ES2809878T3 - Tecnología de separación acustoforética que utiliza ondas estacionarias multidimensionales - Google Patents

Abstract

Procedimiento para separar un material particulado de un fluido anfitrión, que comprende: hacer fluir una mezcla del fluido anfitrión y del material particulado a través de un aparato (124, 190), comprendiendo el aparato (124, 190): una cámara (30, 128, 193) de flujo que tiene, como mínimo, una entrada (32) y, como mínimo, una salida (34); como mínimo, un transductor ultrasónico (40, 81, 110, 112, 120, 122, 130) ubicado en una pared de la cámara (30, 128, 193) de flujo, incluyendo el, como mínimo, un transductor (40, 81, 110, 112, 120, 122, 130) un material piezoeléctrico y accionado por una señal de tensión oscilante, periódica, modulada o pulsada a frecuencias ultrasónicas de modo que el material piezoeléctrico vibre en una forma de modo de orden superior para crear una onda estacionaria tridimensional (134) en la cámara (30, 128, 193) de flujo; y un reflector (132, 194) ubicado en la pared en el lado opuesto de la cámara (30, 128, 193) de flujo del, como mínimo, un transductor ultrasónico (40, 81, 120, 122, 130); y enviar una señal de tensión oscilante, periódica, modulada o pulsada a frecuencias ultrasónicas para accionar el, como mínimo, un transductor ultrasónico (40, 81, 110, 112, 120, 122, 130) para que el material piezoeléctrico vibre en una forma de modo de orden superior para separar el fluido anfitrión respecto del material particulado, en el que la onda estacionaria tridimensional (134) tiene como resultado una fuerza de radiación acústica que tiene una componente de fuerza axial y una componente de fuerza lateral que son del mismo orden de magnitud, y que es mayor que los efectos combinados de arrastre de fluido y flotabilidad o gravedad y en el que el material particulado son células de ovario de hámster chino (CHO), células de hibridoma NS0, células de riñón de hámster recién nacido (BHK) o células humanas.wx

Description

DESCRIPCIÓN

Tecnología de separación acustoforética que utiliza ondas estacionarias multidimensionales

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

La acustoforesis es la separación de partículas utilizando ondas sonoras de alta intensidad. Hace tiempo que se sabe que las ondas de sonido estacionarias de alta intensidad pueden ejercer fuerzas sobre las partículas. Una onda estacionaria tiene un perfil de presión que parece “detenerse” en el tiempo. El perfil de presión en una onda estacionaria varía desde áreas de alta presión (nodos) hasta áreas de baja presión (antinodos). Las ondas estacionarias se producen en resonadores acústicos. Los ejemplos habituales de resonadores acústicos incluyen muchos instrumentos musicales de viento, como tubos de órgano, flautas, clarinetes y trompetas. Por ejemplo, la Patente WO 2014/014941 A1 da a conocer un dispositivo de acustoforesis, que comprende una o varias entradas en un primer extremo del dispositivo, teniendo el primer extremo un primer diámetro para recibir flujo de fluido; una pared contorneada aguas abajo de la entrada que estrecha el flujo de fluido hasta un segundo diámetro de un conducto de conexión; una cámara de flujo aguas abajo del conducto de conexión, teniendo la cámara de flujo: una entrada en un primer extremo para recibir el flujo de fluido, una salida en un segundo extremo opuesto al primer extremo, como mínimo, un transductor ultrasónico ubicado en una pared de la cámara de flujo, incluyendo el transductor ultrasónico un material piezoeléctrico accionado por una señal de tensión para crear una onda estacionaria multidimensional en la cámara de flujo, y un reflector ubicado en una pared en el lado opuesto de la cámara de flujo del, como mínimo, un transductor ultrasónico; una primera salida del dispositivo ubicada en el primer extremo del dispositivo y separada de la entrada del dispositivo por una pared lateral longitudinal; y una segunda salida del dispositivo ubicada en un segundo extremo del dispositivo aguas abajo de la salida de la cámara de flujo. De manera similar, la Patente WO 98/50133 describe un aparato para realizar la manipulación de partículas suspendidas en un fluido, comprendiendo el aparato un conducto para el flujo de un fluido en el que están en suspensión las partículas, y medios para establecer un campo acústico de ondas estacionarias a través de la anchura del conducto, estando fabricado el conducto con una expansión en anchura aguas abajo del campo de ondas estacionarias. Además, la Patente US 2011/0123392 A1 se refiere a un aparato que comprende una cámara de flujo con una entrada y una salida a través de las cuales se hace fluir una mezcla de un fluido y un material particulado; dos o más transductores ultrasónicos incorporados en una pared de dicha cámara de flujo o ubicados fuera de la pared de la cámara de flujo; y dos o más reflectores correspondientes a cada transductor ubicado en la pared opuesta de la cámara de flujo de cada transductor correspondiente; en el que si los dos o más transductores ultrasónicos están ubicados fuera de la pared de la cámara de flujo, el grosor de la pared de la cámara de flujo se ajusta con precisión para maximizar la transferencia de energía acústica al fluido, en el que los transductores se disponen a diferentes distancias de la entrada, en el que los transductores ultrasónicos se accionan mediante una señal de tensión oscilante, periódica o pulsada de frecuencias ultrasónicas, en el que cada transductor forma una onda acústica estacionaria a una frecuencia ultrasónica diferente y en el que cada frecuencia ultrasónica está optimizada para un rango específico de tamaños de partícula.

Son necesarias tecnologías de separación eficientes para corrientes de líquido de múltiples componentes que eliminen cualquier residuo y reduzcan la energía requerida, fomentando de ese modo un medio ambiente sostenible. BREVE DESCRIPCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento de separación de un material particulado de un fluido anfitrión, tal como se define en la reivindicación 1, utilizando sistemas y dispositivos para la acustoforesis preferentemente a gran escala. Los dispositivos utilizan uno o varios transductores ultrasónicos únicos tal como se describe en el presente documento, o una serie de tales transductores. El transductor se acciona a frecuencias ultrasónicas que producen ondas estacionarias tridimensionales. La unidad de longitud de “pulgadas” utilizada en la presente invención corresponde a 0,0254 metros en las unidades del SI/métricas.

En algunas realizaciones que no se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones, se da a conocer un aparato que incluye una cámara de flujo, como mínimo, con una entrada y, como mínimo, con una salida a través de las cuales se hace fluir una mezcla de un fluido anfitrión y, como mínimo, uno de un segundo fluido y un material particulado. Como mínimo, un transductor ultrasónico está incorporado en una pared de dicha cámara de flujo o ubicado fuera de la pared de la cámara de flujo y se acciona mediante una señal de tensión oscilante, periódica, modulada o pulsada de frecuencias ultrasónicas, que acciona el transductor en un modo de vibración de orden superior para crear ondas estacionarias tridimensionales en el canal de flujo. El transductor incluye un cristal cerámico u otro material piezoeléctrico que tiene ciertas características de vibración. Un reflector sólido o flexible está ubicado en la pared en el lado opuesto de la cámara de flujo del transductor. El aparato puede incluir, además, una entrada del aparato que se alimenta a una cámara plenum anular de distribución de aire, así como dos salidas ubicadas en diferentes paredes del aparato.

En realizaciones que se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones, se da a conocer un procedimiento de separación de un material particulado respecto de un fluido anfitrión. El procedimiento comprende hacer fluir una mezcla del fluido anfitrión y el material particulado a través de un aparato, comprendiendo el aparato una cámara de flujo que tiene, como mínimo, una entrada y, como mínimo, una salida;, como mínimo, un transductor ultrasónico ubicado en una pared de la cámara de flujo, incluyendo el, como mínimo, un transductor un material piezoeléctrico y estando accionado por una señal de tensión oscilante, periódica, modulada o pulsada a frecuencias ultrasónicas de modo que el material piezoeléctrico vibre en una forma de modo de orden superior para crear una onda estacionaria tridimensional en la cámara de flujo; y un reflector ubicado en la pared en el lado opuesto de la cámara de flujo del, como mínimo, un transductor ultrasónico; y enviar una señal de tensión oscilante, periódica, modulada o pulsada para accionar el, como mínimo, un transductor ultrasónico de modo que el material piezoeléctrico vibre en una forma de modo de orden superior para separar el fluido anfitrión respecto del material particulado, en el que la onda estacionaria tridimensional tiene como resultado una fuerza de radiación acústica que tiene una componente de fuerza axial y una componente de fuerza lateral que son del mismo orden de magnitud, y que es mayor que los efectos combinados del arrastre de fluido y la flotabilidad o gravedad, y en el que el material particulado son células de ovario de hámster chino (CHO, Chinese hamster ovary), células de hibridoma NS0, células de riñón de hámster recién nacido (BHK, baby hamster kidney) o células humanas.

En otras realizaciones que no se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones, un aparato comprende una cámara de flujo, como mínimo, con una entrada y, como mínimo, con una salida a través de las cuales se hace fluir una mezcla de un fluido anfitrión y, como mínimo, uno de un segundo fluido y un material particulado. Una serie de transductores ultrasónicos están incorporados en una pared de dicha cámara de flujo o ubicados fuera de la pared de la cámara de flujo. Cada uno de los transductores incluye un cristal cerámico u otro material piezoeléctrico accionado por una señal de tensión oscilante, periódica, modulada o pulsada de frecuencias ultrasónicas que acciona los transductores en un modo de vibración de orden superior para crear ondas estacionarias multidimensionales en el canal de flujo. Un reflector sólido o flexible está ubicado en la pared en el lado opuesto de la cámara de flujo de los transductores. El aparato puede incluir, además, una entrada del aparato que se alimenta a una cámara plenum anular de distribución de aire, así como dos salidas ubicadas en diferentes paredes del aparato.

Estas y otras características no limitativas se describen más en particular, a continuación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La siguiente es una breve descripción de los dibujos, que se presentan con el fin de ilustrar las realizaciones a modo de ejemplo dadas a conocer en el presente documento y no con el fin de limitar las mismas.

La figura 1A es un diagrama que ilustra la función de un separador acustoforético con un segundo fluido o partícula menos denso que el fluido anfitrión.

La figura 1B es un diagrama que ilustra la función de un separador acustoforético con un segundo fluido o partícula más denso que el fluido anfitrión.

La figura 2A muestra una distribución del tamaño celular producida por un analizador de tamaños de partícula ViPA de Jorin cuando no estaba presente un campo acústico. El eje horizontal es la clase de tamaño, en micrómetros, y el eje vertical es el porcentaje de partículas muestreadas por volumen.

La figura 2B muestra una distribución del tamaño celular producida por un analizador de tamaños de partícula ViPA de Jorin cuando había un campo acústico presente. El eje horizontal es la clase de tamaño, en micrómetros, y el eje vertical es el porcentaje de partículas muestreadas por volumen.

La figura 3 muestra un separador acustoforético que tiene una matriz de transductores.

La figura 4A es una vista detallada de un difusor utilizado como una entrada en el separador de la figura 3.

La figura 4B es una vista detallada de un difusor de entrada alternativo que se puede utilizar con el separador de la figura 3.

La figura 5 es un diagrama en sección transversal de un transductor ultrasónico convencional.

La figura 6 es una imagen de una placa de desgaste de un transductor convencional.

La figura 7A es un diagrama en sección transversal de un transductor ultrasónico de la presente invención. Está presente un entrehierro dentro del transductor, y no hay presente capa de respaldo ni placa de desgaste.

La figura 7B es un diagrama en sección transversal de un transductor ultrasónico de la presente invención. Está presente un entrehierro dentro del transductor, y están presentes una capa de respaldo y una placa de desgaste. La figura 8 es un modelo por ordenador de un separador acustoforético simulado para generar la figura 9 y las figuras 11-17.

Las figuras 9A-9D muestran simulaciones de las fuerzas sobre una partícula en un separador acustoforético. La figura 9A muestra la fuerza axial para una única onda estacionaria. El texto en la parte superior de la escala a la derecha es “x10-11”. La figura 9B muestra la fuerza lateral para una única onda estacionaria. El texto en la parte superior de la escala a la derecha es “x10-13”. La figura 9C muestra la fuerza axial con una excitación multimodal. El texto en la parte superior de la escala a la derecha es “x10-10”. La figura 9D muestra la fuerza lateral con una excitación multimodal. El texto en la parte superior de la escala a la derecha es “x10-11”. Para todas las figuras, el eje horizontal es la ubicación a lo largo del eje X de la figura 8 dentro de la cámara, en pulgadas, y el eje vertical es la ubicación a lo largo del eje Y de la figura 8 dentro de la cámara, en pulgadas. La escala a la derecha de cada figura está en Newtons.

La figura 10 es una imagen de un cristal simulado que muestra el desplazamiento de la forma de modo en un cristal. El texto para el eje x reza “x10-3”. El texto para el eje z incluye “x10-3” y “x10-4”.

Las figuras 11-17 son simulaciones adicionales de las fuerzas sobre una partícula en un separador acustoforético.

El eje horizontal es la ubicación a lo largo del eje X de la figura 8 dentro de la cámara, en pulgadas, y el eje vertical es la ubicación a lo largo del eje Y de la figura 8 dentro de la cámara, en pulgadas. La escala a la derecha está en Newtons (N) para todas las figuras excepto para la figura 13. En la figura 13, la escala a la derecha está en Pascales (Pa).

El texto en la parte superior de la escala a la derecha en la figura 11 es “x10-10”.

El texto en la parte superior de la escala a la derecha en la figura 12 es “x10-10”.

El texto en la parte superior de la escala a la derecha en la figura 13 es “x106”. El texto en la parte superior junto al triángulo que apunta hacia arriba reza “2,5166x106”. El texto en la parte inferior junto al triángulo que apunta hacia abajo reza “507,16”. Estos dos triángulos muestran los valores máximo y mínimo representados en esta figura. El texto en la parte superior de la escala a la derecha en la figura 14 es “x10-12”. El texto en la parte superior junto al triángulo que apunta hacia arriba reza “4,3171x10-10”. El texto en la parte inferior junto al triángulo que apunta hacia abajo reza “-4,3171x10-10”. Estos dos triángulos muestran los valores máximo y mínimo representados en esta figura.

El texto en la parte superior de la escala a la derecha en la figura 15 es “x10-11”. El texto en la parte superior junto al triángulo que apunta hacia arriba reza “2,0156x10-9”. El texto en la parte inferior junto al triángulo que apunta hacia abajo reza “-2,0058x10-9”. Estos dos triángulos muestran los valores máximo y mínimo representados en esta figura. El texto en la parte superior de la escala a la derecha en la figura 16 es “x10-12”. El texto en la parte superior junto al triángulo que apunta hacia arriba reza “1,4606x10-10”. El texto en la parte inferior junto al triángulo que apunta hacia abajo reza “-1,4604x10-10”. Estos dos triángulos muestran los valores máximo y mínimo representados en esta figura.

El texto en la parte superior de la escala a la derecha en la figura 17 es “x10-11”. El texto en la parte superior junto al triángulo que apunta hacia arriba reza “4,0239x10-10”. El texto en la parte inferior junto al triángulo que apunta hacia abajo reza “-4,4353x10-10”. Estos dos triángulos muestran los valores máximo y mínimo representados en esta figura.

La figura 18 es un gráfico que muestra la relación de la fuerza de radiación acústica, la fuerza de flotabilidad y la fuerza de arrastre de Stokes con el tamaño de partícula. El eje horizontal está en micrómetros (Dm) y el eje vertical está en Newtons (N).

La figura 19 es una fotografía de un transductor cuadrado y un transductor circular para su utilización en un separador acustoforético.

La figura 20 es un gráfico de la amplitud de impedancia eléctrica frente a la frecuencia para un transductor cuadrado accionado a diferentes frecuencias.

La figura 21A ilustra las configuraciones de líneas de retención para siete de las amplitudes de pico de la figura 20 desde la dirección ortogonal al flujo de fluido.

La figura 21B es una vista en perspectiva que ilustra el separador. Se muestran el sentido del flujo de fluido y las líneas de retención.

La figura 21C es una vista desde la entrada de fluido a lo largo del sentido del flujo de fluido (flecha 114) de la figura 21B, que muestra los nodos de retención de la onda estacionaria en los que se capturarían las partículas. La figura 21D es una vista tomada a través de la cara de los transductores en las configuraciones de líneas de retención, a lo largo de la flecha 116 tal como se muestra en la figura 21B.

La figura 22 es una fotografía de la configuración de nueve líneas de retención de una onda estacionaria creada por el desplazamiento multimodal del transductor para una emulsión de aceite y agua.

La figura 23 es una fotografía ampliada de la figura 22 que muestra las tres líneas de retención superiores de la configuración de nueve líneas de retención.

La figura 24 es una simulación por ordenador de la amplitud de presión acústica (escala a la derecha en Pa) y del desplazamiento fuera del plano del transductor (escala a la izquierda en metros). El texto en la parte superior de la escala a la izquierda reza “x10-7”. El texto en la parte superior de la escala a la izquierda junto al triángulo que apunta hacia arriba reza “1,473x10-6”. El texto en la parte inferior de la escala a la izquierda junto al triángulo que apunta hacia abajo reza “1,4612x10-10”. El texto en la parte superior de la escala a la derecha reza “x106”. El texto en la parte superior de la escala a la derecha junto al triángulo que apunta hacia arriba reza “1,1129x106”. El texto en la parte inferior de la escala a la derecha junto al triángulo que apunta hacia abajo reza “7,357”. Los triángulos muestran los valores máximo y mínimo representados en esta figura para la escala dada. El eje horizontal es la ubicación dentro de la cámara a lo largo del eje X en la figura 8, en pulgadas, y el eje vertical es la ubicación dentro de la cámara a lo largo del eje Y en la figura 8, en pulgadas.

La figura 25 y la figura 26 muestran las configuraciones de la matriz de transductores.

La figura 27A muestra un separador acustoforético para separar materiales flotantes para su utilización con los transductores de las figuras 23 y 24.

La figura 27B es una vista ampliada del flujo de fluido cerca de la intersección de la pared 129 de la boquilla contorneada y el conducto colector 137.

La figura 28 es una simulación por ordenador de la amplitud de presión acústica de las ondas ultrasónicas generadas por una matriz de transductores.

La figura 29 es una fotografía que muestra las líneas de retención de gotitas de aceite en las ondas ultrasónicas generadas por una matriz de transductores.

La figura 30 es una fotografía que muestra las líneas de retención de gotitas de aceite en las ondas ultrasónicas generadas por una matriz de transductores.

La figura 31 es una simulación por ordenador de amplitud de presión acústica.

La figura 32 muestra una representación de ondas de Lamb simétricas y ondas de Lamb antisimétricas.

La figura 33 muestra el desplazamiento en el plano y fuera del plano de un cristal en el que están presentes ondas compuestas.

La figura 34 ilustra el modo de vibración (1,1) de una placa rectangular. La figura 34A es una vista en perspectiva. La figura 34B es la vista a lo largo de la longitud de la placa. La figura 34C es la vista a lo largo de la anchura de la placa. La figura 34D muestra el desplazamiento en el plano de la placa rectangular que vibra en el modo (1,1). La figura 35 ilustra el modo de vibración (1,2) de una placa rectangular. La figura 35A es una vista en perspectiva. La figura 35B es la vista a lo largo de la longitud de la placa. La figura 35C es la vista a lo largo de la anchura de la placa.

La figura 36 ilustra el modo de vibración (2,1) de una placa rectangular. La figura 36A es una vista en perspectiva. La figura 36B es la vista a lo largo de la longitud de la placa. La figura 36C es la vista a lo largo de la anchura de la placa.

La figura 37 ilustra el modo de vibración (2,2) de una placa rectangular. La figura 37A es una vista en perspectiva. La figura 37B es la vista a lo largo de la longitud de la placa. La figura 37C es la vista a lo largo de la anchura de la placa.

La figura 38 ilustra el modo de vibración (3,3) de una placa rectangular. La figura 38A es una vista en perspectiva. La figura 38B es la vista a lo largo de la anchura de la placa. La figura 38C es la vista a lo largo de la longitud de la placa. La figura 38D muestra el desplazamiento en el plano de la placa rectangular que vibra en el modo (3,3). La figura 39A muestra el campo de presión creado en el agua en un modo de vibración (1,1). La figura 39B muestra el campo de presión creado en el agua en un modo de vibración (2,2). La figura 39C muestra el campo de presión creado en el agua en un modo de vibración (3,3).

La figura 40A muestra una vista en despiece ordenado de un separador acustoforético utilizado en aplicaciones biofarmacéuticas.

La figura 40B muestra una vista en despiece ordenado de un separador acustoforético apilado con dos cámaras acústicas.

La figura 41A es un gráfico que muestra la eficiencia de retirada de células de un medio utilizando un analizador de viabilidad celular de Beckman Coulter para un experimento.

La figura 41B es un gráfico que muestra la eficiencia de retirada de células de un medio utilizando un analizador de viabilidad celular de Beckman Coulter para otro experimento.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

La presente invención se puede entender más fácilmente haciendo referencia a la siguiente descripción detallada de las realizaciones deseadas y los ejemplos incluidos en la misma. En la siguiente memoria descriptiva y las reivindicaciones que siguen, se hará referencia a una serie de términos que se definirán con los siguientes significados.

Las formas singulares “un(o)”, “una” y “el/la” incluyen referentes en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

Se debe entender que los valores numéricos incluyen valores numéricos que son iguales cuando se reducen al mismo número de cifras significativas y valores numéricos que difieren del valor indicado en menos que el error experimental de la técnica de medición convencional del tipo descrito en la presente solicitud para determinar el valor

Todos los rangos dados a conocer en el presente documento incluyen el punto de extremo mencionado y se pueden combinar independientemente (por ejemplo, el rango de “desde 2 gramos hasta 10 gramos” incluye los puntos de extremo, 2 gramos y 10 gramos, y todos los valores intermedios).

Cabe señalar que muchos de los términos utilizados en el presente documento son términos relativos. Por ejemplo, los términos “superior” e “inferior” son relativos entre sí en la ubicación, es decir, un componente superior está ubicado a una mayor elevación que un componente inferior en una orientación dada, pero estos términos pueden cambiar si se da la vuelta al dispositivo. Los términos “entrada” y “salida” son relativos a un fluido que fluye a través de estas con respecto a una estructura dada, por ejemplo, un fluido fluye a través de la entrada a la estructura y fluye a través de la salida fuera de la estructura. Los términos “aguas arriba” y “aguas abajo” son relativos al sentido en que un fluido fluye a través de varios componentes, es decir, los fluidos fluyen a través de un componente aguas arriba antes de fluir a través del componente aguas abajo. Cabe señalar que, en un bucle, un primer componente se puede describir como aguas arriba y aguas abajo de un segundo componente.

Los términos “horizontal” y “vertical” se utilizan para indicar la dirección con relación a una referencia absoluta, es decir, al nivel del suelo. Sin embargo, no se debe interpretar que estos términos requieren que las estructuras sean absolutamente paralelas o absolutamente perpendiculares entre sí. Por ejemplo, una primera estructura vertical y una segunda estructura vertical no son necesariamente paralelas entre sí. Los términos “parte superior” y “parte inferior” o “base” se utilizan para referirse a superficies en las que la parte superior está siempre más alta que la parte inferior/base con relación a una referencia absoluta, es decir, la superficie de la Tierra. Los términos “por encima de” y “por debajo de”, o “hacia arriba” y “hacia abajo” son también con relación a una referencia absoluta; un flujo ascendente siempre es en contra de la gravedad de la Tierra.

La presente solicitud se refiere a “el mismo orden de magnitud”. Dos números son del mismo orden de magnitud si el cociente del número más grande dividido entre el número más pequeño es un valor menor que 10.

Son necesarias tecnologías de separación eficientes para corrientes de líquido de múltiples componentes que eliminen cualquier residuo y reduzcan la energía requerida y, por tanto, fomenten un medio ambiente sostenible. La tecnología de separadores de fases acustoforéticos de gran caudal volumétrico que utiliza ondas estacionarias ultrasónicas proporciona el beneficio de no tener consumibles, de no generar residuos generados y de un bajo coste de energía. La tecnología es eficiente en la retirada de partículas de tamaños muy variables, incluida la separación de partículas de tamaño micrométrico y submicrométrico. Se pueden encontrar ejemplos de filtros/colectores acústicos que utilizan la acustoforesis en las Patentes de titularidad común de números de serie 12/947,757; 13/085,299; 13/216,049; y 13/216,035.

La tecnología de plataforma descrita en el presente documento da a conocer una solución innovadora que incluye un separador de fases acustoforético de gran caudal volumétrico basado en ondas estacionarias ultrasónicas con el beneficio de no tener consumibles, de no generar residuos y de un bajo coste de energía. La acustoforesis es un enfoque de estado sólido de baja potencia, sin caída de presión, sin obstrucción, para la retirada de partículas de dispersiones de fluidos: es decir, se utiliza para conseguir separaciones que se realizan más normalmente con filtros porosos, pero no tiene ninguna de las desventajas de los filtros. En particular, la presente invención da a conocer sistemas que funcionan a escala macroscópica para separaciones en sistemas de flujo con caudales elevados. El resonador acústico está diseñado para crear una onda estacionaria ultrasónica tridimensional de alta intensidad que tiene como resultado una fuerza de radiación acústica que es mayor que los efectos combinados del arrastre de fluido y la flotabilidad o la gravedad y, por tanto, es capaz de retener (es decir, mantener estacionaria) la fase en suspensión para permitir más tiempo para que la onda acústica aumente la concentración, aglomeración y/o coalescencia de partículas. Los presentes sistemas tienen la capacidad de crear campos de ondas estacionarias ultrasónicas que pueden retener partículas en campos de flujo con una velocidad lineal que oscila desde 0,1 mm/s hasta velocidades superiores a 1 cm/s. Esta tecnología ofrece una alternativa verde y sostenible para la separación de fases secundarias con una reducción significativa del coste de energía. Se han demostrado excelentes eficiencias de separación de partículas para tamaños de partícula de tan sólo un micrómetro.

La tecnología de separación acustoforética emplea ondas estacionarias ultrasónicas para retener, es decir, mantener estacionarias, partículas de fase secundaria en una corriente de fluido anfitrión. Esta es una distinción importante con respecto a enfoques anteriores en los que las trayectorias de las partículas simplemente se alteraron por el efecto de la fuerza de radiación acústica. La dispersión del campo acústico fuera de las partículas tiene como resultado una fuerza de radiación acústica tridimensional, que actúa como un campo de retención tridimensional. La fuerza de radiación acústica es proporcional al volumen de la partícula (por ejemplo, el cubo del radio) cuando la partícula es pequeña en relación con la longitud de onda. Es proporcional a la frecuencia y al factor de contraste acústico. Varía también en proporción con la energía acústica (por ejemplo, el cuadrado de la amplitud de presión acústica). Para la excitación de armónicos, la variación espacial sinusoidal de la fuerza es lo que conduce a las partículas a las posiciones estables dentro de las ondas estacionarias. Cuando la fuerza de radiación acústica ejercida sobre las partículas es más intensa que el efecto combinado de la fuerza de arrastre de fluido y la fuerza de flotabilidad/gravitatoria, la partícula queda retenida dentro del campo acústico de ondas estacionarias. La acción de las fuerzas acústicas sobre las partículas retenidas tiene como resultado la concentración, aglomeración y/o coalescencia de partículas y gotitas. Además, las fuerzas secundarias entre partículas, como las fuerzas de Bjerkness, ayudan a la aglomeración de las partículas. Las partículas y/o fluidos más pesados que el fluido anfitrión (es decir, más densos que el fluido anfitrión) se separan por medio de sedimentación por gravedad incrementada, y las partículas y/o fluidos más ligeros que el fluido anfitrión se separan a través de flotabilidad incrementada.

También es posible accionar múltiples transductores ultrasónicos con separación de fases arbitrarias. En otras palabras, los múltiples transductores pueden funcionar para separar materiales en una corriente de fluido mientras están desfasados entre sí. Alternativamente, un único transductor ultrasónico que se ha dividido en una matriz ordenada puede funcionar también de modo que algunos componentes de la matriz estén desfasados con otros componentes de la matriz.

Los procesos de separación de partículas eficientes y económicos pueden ser útiles en muchas áreas de generación de energía, por ejemplo, producción de agua, fracturación hidráulica (hydro-fracking) y biocombustibles, por ejemplo, recogida y deshidratación. La tecnología acustoforética se puede utilizar para abordar la captura acelerada de esporas bacterianas en agua, la recuperación de aceite y la deshidratación de aceite biológico (bio-oil) derivado de microalgas. La tecnología actual utilizada en el campo de recuperación de aceite no funciona bien en la recuperación de gotitas de aceite pequeñas, es decir, de menos de 20 micrómetros. Sin embargo, los sistemas acustoforéticos descritos en el presente documento, pero que no se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones, pueden mejorar la captura y la coalescencia de pequeñas gotitas de aceite, cambiando de ese modo la distribución del tamaño de partícula con el resultado de un aumento general de la captura de aceite. Para ser útil, en general, es necesario demostrar grandes caudales a un nivel de 56,8-75,7 litros por minuto (15-20 galones por minuto (GPM)) por 0,09 metros cuadrados (pie cuadrado) (área en sección transversal). Otro objetivo es la mayor captura de gotitas de aceite con un diámetro de menos de 20 micrómetros.

La separación acustoforética se puede utilizar también para ayudar a aplicaciones tales como la tecnología de biorrefinación avanzada para convertir la biomasa no alimentaria de bajo coste fácilmente disponible (por ejemplo, residuos sólidos municipales y lodos de depuradora) en una amplia gama de productos químicos y alcoholes secundarios que, a continuación, se pueden refinar adicionalmente en gasolina renovable, combustible de reactor o diésel. Se utiliza una tecnología de tratamiento de agua para deshidratar el caldo de fermentación y aislar sales orgánicas valiosas para su posterior procesamiento en combustibles. El proceso de deshidratación se realiza actualmente a través de un procedimiento de ultrafiltración caro e ineficiente que presenta frecuentes incrustaciones en las membranas, un factor de concentración relativamente bajo y un alto gasto de capital y funcionamiento. La separación acustoforética puede filtrar partículas con una distribución del tamaño de partícula entrante que abarca más de tres órdenes de magnitud, es decir, desde 600 micrómetros hasta 0,3 micrómetros, lo que permite mejoras en la concentración del caldo separado con un menor gasto de capital y funcionamiento. Algunas otras aplicaciones están en las áreas de tratamiento de aguas residuales, reciclaje de aguas residuales domésticas y producción de agua.

La separación acustoforética es útil también para la recogida, recuperación de aceite y deshidratación de microalgas para la conversión en aceite biológico. Las tecnologías actuales de recogida, recuperación de aceite y deshidratación para microalgas presentan elevados gastos de capital y funcionamiento. Las mejores estimaciones actuales sitúan el precio de un barril de aceite biológico derivado de microalgas en un mínimo de 200,00 $ por barril. Existe la necesidad en la técnica de un biocombustible de microalgas para tecnologías que mejore las etapas de recogida, recuperación de aceite y deshidratación de este proceso. La tecnología de separación acustoforética satisface esta necesidad.

Otras aplicaciones son en el área de las ciencias de la vida y aplicaciones médicas, tales como la separación de lípidos respecto de glóbulos rojos. Esto puede ser de importancia crítica durante la cirugía con circulación extracorpórea, que implica la aspiración de sangre mediastínica vertida. Se introducen involuntariamente lípidos en el torrente sanguíneo cuando se transfunde la sangre de nuevo al cuerpo. Se pueden desplazar microémbolos lipídicos hasta el cerebro y provocar diversos trastornos neurocognitivos. Por tanto, existe la necesidad de depurar la sangre. Los procedimientos existentes son actualmente ineficientes o perjudiciales para los glóbulos rojos.

Una aplicación específica para el dispositivo de acustoforesis es el procesamiento de materiales de biorreactor. En un biorreactor discontinuo alimentado, es importante al final del ciclo de producción filtrar todas las células y los restos celulares de los materiales expresados que están en la corriente de fluido. Los materiales expresados se componen de biomoléculas, tales como proteínas recombinantes o anticuerpos monoclonales, y son el producto deseado que se va a recuperar. A través de la utilización de acustoforesis, la separación de las células y los restos celulares es muy eficiente y conduce a una pérdida muy pequeña de los materiales expresados. Esta es una mejora con respecto a los procesos de filtración actuales (filtración de profundidad, filtración de flujo tangencial, centrifugación), que muestran eficiencias limitadas a altas densidades celulares, de modo que la pérdida de los materiales expresados en los propios lechos filtrantes puede ser de hasta el 5 % de los materiales producidos por el biorreactor. La utilización de cultivos de células de mamíferos que incluyen ovario de hámster chino (CHO), células de hibridoma NS0, células de riñón de hámster recién nacido (BHK) y células humanas ha demostrado ser una manera muy eficaz de producir/expresar las proteínas recombinantes y los anticuerpos monoclonales requeridos para los productos farmacéuticos de hoy en día. La filtración de las células de mamíferos y los restos de células de mamíferos a través de la acustoforesis ayuda a aumentar en gran medida el rendimiento del biorreactor discontinuo alimentado.

Otro tipo de biorreactor, un reactor de perfusión, utiliza la expresión continua de la proteína diana o los anticuerpos monoclonales a partir de las células CHO. Esto permite una planta mucho más pequeña en un ciclo de producción más rápido. La utilización de la acustoforesis para mantener las células CHO en una corriente de fluido mientras producen/expresan las proteínas es una manera de producción muy eficiente y de circuito cerrado. Permite también una eficiencia de producción máxima de las proteínas y los anticuerpos monoclonales, ya que ninguno de los materiales se pierde en un lecho filtrante.

En el proceso de biorreactor discontinuo alimentado, el dispositivo de acustoforesis utiliza ondas estacionarias singulares o múltiples para retener las células y los restos celulares. Las células y los restos celulares, que tienen un factor de contraste positivo, se desplazan hasta los nodos (en oposición a los antinodos) de la onda estacionaria. A medida que las células y los restos celulares se aglomeran en los nodos de la onda estacionaria, también se produce un lavado físico de la corriente de fluido mediante lo cual quedan retenidas más células cuando entran en contacto con las células que ya se encuentran dentro de la onda estacionaria. Cuando las células de la onda estacionaria se aglomeran en la medida en que la onda acústica ya no puede retener la masa, las células agregadas y los restos celulares que han quedado atrapados se salen de la corriente de fluido a través de la gravedad, y se pueden recoger por separado. Para ayudar a esta sedimentación por gravedad de las células y los restos celulares, la onda estacionaria se puede interrumpir para permitir que todas las células se salgan de la corriente de fluido que se filtra desde el biorreactor discontinuo alimentado.

Las realizaciones particulares que no se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones se centran también en la captura y el crecimiento de gotitas de aceite de tamaño menor a 20 micrómetros. Como mínimo, el 80 % del volumen de las gotitas de tamaño menor de 20 micrómetros se captura y luego se cultiva en gotitas de tamaño mayor de 20 micrómetros. El proceso implica la retención de las gotitas de aceite en la onda estacionaria acústica, la coalescencia de muchas gotitas pequeñas retenidas y, finalmente, la liberación de las gotitas más grandes cuando la fuerza de retención acústica se vuelve más pequeña que la fuerza de flotabilidad. Este diseño se muestra en la figura 3, donde no se requiere la separación de contaminantes.

Se han combinado modelos por ordenador a escala de longitud múltiple y física múltiple avanzados y controladores ultrasónicos de alta frecuencia (MHz), alta potencia y alta eficiencia con controles incorporados, para alcanzar nuevos diseños de resonadores acústicos accionados por matrices de transductores piezoeléctricos, lo que tiene como resultado dispositivos de separación acustoforética que superan con creces las capacidades actuales.

De manera deseable, tales transductores generan una onda estacionaria tridimensional en el fluido que ejerce una fuerza lateral sobre las partículas en suspensión/fluido secundario para acompañar a la fuerza axial para aumentar las capacidades de retención de partículas de un sistema acustoforético. Los resultados típicos publicados en la bibliografía indican que la fuerza lateral es dos órdenes de magnitud menor que la fuerza axial. Por el contrario, la tecnología descrita en la presente solicitud da a conocer una fuerza lateral que es del mismo orden de magnitud que la fuerza axial.

El resonador acústico 10 está diseñado para mantener una onda estacionaria acústica tridimensional de alta intensidad. El sistema se acciona mediante un generador de funciones y un amplificador (no mostrado). El rendimiento del sistema se monitoriza y controla por un ordenador.

Puede ser necesario, en ocasiones, debido a las corrientes acústicas, modular la amplitud de frecuencia o tensión de la onda estacionaria. Esto se puede realizar mediante modulación de amplitud y/o mediante modulación de frecuencia. El ciclo de trabajo de la propagación de la onda estacionaria se puede utilizar también para conseguir ciertos resultados para la retención de materiales. En otras palabras, el haz acústico se puede encender y apagar a diferentes frecuencias para conseguir los resultados deseados.

Una representación esquemática de una realización para la retirada de aceite que no se encuentra dentro del alcance de las reivindicaciones u otro material más ligero que el agua se muestra en la figura 1A. El transductor 10 aplica frecuencias de excitación normalmente en el rango de centenares de kHz a decenas de MHz. Se crean una o varias ondas estacionarias entre el transductor 10 y el reflector 11. Quedan retenidas microgotitas 12 en ondas estacionarias en los antinodos 14 de presión en los que se aglomeran, agregan, agrupan o unen y, en el caso de material flotante, flotan hasta la superficie y se descargan a través de una salida 16 del efluente ubicada por encima de la trayectoria de flujo. El agua clarificada se descarga en la salida 18. La tecnología de separación acustoforética puede conseguir la separación de partículas de múltiples componentes sin incrustación a un coste muy reducido. Una representación esquemática de una realización para la retirada de contaminantes u otro material más pesado que el agua se muestra en la figura 1B. El transductor 10 aplica frecuencias de excitación normalmente en el rango de centenares de kHz a decenas de MHz. Quedan retenidos contaminantes en el agua entrante 13 en ondas estacionarias en los nodos de presión 15 en los que se aglomeran, agregan, agrupan o unen, y, en el caso de material más pesado, se hunden hasta el colector inferior y se descargan a través de una salida de efluente 17 ubicada por debajo de la trayectoria de flujo. El agua clarificada se descarga en la salida 18.

La figura 2A muestra una distribución del tamaño de partícula que se midió como una emulsión de aceite y agua que se hizo pasar a través de un sistema acustoforético sin un campo acústico activado. El tamaño de partícula máximo 20 tiene un tamaño de entre 20 y 50 micrómetros sin que se active el campo acústico. Estas gotitas son normalmente muy difíciles de separar por medios convencionales, tales como, por ejemplo, hidrociclones.

La figura 2B muestra una distribución del tamaño de partícula similar que se midió después de que una emulsión de aceite y agua se hiciera pasar a través de un sistema acustoforético con el campo acústico activado. El tamaño de partícula máximo 22 tiene un tamaño superior a 200 micrómetros con el campo acústico activado. Los resultados muestran claramente una cantidad significativa de crecimiento de gotitas de aceite, es decir, muchas gotitas de un tamaño menor de 20 micrómetros se fusionaron, aglomeraron o agruparon en gotitas más grandes (de un tamaño mayor de 20 micrómetros) como resultado de la acción de las fuerzas acústicas sobre las gotitas.

La figura 3 muestra otra realización de un separador acustoforético 30 de partículas. El separador acustoforético 30 tiene una entrada 32 y una salida 34. La entrada 32 está equipada con una boquilla o difusor 90 que tiene una estructura de panal 95 para facilitar el desarrollo del flujo de tapón. El separador acustoforético 30 tiene una matriz 38 de transductores 40, en este caso, seis transductores todos dispuestos en la misma pared. Los transductores están dispuestos de modo que cubren toda la sección transversal de la trayectoria de flujo. El sistema de separación acustoforética de la figura 3 tiene, en ciertas realizaciones, una sección transversal cuadrada de 6 pulgadas x 6 pulgadas que funciona a caudales de hasta 11,4 litros por minuto (3 galones por minuto (GPM)), o una velocidad lineal de 8 mm/s. Los transductores 40 son seis transductores de PZT-8 (titanato-zirconato de plomo) con un diámetro de 1 pulgada y una frecuencia de resonancia nominal de 2 MHz. Cada transductor consume aproximadamente 28 W de potencia para la retención de gotitas a un caudal de 3 GPM. Esto se traduce en un coste de energía de 0,25 kW h/m3. Esto es una indicación del muy bajo coste de energía de esta tecnología. De manera deseable, cada transductor es alimentado y controlado por su propio amplificador. La aplicación para esta realización es cambiar la distribución del tamaño de partícula a través de la aglomeración, agregación, agrupación o coalescencia de las gotitas de aceite de tamaño micrométrico en gotitas mucho más grandes, tal como resulta evidente en la figura 2A y la figura 2B.

La figura 4A y la figura 4B muestran dos difusores diferentes que se pueden utilizar en la entrada del separador acustoforético. El difusor 90 tiene una entrada 92 (en este caso con una forma circular) y una salida 94 (en este caso con una forma cuadrada). El difusor de la figura 4A se ilustra en figura 3. La figura 4A incluye una rejilla o estructura de panal 95 mientras que la figura 4B no. La rejilla ayuda a garantizar un flujo uniforme.

La figura 5 es un diagrama en sección transversal de un transductor ultrasónico convencional. Este transductor tiene una placa de desgaste 50 en el extremo inferior, una capa de resina epoxídica 52, un cristal cerámico 54 (compuesto, por ejemplo, por PZT), una capa de resina epoxídica 56 y una capa 58 de respaldo. A cada lado del cristal cerámico, hay un electrodo: un electrodo positivo 61 y un electrodo negativo 63. La capa de resina epoxídica 56 une la capa 58 de respaldo al cristal 54. Todo el conjunto está contenido en una carcasa 60 que puede estar fabricada, por ejemplo, de aluminio. Un adaptador eléctrico 62 proporciona conexión para que los hilos pasen a través de la carcasa y se conecten a los cables (no mostrados) que se unen al cristal 54. Normalmente, las capas de respaldo están diseñadas para añadir amortiguación y crear un transductor de banda ancha con desplazamiento uniforme a través de un amplio rango de frecuencia y están diseñadas para suprimir la excitación en modos propios de vibración en particular. Las placas de desgaste están diseñadas, en general, como transformadores de impedancia para adaptarse mejor a la impedancia característica del medio en el que irradia el transductor.

La figura 6 es una fotografía de una placa de desgaste 50 con una burbuja 64 en la que la placa de desgaste se ha separado de la superficie del cristal cerámico debido a la presión oscilante y al calentamiento.

La figura 7A es una vista en sección transversal de un transductor ultrasónico 81 de la presente invención, que se puede utilizar con el separador acustoforético de la figura 3. El transductor 81 tiene una carcasa de aluminio 82. Un cristal de PZT 86 define el extremo inferior del transductor y está al descubierto desde el exterior de la carcasa. El cristal está soportado en su perímetro por una pequeña capa elástica 98, por ejemplo, silicona o material similar, ubicada entre el cristal y la carcasa. Dicho de otra manera, no está presente una capa de desgaste.

Unos tornillos (no se muestran) sujetan una placa superior de aluminio 82a de la carcasa al cuerpo 82b de la carcasa a través de roscas 88. La placa superior incluye un conector 84 para pasar potencia al cristal de PZT 86. Las superficies inferior y superior del cristal de PZT 86 están conectadas, cada una, a un electrodo (positivo y negativo), tal como de plata o níquel. Una pestaña envolvente 90 del electrodo se conecta al electrodo inferior y está aislada del electrodo superior. Se suministra energía eléctrica al cristal de PZT 86 a través de los electrodos en el cristal, siendo la pestaña envolvente 90 el punto de conexión a tierra. Cabe destacar que el cristal 86 no tiene capa de respaldo ni capa de resina epoxídica, tal como está presente en la figura 5. Dicho de otra manera, está presente un entrehierro 87 en el transductor entre la placa superior de aluminio 82a y el cristal 86 (es decir, el entrehierro está completamente vacío). Un mínimo respaldo 58 y/o placa de desgaste 50 se puede proporcionar en algunas realizaciones, tal como se observa en la figura 7B.

El diseño del transductor puede afectar al rendimiento del sistema. Un transductor típico es una estructura en capas con el cristal cerámico unido a una capa de respaldo y una placa de desgaste. Debido a que el transductor se carga con la alta impedancia mecánica presentada por la onda estacionaria, las pautas de diseño tradicionales para placas de desgaste, por ejemplo, grosor de media longitud de onda para aplicaciones de onda estacionaria o grosor de cuarto de longitud de onda para aplicaciones de radiación, y los procedimientos de fabricación, pueden no ser apropiados. Por el contrario, en una realización de la presente invención de los transductores, no existe placa de desgaste ni respaldo, lo que permite que el cristal vibre en uno de sus modos propios con un alto factor Q. El cristal/disco cerámico vibratorio queda expuesto directamente al fluido que fluye a través de la cámara de flujo. La retirada del respaldo (por ejemplo, haciendo que el cristal tenga aire como respaldo) permite también que el cristal cerámico vibre en modos de vibración de orden superior con poca amortiguación (por ejemplo, desplazamiento modal de orden superior). En un transductor que tiene un cristal con respaldo, el cristal vibra con un desplazamiento más uniforme, como un pistón. La retirada del respaldo permite que el cristal vibre en un modo de desplazamiento no uniforme. Cuanto mayor sea la forma de modo del cristal, más líneas nodales tiene el cristal. El desplazamiento modal de orden superior del cristal crea más líneas de retención, aunque la correlación de la línea de retención con el nodo no es necesariamente uno a uno, y el accionamiento del cristal a una mayor frecuencia no producirá necesariamente más líneas de retención. Véase el comentario, a continuación, con respecto a las figuras 20-21D.

En algunas realizaciones, el cristal puede tener un respaldo que afecta mínimamente al factor Q del cristal (por ejemplo, menos del 5 %). El respaldo puede estar compuesto por un material sustancialmente transparente acústicamente, tal como madera de balsa, espuma o corcho, que permite que el cristal vibre en una forma de modo de orden superior y mantiene un alto factor Q mientras que todavía proporciona un cierto soporte mecánico para el cristal. La capa de respaldo puede ser maciza, o puede ser una red cristalina que tenga orificios a través de la capa, de tal manera que la red cristalina siga los nodos del cristal vibratorio en un modo de vibración de orden superior particular, proporcionando soporte en las ubicaciones nodales mientras permite que el resto del cristal vibre libremente. El objetivo del material de entramado o transparente acústicamente es proporcionar soporte sin reducir el factor Q del cristal o interferir con la excitación de una forma de modo particular.

Colocar el cristal en contacto directo con el fluido contribuye también al alto factor Q al evitar los efectos de amortiguación y absorción de energía de la capa de resina epoxídica y la placa de desgaste. Otras realizaciones pueden tener placas de desgaste o una superficie de desgaste para impedir que el PZT, que contiene plomo, entre en contacto con el fluido anfitrión. Esto puede ser deseable, por ejemplo, en aplicaciones biológicas tales como la separación de sangre. Tales aplicaciones pueden utilizar una capa de desgaste tal como cromo, níquel electrolítico o níquel químico. La deposición química en fase de vapor se podría utilizar también para aplicar una capa de poli(pxilileno) (por ejemplo, Parylene) u otro polímero. Los revestimientos orgánicos y biocompatibles tales como silicona o poliuretano se pueden utilizar también como superficie de desgaste.

En los presentes sistemas, el sistema se hace funcionar a una tensión tal que las partículas quedan retenidas en la onda estacionaria ultrasónica, es decir, permanecen en una posición estacionaria. Las partículas se recogen a lo largo de líneas de retención bien definidas, separadas por media longitud de onda. Dentro de cada plano nodal, las partículas quedan retenidas en los mínimos del potencial de radiación acústica. La componente axial de la fuerza de radiación acústica conduce las partículas, con un factor de contraste positivo, hasta los planos nodales de presión, mientras que las partículas con un factor de contraste negativo son conducidas hasta los planos antinodales de presión. La componente radial o lateral de la fuerza de radiación acústica es la fuerza que retiene la partícula. En sistemas que utilizan transductores típicos, la componente radial o lateral de la fuerza de radiación acústica es normalmente varios órdenes de magnitud menor que la componente axial de la fuerza de radiación acústica. Por el contrario, la fuerza lateral en los separadores mostrados en la figura 1A, la figura 1B, la figura 3 y la figura 27 puede ser significativa, del mismo orden de magnitud que la componente de fuerza axial, y es suficiente para superar la fuerza de arrastre de fluido a velocidades lineales de hasta 1 cm/s. Tal como se comentó anteriormente, la fuerza lateral se puede aumentar accionando el transductor en formas de modos de orden superior, en oposición a una forma de vibración en la que el cristal se desplaza efectivamente como un pistón que tiene un desplazamiento uniforme. La presión acústica es proporcional a la tensión de accionamiento del transductor. La potencia eléctrica es proporcional al cuadrado de la tensión.

En realizaciones, la señal de tensión pulsada que acciona el transductor puede tener una forma de onda sinusoidal, cuadrada, de diente de sierra o triangular; y tiene una frecuencia de 500 kHz a 10 MHz. La señal de tensión pulsada se puede accionar con modulación de ancho de pulsos, lo que produce cualquier forma de onda deseada. La señal de tensión pulsada puede tener también capacidad de inicio/detención de modulación de amplitud o frecuencia para eliminar las corrientes.

La figura 8 es un modelo por ordenador de un separador acustoforético 92 simulado para producir las figuras 9A-9D y las figuras 11-17. El cristal cerámico piezoeléctrico 94 está en contacto directo con el fluido en el canal 96 de agua. Una capa 98 de silicio está entre el cristal 94 y la placa superior de aluminio 100. Un reflector 102 refleja las ondas para crear ondas estacionarias. El reflector está compuesto por un material de alta impedancia acústica, tal como acero o wolframio, que proporciona una buena reflexión. Como referencia, se hará referencia al eje Y 104 como la dirección axial. Se hará referencia al eje X 106 como la dirección radial o lateral. Los modelos de presión y velocidad acústica se calcularon incluyendo modelos piezoeléctricos del transductor de PZT, modelos elásticos lineales de la estructura circundante (por ejemplo, placa reflectora y paredes) y un modelo acústico lineal de las ondas en la columna de agua. La fuerza de radiación que actúa sobre una partícula en suspensión se calculó utilizando la formulación de Gor'kov. Las propiedades de las partículas y del material fluido, tales como la densidad, la velocidad del sonido y el tamaño de partícula, se introducen en el programa y se utilizan para determinar las contribuciones de dispersión monopolar y dipolar. La fuerza de radiación acústica se determina realizando una operación de gradiente sobre el potencial de campo U, que es una función del volumen de la partícula y el potencial promediado en el tiempo y la energía cinética del campo acústico.

En un experimento típico, el sistema se hace funcionar a una tensión tal que las partículas quedan retenidas en la onda estacionaria ultrasónica, es decir, permanecen en una posición estacionaria. La componente axial de la fuerza de radiación acústica conduce las partículas, con un factor de contraste positivo, hasta los planos nodales de presión, mientras que las partículas con un factor de contraste negativo son conducidas hasta los planos antinodales de presión. La componente radial o lateral de la fuerza de radiación acústica es la fuerza que retiene la partícula. Por tanto, esta debe ser mayor que el efecto combinado de la fuerza de arrastre de fluido y la fuerza gravitatoria. Para partículas pequeñas o emulsiones, la fuerza de arrastre FD se puede expresar como:

donde Ur y Up son la velocidad del fluido y de las partículas, Rp es el radio de las partículas, pif y |lip son la viscosidad dinámica del Iluido y da las partículas, y

as ,a razan da las yiscosidadas dinámicas. La fuarza da flotabilidad F^b se expresa como:

Para que una partícula quede retenida en la onda estacionaria ultrasónica, el equilibrio de fuerzas en la partícula debe ser cero y, por tanto, se puede hallar una expresión para la fuerza de radiación acústica lateral F^lrf, que viene dada por:

Para una partícula de tamaño y propiedad del material conocidos, y para un caudal dado, esta ecuación se puede utilizar para estimar la magnitud de la fuerza de radiación acústica lateral.

El modelo teórico que se utiliza para calcular la fuerza de radiación acústica es la formulación desarrollada por Gor'kov. La fuerza de radiación acústica primaria F^a se define en función de un potencial de campo U, F^a = -V(U), donde el potencial de campo U se define como

y f¹ y f² son las contribuciones monopolar y dipolar definidas por

f 2(A~1)

^h 2A 1

donde p es la presión acústica, u es la velocidad de las partículas del fluido, A es la razón de la densidad de las partículas pp con respecto a la densidad del fluido pf, o es la razón de la velocidad del sonido de las partículas cp con respecto a la velocidad del sonido del fluido Cf, y Vo es el volumen de la partícula. Para una onda estacionaria unidimensional, donde la presión acústica se expresa como

donde A es la amplitud de presión acústica, k es el número de ondas y w es la frecuencia angular. En este caso, sólo existe la componente axial de la fuerza de radiación acústica F^arf, que se halla que es

donde X es el factor de contraste dado por

Las partículas con un factor de contraste positivo serán conducidas a los planos nodales de presión, y las partículas con un factor de contraste negativo serán conducidas a los planos antinodales de presión.

La teoría de Gor'kov se limita a los tamaños de partícula que son pequeños con respecto a la longitud de onda de los campos sonoros en el fluido y de las partículas, y tampoco tiene en cuenta el efecto de la viscosidad del fluido y de las partículas sobre la fuerza de radiación. Se han desarrollado modelos numéricos adicionales para el cálculo de la fuerza de radiación acústica de una partícula sin ninguna restricción en cuanto al tamaño de partícula en relación con la longitud de onda. Estos modelos incluyen también el efecto de la viscosidad del fluido y de las partículas y, por tanto, son un cálculo más preciso de la fuerza de radiación acústica. Los modelos que se implementaron se basan en el trabajo teórico de Yurii Ilinskii y Evgenia Zabolotskaya.

Las figuras 9A-9D muestra simulaciones de la diferencia en los gradientes de presión de retención entre una única onda acústica y una onda acústica multimodal. La figura 9A muestra la fuerza axial asociada con una única onda acústica estacionaria. La figura 9B muestra la fuerza lateral debida a una única onda acústica estacionaria. Las figuras 9C y 9D muestran la fuerza axial y la fuerza lateral, respectivamente, en una excitación de cristal piezoeléctrico multimodal (modos de vibración de orden superior que tienen múltiples nodos) en la que se forman múltiples ondas estacionarias. La entrada eléctrica es la misma que la del único modo de las figuras 9A y 9B, pero la fuerza de retención (fuerza lateral) es 70 veces mayor (cabe destacar la escala a la derecha en la figura 9B en comparación con la 9D). Las figuras fueron generadas mediante una simulación de modelado por ordenador de un transductor piezoeléctrico de 1 MHz accionado por 10 V CA encapsulado en una placa superior de aluminio en un canal de agua abierto terminado por un reflector de acero (véase la figura 8). El campo en las figuras 9A y 9B es de 960 kHz con una presión de pico de 400 kPa. El campo en las figuras 9C y 9D es de 961 kHz con una presión de pico de 1400 kPa. Además, de las mayores fuerzas, el campo de 961 kHz (figuras 9C y D) tiene más gradientes y puntos focales.

La figura 10 muestra un modelo tridimensional generado por ordenador de un cálculo de forma de modo que muestra el desplazamiento fuera del plano para un cristal circular accionado a una frecuencia de 1 MHz.

Las figuras 11-17 se basan en el modelo de la figura 8 con un transductor piezoeléctrico de PZT-8 que funciona a 2 MHz. El transductor mide 1” de anchura y 0,04” de grosor, encapsulado en una placa superior de aluminio (0,125” de grosor) en un canal de agua de 4” x 2” terminado por una placa reflectora de acero (0,180” de grosor). El haz acústico abarca una distancia de 2”. La dimensión de profundidad, que es de 1 ”, no está incluida en el modelo 2D. El transductor se acciona a 15 V y se realiza un cálculo de barrido de frecuencia para identificar las diversas resonancias acústicas. Se muestran los resultados de las tres frecuencias de resonancia acústica consecutivas, es decir, 1,9964 MHz (figuras 11, 12 y 13), 2,0106 MHz figuras 14 y 15) y 2,025 MHz (figuras 16 y 17). La fuerza de radiación acústica se calcula para una gotita de aceite con un radio de 5 micrómetros, una densidad de 880 kg/m3 y una velocidad del sonido de 1700 m/s. El agua es el fluido principal con una densidad de 1000 kg/m3, una velocidad del sonido de 1500 m/s y una viscosidad dinámica de 0,001 kg/ms. La figura 11 muestra la fuerza de radiación acústica lateral (horizontal). La figura 12 muestra la componente axial (vertical) para una frecuencia de resonancia de 1,9964 MHz. La figura 13 muestra la amplitud de presión acústica.

Las figuras 11-15 muestran fuerzas de retención lateral relativamente bajas. Las figuras 16-17 muestran que la magnitud relativa de las componentes lateral y axial de la fuerza de radiación es muy similar, lo que indica que es posible crear grandes fuerzas de retención, donde la componente de fuerza lateral es de magnitud similar o mayor que la componente axial. Este es un resultado nuevo y contradice los resultados típicos mencionados en la bibliografía.

Un segundo resultado es que la magnitud de la fuerza de retención acústica supera la de la fuerza de arrastre de fluido, para velocidades de flujo típicas del orden de mm/s y, por tanto, es posible utilizar este campo acústico para retener la gotita de aceite. Por supuesto, se puede conseguir retención a mayores velocidades de flujo aumentando la potencia aplicada al transductor. Es decir, la presión acústica es proporcional a la tensión de activación del transductor. La potencia eléctrica es proporcional al cuadrado de la tensión.

Un tercer resultado es que a la frecuencia mostrada, las altas fuerzas de retención asociadas con este modo de retención particular se extienden a través de todo el canal de flujo, permitiendo de ese modo la captura de gotitas de aceite a través de toda la anchura del canal. Finalmente, una comparación de los mínimos del campo de fuerza de retención acústica, es decir, las ubicaciones de las partículas retenidas, con las ubicaciones de retención observadas de las gotitas en la onda estacionaria muestra una buena concordancia, lo que indica que el modelado es, en efecto, una herramienta precisa para la predicción de la retención acústica de partículas. Esto se mostrará con más detalle, a continuación.

La figura 14 muestra la componente lateral de la fuerza de radiación acústica a una frecuencia de resonancia de 2,0106 MHz, y la figura 15 muestra la componente axial de la fuerza de radiación acústica a una frecuencia de resonancia de 2,0106 MHz. Las figuras 14 y 15 muestran mayores fuerzas de retención de pico que las figuras 11 y 12. Las fuerzas de radiación acústica lateral superan la fuerza de radiación axial. Sin embargo, las mayores fuerzas de retención están ubicadas en la parte superior del canal de flujo y no abarcan toda la profundidad del canal de flujo. Por tanto, esto representaría un modo que es efectivo para retener partículas en la parte superior del canal, pero no necesariamente a través de todo el canal. De nuevo, una comparación con patrones de retención medidos indica la existencia de tales modos y patrones de retención.

La figura 16 muestra la componente de fuerza lateral a una frecuencia de resonancia de 2,025 MHz, y la figura 17 muestra la componente axial de la fuerza de radiación acústica a una frecuencia de resonancia de 2,025 MHz. El campo acústico cambia drásticamente en cada frecuencia de resonancia acústica y, por tanto, es esencial un ajuste preciso y cuidadoso del sistema. Como mínimo, son necesarios modelos 2D para una predicción precisa de las fuerzas de retención acústica.

Se desarrollaron modelos 2D axisimétricos para calcular las fuerzas de retención para transductores circulares. Los modelos se utilizaron para predecir las fuerzas de retención acústica sobre partículas, que a continuación se pueden utilizar para predecir las trayectorias de partícula en combinación con la acción de las fuerzas de arrastre de fluido y de flotabilidad. Los modelos muestran claramente que es posible generar fuerzas laterales de retención acústica necesarias para retener partículas y superar los efectos de flotabilidad y arrastre de fluido. Los modelos muestran también que los transductores circulares no proporcionan grandes fuerzas de retención a través de todo el volumen de la onda estacionaria creada por el transductor, lo que indica que los transductores circulares sólo producen altas fuerzas de retención cerca del centro de la onda estacionaria ultrasónica generada por el transductor, pero proporcionan fuerzas de retención mucho menores hacia los bordes de la onda estacionaria. Esto indica, además, que el transductor circular sólo proporciona una retención limitada para una pequeña sección del flujo de fluido que fluiría a través de la onda estacionaria del transductor circular y sin retención cerca de los bordes de la onda estacionaria.

La figura 18 es un gráfico lin-log (eje y lineal, eje x logarítmico) que muestra cómo escala la fuerza de radiación acústica, la fuerza de arrastre de fluido y la fuerza de flotabilidad con el radio de las partículas. Se realizan cálculos para una gotita de aceite SAE-30 típica utilizada en experimentos. La fuerza de flotabilidad es una fuerza dependiente del volumen de las partículas y, por tanto, es despreciable para los tamaños de partícula del orden de micrómetros, pero crece y se vuelve significativa para los tamaños de partícula del orden de centenares de micrómetros. La fuerza de arrastre de fluido a escala linealmente con la velocidad del fluido y, por tanto, en general supera la fuerza de flotabilidad para partículas de tamaño micrométrico, pero es despreciable para partículas de mayor tamaño del orden de centenares de micrómetros. La variación de escala de la fuerza de radiación acústica es diferente. Cuando el tamaño de partícula es pequeño, la ecuación de Gor'kov es precisa y la fuerza de retención acústica escala con el volumen de la partícula. Eventualmente, cuando el tamaño de partícula crece, la fuerza de radiación acústica ya no aumenta con el cubo del radio de las partículas, y se desvanecerá rápidamente a un cierto tamaño de partícula crítico. Para aumentos adicionales del tamaño de partícula, la fuerza de radiación aumenta de nuevo en magnitud, pero con fase opuesta (no se muestra en el gráfico). Este patrón se repite para tamaños de partícula crecientes.

Inicialmente, cuando una suspensión fluye a través del sistema con partículas principalmente pequeñas de tamaño micrométrico, es necesario que la fuerza de radiación acústica equilibre el efecto combinado de la fuerza de arrastre de fluido y la fuerza de flotabilidad para que una partícula quede retenida en la onda estacionaria. En la figura 18, esto sucede para un tamaño de partícula de aproximadamente 3,5 micrómetros, marcado como Rc¹. A continuación, el gráfico indica que todas las partículas más grandes quedarán también retenidas. Por tanto, cuando pequeñas partículas quedan retenidas en la onda estacionaria, tiene lugar coalescencia/agrupación/agregación/aglomeración de partículas, lo que tiene como resultado un crecimiento continuo del tamaño de partícula efectivo. A medida que crece el tamaño de partícula, la fuerza de radiación acústica se refleja en la partícula, de tal manera que las partículas grandes harán que disminuya la fuerza de radiación acústica. El crecimiento del tamaño de partícula continúa hasta que la fuerza de flotabilidad se vuelve dominante, lo que se indica mediante un segundo tamaño de partícula crítico, Rc² , tamaño al que las partículas subirán o se hundirán, dependiendo de su densidad relativa con respecto al fluido anfitrión. A medida que las partículas suben o se hunden, ya no reflejan la fuerza de radiación acústica, de modo que a continuación aumenta la fuerza de radiación acústica. No todas las partículas se saldrán, y las partículas restantes seguirán asimismo creciendo en tamaño. Este fenómeno explica las disminuciones y los aumentos rápidos de la fuerza de radiación acústica más allá del tamaño Rc². Así, la figura 18 explica cómo las partículas pequeñas pueden quedar retenidas de manera continua en una onda estacionaria, crecer para dar partículas o agrupaciones más grandes y, a continuación, finalmente subirán o se sedimentarán debido a una mayor fuerza de flotabilidad.

Debido a que los transductores circulares no proporcionan grandes fuerzas de retención a través de todo el volumen, se investigó el efecto de la forma del transductor sobre la eficiencia de separación de aceite. Se utilizó un cristal de PZT-8 circular de 1” de diámetro (figura 19, 110) y un cristal cuadrado de 1”x1” (figura 19, 112). Por lo demás, el experimento se realizó en condiciones idénticas. La tabla 1 muestra los resultados.

Tabla 1: Resultados de la investi ación de la forma del transductor redonda cuadrada

Los resultados indican que el transductor cuadrado 112 proporciona mejores eficiencias de separación de aceite que el transductor redondo 110, explicado por el hecho de que el transductor cuadrado 112 proporciona una mejor cobertura del canal de flujo con fuerzas de retención acústica, y que el transductor redondo sólo proporciona fuerzas de retención intensas a lo largo de la línea central de la onda estacionaria, confirmando los hallazgos de las simulaciones numéricas.

El tamaño, la forma y el grosor del transductor determinan el desplazamiento del transductor a diferentes frecuencias de excitación, lo que afecta a su vez a la eficiencia de separación del aceite. Normalmente, el transductor se hace funcionar a frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia de grosor (media longitud de onda). Los gradientes en el desplazamiento del transductor tienen como resultado, en general, más lugares para que quede retenido el aceite. Los desplazamientos modales de orden superior generan ondas estacionarias acústicas tridimensionales con fuertes gradientes en el campo acústico en todas las direcciones, creando de ese modo fuerzas de radiación acústica igualmente intensas en todas las direcciones, lo que conduce a múltiples líneas de retención, donde el número de líneas de retención correlaciona con la forma de modo particular del transductor.

La figura 20 muestra la amplitud de impedancia eléctrica medida del transductor en función de la frecuencia en las proximidades de la resonancia del transductor de 2,2 MHz. Los mínimos en la impedancia eléctrica del transductor corresponden a resonancias acústicas de la columna de agua y representan frecuencias potenciales para el funcionamiento. El modelado numérico ha indicado que el perfil de desplazamiento de transductor varía significativamente a estas frecuencias de resonancia acústica y, de ese modo, afecta directamente a la onda acústica estacionaria y a la fuerza de retención resultante. Puesto que el transductor funciona cerca de su resonancia de grosor, los desplazamientos de las superficies de electrodo están esencialmente desfasados. El desplazamiento típico de los electrodos de transductor no es uniforme y varía dependiendo de la frecuencia de excitación. Como un ejemplo, a una frecuencia de excitación con una única línea de gotitas de aceite retenidas, el desplazamiento tiene un único máximo en la parte central del electrodo y mínimos cerca de los bordes del transductor. A otra frecuencia de excitación, el perfil del transductor tiene múltiples máximos que conducen a múltiples líneas retenidas de gotitas de aceite. Los patrones de desplazamiento de transductor de orden superior tienen como resultado mayores fuerzas de retención y múltiples líneas de retención estables para las gotitas de aceite capturadas.

Para investigar el efecto del perfil de desplazamiento de transductor sobre la fuerza de retención acústica y las eficiencias de separación de aceite, se repitió un experimento diez veces, con todas las condiciones idénticas excepto la frecuencia de excitación. Diez frecuencias de resonancia acústica consecutivas, indicadas por los números 1-9 rodeados por un círculo y la letra A en la figura 20, se utilizaron como frecuencias de excitación. Las condiciones fueron una duración del experimento de 30 minutos, una concentración de aceite de 1000 ppm de gotitas de aceite SAE-30 de aproximadamente 5 micrómetros, un caudal de 500 ml/min y una potencia aplicada de 20 W.

A medida que la emulsión se hizo pasar por el transductor, se observaron y caracterizaron las líneas de retención de las gotitas de aceite. La caracterización implicó la observación y el patrón del número de líneas de retención a través del canal de fluido, tal como se muestra en la figura 21A, para siete de las diez frecuencias de resonancia identificadas en la figura 20.

La figura 21B muestra una vista isométrica del sistema en el que se determinan las ubicaciones de las líneas de retención. La figura 21C es una vista del sistema tal como aparece al mirar hacia abajo por la entrada, a lo largo de la flecha 114. La figura 21D es una vista del sistema tal como aparece cuando se mira directamente a la cara del transductor, a lo largo de la flecha 116.

El efecto de la frecuencia de excitación determina claramente el número de líneas de retención, que varían desde una única línea de retención en la frecuencia de excitación de resonancia acústica 5 y 9, hasta nueve líneas de retención para la frecuencia de resonancia acústica 4. En otras frecuencias de excitación, se observan cuatro o cinco líneas de retención. Estos resultados observados experimentalmente confirman los resultados esperados a partir de las diferencias cuando las figuras 9A y 9B se comparan con las figuras 9C y 9D. Los diferentes perfiles de desplazamiento del transductor pueden producir diferentes (más) líneas de retención diferentes en las ondas estacionarias, donde más gradientes en el perfil de desplazamiento crean, en general, mayores fuerzas de retención y más líneas de retención.

La tabla 2 resume los hallazgos de un experimento de retención de aceite utilizando un sistema similar a la figura 27A. Una conclusión importante es que la eficiencia de separación de aceite del separador acústico está relacionada directamente con la forma de modo del transductor. Los perfiles de desplazamiento de orden superior generan mayores fuerzas de retención acústica y más líneas de retención, con el resultado de mejores eficiencias. Una segunda conclusión, útil para los estudios de variación de escala, es que las pruebas indican que la captura de gotitas de aceite de 5 micrómetros a 500 ml/min requiere 10 vatios de potencia por pulgada cuadrada de área del transductor por 1” de envergadura de haz acústico. La principal disipación es la de la absorción termoviscosa en el volumen aparente de la onda acústica estacionaria. El coste de energía asociado con este caudal es de 0,667 kWh por metro cúbico.

Tabla 2: Estudio de eficiencia de captura de patrones de retención

Ubicación de pico Entrada de potencia # de líneas de Caudal Duración Eficiencia de captura de resonancia total (vatios) retención (ml/min) (min) (%)

4 20 9 500 30 91 %

8 20 5 500 30 58 %

A 20 4 500 30 58 %

9 20 2 500 30 37 %

Las figuras 22 y 23 muestran fotografías de las gotitas de aceite retenidas en el patrón de nueve líneas de retención. Las líneas discontinuas se superponen sobre las líneas de retención. La figura 24 muestra el campo de presión que coincide con el patrón de 9 líneas de retención. El modelo numérico es un modelo bidimensional; y, por tanto, sólo se observan tres líneas de retención. Existen dos conjuntos más de tres líneas de retención en la tercera dimensión perpendicular al plano del modelo 2D de la figura 22 y la figura 23. Esta comparación indica que el modelo numérico es preciso al predecir la naturaleza de la onda estacionaria ultrasónica y las fuerzas de retención resultantes, confirmando de nuevo los resultados esperados a partir de las diferencias cuando las figuras 9A y 9B se comparan con las figuras 9C y 9D.

En sistemas más grandes, son posibles diferentes dispositivos de transductores. La figura 25 muestra una matriz 120 de transductores que incluye tres cristales cuadrados 120a, 120b, 120c de 1”x1”. Dos cuadrados son paralelos entre sí, y el tercer cuadrado está desplazado para formar un patrón triangular y obtener una cobertura acústica del 100 %. La figura 26 muestra una matriz 122 de transductores que incluye dos cristales rectangulares 122a, 122b de 1”x 2,5” dispuestos con ejes largos paralelos entre sí. La disipación de potencia por transductor fue de 10 W por área de sección transversal del transductor de 1”x1” y por pulgada de envergadura de onda acústica estacionaria con el fin de obtener suficientes fuerzas de retención acústica. Para una envergadura de 4” de un sistema de escala intermedia, cada transductor cuadrado de 1”x1” consume 40 W. El transductor rectangular de 1”x2,5” mayor utiliza 100 W en un sistema de escala intermedia. El conjunto de tres transductores cuadrados de 1”x1” consumiría un total de 120 W y la matriz de dos transductores de 1”x2,5” consumiría aproximadamente 200 W. Las matrices de transductores poco espaciados representan representaciones potenciales alternativas de la tecnología. El tamaño, la forma, el número y la ubicación de los transductores se pueden variar, según se desee para generar las ondas estacionarias acústicas tridimensionales deseadas.

Un aparato 124 de escala intermedia de área en sección transversal de flujo de 4” por 2,5” para separar un fluido anfitrión de un material particulado o fluido flotante se muestra en la figura 27A. La longitud de la trayectoria acústica es de 4”. El aparato se muestra en este caso en una orientación en la que el sentido del flujo es hacia abajo, lo cual se utiliza para separar partículas menos densas del fluido anfitrión. Sin embargo, el aparato se puede dar la vuelta esencialmente para permitir la separación de partículas que son más pesadas que el fluido anfitrión. En lugar de una fuerza de flotación en un sentido ascendente, el peso de las partículas aglomeradas debido a la gravedad tira de ellas hacia abajo. Cabe señalar que esta realización se representa como teniendo una orientación en la que fluye el fluido en vertical. Sin embargo, se contempla también que el flujo de fluido puede ser en dirección horizontal o formando un ángulo.

Un fluido que contiene partículas entra en el aparato a través de entradas 126 en una cámara plenum anular 131 de distribución de aire. La cámara plenum anular de distribución de aire tiene un diámetro interno anular y un diámetro externo anular. Dos entradas son visibles en esta ilustración, aunque se contempla que se pueda proporcionar cualquier número de entradas, según se desee. En realizaciones particulares, se utilizan cuatro entradas. Las entradas son opuestas radialmente y orientadas.

Una pared 129 de la boquilla contorneada reduce el diámetro externo de la trayectoria de flujo de una manera que genera mayores velocidades cerca de la zona de la pared y reduce la turbulencia, produciendo un flujo casi de tapón a medida que se desarrolla el perfil de velocidad de fluido, es decir, el fluido se acelera hacia abajo en dirección de la línea central con escaso o ningún componente de movimiento circunferencial y baja turbulencia de flujo. Esto genera un perfil del flujo de cámara que es óptimo para la separación acústica y la recogida de partículas. El fluido pasa a través del conducto de conexión 127 y al interior de una cámara de flujo/separación 128. Tal como se observa en la zona contorneada ampliada 129 en la figura 27B, la pared de la boquilla añade también una componente de movimiento radial a las partículas en suspensión, desplazando las partículas más cerca de la línea central del aparato y generando más colisiones con partículas aglomeradas flotantes ascendentes. Este movimiento radial permitirá un lavado óptimo de las partículas del fluido en el conducto de conexión 127 antes de llegar a la cámara de separación. La pared 129 de la boquilla contorneada dirige el fluido de una manera que genera vórtices a gran escala en la entrada del conducto colector 133 para mejorar también la recogida de partículas. En general, el área de flujo del dispositivo 124 está diseñada para disminuir continuamente desde la cámara plenum anular 131 de distribución de aire hasta la cámara de separación 128 para asegurar baja turbulencia y formación de remolinos para una mejor separación, aglomeración y recogida de partículas. La pared de la boquilla tiene un extremo ancho y un extremo estrecho. El término lavado se utiliza para describir el proceso de aglomeración, agregación, agrupación o coalescencia de partículas/gotitas, que se produce cuando una partícula/gotita más grande se desplaza en un sentido opuesto al flujo de fluido y colisiona con partículas más pequeñas, lavando en efecto las partículas más pequeñas de la suspensión.

Volviendo a la figura 27A, la cámara de flujo/separación 128 incluye una matriz 130 de transductores y un reflector 132 en lados opuestos de la cámara. Durante la utilización, se crean ondas estacionarias 134 entre la matriz 130 de transductores y el reflector 132. Estas ondas estacionarias se pueden utilizar para aglomerar partículas, y esta orientación se utiliza para aglomerar partículas que son flotantes (por ejemplo, aceite). El fluido, que contiene partículas residuales, sale a continuación a través de la salida de flujo 135.

A medida que las partículas flotantes se aglomeran, superan eventualmente el efecto combinado de las fuerzas de arrastre de flujo de fluido y la fuerza de radiación acústica, y su fuerza de flotación 136 es suficiente para hacer que las partículas flotantes suban hacia arriba. En este sentido, un conducto colector 133 está rodeado por la cámara plenum anular 131 de distribución de aire. Las partículas más grandes pasarán a través de este conducto hacia una cámara colectora 140. Esta cámara colectora puede formar también parte de un conducto de salida. El conducto colector y la salida de flujo están en extremos opuestos del aparato.

Cabe señalar que las partículas flotantes formadas en la cámara de separación 128 pasan posteriormente a través del conducto de conexión 127 y la pared 129 de la boquilla. Esto hace que el flujo entrante desde la cámara plenum anular de distribución de aire fluya sobre las partículas aglomeradas ascendentes debido al movimiento radial hacia adentro impartido por la pared de la boquilla. Esto permite que las partículas ascendentes retengan también partículas más pequeñas en el flujo entrante, lo que aumenta la efectividad del lavado. La longitud del conducto de conexión 127 y la pared 129 de la boquilla contorneada aumenta así la efectividad del lavado. Se encuentra una efectividad especialmente alta para partículas con un tamaño de 0,1 micrómetros a 20 micrómetros, donde la eficiencia es muy baja para los procedimientos convencionales.

En este caso, el diseño proporciona un perfil de velocidad optimizado con baja turbulencia de flujo en la entrada a la cámara 128 de flujo, una longitud de lavado antes de la cámara de flujo para mejorar la aglomeración y/o coalescencia de partículas antes de la separación acústica, y la utilización de los vórtices de recogida para ayudar a la retirada de partículas en el conducto colector 133.

En experimentos llevados a cabo con el aparato de la figura 27A, la matriz 120 de transductores se instaló en el sistema 124, se retiró y a continuación se instaló la matriz 122 de transductores. Las matrices se hicieron funcionar en paralelo, de tal manera que cada transductor se accionara con la misma señal de tensión desde el amplificador. El circuito de accionamiento electrónico consistía en un generador de funciones y un amplificador de RF ENI A300 de 300 W. Los resultados de las pruebas se muestran en la tabla 3. La primera prueba utilizó sólo dos de los transductores cuadrados de 1”x1” o la matriz 120, orientados en paralelo entre sí, y se ejecutó a un caudal de 1300 ml/min. Esta tuvo como resultado una eficiencia de separación de aceite del 88 %. La siguiente prueba implicó los tres transductores cuadrados y un caudal de 2000 ml/min, y proporcionó una eficiencia del 93 %. Estos resultados son excelentes y demuestran que la tecnología es escalable a canales de flujo más grandes accionados por matrices de transductores. El siguiente conjunto de pruebas involucró la matriz 122 de transductores rectangulares de 1 ”x2,5”. Para la primera prueba, sólo se ejecutó un transductor y se obtuvo una eficiencia del 87 %. La segunda prueba con ambos transductores en funcionamiento proporcionó una eficiencia del 97 %. Para los transductores de 1”x2,5”, el nivel de potencia utilizado se basó en hacer funcionar el transductor a niveles seguros. Para estas pruebas, el coste de energía para el sistema intermedio es de 1 kWh por metro cúbico.

Tabla 3: Resultados de prueba del sistema intermedio

Configuración del Número de Entrada de

transductor transductores potencia total Caudal Duración Eficiencia de activos (vatios) (ml/min) (min) captura (%) Transductores de

_1”x1” 2 80 1300 15 88 %

3 120 2000 15 93 %

Transductores de

_1”x2,5” 1 100 2000 8 87 % Transductores de

_1”x2,5” 2 100 1000 15 97 %

El modelado numérico se realizó también para el sistema de tamaño intermedio con una envergadura de 4” para la onda estacionaria acústica. Se modelaron múltiples transductores para investigar el efecto de acoplamiento entre los transductores. Se realizaron barridos de frecuencia y se identificaron las frecuencias de resonancia para las que las formas de modos acústicos se acoplan fuertemente a las formas de modos de orden superior del transductor. Las comparaciones entre resultados numéricos y experimentales son excelentes y demuestran la precisión de los modelos. La figura 28 muestra el campo de presión acústica de un modelo con dos transductores en el lado derecho. Una fotografía de las gotitas de aceite retenidas en la onda estacionaria se muestra en la figura 29. Tanto el experimento como el modelo muestran características idénticas. A ciertas frecuencias de excitación, las gotitas de aceite quedaron retenidas en la onda estacionaria fuera del volumen de fluido definido por el área del transductor, lo que indica un campo acústico expandido con fuerzas de retención intensas. La figura 30 muestra una fotografía de dichas gotitas de aceite retenidas. La figura 31 muestra un modelo de campo de presión acústica que predice características idénticas.

El transductor es normalmente una placa piezoeléctrica delgada, que funciona en el modo (3,3), con campo eléctrico en el eje z y desplazamiento primario en el eje z, tal como se muestra en la figura 38. El transductor está acoplado normalmente en un lado por aire (es decir, el entrehierro dentro del transductor) y en el otro lado por agua (es decir, el fluido anfitrión). Los tipos de ondas generadas en la placa se conocen como ondas compuestas. Un subconjunto de ondas compuestas en la placa piezoeléctrica es similar a las ondas de Lamb simétricas con fugas (denominadas también de compresión o extensión). La naturaleza piezoeléctrica de la placa tiene como resultado normalmente la excitación de ondas de Lamb simétricas. Las ondas tienen fugas porque irradian hacia la capa de agua, lo que tiene como resultado la generación de ondas estacionarias acústicas en la capa de agua. Las ondas de Lamb simétricas tienen perfiles de desplazamiento que son simétricos con respecto al eje neutro de la placa, tal como se muestra en el lado izquierdo de la figura 32. Las ondas de Lamb simétricas parecen ser más deseables que las ondas de Lamb antisimétricas, tal como se muestra en el lado derecho de la figura 32. Las ondas de Lamb existen en placas delgadas de extensión infinita con condiciones libres de esfuerzos en sus superficies. Debido a que los transductores de esta realización son de naturaleza finita, los desplazamientos modales reales son más complicados. La figura 33 muestra la variación típica del desplazamiento en el plano (desplazamiento x) y el desplazamiento fuera del plano (desplazamiento y) a través del grosor de la placa, siendo el desplazamiento en el plano una función par a través del grosor de la placa y siendo el desplazamiento fuera del plano una función impar. Debido al tamaño finito de la placa, las componentes de desplazamiento varían a través de la anchura y la longitud de la placa. Se muestra un ejemplo en la figura 38, que ilustra el modo de desplazamiento (3,3). La componente fuera del plano se caracteriza por tres ondulaciones periódicas y la componente en el plano por tres oscilaciones. Este perfil de desplazamiento del transductor se denomina modo (3,3). Se observan oscilaciones adicionales de mayor frecuencia en el perfil de desplazamiento, por ejemplo, una oscilación con 25 picos, que es el armónico de orden 25 del modo longitudinal fundamental en la dirección de la anchura y la longitud, puesto que la relación de anchura y longitud con respecto a grosor es de 25 para el transductor dado. En general, un modo (m,n) es un modo de desplazamiento del transductor en el que existen m ondulaciones en el desplazamiento del transductor en la dirección de la anchura y n ondulaciones en la dirección de la longitud, y con la variación de grosor tal como se describe en la figura 33. El número máximo de m y n es una función de la dimensión del cristal y la frecuencia de excitación.

Tal como se comentó anteriormente, los transductores se accionan de modo que el cristal piezoeléctrico vibre en modos de orden superior de la fórmula general (m, n), donde m y n son independientemente 1 o mayores. Las figuras 34-38 muestran, en orden, ilustraciones de los modos de vibración (1,1), (2,1), (1,2), (2,2) y (3,3) de una placa rectangular. En cada figura, la placa 156 tiene una longitud 150 que es igual o mayor que su anchura 152. Se proporciona una vista en perspectiva, una vista a lo largo de la longitud (y=0) y una vista a lo largo de la anchura (x=0) para cada modo de vibración.

La figura 34 muestra el modo de vibración (1,1). En este modo, la placa tiene su desplazamiento máximo en el antinodo 154 en el centro de la placa rectangular 156. La figura 34B muestra la vista a lo largo de la longitud 150 (es decir, a lo largo de la flecha 151) y la figura 34C muestra la vista a lo largo de la anchura 152 (a lo largo de la flecha 153). La figura 34D muestra el desplazamiento en el plano asociado con el modo de vibración (1,1).

La figura 35 muestra el modo (2,1). En este caso, existen dos antinodos 160 (con un pico por encima del plano de la membrana 156). Estos dos antinodos están en lados opuestos de una línea nodal de desplazamiento mínimo 162 que discurre en paralelo a la anchura 152 y en el centro de la longitud 150. Cabe destacar que, en el caso de un transductor cuadrado (uno en el que la longitud 150 es igual a la anchura 152, como en el transductor 112 de la figura 19 y en la figura 25), los modos (1,2) y (2,1) son meras rotaciones entre sí. La figura 35B muestra la vista a lo largo de la longitud (es decir, a lo largo de la flecha 161) y la figura 35C muestra la vista a lo largo de la anchura (es decir, a lo largo de la flecha 163).

La figura 36 muestra el modo (1,2). Este modo tiene también dos antinodos 166 y una línea nodal 164. En comparación con la figura 35, la diferencia en este caso es que la línea nodal 164 discurre longitudinalmente (en paralelo a la longitud 150) y en el centro de la anchura 152. La figura 36B muestra la vista a lo largo de la flecha 165 y la figura 36C muestra la vista a lo largo de la flecha 167.

La figura 37, que muestra el modo (2,2), tiene cuatro antinodos 174 y dos líneas nodales 170, 172. Una línea nodal 172 está en el centro de la anchura 152, en paralelo a la longitud 150. La otra línea nodal 170 está en el centro de la longitud 150, en paralelo a la anchura 152. La figura 37B muestra la vista a lo largo de la flecha 171 y la figura 37C muestra la vista a lo largo de la flecha 173.

La figura 38 muestra el modo de vibración (3,3). Existen dos líneas nodales 186 a lo largo y dos líneas nodales 180 a lo ancho. Tres conjuntos de antinodos 182 son creados por las líneas nodales 180 y tres conjuntos de antinodos 184 son creados por las líneas nodales 186. Esto tiene como resultado un total de nueve antinodos que resultan de su intersección en cada dirección. La figura 38B muestra la vista a lo largo de la flecha 181 y la figura 38C muestra la vista a lo largo de la flecha 183. La figura 38D muestra el desplazamiento en el plano asociado con el modo de vibración (3,3).

Estos modos son ilustrativos y, en general, los transductores vibrarán en modos de orden superior a (2,2). Los modos de orden superior producirán más nodos y antinodos, con el resultado de ondas estacionarias tridimensionales en la capa de agua, caracterizadas por intensos gradientes en el campo acústico en todas las direcciones, no sólo en la dirección de las ondas estacionarias, sino también en las direcciones laterales. Como consecuencia, los gradientes acústicos producen fuerzas de retención más intensas en la dirección lateral.

Las figuras 39A-39C muestran el campo de presión generado por un transductor que funciona en diferentes modos de desplazamiento. En cada figura, el cristal vibratorio se ilustra en y = 1 pulgada, y la onda estacionaria resultante que se transmite al fluido se ilustra a continuación. La figura 39A muestra la magnitud de la presión acústica cuando la capa de agua es accionada por un transductor que funciona predominantemente en el modo (1,1). El campo de presión resultante es uno que se puede describir como una onda estacionaria unidimensional principalmente con una amplitud de presión acústica que varía lentamente en la dirección lateral. La figura 39B muestra el campo de presión excitado por un transductor que funciona predominantemente en el modo (2,2), y de manera similar la figura 39C muestra el campo de presión cuando el transductor se hace funcionar predominantemente en el modo (3,3). Se observa que una excitación (2,2) conduce a la generación de cuatro (2x2) ondas estacionarias acústicas paralelas, y una (3,3) conduce a nueve (3x3) ondas estacionarias. La razón entre la componente lateral de la fuerza de radiación acústica y la componente axial se calculó para estos tres campos de presión. La excitación en el modo (2,2) conduce a la duplicación de esa relación en comparación con el modo (1,1). La excitación en el modo (3,3) conduce a la triplicación de la razón del modo (1,1), lo que demuestra de ese modo el beneficio de excitar modos de orden superior.

En términos generales, pero haciendo referencia específica a la matriz de transductores de la figura 27A, la configuración de transductores de la presente invención crea un campo de presión tridimensional que incluye ondas estacionarias perpendiculares al flujo de fluido. Los gradientes de presión son lo suficientemente grandes como para generar fuerzas acustoforéticas ortogonales a la dirección de la onda estacionaria (es decir, las fuerzas acustoforéticas son paralelas a la dirección del flujo de fluido) que son del mismo orden de magnitud que las fuerzas acustoforéticas en la dirección de la onda. Esto permite una mayor retención y recogida de partículas en la cámara de flujo y a lo largo de líneas de retención bien definidas, en lugar de retener simplemente partículas en planos de recogida como en dispositivos convencionales. Las partículas tienen un tiempo significativo para desplazarse hasta los nodos o antinodos de las ondas estacionarias, generando zonas en las que las partículas se pueden concentrar, aglomerar y/o unir.

En algunas realizaciones, el flujo de fluido tiene un número de Reynolds de hasta 1500, es decir, se está produciendo flujo laminar. Para una aplicación práctica en la industria, el número de Reynolds suele ser de 10 a 1500 para el flujo a través del sistema. El desplazamiento de las partículas en relación con el movimiento del fluido genera un número de Reynolds mucho menor que 1,0. El número de Reynolds representa la razón entre los efectos de flujo inercial y los efectos viscosos en un campo de flujo dado. Para los números de Reynolds por debajo de 1,0, las fuerzas viscosas son dominantes en el campo de flujo. Esto tiene como resultado un amortiguamiento significativo en el que las fuerzas de cizallamiento son predominantes en la totalidad del flujo. Este flujo en el que las fuerzas viscosas son dominantes se llama flujo de Stokes. El flujo de melaza es un ejemplo. El contorneado de paredes y la aerodinamización tienen muy poca importancia.

Se asocia con el flujo de fluidos muy viscosos o el flujo en pasajes muy pequeños, como los dispositivos MEMS. El contorneado de la entrada tiene poca importancia. El flujo de las partículas en relación con el fluido en el separador de partículas FSA será un flujo de Stokes porque los diámetros de partícula y las velocidades relativas entre las partículas y el fluido son muy pequeños. Por otro lado, el número de Reynolds para el flujo a través del sistema será mucho mayor que 1,0 porque la velocidad del fluido y el diámetro de entrada son mucho mayores. Para números de Reynolds mucho mayores que 1,0, las fuerzas viscosas son dominantes sólo donde el flujo está en contacto con la superficie. Esta zona viscosa cerca de la superficie se denomina una capa límite y fue reconocida por primera vez por Ludwig Prandtl (Referencia 2). En el flujo en conductos, el flujo será laminar si el número de Reynolds es significativamente superior a 1,0 e inferior a 2300 para un flujo desarrollado por completo en el conducto. La tensión de cizallamiento de pared en la pared difundirá en la corriente con la distancia. En la entrada del conducto, la velocidad de flujo comienza de manera uniforme. A medida que el flujo desciende por el conducto, el efecto de las fuerzas viscosas de pared se difundirá hacia dentro, hacia la línea central para generar un perfil de velocidad parabólico. Este perfil parabólico tendrá un valor de pico que es el doble de la velocidad promedio. La longitud requerida para que se desarrolle el perfil parabólico es una función del número de Reynolds. Para un número de Reynolds de 20, que es típico para el funcionamiento con CHO, la longitud de desarrollo será de 1,2 diámetros de conducto. Por tanto, se produce muy rápidamente un flujo desarrollado por completo. Esta velocidad de pico en el centro puede ser perjudicial para la separación acústica de partículas. Además, a números de Reynolds de flujo laminar, se puede producir turbulencia y el contorneado de la superficie de flujo es muy importante para controlar el flujo. Por estos motivos, el separador se diseñó con una cámara plenum anular de distribución de aire de entrada y un tubo colector.

La cámara plenum anular de distribución de aire grande está seguida por una boquilla de pared de entrada que acelera y dirige el fluido hacia dentro, hacia la línea central tal como se muestra en la figura 27B. El contorno de pared tendrá un gran efecto sobre el perfil. La convergencia de área aumenta la velocidad de flujo promedio, pero es el contorno de pared el que determina el perfil de velocidad. El contorno de pared de la boquilla será una línea de flujo y está diseñado con un pequeño radio de curvatura en el separador.

El/los transductor(es) se utiliza(n) para crear un campo de presión que genera fuerzas del mismo orden de magnitud tanto ortogonales a la dirección de la onda estacionaria como en la dirección de la onda estacionaria. Cuando las fuerzas son aproximadamente del mismo orden de magnitud, las partículas de tamaño de 0,1 micrómetros a 300 micrómetros se desplazarán de manera más efectiva hacia zonas de aglomeración (“líneas de retención”), tal como se ve en la figura 21C. Debido a los gradientes igualmente grandes en la componente de fuerza acustoforética ortogonal, existen “puntos calientes” o zonas de recogida de partículas que no se encuentran en las ubicaciones normales en la dirección de la onda estacionaria entre el transductor 130 y el reflector 132. Los puntos calientes se encuentran en los máximos o mínimos del potencial de radiación acústica. Tales puntos calientes representan ubicaciones de recogida de partículas que permiten una mejor transmisión de ondas entre el transductor y el reflector durante la recogida y fuerzas entre partículas más intensas, lo que conduce a una aglomeración de partículas más rápida y mejor.

Una aplicación del procedimiento de separación acustoforética es la separación de células de un medio, tal como la separación de glóbulos rojos, descrita en la Patente US13/866,584 concedida a Dutra y Lipkens, titulada “ACOUSTOPHORETIC SEPARATION OF LIPID PARTICLES FROM RED BLOOD CELLS”.

Otra aplicación es la separación de una proteína terapéutica biológica de las células biológicas que producen la proteína. A este respecto, los procedimientos actuales de separación requieren filtración o centrifugación, cualquiera de los cuales puede dañar las células, liberando restos de proteínas y enzimas en el proceso de purificación y aumentando la carga en partes aguas abajo del sistema de purificación. Es deseable poder procesar volúmenes que tengan mayores densidades celulares, porque esto permite la recogida de mayores cantidades de proteína terapéutica y mejores rentabilidades.

La figura 40A y la figura 40B son vistas en despiece ordenado que muestran las diversas partes de los separadores acustoforéticos. La figura 40A tiene sólo una cámara de separación, mientras que la figura 40B tiene dos cámaras de separación.

Haciendo referencia a la figura 40A, el fluido entra en el separador 190 a través de una entrada 191 de cuatro puertos. Una pieza 192 de transición se proporciona para crear un flujo de tapón a través de la cámara de separación 193. Un transductor 40 y un reflector 194 están ubicados en paredes opuestas de la cámara de separación. A continuación, sale fluido de la cámara de separación 193 y del separador a través de la salida 195. La figura 40B tiene dos cámaras 193 de separación. Un acoplador 196 del sistema se coloca entre las dos cámaras 193 para unirlas entre sí.

La separación acustoforética se ha sometido a prueba en diferentes líneas de células de ovario de hámster chino (CHO). En un experimento, una solución con una densidad celular inicial de 8,09 x 106 células/ml, una turbidez de 1,232 UNT y una viabilidad celular de aproximadamente el 75 %, se separó utilizando un sistema como el representado en la figura 40A. Los transductores eran cristales de 2 MHz, que funcionan a aproximadamente 2,23 MHz, demandando 24-28 vatios de potencia. Se utilizó un caudal de 25 ml/min. El resultado de este experimento se muestra en la figura 41A.

En otro experimento, se separó una solución con una densidad celular inicial de 8,09 x 106 células/ml, una turbidez de 1,232 UNT y una viabilidad celular de aproximadamente el 75 %. Esta línea celular CHO tenía una distribución bimodal del tamaño de partículas (a tamaños de 12 pm y 20 pm). El resultado se muestra en la figura 41B.

La figura 41A y la figura 41B fueron producidas por un analizador de viabilidad celular de Beckman Coulter. Otras pruebas revelaron que las frecuencias de 1 MHz y 3 MHz no eran tan eficientes como 2 MHz para separar las células del fluido.

En otras pruebas a un caudal de 10 L/h, el 99 % de las células fueron capturadas con una viabilidad celular confirmada de más del 99 %. Otras pruebas a un caudal de 50 ml/min (es decir, 3 L/h) obtuvieron una densidad celular final de 3 x 106 células/ml con una viabilidad de casi el 100 % y poco o ningún aumento de temperatura. En otras pruebas, se obtuvo una reducción del 95 % de la turbidez a un caudal de 6 L/h.

Se realizaron pruebas en la unidad con variación de escala mostrada en la figura 27 utilizando levadura como un simulador de CHO para las aplicaciones biológicas. Para estas pruebas, a un caudal de 15 L/h, se sometieron a prueba diversas frecuencias así como niveles de potencia. La tabla 1 muestra los resultados de las pruebas.

Tabla 1: Resultados del sistema de 2,5”x 4” a un caudal de 15 L/h

Frecuencia (MHz) 30 Vatios 37 Vatios 45 Vatios

2,2211 93,9 81,4 84,0

2,2283 85,5 78,7 85,4

2,2356 89,1 85,8 81,0

2,243 86,7 - 79,6

En aplicaciones biológicas, muchas partes, por ejemplo, los tubos que conducen hacia y desde la carcasa, las entradas, la cámara plenum de salida y la cámara plenum de entrada, pueden ser todas desechables, requiriéndose sólo que se limpien el transductor y el reflector para su reutilización. Evitar centrifugadoras y filtros permite una mejor separación de las células CHO sin disminuir la viabilidad de las células. El factor de forma del separador acustoforético es también más pequeño que en un sistema de filtrado, lo que permite miniaturizar la separación de CHO. Los transductores pueden ser accionados también para crear cambios de presión rápidos para impedir o despejar bloqueos debidos a la aglomeración de las células CHO. La frecuencia de los transductores se puede variar también para obtener una efectividad óptima para una potencia dada.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para separar un material particulado de un fluido anfitrión, que comprende:

hacer fluir una mezcla del fluido anfitrión y del material particulado a través de un aparato (124, 190), comprendiendo el aparato (124, 190):

una cámara (30, 128, 193) de flujo que tiene, como mínimo, una entrada (32) y, como mínimo, una salida (34); como mínimo, un transductor ultrasónico (40, 81, 110, 112, 120, 122, 130) ubicado en una pared de la cámara (30, 128, 193) de flujo, incluyendo el, como mínimo, un transductor (40, 81, 110, 112, 120, 122, 130) un material piezoeléctrico y accionado por una señal de tensión oscilante, periódica, modulada o pulsada a frecuencias ultrasónicas de modo que el material piezoeléctrico vibre en una forma de modo de orden superior para crear una onda estacionaria tridimensional (134) en la cámara (30, 128, 193) de flujo; y

un reflector (132, 194) ubicado en la pared en el lado opuesto de la cámara (30, 128, 193) de flujo del, como mínimo, un transductor ultrasónico (40, 81, 120, 122, 130); y

enviar una señal de tensión oscilante, periódica, modulada o pulsada a frecuencias ultrasónicas para accionar el, como mínimo, un transductor ultrasónico (40, 81, 110, 112, 120, 122, 130) para que el material piezoeléctrico vibre en una forma de modo de orden superior para separar el fluido anfitrión respecto del material particulado, en el que la onda estacionaria tridimensional (134) tiene como resultado una fuerza de radiación acústica que tiene una componente de fuerza axial y una componente de fuerza lateral que son del mismo orden de magnitud, y que es mayor que los efectos combinados de arrastre de fluido y flotabilidad o gravedad y

en el que el material particulado son células de ovario de hámster chino (CHO), células de hibridoma NS0, células de riñón de hámster recién nacido (BHK) o células humanas.

2. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la onda estacionaria tridimensional (134) puede retener partículas en un campo de flujo que tiene una velocidad lineal desde 0,1 milímetros/segundo hasta mayor de 1 centímetro/segundo.

3. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el transductor ultrasónico (40, 81, 110, 112, 120, 122, 130) comprende:

una carcasa (82) que tiene un extremo superior, un extremo inferior y un volumen interior;

un cristal (54, 86) en el extremo inferior de la carcasa (82) que tiene una superficie exterior expuesta y una superficie interior, pudiendo el cristal vibrar cuando se acciona mediante la señal de tensión;

una capa (58) de respaldo en contacto con la superficie interior del cristal (54, 86), estando la capa (58) de respaldo fabricada de un material sustancialmente transparente acústicamente.

4. Procedimiento, según la reivindicación 3, en el que el material sustancialmente transparente acústicamente es madera de balsa, corcho o espuma.

5. Procedimiento, según la reivindicación 3, en el que el material sustancialmente transparente acústicamente tiene un grosor de hasta 2,54 cm (1 pulgada).

6. Procedimiento, según la reivindicación 3, en el que una superficie exterior del cristal (54, 86) está cubierta por un material (50) de superficie de desgaste con un grosor de media longitud de onda o menos, siendo el material (50) de superficie de desgaste un revestimiento de uretano, resina epoxídica o silicona.

7. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la mezcla fluye verticalmente hacia arriba, y el material particulado se hunde hasta un conducto colector (133).

8. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que más del 90 % del material particulado se separa del fluido anfitrión en una base volumétrica.

9. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la señal de tensión pulsada tiene una frecuencia de 500 kHz a 10 MHz.

10. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que el material particulado tiene un tamaño de aproximadamente 0,1 micrómetros a aproximadamente 300 micrómetros.

11. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la mezcla del fluido anfitrión y el material particulado fluye a través de la cámara (30, 128, 193) de flujo a una velocidad de, como mínimo, 0,25 litros/hora.

12. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la mezcla fluye desde una entrada (126) del aparato a través de una cámara plenum anular (131) de distribución de aire y más allá de una pared (129) de boquilla contorneada antes de entrar en la, como mínimo, una entrada (32) de la cámara de flujo.

13. Procedimiento, según la reivindicación 13, en el que el material particulado separado se aglomera y asciende, y en el que la mezcla de flujo entrante se dirige al material particulado ascendente, mediante la pared (129) de boquilla contorneada.

14. Procedimiento, según la reivindicación 1, en el que la mezcla fluye desde una entrada (126) del aparato a través de una cámara plenum anular (131) de distribución de aire y más allá de una pared (129) de boquilla contorneada para generar vórtices a gran escala en la entrada a un conducto colector (133) antes de entrar en la, como mínimo, una entrada (32) de la cámara de flujo, mejorando así la separación del material particulado del fluido anfitrión.