KR20070107127A - 자기장 구배가 개선된 원심 분리용 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고액 혼합물이 자기장 구배와 원심 분리를 받게 되는 연속 또는 배치 원심 고액 분리 공정을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

자기장 구배, 원심 분리, 고액 혼합물, 자기 입자, 자기 매트릭스, 기능화된 자기 비드

Description

자기장 구배가 개선된 원심 분리용 장치{APPARATUS FOR MAGNETIC FIELD GRADIENT ENHANCED CENTRIFUGATION}

본 발명은 자기장 구배의 존재에 의해 개선되는 원심 분리 장치에 관한 것이다.

고액 분리(solid-liquid separation)는 폭넓게 사용되고, 고액 혼합물로부터의 많은 양의 무기물 분리로부터 생명 공학 또는 제약 산업에서 적은 배치(batch)의 고가 생성물의 분리까지 다양하게 사용된다. 중력압, 압력, 온도, 원심압 및 유체 역학은 지난 50년간 전통적인 고액 분리의 주된 관점이 되어왔다. 종래의 고액 분리는 일반적으로 2개의 주요 단계로 구성된다. 처음 단계에서, 고체 입자는 압력의 인가에 의해 액체로부터 분리된다. 압력은 피스톤, 가스압, 동수압, 중력압, 원심압 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 압력을 기계적으로 적용하여 가해질 수 있고, 액체가 필터를 통과하면 고체가 필터에 남게 된다. 이때 직면하게 되는 한 가지 문제점은 고체 "돌파", 즉 고체가 필터를 통과함으로 인한 고체 손실이다. 더 심각한 문제점은 기계적인 분리 단계로 완전한 분리가 되지 않는다는 것이다. 이는 제2 단계인 열적 건조 공정을 필요로 한다.

열적 건조 공정은 에너지 효율이 매우 낮은데, 기계적 단계보다 대략 100 내 지 200배 만큼 에너지 효율이 낮다. 상당한 체적의 재료가 매년 처리되므로, 더욱 효율적인 기계적 고액 분리는 이후의 건조의 필요성을 줄임으로써 전체적인 에너지 소비를 상당히 감소시킨다. 열적 건조가 전체 세계 에너지 소비에서 상당한 부분을 차지하므로, 이는 에너지 소비에 큰 영향을 줄 수 있다.

일부 예에서, 높은 구배의 자기장 분리법이 고액 혼합물에서 특정한 자성을 띤 고체를 분리하기 위해 사용되었다.

본 발명의 목적은 자기 입자(magnetic particle)를 포함하는 고액 혼합물의 더욱 효율적인 분리를 가능하게 하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 자기 입자를 포함하는 고액 혼합물의 원심 분리를 위한 장치를 제공하며, 이 장치는 원심 분리가 일어나는 용기와, 용기 내의 회전 자기 매트릭스를 포함한다. 이 장치가 수행하는 분리 공정은 자기장 구배의 존재에 의해 개선된다. 회전 자기 매트릭스는 자기장 구배의 출처이다. 이러한 국부화된 자기장 구배에 의해 제공된 자기력은 자기 입자를 회전 자기 매트릭스로 유인한다. 본 발명은 배치 공정용으로 사용될 수 있는 장치뿐만 아니라 연속 공정용으로 사용될 수 있는 장치를 제공한다.

이 장치는 자기 매트릭스에 의해 점유된 장치의 영역에 자기장을 제공하기 위한 수단을 더 포함한다.

본 발명의 장치는 고액 혼합물이 강자성, 페리 자성, 반강자성, 상자성 또는 반자성 고체를 포함하는 경우 또는 고액 혼합물에 강자성 또는 상자성 입자가 공급되는 경우에 사용될 수 있다. 또한, 이 장치는 자기 입자가 분리될 목표 재료에 부착되는 경우 즉, "기능화된 자기 비드"가 사용되고, 단백질, DNA 플라스미드 및 다른 생물학적 재료와 같은 고가의 목표 재료에 부착될 때 유용하다.

100T/m 이상의 자기장 구배를 발생시키는 자기 매트릭스가 본 장치에 유용하다는 것이 밝혀졌다. 5000T/m 이상의 구배와 같은 높은 자기장 구배를 발생시키는 자기 매트릭스가 바람직하다.

도1은 자기 매트릭스의 요소의 구성의 몇몇 예시들을 도시한다.

도2는 연속 분리 공정을 수행하기 위한 자기장 구배가 개선된 원심분리 장치의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.

본 발명은 자기 입자를 포함하는 고액 혼합물의 연속 또는 배치 원심 고액 분리를 수행하기 위한 장치를 제공하며, 이 장치의 성능은 자기장 구배의 존재에 의해 개선된다.

본 발명의 장치는 고액 혼합물이 원심 분리와 자기장 구배를 동시에 받도록 한다. 이러한 구배는 분리가 일어나는 장치 내에서 작용하고 결과적으로 자기 입자가 장치 내에서 이동을 겪도록 만드는 점에서 국부화된 자기장 구배일 수 있다. 자기장 구배는 고액 혼합물 내에 존재하는 자기 입자에 자기력을 제공한다. 자기 입자는 강자성, 페리 자성, 반강자성, 상자성 또는 반자성의 입자일 수 있다. 회전 자기 매트릭스는 자기장 구배를 생성하며, 자기장 구배에 의해 제공된 자력은 자기 입자를 자기 매트릭스로 유인한다. 자기장 구배는 양호하게는 100 T/m 이상이다. 5000 T/m 이상의 구배와 같은 높은 자기장 구배가 가장 바람직하다.

자기 매트릭스는 자기장에서 자기장 구배를 제공할 임의의 재료로 구성될 수 있다. 통상, 강선, 강철 로드, 강철솜(steel wool) 및/또는 강철망과 같은, 자기장 내에 위치될 때 자기장 구배를 제공할 재료로 구성된다. 자기 매트릭스는 자기 도선의 배열체로 이루어진 하나의 요소를 포함할 수 있거나, 또는 유사하거나 상이할 수 있는 복수의 이러한 요소를 포함할 수 있다. 요소는 다양한 구성으로 용기 내에 배열될 수 있다. 하나의 실시예에서, 이 요소는 평면형이며, 이 평면은 용기의 축에 대해 수직이다.

매트릭스의 요소들이 취할 수 있는 몇몇 구성의 예시가 도1에 도시된다. 도1의 (a)는 중심으로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 도선 또는 로드로 이루어진 매트릭스를 도시한다. 도1의 (b)는 반경 방향 외측으로 연장되는 도선들과 동심원 상태인 도선들로 이루어진 매트릭스를 도시한다. 도1의 (c)는 외측으로 연장되는 분지된 도선들로 이루어진 매트릭스를 도시한다. 도1의 (d)는 중심으로부터 외측으로 연장되는 만곡된 도선으로 이루어진 매트릭스를 도시한다. 도1의 (e)는 망으로 이루어진 매트릭스를 도시한다. 도선들은 형상 및 크기가 다양할 수 있다. 매트릭스의 요소들은 용기의 직경에 대하여 직경이 다양할 수 있다. 일 실시예에서, 매트릭스의 요소는 용기의 중심 예컨대, 축으로부터 용기의 에지 예컨대, 내벽까지 연장하도록 구성될 수 있다. 자기 매트릭스의 요소로서의 도선들은 독립하거나 지지될 수 있다. 다른 실시예에서는, 요소는 평면이 아니라, 요소의 축이 용기의 축 을 따르며 원추형의 형상일 수 있다.

따라서, 이 장치는 자기 매트릭스 상에서 작용하는 자기장을 제공하기 위한 수단도 역시 포함한다. 자기장을 제공하기 위한 수단은 자기 매트릭스가 회전하는 용기에 대해 내부 또는 외부에 있는 영구 자석 또는 솔레노이드를 포함할 수 있다.

자기 매트릭스는 고액 혼합물이 공급되는 용기 내에서 회전한다. 내부에 자기 매트릭스가 회전하는 용기는 회전 부품을 구비하는 원심 분리기일 수 있으며, 이 경우에 원심 분리기의 회전 부품 및 회전 자기 매트릭스는 모두 자기 입자가 받는 원심력에 기여할 수 있다. "원심 분리기"란 용어는 본 명세서에서 회전 로터, 회전 스크류 또는 원심력을 제공하는 다른 회전 부품을 갖는 임의의 용기를 포함하도록 사용된다. 원심 분리기는 원심력을 제공하는 경사 분리기, 분리기, 및 하이드로사이클론을 포함할 수 있다. 이 경우에, 자기 매트릭스는 원심 분리기의 로터, 스크류, 또는 액슬(axle)에 고정되고, 원심 분리기와 동일한 주파수로 회전될 수 있거나, 회전 주파수를 독립적으로 조정하도록 분리된 구동부를 구비하는 분리된 액슬에 고정될 수 있다. 원심 분리기와 자기 매트릭스 회전 주파수에서의 차이는 분리 공정의 작동을 조정하기 위해 파라미터로써 사용될 수 있다. 또한, "원심 분리기"라는 용어는 고액 혼합물의 나선 운동과 원심력을 얻게 하는 접선 방향 예컨대, 반경 방향 입구를 구비하는 고정 원심 분리기를 포함한다.

다르게는, 내부에 자기 매트릭스가 회전하는 용기는 고정인 것, 즉, 회전하지 않는 용기가 될 수 있다. 이 경우에, 회전 자기 매트릭스는 자기 입자상의 원심력의 단일 출처이다.

고액 혼합물 내의 자기 입자는 강자성, 페리 자성, 반강자성, 상자성 또는 반자성일 수 있다. 또한, 고액 혼합물은 분리를 향상시키도록 강자성 또는 상자성 입자가 공급될 수 있다. 또한, 이 장치는 "기능화된 자기 비드"가 사용될 때 즉, 자기 입자가 분리될 목표 고체에 부착될 때도 효과적이다. 분리 공정을 용이하게 하고 값비싼 생체 적합 물질의 손실을 감소시키도록 이러한 자기 입자에 값비싼 생체 적합 물질과 같은 고가의 목표 재료가 부착될 수 있다. "기능화된 자기 비드"는 목표 생물학적 재료에 결합되도록 그 표면을 공지된 생물학적 또는 화학적 실체로 처리한 "기능화된" 자기 입자이다. 부착된 목표 재료를 구비하는 "기능화된 자기 비드"가 격리된 후, 분리 단계는 기능화된 자기 비드로부터 목표 재료를 분리할 수 있다. 자기 비드는 재사용될 수 있다. 본 명세서에 사용된 것과 같은 "자기 입자"는 본 문단에서 전술한 모든 형태의 자기 재료를 포함한다.

매트릭스에 작용하는 자기장의 결과로서, 자기 입자는 자기 매트릭스에 유인되고 접착된다. 원심력의 결과로서, 자기 입자는 용기의 내벽 또는 다른 에지를 향해 반경 방향 외측으로 이동한다. 자기 입자의 운동은 반경 방향 외측이며 자기 매트릭스의 외측 단부에서의 자기 입자의 축적은 자기 매트릭스의 자정(self-cleaning)을 가져와서 추가적인 자기 입자가 축적될 수 있다.

회전 자기 매트릭스가 원심력의 단일 출처일 때, 자기 입자가 회전 자기 매트릭스에 접착되어 있기 때문에 기본적으로 자기 입자에만 원심력이 인가된다. 이러한 자기 입자는 이들이 축적될 수 있는 용기의 내벽 또는 다른 에지를 향해 외측으로 이동한다. 고정 용기와 원심력의 단일 출처인 회전 자기 매트릭스를 구비하 는 장치는, 고액 혼합물로부터 자기 입자를 분리시키기에 특히 유용하며, 여기서, 포함된 자기 입자는 재생되며, 비자기 입자가 폐기물의 주된 부분이 된다.

장치는 고액 혼합물이 공급될 수 있는 입구를 포함할 것이다. 고액 혼합물은 축방향 또는 접선 방향 즉, 반경 방향으로 용기 내로 공급될 수 있다. 고액 혼합물은 필요에 따라 엉김제, 계면 활성제 및 졸을 포함할 수 있다. 통상, 고액 혼합물은 현탁액과 동일한 특성이 많이 있다.

일 실시예에서, 이 장치는 분리가 연속 공정으로 진행될 수 있도록 설계된다. 고액 혼합물은 자기 매트릭스가 회전하는 용기 내로 입구를 통해 연속적으로 공급된다. 자기 매트릭스의 외측 단부에서 자기 입자를 수집하기 위한 그리고 제품 출구를 통해 용기로부터 자기 입자를 제거하기 위한 수단이 제공된다. 고액 혼합물 내의 임의의 비자기 입자는 자기 매트릭스에 부착되지 않으며, 용기를 통해 액체와 유동하며, 폐기물 출구를 통해 폐기물 흐름 내의 액체와 함께 용기로부터 방출된다.

연속적인 가동 장치에서, 공급 입구를 통해 용기의 일 단부로 고액 혼합물을 공급하고 자기 입자가 고액 혼합물로부터 분리된 후에 용기로부터 고액 혼합물의 찌꺼기를 제거하기 위해 대책이 마련된다. 찌꺼기는 액체만일 수도 있고, 액체와 비자기 입자의 혼합물일 수도 있다. 본 실시예에서, 이 장치는 고액 혼합물이 용기 내로 연속적으로 공급될 수 있는 공급 입구와, 분리된 자기 입자가 용기로부터 방출될 수 있는 생성물 출구와, 회전 자기 매트릭스를 통과한 후 고액 혼합물의 찌꺼기가 용기 출구로부터 방출될 수 있는 폐기물 출구를 더 포함한다.

분리의 연속 공정을 실행하기 위한 다양한 실시예에서, 용기 자체는 회전 부품을 갖지 않으며, 회전 자기 매트릭스는 원심력의 단일 출처이다. 이러한 일 실시예에서, 용기는 상이한 직경의 두 개의 동심 직원기둥 세트로 이루어지며 소경의 원기둥의 벽은 원통형 영역을 둘러싸며, 원기둥 세트의 두 개의 벽은 원통형 쉘 또는 환형 링의 형상을 갖는 영역을 둘러싼다. 회전 자기 매트릭스의 각각의 요소는 용기의 축으로부터 소경의 원기둥의 벽의 개구를 통해 연장되며, 각각의 요소의 원통형 쉘 영역 내로의 연장을 허용하도록 개구가 제공된다.

본 실시예에서, 이 장치는 원통형 쉘 영역의 일 단부로 들어가는 완충액 입구를 또한 포함한다. 고액 혼합물용 공급 입구는 완충액 입구와 같은 용기의 단부에서 소경 원기둥의 내부의 원통형 영역으로 들어간다. 폐기물 출구는 공급 입구가 들어가는 단부에 대향하는 소경 원기둥 내부의 원통형 영역의 단부로부터 나온다. 생성물 출구는 완충액 입구가 들어가는 단부에 대향하는 원통형 쉘 영역의 단부로부터 나온다.

연속 공정을 진행하기 위한 장치의 이 실시예의 개략도가 도2에 도시되며, 도2에서 회전 자기 매트릭스는 고액 혼합물에 작용하는 원심력의 단일 출처이다. 도2의 (a)는 내부에 배치된 소경의 원기둥을 구비하는 직원기둥의 형태의 용기(1)의 수직 단면도를 도시한다. 소경의 원기둥의 수직벽(2)은 내측 원통형 공간을 둘러싸고, 벽(2, 3)은 외측 원통형 쉘을 둘러싼다. 회전 자기 매트릭스(4)는 용기의 축을 따라 샤프트(5)에 부착된다. 샤프트(5)를 회전시키기 위한 수단은 화살표(6)에 의해 지시된 것과 같이 제공된다. 샤프트(5)를 회전시키기 위한 수단은 예컨 대, 샤프트에 연결된 모터를 포함할 수 있다. 장치는 자기 매트릭스에 작용할 자기장을 제공하기 위한 수단을 더 포함하며, 화살표 B는 자기장의 존재 및 방향을 지시한다. 자기장은 다른 방향으로 지향될 수 있지만, 용기의 축에 평행하거나 대부분의 성분이 용기의 축에 평행한 것이 바람직하다.

도2의 (b)는 회전 자기 매트릭스(4)의 구성을 도시하는 수평 단면도이다. 이 경우에 자기 매트릭스는 오직 한 가지 형태의 요소를 포함하며, 도선 또는 로드로 예시되어 있지만, 유사한 또는 상이한 요소가 샤프트(5)에 부착될 수 있고 샤프트(5)에 의해 회전될 수 있다. 이 요소를 위해 도시된 구성은 도1의 (a)에 도시된 즉, 도선 또는 로드가 중심으로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 구성과 유사하다. 도선 또는 로드는 샤프트로부터 벽(2)의 개구를 통해 외측 원통형 쉘 내로 연장된다.

고액 혼합물은 화살표(7)에 의해 지시되는 바와 같이 입구를 통해 내측 원기둥으로 연속적으로 공급된다. 고액 혼합물은 흰색 중심을 갖는 구(8)로 도시된 자기 입자와, 선이 그려진 검정 구(9)로 도시된 비자기 고체와, 액체로 이루어진다. 인가된 임의의 압력과 중력압의 결과로서 고액 혼합물은 내측 실린더의 상부로부터 바닥을 향해 유동한다. 자기 매트릭스에서의 자기장 구배와 얻어지는 자기력의 결과로서 자기 입자는 자기 매트릭스에 유인되며 접착된다. 높은 자기장 구배가 바람직한데, 이들이 자기 입자의 자기 매트릭스에 대한 더 강한 접착과 더 큰 힘을 초래하기 때문이다. 회전 자기 매트릭스에 의해 제공된 원심력의 결과로서, 자기 입자는 벽(2)을 향해 반경 방향 외측으로 이동한다. 자기 입자는 벽(2)의 개구를 통해 외측 원통형 쉘로 들어간다.

본 실시예에서 자기 입자를 수집하고 제거하기 위한 수단은 액상 완충액에 의해 제공된다. 액상 완충액은 화살표(10)에 의해 지시된 바와 같이 입구를 통해 외측 원통형 쉘 내로 공급된다. 액상 완충액은 인가된 임의의 압력과 중력압의 결과로서 원통형 쉘의 상부로부터 하부를 향해 유동한다. 자기 입자가 벽(2)의 개구를 통과하고 외측 원통형 쉘에 들어감에 따라, 이들은 완충액의 유동 내에 포획되고 화살표(11)에 지시된 바와 같이 생성물 출구를 통해 장치로부터 방출된다. 완충액은 용액으로부터의 자기 입자의 분리를 용이하게 하도록 선택된다. 자기 입자가 목표 생성물이 부착되어 있는 기능화된 자기 비드일 때, 목표 생성물은 자기 비드로부터 분리되며 자기 비드는 재사용된다. 기본적으로 원심력을 받지 않는 비자기 입자는 자기 매트릭스에 유인되지 않으며, 내측 원기둥을 통해 고액 혼합물의 용액과 함께 계속 유동하며 화살표(12)에 의해 지시된 것과 같이 폐기물 출구를 통해 액체와 함께 내측 원기둥으로부터 방출된다.

본 발명의 장치는 선택적인 분리를 위해 즉, 비자기 입자와 액체로부터 자기 입자를 분리시키도록 사용될 수 있다. 또한, 이 장치는 자기 입자를 액체로부터 분리하도록 또는 상이한 크기의 자기 입자들을 분류하도록 사용될 수 있다. 높은 구배의 자기장은 더 작은 자기 입자의 분리를 허용하는 높은 자기력을 가져오며, 따라서 더 작은 입자의 자기 비드로서의 사용을 가능하게 한다. 자기장이 존재함으로써 발생되는 응집은 이러한 분리를 용이하게 한다. 자기 나노 입자는 본 발명의 장치에 의해 분리될 수 있다.

본 명세서의 사용에 적합한 다른 분리 장치 및 그 사용을 위한 방법은 양자 모두 2005년 2월 17일에 출원된 미국 특허출원 SN 제11/060,001호와, SN 제11/060,004호에 설명되며, 각각은 모든 목적을 위해 본 명세서의 일부로서 전체적으로 합체되었다.

Claims (13)

1. (가) 원심 분리가 이루어지는 용기와,

   (나) 용기 내에서 회전하는 자기 매트릭스를 포함하는, 자기 입자를 포함하는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
2. 제1항에 있어서, (다) 자기 매트릭스에 의해 점유된 용기의 영역 내에 자기장을 제공하기 위한 수단을 더 포함하는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
3. 제2항에 있어서, 자기장을 제공하기 위한 수단은 솔레노이드를 포함하는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
4. 제1항에 있어서, 용기는 원심 분리기인 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
5. 제1항에 있어서, 회전 자기 매트릭스가 원심력의 단일 출처인 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
6. 제1항에 있어서, 회전 자기 매트릭스는 100T/m 이상의 크기를 갖는 자기장 구배를 발생시키는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
7. 제1항에 있어서, 회전 자기 매트릭스는 5000T/m 이상의 크기를 갖는 자기장 구배를 발생시키는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
8. 제1항에 있어서, 회전 자기 매트릭스는 자기 도선의 배열체로 이루어지는 하나의 요소를 포함하는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
9. 제1항에 있어서, 회전 자기 매트릭스는 각각 자기 도선의 배열체로 이루어지는 복수의 요소를 포함하는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
10. 제1항에 있어서, 용기는 축과 내벽을 가지며, 회전 자기 매트릭스는 용기의축으로부터 용기의 내벽까지 연장되는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
11. 제1항에 있어서, (라) 고액 혼합물이 용기 내로 연속적으로 공급되는 공급 입구와, (마) 분리된 자기 입자가 용기로부터 방출되는 생성물 출구와, (바) 회전 자기 매트릭스를 통과한 고액 혼합물의 찌꺼기가 용기로부터 방출되는 폐기물 출구를 더 포함하는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
12. 제1항에 있어서, 축을 가지며,

    용기는 상이한 직경의 두 개의 동심 직원기둥으로 구성되고, 소경 원기둥의 벽은 내측 원통형 영역을 둘러싸고, 두 개의 원기둥의 각각의 벽은 원통형 쉘 영역 을 둘러싸며, 회전 자기 매트릭스의 각각의 요소는 용기의 축으로부터 소경 원기둥의 벽의 개구를 통해 원통형 쉘 영역까지 연장되는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.
13. 제12항에 있어서, 용기의 제1 단부에서 원통형 쉘 영역으로 들어가는 완충액 입구와, 용기의 제1 단부에서 내측 원통형 영역에 들어가는 고액 혼합물용 입구와, 용기의 제2 단부에서 내측 원통형 영역으로부터 나오는 폐기물 출구와, 용기의 제2 단부에서 원통형 쉘 영역으로부터 나오는 생성물 출구를 더 포함하는 고액 혼합물의 원심 분리용 장치.

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