化学分子的大小达到胶体颗粒的范围，可以形成稳定的悬浮液（即胶体溶液）；即便有些生物的或非生物的颗粒稍大于胶体颗粒的尺度，其悬浮液也相对稳定，需要静置很长时间才能沉淀下来，为了将像蛋白质一样的微小颗粒从准稳定悬浮液中快速分离，瑞典学者Theodor Svedberg在二十世纪二十年代发明了超速离心机，他最初发明的目的不只是分离蛋白质，更重要的是测量蛋白质分子量。无论如何超速离心已经成为经典的胶体颗粒和其他生物、非生物微小颗粒分离手段，在此基础上发展起来的密度梯度离心，通过介质小分子物质在离心力的作用下形成的浓度梯度，可以使不同大小的微小颗粒成层分布于不同的介质浓度带，从而实现彼此分离。

尽管超速离心可以在一定程度上解决液体中悬浮的生物或非生物显微颗粒的回收问题，超速离心的样品制备过程和实验操作，尤其是密度梯度离心的过程非常复杂而且极易失败，本案提供了一种全新的分离手段来解决这个技术难题。

旋流分离器（cyclone）是目前最常用的将微尘颗粒从空气中分离出来的方法之一，常常在实际应用中替代空气滤膜（比如专利号：US20070266683 A1《Cyclone separatorwith fine particle separation member》）。该装置通过在锥形或桶状的容器内吹出高速旋转的气流，气流中携带的微尘颗粒由于离心力倾向于留在气旋的外围，内部的洁净空气被分流抽走，达到净化空气的目的。

将空气介质改为水介质，即为传统的矿物螺旋分选机，通过液流在螺旋槽面上螺旋运动，达到分离不同级别的矿物颗粒的目的。容器内高速旋转的液流可以通过高压激射或者容器旋转获得。矿物螺旋分选机的分级能力不高，直径在毫米至数十毫米之间。有的水介质旋流器的容器是倒锥形的（比如专利号：US20100326895《Cyclone for Dense MediumSeparation》），在旋转分选的过程中，锥体部分可起到类似重介质的作用。这类旋流器通过在容器的不同位置收集不同高度处的旋流层，以便分离收集不同大小的矿物颗粒。目前旋流分离器可分离的煤炭最小颗粒的直径范围在0.25到2毫米级别。

在旋流分离器和矿物螺旋分选机工作过程中惯性力起决定性作用，颗粒在层流气流或液流作用下，依自身质量和体积差别在剪切力作用下分层。所以能够分离的颗粒体积和重量不能太小。而在低转速微型颗粒分离装置运转时，离心力用来提供形成液体薄层的动力。被分离颗粒的雷诺数(Reynolds number)极小，此时黏性力起主导作用，有效分离直径达到豪微米级别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低转速微型颗粒分离装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低转速微型颗粒分离装置，包括电动机、传动轴、样品分离杯、进液管、样品收集槽、液体排出管和密封隔离层，所述电动机通过传动轴连接样品分离杯，所述样品分离杯和电动机之间设置有密封隔离层隔开，所述样品分离杯的杯口的外围设有环形的样品收集槽，所述样品收集槽的底部设有一个或几个漏斗形开口，且连接液体排出管，所述样品分离杯的内腔沿上下方向设置有进液管。

优选的，所述密封隔离层可以延伸为包裹电动机和其他附加零部件的壳体或平板，且密封隔离层采用隔震、抗腐蚀、抗压等性质的材料。

优选的，所述传动轴或者样品分离杯的外侧设置轴承、气体液体薄膜润滑等结构提高旋转稳定性，在分离杯自身转动较平稳时，也可不设置。

优选的，所述进液管可以是一个或多个，所述进液管可以是固定的，也可以是伸缩的、盘绕的、折叠的或任何其它可能的动态构型。

优选的，所述进液管可以是直的，也可以是弯曲的和螺旋形的。

优选的，所述样品分离杯的内壁横截面可以是圆形的，其竖直截面可以是平直的斜面，或者采用抛物线、指数曲线、S型曲线、双曲线等渐变曲线，曲线的斜率或杯壁的坡度可以采取任何合适的角度，杯壁可以是凸面的，也可以是凹面的、或复合的。

优选的，所述样品分离杯的内表面为高光滑度，可以采用亲水的或疏水的材料，且样品分离杯的表面光滑度可以通过机械抛光，也可以通过镀膜的方式实现，也可在根据需要在经向或纬向设置适当平行或螺纹沟槽。

优选的，所述进液管的底端位置可以位于样品分离杯内底部中间上方，也可以悬在上方空中，或接近底面边角处，或任意适当位置。

优选的，所述样品分离杯的杯口的外围设有环形的样品收集槽，所述样品收集槽的底部设有一个或几个漏斗形开口，且连接液体排出管，所述样品收集槽可以采用与样品分离杯相同的材质，也可以不同，在所述样品分离杯旋转时，可以是静止的，也可以同步或不同步，甚至反向旋转。

本发明提出的一种低转速微型颗粒分离装置，有益效果在于：

在离心机中，带有样品的液体被装入离心管中；整个操作过程中，离心管中的液体相对静止。在本案装置中，离心力被用于克服液体自身重力，从而在样品分离杯内壁形成薄层；超速离心机的转速一般在数万转每分，甚至十几万转每分；在本案设计装置中，所需转速低于5000转每分种；而它能够分离的颗粒可以小到毫微米级别，所以称为低转速微小颗粒分离装置。

附图说明

图1为本发明所述一种低转速微型颗粒分离装置的结构示意图；

图2为本发明所述一种低转速微型颗粒分离装置的俯视图；

图3为本发明所述一种低转速微型颗粒分离装置的微型颗粒在不同转速下的洗脱量图。

图中：1、电动机，2、传动轴，3、样品分离杯，4、进液管，5、样品收集槽，6、液体排出管，7、密封隔离层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种低转速微型颗粒分离装置，包括电动机1、传动轴2、样品分离杯3、进液管4、样品收集槽5、液体排出管6和密封隔离层7，所述电动机1通过传动轴2连接样品分离杯3，所述样品分离杯3和电动机1之间设置有密封隔离层7隔开，所述样品分离杯3的杯口的外围设有环形的样品收集槽5，所述样品收集槽5的底部设有一个或几个漏斗形开口，且连接液体排出管6，所述样品分离杯3的内腔沿上下方向设置有进液管4；

所述密封隔离层7可以延伸为包裹电动机1和其他附加零部件的壳体或平板，且密封隔离层7采用隔震、抗腐蚀、抗压等性质的材料，密封隔离层7可以使被处理的样品免受电动机1产生的磁场和震动波的影响，也可以避免操作过程中可能飞溅的样品污染电动机1；

所述传动轴2或者样品分离杯3的外侧设置有轴承、气体液体薄膜润滑等结构，为了防止样品分离杯3在转动中抖动，使样品分离杯3旋转更加平稳；在样品分离本自身转动比较平稳的情况下，也可不用。

所述进液管4可以是一个或多个，所述进液管4可以是固定的，也可以是伸缩的、盘绕的、折叠的或任何其它可能的构型，样品经由进液管4进入样品分离杯3，沿样品分离杯3内壁爬升至杯口，样品中的细微颗粒在此过程中被彼此分离，分布于不同高度的环状液体带，最终在不同时间飞离样品杯口，被样品收集槽5收集，经由液体排出管6排出，微小颗粒样品始终悬浮在载液中；

所述进液管4可以是直的，也可以是弯曲的和螺旋形的，直的进液管4末端悬停在样品分离杯3的轴心位置，底部正上方，弯曲或螺旋形的进液管4可将样品和载液送到样品分离杯3底部和侧壁的连接处，更适合在分离杯旋转过程中进样，进液管可以是静态的，它可以在旋转运转时和停机待机时处于不同的状态；也可以是动态的，它可以在进液时与分离杯同向或异向、同速或异速旋转；

所述样品分离杯3的内壁横截面可以是圆形的，其竖直截面可以是平直的斜面，或者采用抛物线、指数曲线、S型曲线、双曲线等渐变曲线，曲线的斜率或杯壁的坡度可以采取任何合适的角度，杯壁可以是凸面的，也可以是凹面的、或复合的，分离杯3杯壁的坡度和曲率由分离杯的设计转速、载液黏稠度等因素决定，在一些特殊的样品处理中，分离杯3的内壁可以设计成带有沟槽的、隆起的、环纹的、螺纹的，或其他可能的连续或不连续表面结构，以增强分离效果，这些表面结构可以添加到任何一种几何形状的分离杯，从而使分离效果进一步加强，这些表面结构可以用任何合适材质，既可以在分离杯制作过程中一体完成，也可以在分离杯加工完成后再贴上去；

所述样品分离杯3的内表面为高光滑度，可以采用亲水的或疏水的材料，且样品分离杯3的表面光滑度可以通过机械抛光，也可以通过镀膜的方式实现，镀膜既可以是电镀同种或不同种金属，也可以是采用化学或物理方式的有机或无机材料；

所述进液管4的底端位置可以位于样品分离杯3内底部中间上方，也可以悬在上方空中，或接近底面边角处，或任意适当位置；

样品收集槽5和样品分离杯3可以是反复使用的，也可采用一次性材料，采用一次性材料的好处在于，可以提高分析分离效果，节省仪器清洗、保养、平衡的时间和费用，尤其是在医疗应用领域，更有助于保护医务人员，免于接触有害样品，样品收集槽5采用和样品分离杯3相同的材料，内表面要求同样的光滑度，但也可不同，样品收集槽5环形包裹在样品分离杯3杯口外沿，确保被分离杯甩出的液体全部被截留后，收集到底部的出口，出口可以是一个或多个，一般为漏斗形，也可是其他适宜的形状，出口外接导管，导管上连接液体泵吸走液体，并分时段收集，液体泵为本领域已知技术。

通过本领域人员，将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。

在低转速微小颗粒分离装置的实际操作中，携带有微型颗粒的载液经由进液管4被注入样品分离杯3中，进液管4不但注射样品，在其后的分离过程中，不含样品的载液会源源不断通过进液管4注入，直到分离过程结束，由于进液管4可以是一个或多个，样品管和载液管可以实现分开，在实际应用中，装置还需要进行预平衡、清洗、消毒、保养等过程，各种不同功能的液体可以通过一根管注入，也可以用多根管分别注入；离心力

样品注入可以用两种方式：一、样品杯3为静止，样品注入停止后由静止逐渐开始加速旋转，转速达到一定范围后，开始注入载液，此过程适合样品中含有多个未知组分的情况；二、样品杯3转动达到某特定速度，不含样品的载液在设备中形成稳定液流，达到仪器的预平衡，预平衡完成后再注入样品，此过程适合待分离的组分为已知的情况，在实际操作过程中，旋转加速程序既可以采用简单的匀速升高，也可以采用匀速降低，若想针对某一种特定颗粒取得最佳分离效果，则应采用指数曲线、对数曲线、S曲线等曲线式速度变化，更为复杂的速度曲线是阶梯状或复合状的，对于分离复杂样品尤其适用；

随着样品分离杯3的旋转，不同的颗粒一方面作布朗运动，一方面随着循环的液流旋转，此时由于黏性力起主导作用，颗粒和载液的相对位移几乎为零；而在旋流分离器和矿物螺旋分选机中正是颗粒和载气/液体的相对位移差异导致分选。在本站装置中，布朗运动极化的程度差异导致不颗粒的彼此分离，当达到某个微型颗粒的阈值，该颗粒进入样品分离杯3内壁上的液体薄层中，分布在一个圆环的带状区域，这个带状区随分离杯转速增加而不断攀升，直至从杯口飞出去。在分离杯转速较低时，微小颗粒的布朗运动不足以克服界面曳力和旋转液流的侧向剪切力，便不会爬升到杯壁的液体薄膜中。

实施例，请参阅图1-3，操作中采用直径为25厘米，高度为25厘米，内表面为双曲G2旋转曲面的样品分离杯，在操作过程中，不同微小颗粒以相同质量混合后，进行一系列稀释，直到达到合适的密度，不同的颗粒采用不同的颜料和荧光进行标记，样品加入分离杯后，分离杯开始匀加速直到3000转每分钟（RPM），不同时间后采样，收集的样本在显微镜下观察，计数每个视野中颗粒数量，最后一个样品，即3000转每分的样品和样品杯底部残留合并计数，实验重复至少4次，取平均值；

表1、测试中采用的标准微型颗粒。

可以得出，密度较大的5号颗粒，不适合使用这种规格的分离杯，只有更换具有其他内壁几何形状的分离杯后，才有望达到好的分离效果，如在实际应用中，有类似1号、2号和3号类型的颗粒存在于同一个样品中，也需要更换对他们来说，分离效果更高的分离杯几何形状，直至样品峰不再叠加。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

本发明可以用于工业领域中，比如胶体金颗粒生产、切割用金刚石分拣，高品级煤炭、矿物提炼等等，也可用于生物医疗领域，将微生物/病原同其生长的介质分离，或用于分离分析不同的微生物种类，分离手段简单而且成功率高，可以运用范围广，实用性强。

Claims (1)

1.一种低转速微型颗粒分离方法，其特征在于：包括以下步骤；

步骤一、提供一分离装置，该装置包括电动机、传动轴、样品分离杯、进液管、样品收集槽、液体排出管和密封隔离层，所述电动机通过传动轴连接样品分离杯，所述样品分离杯和电动机之间设置有密封隔离层隔开，所述样品分离杯的杯口的外围设有环形的样品收集槽，所述样品收集槽的底部设有一个或几个漏斗形开口，且连接液体排出管，所述样品分离杯的内腔沿上下方向设置有进液管；

所述样品分离杯的内壁横截面是圆形的，所述样品分离杯的内表面为高光滑度，所述样品收集槽采用与样品分离杯相同的材质；

步骤二、携带有微型颗粒的载液经由进液管注入样品分离杯中，进液管注射样品，在其后的分离过程中，不含样品的载液会源源不断通过进液管注入，直到分离过程结束；

步骤三、样品注入有以下两种方式：

一、样品中含有多个未知组分的情况：

样品分离杯为静止，样品注入停止后由静止逐渐开始加速旋转，转速达到一定范围后，开始注入载液；

二、样品中组分为已知的情况：

样品分离杯转动达到某特定速度，不含样品的载液形成稳定液流后再注入样品；

步骤四、随着样品分离杯的旋转，不同的颗粒一方面作布朗运动，一方面随着循环的液流旋转，此时由于黏性力起主导作用，颗粒和载液的相对位移几乎为零；

样品经由进液管进入样品分离杯，沿样品分离杯内壁爬升至杯口，样品中的细微颗粒在此过程中被彼此分离，分布于不同高度的环状液体带，在不同时间飞离样品分离杯杯口，被样品收集槽收集，经由液体排出管排出，微小颗粒样品始终悬浮在载液中。

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