JP5683595B2 - 不均一な溶液を均一溶液に混合する方法及び装置 - Google Patents
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Description
さらに、本発明は上記の方法を実行するための装置を提供する。
・異なる密度、及び/又は
・さまざまな粘性、及び/又は
・非常に異なる相互混和性、
・小さい溶液量等を有する場合に得るのがいっそう困難である。
混合技術の1つは、容器に存在する第1の溶液に第2の溶液を付加する間に、ピペットのピストンの動きにより、コーンを使用して、容器から取り上げ、続いて吐き出すことを数回交替に実施することから成る。この方法の欠点は、実施する際に、ユーザ側の確実な器用さと繊細さを必要とするということである。上記の操作の繰り返しは、ユーザと彼の疲労、緊張感などの状態に依存しており疑わしい。とりわけ、取り上げ/吐き出しのあまりに高い頻度は、容器でのコーンのまずい位置どりにより、混合物中に気泡を出現させる場合がある。さらに、吐き出しが高速で実施される場合、従って量はとても高い力によって放出される。それによって、容器の壁に対して跳ねることによって液飛びのリスクとある程度の液滴がおそらくそこから除かれるリスクが増大する。これは、混合される溶液の量の減失に結果としてなる場合がある。さらに、この減失は、ユーザがコーンから液体を放出するためにピストンを完全に作動させない不完全な吐出し段階の結果である場合もある。さらに、この技術では高粘性溶液の混合が可能でない。最後に、コーンを混合される媒体に繰り返し挿入することは、混入物を導入するリスクをかなり増大させる。
これらの材料は、おそらく磁性物閉じこめを可能にしてもよく、またフィルタ、フィルム、膜またはストリップを形成してもよい。これらの材料は、当業者にとって周知である。
a)不均一溶液の全部または一部を、縦軸を有する少なくとも一つの容器に置くこと、
b)前記容器を回転軸のまわりを駆動する支持体に配置し、縦軸を回転軸に対して傾けること、及び
c)前記容器に含有される溶液に正弦波強度の連続的加速と減速をかけるために、支持体を運動にかけ、それにより前記不均一溶液を撹拌して均質化する工程を含む方法に関する。
前の段落の異なった実施態様によれば、支持体の運動が楕円を描く。
i)場合により台にまたは他の任意の表面に配置されてもよい、固定枠、
ii)縦軸を有する少なくとも一つの容器を受けることができる、可動支持体、
iii)回転運動を生み出すことができ且つ枠に固定された、モーター駆動手段、及び
iv)可動支持体にモーター駆動手段の回転運動を伝達して容器に含有される溶液を正弦波強度の連続的加速と減速にかける、伝達手段を含む装置に関する。
装置の実施態様が何であろうと、支持体の回転軸が本質的に垂直位置にあり、容器の縦軸が本質的に垂直位置にない。
実施態様が何であろうと、容器の縦軸が支持体の回転軸に対して傾斜した角度にあり、2本の軸が交差する場合、角度が1°から60°に、好ましくは20°から50°に、より好ましくは25°から45°である。
我々が開発した方法は、上記の欠点のいずれによっても損なわれない。現在利用可能な混合方法に対して、本発明の有利な点は、以下の通りである。
1.容器の内部表面の限られた領域だけがぬれる。
2.厳密に定義された振動振幅/振動数の組合せの代わりに、より幅広い軌道振動数と振幅が使用されてもよい。
3.容器の縦軸と回転軸との間の角度は比較的幅広く使用され、これらのパラメータの最適化が容易であり、使用がより簡単でより順応性がある。
4.従来技術に記載されているボルテックス混合又は軌道混合の場合よりも、本方法は液体、したがって混合物を十分に穏やかに滑らかに移動させて、エアゾール形成のリスクをそれほど重大なものにしないか、存在しないようにする。
5.容器が閉じられていない場合でさえも効率的に混合することが可能であり、混入のリスクを非常に減少させる。
混合性能の改良点は、0より大きい任意の角度について達成される(0は2つの平行軸に相当する)。もちろん、この角度は
・容器またはチューブの形状、及び
・混合される液体の特性(限定的な角度範囲が必要である場合がある)
に基づいて、使用する特異的な組合せに従って変化してもよい。
軌道運動のための通常の機械的配置:
液体を混合するのための手段としての軌道運動のための通常の機械的配置を図1に示す。これは、固体支持体(例えば水平台1)、小円に制限された運動または半径5を有する回転2、及び好ましくは重力方向と平行である台1の対称/回転軸3を示す。各容器7(その内容物が混合されることになる)は、前記容器の対称軸4が回転軸3に平行に、前記台1に垂直に配置される。この同じ配置が、本出願人が確認した従来技術の軌道ミキサーに使われる。
この配置において、機械装置は、渦を生み出すために作用する。したがって、液体(実際には、2つの液体が一緒に混合されることが要求される)が、振動運動の中で、軌道の外側に液体の重力の中央を有する容器の垂直壁に沿って同調して移動し始める。
この方法論の基本となる仮定は液体が実際に振動運動を受けることを強制されるということであり、それは直径と液体特性(例えば粘性、密度と液面張力)の組合せに対応するミキサー振幅/振動数の組合せを必要とする。非円筒状反応容器(分子生物学においてよく使われる)については、最適となる一つの振幅/振動数の組合せはないと仮定される可能性がある:固定された振幅の場合に、狭い底部分は、容器のより広い上部より高い振動数を必要とする。これは実験により完全に示され、容器の最も狭い部分で混合は完全に得られず、トレーサによる染色がない。
この混合を向上するための1つの解決案は単純であるが、多くの欠点で損なわれる。したがって、容器の内容物とは独立に、液体が混合される程度まで、軌道運動の振動数は増大されなければならない。このアプローチの主要な欠点は、必然的に、ストッパー(前記容器を閉じる)が濡らされて、医学診断法の分野では損害である液体の減失となることである。さらに、薄い油膜が液体に存在した場合、水性液体を混合することは、明らかに回避が望ましいエマルジョンに結果としてなるだろう。
このために、本願は軌道ミキサーを使用する異なる方法を見いだした。渦を導入する方法を追求する代わりに、本願は混合を誘導するように液体を移動するための別のモデルを追求することに決めた。
ミキサー9の回転軸3と平行である対称軸4を有する容器7を配置する代わりに、本願は、図2に明示されているように、特定の角度6で容器7を配置した。
使用に応じて、本発明の軌道ミキサー9が用いられ、混合される液体8を含む容器7は回転軸3に角度6で配置され、回転軸3自体は重力方向と平行である。さらに図3に示すように、水平位置に対する又は垂直線に対する容器7の傾斜角は、外部観察者にとって側方の位置で依然として同じである。言いかえれば、この位置の観察者は容器7が一定傾斜角のままで、交替に左と右に、その逆に動いている感覚がある。
高速ビデオカメラを使用する容器7の内容物の目視検査は、従来の軌道混合と傾斜混合方法との間に2つの顕著な違いを明らかに示す:
1.移動なしに、液体表面の対称性は失われ、半月の円周と接触角度は、容器7の角度で異なる。
2.支持体1の矢2に沿った運動については、液体8の表面の変化は波のものと似ており、混合の間に空間再分布を追跡するためにトレーサー染料を用いて、回転方向の違いに従って、図5aと5bに示すように液体運動を観察することは容易である。
それは、液体8の非対称分布と前記液体8の増大した表面積と正弦波加速の組合せであり、矢9aに沿った加速と矢9bに沿った減速によって変化し(図3)、それは流れ、還流、従って混合を促進する。これらの矢9aに沿った加速と矢9bに沿った減速は、それぞれ図5bと5aにおいて観察される運動に対応する。液体中での従来の軌道混合の場合のように渦を形成する代わりに、及び容器7の内部表面上をコートする液体を見いだす代わりに、本方法は液体を可能な限り集めるように保つ一方で、前記容器7の底に置かれた液体も運動を受けるように十分にバランスをとる。液体の内部変化は、実際には、他の2つの軸(すなわち、重力方向と容器7の対称軸4)に垂直な軸についての回転である。
我々は、異なる幾何学的な形状を有する2つの容器またはチューブ、まずエッペンドルフチューブ10(図6a)と次に従来のチューブ(すなわち、円筒チューブ11(図6b))を使用して試験した。従って、これらの実験で使用するチューブは、5ミリメートル(mm)の最大内径を有した。さらに:
1.粘性を増加させた3つの異なる液体(0または1Mまたは1.5Mの何れかのソルビトールを含む)が使われた。
2.各々の濃度ごとに、水相上の油の有無がある。
3.ソルビトールを含む溶液と油との間に水性色素溶液を加えた。
従って、目的は以下を調べることである。
1.どの傾斜角で混合が向上されるか。
2.どの振動数の範囲内で混合が向上するか。
3.どの粘性の効果および/または油膜の効果は、混合時間に応じているか。
混合の質は、約5ミリ秒(ms)の時間解像度を提供する高速ビデオ画像(1秒につき200の画像で記録される)を使用して視覚的に判断された。
装置9の振幅が一定の場合、台1の振幅は、常に回転速度の設定に関係なく一定であった。これは、図7において、x軸上のモーター速度(振動数に対応する)の関数として、y軸にプロットされる軌道回転振幅で明らかに示される。
従って、図8は、円筒チューブの角度を0°(従来の軌道混合での用途に従って)から50°まで変えることによって、液体を混合するために必要な時間の減少を示す。
図8において、一定半径の円筒チューブ11が使われた。この場合、非常に少量の低粘性液体は、角度が約0付近であっても混合された。しかしながら、粘性および/または量が増大した場合、又は油が加えられた場合、ゼロ度での混合はずっと難しくなる。円筒チューブ11中の60μlの水性液体を使用すると、混合の向上は小さい角度であっても検出可能である(図8)。小さい変化であっても混合時間を減らすことを助けるが、最高のパフォーマンスが20°を超える角度及びより大きい角度の場合に得られるということが理解されうる。そして、少量の場合に混合時間が最も短いレベル近くまで減少される。
これは、0°での水に類似した液体の混合時間に近づくように混合時間を最適化する場合、円筒チューブ11において、0°で混合できない液体が0°を超える角度で完全に混合できることを意味する。
最も良い混合能力のための角度は、容器の量によって決まり、液体8(または液体)の粘性によって特徴的に増大して、水性液体上の油の存在によって決まる。約30°を超える角度において、調べられた構造の大部分は、2、3秒、通常は一般の5秒で混合することが可能であった。これが、
・40μlの水のみ(H2O=曲線A)、又は
・油と40μlの水のみ(H2O+油=曲線B)、又は
・60μlの1.5Mソルビトール(SORB.=曲線C)、又は最後に
・油と60μlの1.5Mソルビトール(SORB.+油=曲線D)を含む液体の場合について証明されたことに注目されたい。
図9によれば、混合時間に関するチューブ11の角度の効果は、油膜で覆われた2つの層化された液体、すなわち異なる粘性の2つの水性液体(2mPa.s(ミリパスカル/秒)に対応する曲線Eと20mPa.sに対応する曲線F)について研究された。
この場合、容器10(円錐エッペンドルフチューブの形)の角度を最適化することによって、我々は、油膜が液体に加えて使われる場合に、低速の混合と高速の混合との間により急な移行があることを見いだした。この場合28°と30°との間の角度、更にはより大きい角度の場合に、混合時間はかなり減少される。実際のところ、水の粘性が高くなれば、角度をより高くしなければならないが、本発明では、粘性が増加した場合に(油の量を10倍に増大することによって:2mPa.sは正方形で示される曲線、20mPa.sは三角形で示される曲線)角度が28°から30°に増加することで良好な混合結果を得ることか可能になる。
図10の場合に、角度45°を有する円筒容器11にかける必要があり且つ良好な混合を可能にする能力のために選択された振動数を考慮すると、最適振動数は20Hzを超える。この振動数は、チューブの配置によって決まり、従って、各構造のために最適化されなければならない。粘性の増加させた「単純な」液体についての混合時間における容器の振動数(rpm)のこの効果は、3つの異なる粘性の三層化された水性液体系の油膜によって覆われたもの又は覆われなかったもので得られた。
・小円によって示された曲線(曲線G)に対応する40μlの水(0M)
・クロスによって示された曲線(曲線H)に対応する、1Mのソルビトールを有する40μlの水(1M)
・大きな正方形によって示された曲線(曲線I)に対応する、1.5Mのソルビトールを有する40μlの水(1.5M)
・三角形によって示された曲線(曲線J)に対応する、40μlの水(0M)と油(0M+油)
・小さい正方形によって示された曲線(曲線K)に対応する、1Mのソルビトールを有する40μlの水(1M)と油(1M+油)
・ダイアモンド形によって示された曲線(曲線L)に対応する、1.5Mのソルビトールを有する40μlの水(1.5M)と油(1.5M+油)
2 支持体1上の容器7の回転運動
3 ミキサーの回転軸
4 容器7の対称軸
5 回転の半径
6 回転軸3と対称軸4との間の角度
7 液体8を含む容器
8 容器7に含まれる液体
9 ミキサー装置
10 エッペンドルフ(登録商標)チューブ
11 従来の円筒チューブ
Claims (13)
- 少なくとも2つの異なる液体と場合により少なくとも一つの固体物を含むか、あるいは少なくとも一つの液体と少なくとも一つの固体物を含む不均一溶液を、均一溶液を得るために混合する方法であって、
a)不均一溶液の全部または一部を、縦軸を有する少なくとも一つの容器に配置すること、
b)前記容器を回転軸のまわりを駆動する支持体に配置し、縦軸を回転軸に対して傾けること、
c)支持体に運動を受けさせること、及び
d)前記容器を前記回転軸のまわりを所定の半径で回転移動させて、半回転後に回転軸に最も近かった容器の部分が前記回転軸から最も遠く離れた位置にくるようにし、また、半回転後に回転軸から最も遠く離れていた容器の部分が前記回転軸に最も近い位置にくるようにすることで、前記容器に含有される溶液に正弦波強度の連続的加速と減速をかけて、それにより前記不均一溶液を撹拌して均質化すること、を含む方法。 - 前記支持体の運動の間、前記容器の縦軸が、前記支持体の回転軸を1回転につき2回横切ることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記容器が、混合中に、前記容器に前記不均一溶液の全部又は一部が残ることなく撹拌することができる十分な空気の量を、不均一溶液とは別に含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 前記容器が、混合中に前記容器に前記不均一溶液の全部又は部分が残ることができないように撹拌することができる十分な空気の量を不均一溶液とは別に含み、栓により閉じられていることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 前記容器の縦軸の傾斜角が、回転の間に回転速度に従って及び/又は前記容器の位置に従って変化することを特徴とする、請求項1から4の何れか一項に記載の方法。
- 前記支持体の運動が円を描くことを特徴とする、請求項1から5の何れか一項に記載の方法。
- 前記支持体の運動が楕円を描くことを特徴とする、請求項1から5の何れか一項に記載の方法。
- 少なくとも2つの異なる液体と場合により少なくとも一つの固体物を含むか、あるいは少なくとも一つの液体と少なくとも一つの固体物を含む不均一溶液を、均一溶液を得るために混合する装置であって、
i)場合により台にまたは他の任意の表面に配置されてもよい、固定枠;
ii)縦軸を有する少なくとも一つの容器を受けることができる、可動支持体;
iii)回転運動を生み出すことができ且つ枠に固定された、モーター駆動手段、及び
iv)可動支持体にモーター駆動手段の回転運動を伝達して容器に含有される溶液に正弦波強度の連続的加速と減速をかける、伝達手段であって、容器の縦軸が支持体の回転軸に対して傾斜した角度にあり、伝達手段の動きは、前記容器を前記回転軸のまわりを所定の半径で回転移動させて、半回転後に回転軸に最も近かった容器の部分が前記回転軸から最も遠く離れた位置にくるようにし、また、半回転後に回転軸から最も遠く離れていた容器の部分が前記回転軸に最も近い位置にくるように容器を配置する伝達手段を含む装置。 - 支持体の回転軸が本質的に垂直な位置にあり、容器の縦軸が本質的に垂直な位置にないことを特徴とする、請求項8に記載の装置。
- 2本の軸が交差する場合、角度が1°から60°に、好ましくは20°から50°に、より好ましくは25°から45°であることを特徴とする、請求項8または9に記載の装置。
- 容器が閉じることを特徴とする、請求項8から10の何れか一項に記載の装置。
- 前記容器が、エッペンドルフチューブまたは円筒チューブであることを特徴とする、請求項1から7の何れか一項に記載の方法。
- 前記容器が、エッペンドルフチューブまたは円筒チューブであることを特徴とする、請求項8から11の何れか一項に記載の装置。
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