JP2013237047A - 傾斜磁場改善遠心分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気粒子を含有する固液混合物のより効率的な分離を可能とする装置を提供する。
【解決手段】磁気粒子８を含有する固液混合物に回転磁気マトリックス４により傾斜磁場を印加し、磁気粒子を回転磁気マトリックスに引き付けて、遠心分離を行う連続またはバッチ遠心分離固液分離プロセスを実施する。
【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照

本出願は、全ての目的についてその一部として全体が援用される２００５年２月１７日出願の米国仮特許出願第６０／６５３，７０１号明細書遡及の特典を請求するものである。

本発明は、傾斜磁場の存在により改善される遠心分離装置に関する。

固液分離は広く用いられており、鉱物の固液混合物からの大量分離から、バイオテクノロジーまたは製薬工業における高価な製品の小バッチの分離まで及ぶ。重力、圧力、温度、遠心分離および流体力学は、過去５０年にわたって従来の固液分離の主要な態様となっている。従来の固液分離は、一般的に、２つの主たる工程からなる。第１の工程において、固体微粒子は、圧力の印加により液体から分離される。圧力は、ピストンによる圧力、ガス圧力、静水圧、重力圧、遠心圧力またはこれらの組み合わせを機械的に加える手段により適用してもよく、液体がろ過器を通過し、固体はろ過器に保持される。遭遇する１つの問題は、固体がろ過器を「破過する」、すなわち、通過する結果として、固体が失われることである。さらに重大な問題は、機械的分離工程では完全な分離とならないことである。これには第２の工程、熱乾燥プロセスが必要である。

熱乾燥プロセスは、エネルギー効率が非常に低い、すなわち、機械的工程に比べ１００〜２００倍超もエネルギー効率が低い。大量の材料が毎年処理されるため、より効率的な機械的固液分離を行うと、下流乾燥の必要性を減じることにより、全体のエネルギー消費が大幅に減少する。熱乾燥が、世界的な合計エネルギー消費の大部分を占めるため、これは、エネルギー消費に影響する。

場合によっては、高傾斜磁場分離を用いて、特定の磁気固体が液体中固体の混合物から分離されている。

本発明の目的は、磁気粒子を含有する固液混合物のより効率的な分離を可能とする装置を提供することである。

本発明は、遠心分離が生じる容器と、容器内の回転磁気マトリックスとを有する、磁気粒子を含有する固液混合物の遠心分離用装置を提供する。本装置が実施する分離プロセスは、傾斜磁場の存在により改善される。回転磁気マトリックスが、傾斜磁場の源である。これらの局所傾斜磁場により提供される磁力が、磁気粒子を回転磁気マトリックスに引き付ける。本発明は、連続プロセスに用いることのできる装置およびバッチプロセスに用いることのできる装置を提供する。

本装置は、磁気マトリックスの占める容器の領域に磁場を提供する手段をさらに含んでなる。

本発明の装置は、固液混合物が強磁性、フェリ磁性、反強磁性、常磁性または反磁性固体を含有する場合、固液混合物が強磁性または常磁性粒子でシーディングされる場合に用いられる。本装置はまた、磁気粒子が分離すべき標的材料に付加する場合、すなわち、「機能性磁気ビーズ」を用いて、タンパク質、ＤＮＡプラスミドおよびその他生物材料等の高価値の標的材料に付加する場合にも有用である。

≧１００Ｔ／ｍの傾斜磁場を生成する磁気マトリックスがこの装置に有用であることが分かっている。好ましいのは≧５０００Ｔ／ｍ等の高傾斜磁場を生成する磁気マトリックスである。

本発明は、磁気粒子を含有する固液混合物の連続またはバッチ遠心分離固液分離を実施する装置を提供する。装置の性能は、傾斜磁場の存在により改善される。

本発明の装置は、固液混合物に遠心分離と傾斜磁場の印加を同時に行う。傾斜は、分離が生じる装置内で動作して、磁気粒子をその結果装置内で動かすという意味で、局所傾斜磁場である。傾斜磁場は固液混合物中に存在する磁気粒子に磁力を与える。粒子は、強磁性、フェリ磁性、反強磁性、常磁性または反磁性粒子であってよい。回転磁気マトリックスは、傾斜磁場を生成し、傾斜磁場により提供される磁力が磁気マトリックスに磁気粒子を引き付ける。傾斜磁場は好ましくは≧１００Ｔ／ｍである。最も好ましいのは、≧５０００Ｔ／ｍ等の高傾斜磁場である。

磁気マトリックスは、磁場に傾斜磁場を提供する任意の材料から構築してよい。一般的に、磁場に配置されると傾斜磁場を与える、鋼線、鋼棒、鋼綿および／または鋼スクリーン等の材料から構築される。磁気マトリックスは、磁気ワイヤの配列から構成される１つの要素を含んでいる、あるいは同様または異なる複数のかかる要素を含んでいてよい。要素は、様々な構成で容器内に配列してよい。一実施形態において、要素は平坦であり、平面が容器の軸に垂直である。

マトリックスの要素の採るいくつかの構成の例を図１に示す。図１ａに、中心から外側に放射状に延在する線または棒から構成されるマトリックスを示す。図１ｂに、外側に放射状に延在するワイヤおよび同心円の線で構成されるマトリックスを示す。図１ｃに、外側に延在する分岐線で構成されるマトリックスを示す。図１ｄに、中心から外側に延在する曲線から構成されるマトリックスを示す。図１ｅに、スクリーンから構成されるマトリックスを示す。線の形状およびサイズは異なっていてもよい。マトリックスの要素は、容器の直径に対して直径を変えてもよい。一実施形態において、マトリックスの要素は、容器の中心、例えば、軸から、容器の端部、例えば、内壁まで延在するように構築してもよい。磁気マトリックスの要素としての線は、自立形としても、支持してもよい。他の実施形態において、要素は、平坦ではなく、その軸を容器の軸に沿わせた円錐形としてもよい。

装置はまた、このように、磁気マトリックス上で動作する磁場を提供する手段も含んでなる。磁場を提供する手段は、磁気マトリックスがその中で回転する容器の内部または外部のソレノイドまたは永久磁石を含む。

磁気マトリックスは、固液混合物を供給する容器内で回転する。磁気マトリックスがその中で回転する容器は、回転部を備えた遠心分離機とすることができる。その場合、遠心分離機の回転部および回転磁気マトリックスの両方とも磁気粒子に印加される遠心分離力に寄与する。「遠心分離機」という用語は、本明細書においては、回転ロータ、回転スクリューまたは遠心分離力を提供するその他回転部分を有する容器を含むものとして用いられている。遠心分離力を提供するデカンタ、分離器およびハイドロサイクロンが挙げられる。この場合は、磁気マトリックスを遠心分離機のロータ、スクリューまたは軸に固定して、遠心分離機と同じ周波数で回転させる、あるいは別個のドライブを備えた別個の軸に取り付けて、回転周波数を独立して調整する。遠心分離機と磁気マトリックス回転周波数の違いを、分離プロセスの操作を調整するパラメータとして用いることができる。「遠心分離機」という用語にはまた、固液混合物および遠心分離力の螺旋状の動きとなる接線、例えば、放射状の入口を備えた静的遠心分離機も含まれる。

あるいは、磁気マトリックスがその中で回転する容器は静置されたもの、すなわち、回転しない容器とすることができる。この場合は、回転磁気マトリックスは、磁気粒子の遠心分離力の唯一の源である。

固液混合物中の磁気粒子は、強磁性、フェリ磁性、反強磁性、常磁性または反磁性とすることができる。固液混合物はまた、強磁性または常磁性粒子でシーディングして、分離を促進してもよい。本装置はまた、「機能性磁気ビーズ」を用いるとき、すなわち、磁気粒子を分離すべき標的固体に付加するときも有効である。分離プロセスを促進し、高価なバイオ材料の喪失を減じるために、高価なバイオ材料等の高価値標的材料をかかる磁気粒子に付加することもできる。「機能性磁気ビーズ」は、表面を標的生物材料に結合することが知られている生物または化学構成要素で処理することにより「機能性」のある磁気粒子である。標的材料を付加した「機能性磁気ビーズ」が分離された後、別個の工程で、標的材料を機能性磁気ビーズから分離することができる。磁気ビーズは再利用することができる。本明細書で用いる「磁気粒子」には、この段落で上述した磁気材料の全ての種類が含まれる。

マトリックスで動作する磁場の結果、磁気粒子は磁気マトリックスに引き付けられて接合する。遠心分離力の結果、磁気粒子が容器の内壁または他端に放射状に外側に向かって動く。磁気粒子の外側への放射状の動きおよび磁気マトリックスの外側端部での収集の結果、磁気マトリックスが自己洗浄されて、磁気粒子をさらに集めることができる。

回転磁気マトリックスが遠心分離力の唯一の源のときは、回転する磁気マトリックスに接合するため、実質的に磁気粒子のみが遠心分離力を受ける。これらの磁気粒子は、それらが集められる容器の内壁または他端に向かって外側に動く。遠心分離力の唯一の源である静置容器および回転磁気マトリックスを備えた装置は、磁気粒子を固液混合物から分離するのに特に有用であり、その中に含有された磁気粒子は回収されなければならず、非磁気粒子は廃棄物の一部と考えられる。

装置は、固液混合物を供給できる入口を含む。固液混合物は、軸方向か、接線方向、すなわち、放射状に容器に供給される。固液混合物は、凝集剤、界面活性剤およびゾルを適宜含む。固液混合物は、一般的に、懸濁液と多くの同じ特徴を有する。

一実施形態において、装置は分離が連続プロセスとして実施できるように設計されている。固液混合物は、磁気マトリックスがその中で回転する容器へ入口を通して連続的に供給される。磁気粒子を磁気マトリックスの外側端部で集めて、製品出口を通して容器からそれらを取り出す手段が提供されている。固液混合物中の非磁性粒子は磁気マトリックスに引き付けられず、容器を通して液体と共に流れ、廃棄物出口を通して廃棄ストリーム中の液体と共に容器から放出される。

連続実施装置において、固液混合物を供給入口を通して容器の一端へ供給し、磁気粒子がそれから分離された後、固液混合物の残渣を容器から除去する設備が作られている。残渣は液体のみ、または液体と非磁気粒子の混合物である。本実施形態において、本装置は、固液混合物を前記容器に連続的に供給する供給入口と、分離された磁気粒子が容器から放出される製品出口と、回転磁気マトリックスを通過した固液混合物の残渣が容器から放
出される廃棄物出口とをさらに含んでなる。

分離の連続プロセスを実施する様々な実施形態において、容器自身は回転部を有さず、回転磁気マトリックスが遠心分離力の唯一の源である。かかる一実施形態において、容器は、異なる直径の一組の２つの同心直円柱シリンダから構成されている。直径の小さなシリンダの壁は円柱領域を囲んでおり、シリンダの組の２つの壁は円柱シェルまたは環形環の形状の領域を囲んでいる。回転磁気マトリックスの各要素は、直径の小さなシリンダの壁の開口部を通して容器の軸から延在しており、開口部は各要素が円柱シェル領域へ延在するためのものである。

本実施形態において、装置はまた、円柱シェル領域の一端に入るバッファ溶液入口も含んでなる。固液混合物の供給入口は、バッファ溶液入口として容器の同じ端部で直径の小さなシリンダ内側の円柱領域に入る。廃棄出口は、供給入口が入る端部の反対の直径の小さなシリンダ内側の円柱領域の端部から出る。製品出口は、バッファ溶液入口が入る端部の反対の円柱シェル領域の端部から出る。

回転磁気マトリックスが、固液混合物で動作する遠心分離力の唯一の源である、連続プロセスを実施するための装置の本実施形態の概略図を図２に示す。図２ａに、直径の小さなシリンダが中に配置された直円柱シリンダの形態の容器１の垂直断面を示す。直径の小さなシリンダの垂直壁２は、内側円柱空間を囲んでおり、壁２および３は外側円柱シェルを囲んでいる。回転磁気マトリックス４は、容器の軸に沿ってシャフト５に取り付けられている。シャフト５を回転する手段は、矢印６で示されるとおりに提供されている。シャフト５を回転させる手段は、例えば、シャフトに接続されたモータを含む。装置は、磁気マトリックスで動作する磁場を提供する手段をさらに含んでなり、矢印Ｂは磁場の存在および方向を示している。場は他の方向に向けることもできるが、容器の軸に平行であるか、または容器の軸に平行な大きなコンポーネントを有するのが好ましい。

図２ｂは、回転磁気マトリックス４の構成を示す水平断面である。この場合、磁気マトリックスは、図示するような線または棒である１つのみのタイプの要素で構成されているが、同様または異なる要素をシャフト５に取り付け回転させることができる。要素について図示した構成は、図１ａに示したものと同様、すなわち、中心から外側に放射状に延在する線または棒である。線または棒は、シャフトから壁２の開口部を通って、外側円柱シェルへ延在している。

固液混合物は、矢印７に示される通り、入口を通って内側シリンダへ連続的に供給される。固液混合物は、白色中心８を有する球として示される磁気粒子、並んだ黒色球９として示される非磁気固体および液体から構成される。固液混合物は、印加された圧力および重力の結果として、内側シリンダの上部から下部へ流れる。磁気マトリックスでの傾斜磁場および得られる磁力の結果として、磁気粒子は磁気マトリックスに引き付けられて接合する。磁気粒子の磁気マトリックスに対する大きな力および強い接合が得られるため、高傾斜磁場が好ましい。回転磁気マトリックスにより提供される遠心分離力の結果として、磁気粒子は壁２に向かって放射状に外側に動く。それらは、壁２の開口部を通って外側円柱シェルに入る。

本実施形態において、磁気粒子を集めて取り除く手段は、液相バッファ溶液により提供される。液相バッファ溶液は、矢印１０に示される通り、入口を通って外側円柱シェルへ供給される。液相バッファ溶液は、印加された圧力および重力の結果として、円柱シェルの上部から下部へ流れる。磁気粒子が壁２の開口部を通過して、外側円柱シェルに入るにつれて、バッファ溶液のフローに拾われて、矢印１１で示されるとおり製品出口を通って装置から放出される。バッファ溶液は、磁気粒子の溶液からの分離を促すようなものを選択する。磁気粒子が、標的製品が付加した機能性磁気ビーズのときは、標的製品は磁気ビーズから分離されて磁気ビーズは再利用される。非磁気粒子は、磁気マトリックスに引き付けられず、遠心分離力を実質的に受けず、内側シリンダを通って固液混合物の液体と共に流れ続けて、矢印１２に示すとおり、廃棄出口を通る液体と共に内側シリンダから放出される。

本発明の装置は、選択的分離、すなわち、磁気粒子を非磁気粒子および液体から分離するのに用いることができる。本装置はまた、磁気粒子を液体から分離する、または異なるサイズの磁気粒子を分類するのにも用いることができる。高傾斜磁場により、高磁力となって、小さな磁気粒子が分離されて、小さな粒子を磁気ビーズとして用いることができるようになる。磁場の存在の結果としての凝集によって、かかる分離が促される。磁気ナノ粒子を本発明の装置により分離することができる。

本発明で用いるのに好適なその他の分離装置、その使用方法は、全ての目的についてその一部として全体が援用される２００５年２月１７日出願の米国特許出願第１１／０６０，００１号明細書および同第１１／０６０，００４号明細書に記載されている。

磁気マトリックスの要素の構成のいくつかの例を示す。 連続分離プロセスを実施する傾斜磁場改善遠心分離装置の一実施形態を示す概略図である。

Claims (13)

1. （ａ）遠心分離が生じる容器と、（ｂ）前記容器内で回転する磁気マトリックスとを含んでなる磁気粒子を含有する固液混合物の遠心分離用装置。
2. （ｃ）前記磁気マトリックスの占める前記容器の領域に磁場を提供する手段をさらに含んでなる請求項１に記載の装置。
3. 磁場を提供する手段がソレノイドを含んでなる請求項２に記載の装置。
4. 前記容器が遠心分離機である請求項１に記載の装置。
5. 前記回転磁気マトリックスが遠心力の唯一の源である請求項１に記載の装置。
6. 前記回転磁場マトリックスが、≧１００Ｔ／ｍの大きさの傾斜磁場を生成する請求項１に記載の装置。
7. 前記回転磁場マトリックスが、≧５０００Ｔ／ｍの大きさの傾斜磁場を生成する請求項１に記載の装置。
8. 前記回転磁場マトリックスが、磁気ワイヤの配列で構成される１つの要素を含んでなる請求項１に記載の装置。
9. 前記回転磁場マトリックスが、それぞれが磁気ワイヤの配列で構成される複数の要素を含んでなる請求項１に記載の装置。
10. 前記容器が軸と内壁とを有し、前記回転磁気マトリックスが前記容器の軸から前記容器の前記内壁まで延在している請求項１に記載の装置。
11. （ｄ）前記固液混合物を前記容器に連続的に供給する供給入口と、（ｅ）前記分離された磁気粒子が前記容器から放出される製品出口と、（ｆ）前記回転磁気マトリックスを通過した前記固液混合物の残渣が前記容器から放出される廃棄物出口とをさらに含んでなる請求項１に記載の装置。
12. 軸を有し、前記容器が異なる直径の２つの同心右循環シリンダで構成され、前記直径の小さなシリンダの壁が内側円柱領域を囲み、前記２つのシリンダの各壁が円柱シェル領域を囲み、前記回転磁気マトリックスの各要素が前記容器の軸から、前記直径の小さなシリンダの壁の開口部を通って、前記円柱シェル領域へ延在している請求項１に記載の装置。
13. 前記容器の第１の端部で前記円柱シェル領域に入るバッファ溶液入口と、前記容器の前記第１の端部で前記内側円柱領域に入る前記固液混合物用入口と、前記容器の第２の端部で前記内側円柱領域から出る廃棄物出口と、前記容器の前記第２の端部で前記円柱シェル領域から出る製品出口とをさらに含んでなる請求項１２に記載の装置。

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