NO342032B1 - Fluidraffineringsanordning og -sammenstilling - Google Patents

Abstract

En fluidraffineringsanordning og - sammenstilling omfatter et inntak for fluid som skal raffineres, et separasjonsutløp og en konsentrasjonsutløp for prosessert fluid i et raffineringslag, hvor raffineringslaget omfatter et flertall raffineringsenheter arrangert i et mønster, og hvor tverrsnittet ved konsentrasjonsutløpet er mindre enn tverrsnittet ved innløpet.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en fluidraffineringssammenstilling, særlig en anordning som er kompatibel med mikrofabrikkeringsteknologier, og som kan anvendes innen mikrofluidområdet og andre relaterte teknologier, så vel som være i stand til å operere med større volumer.

BAKGRUNN

Mikrofluidfeltet angår oppførsel, kontroll og manipulering av fluider som geometrisk er begrenset til små, typisk submillimeter, dimensjoner, og mer typisk fluidvolumer I milliliterskalaen, mikroliterskalaen, nanoliterskalaen eller til og med mindre. Vanlige prosesseringsmanipulasjoner som man kan ønske å anvende på fluider på alle skalaer omfatter konsentrasjon, separasjon, miksing og reaksjonsprosesser.

I løpet av de siste dekadene har miniatyriseringsteknologi gjort fremskritt, noe som særlig i fagfeltene kjemi og bioteknologi har resultert i frembringelsen av lab-on-achip anordninger som nå er i alminnelig bruk. For eksempel er det kjent mikrokjemiske anordninger og mikroelektromekaniske systemer (MEMS) slik som bio-MEMS anordninger.

Imidlertid er det ikke alltid mulig å direkte miniatyrisere konvensjonelle fluidprosesseringssystemer designet for relativt store fluidvolumer for bruk i mikrofluidfeltet hvor systemet typisk ville bli tilveiebrakt på en chip som en lab-ona-chip anordning. Ta sentrifugeringsprosessen som et eksempel: sentrifugeringsprosessen omfatter en sirkulær plate og omfatter komplekse mekaniske og elektriske systemer som bare er klart anvendbare for å prosessere relativt store fluidvolumer i minst flere titalls milliliterskala. For mikrofluider hvor fluidvolumene typisk er i mikro- eller nanoliterskalaen, vil en slik anordning være uøkonomisk. Det ville også være ekstremt vanskelig i et fysikkingeniørperspektiv å miniatyrisere det konvensjonelle sentrifugeringssystemet til en chip-skalaanordning direkte.

Konsentrasjon og separasjon av prøver er en uunnværlig for kliniske assay og biomedisinske analyser. Etterspørselen etter cellefraksjonering og isolering for slike anvendelser har økt for molekylærdiagnose, kreftterapi og bioteknologiske anvendelser i løpet av de siste to dekadene. Som en konsekvens har alternative systemer for konsentrasjon/separasjon av små/mikrovolumer av fluider, som omfatter ulike mekanismer blitt utviklet. Blant disse systemene benytter noen de mekaniske prinsippene, slik som kraft, geometri, etc; og andre benytter flere fysikalske koblingsmetoder slik som magnetfelt, elektriske felt, optikk, etc.

For konsentrasjonsformål, ved å benytte forskjeller i cellestørrelse, form og tetthet, har det blitt utviklet forskjellige membranstrukturmikrokonsentratorer, slik som ultrafiltreringsmembraner eller nanoporøse membraner dannet ved å bruke ionesporetseteknologi for å separerer fluidkomponenter. Se for eksempel R. V.

Levy, M. W. Jornitz. Types of Filtration. Adv. Biochem. Engin./Biotechnol., vol.

98, 2006, pp. 1–26. og S Metz, C Trautmann, A Bertsch and Ph Renaud: Polyimide microfluidic devices with integrated nanoporous filtration areas manufactured by micromachining and ion track technology, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004, 14: 8. Videre hare n MEMS filtermodul med multiple filmer (membraner) blitt funnet opp, se: Rodgers et al, MEMS Filter Module, US 2005/0184003A1.

Imidlertid, på grunn av tilstedeværelsen av «blindveier» i slike membraner (filmer), er tilstopping vanlig for mikrofiltre med slike flate membranstrukturer, og vil være enda mer alvorlig i de med multiple filmer. Videre krever mikrofiltre med flate membranstrukturer spesialiserte fabrikasjonsprosesser, noe som resulterer i vanskeligheter med å integrere slike tynne funksjonelle membraner i et lab-on-achip-system.

For å eliminere blindveier i membranfiltre, ble såkalte «kryss-strøm» (cross-flow) -filtre utviklet, se for eksempel: Foster et al., Microfabricated cross flow filter and method of manufacture, US2006/0266692A1 og Iida et al., Separating device, analysis system, separation method and method for manufacture of separating device, EP1457251A1. I deres oppfinnelser er ofte filtratbarrierene laget med vilkårlige former, med enkle geometriske profiler, dvs. kvadrat, trapesoide og til og med halvmåneformet. Disse ikke-strømlinjeprofilene til barrierene vil forårsake ekstra strømningsmotstand, noe som reduserer filtrateffektiviteten. Videre, på grunn av tilstedeværelse av kvadrathjørner eller spisser i slike vilkårlige geometriske profiler, er tilstopping være tilbøyelig til å oppstå i praktisk bruk, siden målcellene eller partiklene kan ha betydelig deformasjonsevne og hefteevne.

VanDelinder V. et al., «Separation of plasma from whole human blood in a continuous cross-flow in a moulded microfluidic device», Analytical Chemistry, vol.78, no. 11, 1 June 2006, pages 3765-3771» beskriver en kanal med tilkoblede kanaler anordnet vinkelrett på hovedkanalen. Omrisset av filterenheten i denne publikasjonen har en trapesform for å ha plass til de tilkoblede kanalene når de samles nær bunnen av anordningen. Hovedstrømmens kanal har derimot samme bredde over hele sin lengde.

FR 2576805 angir et filtreringsapparat som omfatter minst en filtreringsmodul, hvor hver modul omfatter et filtermateriale. GB 2472506 beskriver en filtreringsenhet, og bruk av filtreringsenheter i en fluidprosesseringsanordning. EP 0231432 og WO 2006/127256 beskriver ytterligere eksempler på kjent teknikk.

Det er et behov for en fluidraffineringssammenstilling som forbedrer kjent teknikk ved for eksempel å ha de følgende egenskaper:

- Mindre trykktap,

- Ikke tilstopping,

- Svært skalerbar

I sammenheng med denne beskrivelsen, vil begrepet «raffinering» bety alle typer fluidprosessering, slik som sortering, separasjon, konsentrasjon eller filtrering av fluider som omfatter partikler, multifasefluider eller andre fluider.

HENSIKTEN MED OPPFINNELSEN

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fluidraffineringssammenstilling som forbedrer fluidstrømmen og balanserer trykk og volumstrøm gjennom sammenstillingen.

Hensikten med oppfinnelsen oppnås ved hjelp av trekkene i patentkravene.

I en utførelse, omfatter en fluidraffineringssammenstilling et inntak for fluid som skal raffineres, et separasjonsutløp og et konsentrasjonsutløp for prosessert fluid i et raffineringslag, hvor raffineringslaget omfatter et flertall raffineringsenheter arrangert i et mønster, og hvor tverrsnittet til raffineringslaget ved konsentrasjonsutløpet er mindre enn tverrsnittet ved innløpet.

Avstanden mellom Trilobite-enhetene inne I systemet vil alltid være vesentlig større enn den største innkommende partikkelen. Dette betyr at den første anordningen den komplekse væsken møter er fullstendig motsatt av et typisk membranfilter. I et typisk membranfilter, vil partiklene i en kompleks væske møte en pore som er vesentlig mindre enn den største partikkelen i væsken, og det vil hindre fluidstrømmen i stor grad. I Trilobite-systemet blir strømningen ikke hindret og trykktap blir dermed redusert.

I en utførelse av oppfinnelsen er minskningen i tverrsnittareal proporsjonal med volumet av fluid som strømmer gjennom separasjonsutløpet. På denne måten er fluidstrømmen og trykkbalansen forbedret i forhold til kjent teknikk.

Raffineringsenhetene kan være arrangert med en avstand mellom hverandre i henhold til forholdet mellom partikkelstørrelse og kanalstørrelse for å ytterligere forbedre strømningskarakteristikken og partikkelseparasjon.

Raffineringsenhetene kan være arrangert med en avstand mellom dem i henhold til hastighetsprofilen til fluidet som skal prosesseres for å unngå et resirkuleringsområde nedstrøms for raffineringsenhetene. Med en stor avstand mellom raffineringsenhetene og en stor fluidstrøm, kan det bli produsert bobler som kan fange partikler og dermed forårsake at partiklene tar en bane forskjellig fra den tiltenkte banen, og minker dermed effektiviteten til raffineringsanordningen.

Avstanden mellom raffineringsenheter bør være balansert med strømningshastigheten.

I en utførelse er raffineringsenhetene distribuert i et regelmessig mønster over raffineringslaget. Mønsteret kan være valgt blant et antall forskjellige regelmessige mønstre, og er for eksempel heksagonal tettpakningsmønster, kubisk tettpakningsmønstre, tilfeldig tettpakket, etc.

I en ytterligere utførelse er raffineringslaget formet som en symmetrisk trapesoide (isosceles trapezoid) og inntaket er anordnet på den brede enden av trapesoiden og separasjonsutløpet er anordnet på den korte enden av trapesoiden. Det komplette laget som definerer raffineringslaget kan han den ønskede formen, eller omkretsen av mønsteret av raffineringsenheter i raffineringslaget har den ønskede formen, for eksempel formet som en symmetrisk trapesoide (isosceles trapezoid). I det sistnevnte tilfellet kan inntaket og separasjonsutløpet være definert innenfor eller ved omkretsen av mønsteret av raffineringsenheter.

Hensikten med oppfinnelsen kan også oppnås ved hjelp av en fluidraffineringssammenstilling som omfatter et innløp for fluid som skal raffineres, minst et separasjonsutløp og et konsentrasjonsutløp for raffinert fluid, et raffineringslag, et samlingslag og et dekklag, hvor raffineringslaget omfatter flere raffineringsenheter anordnet i et mønster, hvor omkretsen til mønsteret er formet som en symmetrisk trapesoide (isosceles trapeziod) og hvor innløpet er anordnet ved den brede enden til trapesoiden og minst ett utløp er anordnet ved den korte enden til trapesoiden.

Fluidstrømmen ut av konsentrasjonsutløpet er konstruert til å bli redusert til en minimum strømningsmengde for å maksimalisere konsentrasjonen av partikler som Trilobite-systemet er konstruert for å konsentrere. Denne konsentrasjonen skjer i 360 graders eksponering for å maksimalisere størst mulig strømning. Dette systemet separerer ut de største partiklene først uten å forårsake direkte forstyrrelse av strømningsretningen eller partiklene.

En fluidraffineringsenhet for bruk i en raffineringsanordning som beskrevet over kan i en utførelse omfatte en utløpsstrømningskanal, et stumpt neseparti som vender mot en oppstrømretning mot et innkommende fluid, et barriereparti som vender i en nedstrømretning, idet barrierepartiet omfatter en serie barriere-elementer og mellomliggende gap, idet barriere-elementene har en turbinbladlignende form basert på strømlinjeform og de mellomliggende gapene definerer barrierekanaler som tilveiebringer fluidkommunikasjon mellom en inntaksstrømningskanal og utløpsstrømningskanalen, idet barrierestrømning oppstår hvor vinkelen mellom barrierestrømmen og en hovedstrøm er større enn 90 grader.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert, ved referanse til de medfølgende figurene.

Figur 1 illustrerer et eksempel på et raffineringslag i en fluidraffineringsanordning.

Figur 2 viser et annet eksempel på et raffineringslag.

Figur 3 illustrerer skjematisk et eksempel på en raffineringsenhet for bruk i en fluidraffineringsanordning.

Figur 4 illustrerer et eksempel på elementene i en raffineringssammenstilling hvor raffineringslaget og raffineringsenheten i henhold til oppfinnelsen er brukt.

Raffineringslaget 10 illustrert i figur 1 er utformet som en del av en fluidraffineringsanordning som omfatter et inntak 11 for fluid som skal raffineres, et separasjonsutløp (ikke vist) og et konsentrasjonsutløp 13 for prosessert fluid. Raffineringslaget 10 omfatter videre flere raffineringsenheter 14 anordnet i et mønster. Tverrsnittet til raffineringslaget er i denne utførelsen formet som en symmetrisk trapesoide (isosceles trapezoid), hvor inntaket er anordnet ved den brede enden til trapesoiden og konsentrasjonsutløpet er anordnet ved den korte enden til trapesoiden. Tverrsnittet ved konsentrasjonsutløpet er dermed mindre enn tverrsnittet ved inntaket. I dette eksemplet har raffineringslaget og omkretsen til mønsteret av raffineringsenheter 14 samme form, men som beskrevet over, kan formene være forskjellige. For eksempel kunne raffineringslaget 10 hatt en rektangulær form mens formen til mønsteret av raffineringsenheter 14 kunne vært en trapesoide.

Fluid strømmer inn i inntaket 11 og strømmer langs raffineringslaget 10. I løpet av strømningen langs raffineringslaget 10 passerer fluidet raffineringsenhetene 14, hvor en raffineringsprosess finner sted. Ettersom strømningen passerer hver av raffineringsenhetene 14, vil små partikler, dvs. med størrelser mindre enn den karakteristiske raffineringsstørrelsen til raffineringsenhetene, bli fanget/kapret av raffineringsenhetene 14, hvorfra noe av strømningen og de små partiklene vil bli sluppet ut gjennom separasjonsutløpet. Det gjenværende fluidet og partiklene forlater raffineringslaget 10 og fluidraffineringsanordningen gjennom konsentrasjonsutløpet 13. Separasjonsutløpet er utformet for å tillate så stor mengde som mulig av fluidstrømmen å slippe ut for å maksimalisere konsentrasjonen av partikler som fluidraffineringsanordningen kan konsentrere. Mengden fluid som forlater konsentrasjonsutløpet 13 bør imidlertid være stort nok til å tillate at fluidstrømmen hovedsakelig er konstant over raffineringslaget 10. Dette legges det til rette for ved reduksjon i tverrsnitt over arealet til raffineringslaget 10. Dette systemet separerer dermed ut de største partiklene først uten å forårsake en direkte forstyrrelse i strømningsretningen eller av partiklene.

Figur 2 viser et annet eksempel på et raffineringslag 20. I denne utførelsen er raffineringslaget formet som en smultring, med en sirkulær ytre omkrets og en sirkulær åpning i sentrum. Inntaket 11 er anordnet langs omkretsen av den ytre omkretsen, konsentrasjonsutløpet 13 er anordnet ved den sirkulære åpningen i sentrum. I denne utførelsen er også tverrsnittet til konsentrasjonsutløpet 21 dermed mindre enn tverrsnittet ved inntaket 13.

Figur 3 illustrerer skjematisk et eksempel på en raffineringsenhet 30 for bruk i et fluidraffineringslag og anordning. Raffineringsenheten 30 benytter en kombinasjon av to separasjonsteknikker, sentrifugalkraft og kryss-strøm død-ende (cross-flow dead-end) filtrering.

Som vist omfatter raffineringsenheten 30 en innløpsstrømning 31 som et fluid som skal prosesseres entrer, et neseparti 32, barriereelementer 34, en utløpsstrømningskanal 36 og konsentrert strømning 38.

Nesepartiet 32 er et kompakt parti som danner oppstrømhalvdelen av raffineringsenheten som vender mot inntaksstrømningen 31 og et porøst barriereparti 33 dannet av flere av de turbinbladlignende barriereelementene eller skovler/vinger 34 med mellomliggende barrierekanaler 39. Det skal bemerkes at barriereelementene 34 i denne anordningen fortrinnsvis hare n turbinbladlignende form, selv om andre glattede former slik som en sirkel, elliptisk, etc. også kan anvendes. Fortrinnsvis strekker barrierepartiet 33 seg gjennom en vinkel på tilnærmet 180 grader fra 90 grader til 270 grader som vist i figur 3.

Den totale raffineringsenheten har form av en nær elliptisk sylinder med sin lengdeakse på linje med fluidstrømmen som entrer gjennom inntaket 31. Nesepartiet 32 til raffineringsenheten 30 presenterer dermed initialt et stumpt legeme som vender mot den kommende strømningen, noe som forårsaker at strømmen forgrener seg og passerer på begge sidene av barrieren. Det skal bemerkes at det stumpe legemet skal være enhver sylindroide, enten sylinder eller elliptisk sylinder.

Alle de strømlinjeformede barriereelementene 34 er plassert internt tangentielt til raffineringsenhetens ellipse.

Barrierekanalstrøm oppstår i de mellomliggende gapene 39 inneklemt mellom tilstøtende elementer 34, med strømningsretningen i kanalene 39 i en stump vinkel, kontra til den normale retningen til den elliptiske sylinderen ved inngangen til hver respektiv barrierekanal. Som med kanalene beskrevet over, er vinkelen mellom strømningen rundet raffineringsenheten og innenfor kanalene fortrinnsvis på en vinkel på minst 90 grader. Og den stumpe vinkelen kan bli målt i henhold til vinkelen inkludert av hastigheten -18-vektorer for hovedstrømmen og penetreringsstrømmen, angitt som 8 i figur 4.

Filtratet samles i sentrum av anordningen 30 og slipper ut gjennom utløpsstrømkanalhull 36 hvor det så kan passeres til, for eksempel, et samlingslag som beskrevet under.

For strømning med lave Reynolds-tall, gitt en uniform hastighet u0 for innløpsstrømningen, kan den lokale hastighetsdistribusjonene om den ellipseformede raffineringsenheten beskrives i henhold til potensialstrømningsteori (se I. G. Currie. Fundamental mechanics of fluids, 2nd Ed., McGraw-Hill: New York, 1993), dvs: -u0(1+b/a)sin sin2 (b/a) cos2, hvor parameterne a, b, er henholdsvis den store og den lille (major and minor axis) akse for barrieren, definert som vinkelen for lokale posisjoner relativt til inntaksstrømningen. Det bemerkes at vinkelen er større enn 90 grader.

En konsekvens av sentrifugalkreftene opplevd av strømningen på grunn av den elliptisk sylindriske formet på raffineringsenheten 30, er at høyhastighetspartikler vanligvis har baner lenger borte fra raffineringsenheten enn lavhastighetspartikler. Partikkelhastigheten dikteres av hastigheten til bærefluidet som omgir partikkelen. I sin tur er den lokale hastigheten rundt en partikkel sterkt koblet til strømningsraten av innmatet fluid. Derfor øker sannsynligheten for en partikkel å forbli i hovedstrømmen med økende strømningshastighet på det innmatede fluidet. Små partikler, til og med partikler mindre enn gapet mellom hindrene, kan forbli i hovedstrømmen ved høye fluidhastigheter på grunn av sentrifugalkraften.

Ettersom det innstrømmende fluidet som omfatter en fast komponent, slik som f.eks. blodceller, passerer rundt raffineringsenheten 32, 33, har de større cellene med høyere masse 37 en tendens til å bli tvunget vekk fra inngangene til barrierekanalene 39 på grunn av disse effektene og har en tendens til å passere videre til restutløpet 38. I kontrast til dette kan de mindre cellene med mindre masse 35 forbli nærmere overflaten til raffineringsenheten og inngangene til barrierekanalene og er derfor i stand til å bli tvunget gjennom kanalene 39 mellom elementene 34.

På grunn av den stumpe vinkelen til kanalene 39 danner med fluidstrømningen rundt barrieren 33, er strømmen gjennom kanalene 39 en motstrøm som omfatter et oppstrømselement til hovedstrømningsretningen rundt barrieren 33. Det skal bemerkes at motstrømmen forårsakes av den geometriske utformingen av raffineringsenheten, ikke av fluidstrømmen selv.

For å forhindre tilstopping, er barriereelementet 34 konvergent divergent i formen med hensyn til retningen av penetreringsstrømningen. Dette danner en motvirkende trykkgradient som skyver partiklene bort fra området for inngang av små partikler.

For å minimalisere dannelse av virvler og lavhastighetsområder, hvor begge vil redusere separasjonseffektiviteten, har raffineringsenheten en strømlinjeformet form. Nesepartiet 32 er formet for å maksimalisere strømningshastighet i retningen til barrierekanalene 39.

Fra denne beskrivelsen vil det være klart at størrelsen på enhetene, slik som enheten 30 i figur 3 i raffineringslaget, for eksempel som vist i figurene 1 og/eller 2, avstanden mellom dem, størrelsen på skovlene og partikkelstørrelsen som skal separeres ut er relatert. Avstanden mellom enhetene er relatert til partikkelstørrelse, og enhetens størrelse, skovlstørrelse og gap mellom skovler er nært relatert og kan velges i henhold til bruken av raffineringsenheten.

Figur 4 illustrerer et eksempel på elementene i en raffineringssammenstilling hvor raffineringslaget og raffineringsenheten i henhold til oppfinnelsen er brukt.

Et antall raffineringsenheter 41 er anordnet i et raffineringslag 42. Formen på raffineringslaget kan være en trapesoide som beskrevet i figur 1, eller annen egnet form. I denne figuren omfatter raffineringslaget et antall trapesoideformede raffineringslag sammenstilt i sektorpartier 43. Et antall sektorpartier 43 er sammenstilt til sirkulære plater og arrangert i en lagvis struktur 44 og utgjør en sylindrisk fluidraffineringssammenstilling 45. To raffineringsanordninger anordnet sammen vil gi ett inntak og 3 utløp. Man kan separere og sortere tre forskjellige partikkelstørrelser ved å bruke to raffineringsanordninger, og ved å legge til flere anordninger kan flere partikler/substanser sorteres ut.

Med en anordning vil systemet gi to utløp, og raffinerer dermed i liten grad det innkommende fluidet. Man kan separere mellom to størrelser av partikler. Eller, man kunne også se på det som å raffinere et fluid og gjøre det renere ved å fjerne noen av partiklene over en bestemt størrelse.