Brevet FR2123308A1 — publié le 19720908

La présente invention concerne la centrifugation continue, et notamment un procédé et un appareil de récupération de de matières/gradient d'échantillons à l'aide de rotors permettant un écoulement continu. 5 Lors d'une centrifugation avec un écoulement continu, on pompe de façon continue un échantillon à séparer dans une .de centrifugeuse et dans une zone de liquide/gradient • Cette zone est telle que le poids spécifique du liquide de gradient, qui augmente dans le sens radial à partir du centre du rotor, soit 10 réglé de manière à assurer la séparation de couches d'échantillon. En réglant le poids spécifique du liquide concentré en fonction du poids spécifique de l'échantillon liquide, on peut assurer la séparation de l'échantillon en toute position radiale voulue. En général, on choisit une telle position de 15 manière qu'elle facilite la récupération de l'échantillon. Lorsque la centrifugeuse tourne, le liquide concentré reste fixe dans la zone radialement externe, au cours du traitement de son échantillon. Le gradient de poids spécifique du liquide /gradient est habituellement un gradient de concentra-20 tion d'un soluté convenable relativement peu diffusant, par exemple d'un sel ou de sucrose . On pompe de façon continue l'échantillon liquide dans une zone placée radialement entre de le liquide/gradient et le rotor, et on le fait circuler autour de toute la circonférence du rotor ou d'une partie seule-25 ment. La présence du gradient assure le piégeage de particules en cours de sédimentation, provenant de l'échantillon liquide, sans déplacement radial des particules à l'emplacement où leur poids spécifique est égal à celui du liquide de gradient. Le parcours des particules de poids spécifique plus ou moins im-30 portant varie en conséquence. Ainsi, il existe dans le gradient des particules séparées radialement sous forme de populations individuelles de poids spécifiques différents qu'on peut récupérer séparément après la fin de l'écoulement de l'échantillon, et pendant la rotation du rotor. Même dans le cas de particules 35 qui ne peuvent pas être mises en suspension dans le liquide de gradient, celui-ci maîtrise leur vitesse radiale de manière que, suivant la période d'écoulement, le choc avec le bord de la chambre du rotor est évité, même s'il n'y a pas de purifi- 1 ORlQlNAi* , 72 00317 2 2123308 cation efficace. Certains rotors à zone comportent des secteurs séparés, et l'échantillon est divisé en courants s'écoulant séparément dans ses secteurs. De tels secteurs ont un volume relativement 5 important, chacun représentant par exemple 25 % de la capacité du rotor. De plus, il existe un rotor à zone ayant un secteur collecteur de particules qui recouvre pratiquement 3602 et permet à l'échantillon de décrire la même distance dans le rotor. Cette dernière centrifugeuse est préférable car elle assure une 10 séparation efficace de l'échantillon. Elle est décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique déposée par John E. JOYCE sous le titre "Rotors and Rotor Cores for Continuous Flow Centrifuges"? le 29 mars 1971 sous le n° 129 055o Dans les centrifugeuses continues à zone actuelle, les 15 problèmes principaux concernent la phase de récupération d'échantillon. Actuellement, on a introduit l'échantillon à séparer et on retire l'échantillon récupéré au voisinage de l'axe du rotor, et on utilise un dispositif convenable d'étanchéité pour empêcher leur mélange. Cependant, ces dispositifs sont peu 20 sûrs, lorsqu'ils sont soumis aux forces qui s'exercent au cours de la centrifugation, et il arrive couramment qu'il se forme un mélange indésirable des courants d'introduction et de récupération. Dans les dispositifs actuels, lorsqu'un liquide d'échan-25 tillon ou de gradient pénètre dans le rotor en train de tourner, soit au cours de la séparation soit au cours de la récupération de l'échantillon, un liquide présent dans le rotor est déplacé et retiré et on doit introduire le liquide à une pression supérieure à la pression atmosphérique, selon que le 30 liquide est introduit en position radiale interne ou externe par rapport au liquide retiré. Ces pressions accrues de liquide imposent des contraintes supplémentaires aux joints entre les courants de liquide, et il est essentiel que les faces d'étanchéité soient usinées presque à la perfection, avec une planéi- o 35 te habituellement de l'ordre de 50 à 100 A. Ces tolérances sont difficiles à obtenir, si bien que les dispositifs actuels sont indésirables au point de vue du coût élevé de fabrication ainsi que de leur fiabilité. BAD ORIGINAL 72 00317 3 2123308 Il est donc souhaitable de disposer d'un appareil et d'un procédé de centrifugation continue éliminant les possibilités de fuite entre les courants de liquide. De plus, il est souhaitable de disposer d'un ensemble peu coûteux d'é-tanchuité permettant la récupération de liquide dans une centrifugeuse en cours de rotation, et ne nécessitant pas d'usinage à des tolérances extrêmement serrées. L'invention concerne un procédé et un appareil de centrifugation continue d'échantillons et, dans un mode de réalisation, un nouveau dispositif d'étanchéité. Un rotor de centrifugeuse selon l'invention comprend deux gorges circulaires dans sa face supérieure, chacune des gorges étant voisine de l'autre et séparée d'elle en direction radiale. Deux passages du rotor relient les gorges avec une zone soit d'échantillon soit de liquide de gradient, placée entre la face périphérique du rotor et le carter. Les premiers passages ont un orifice de sortie placé extérieurement en direction radiale par rapport aux orifices de sortie des seconds passages. Un troisième passage a un orifice d'entrée dans la zone d'échantillonnage et un orifice de sortie dans la face inférieure du rotor et il per^ met de retirer l'échantillon usé. Un quatrième passage relie la zone d'échantillon à un conduit de sortie placé dans l'axe du rotor et qui peut être relié avec un dispositif abaissant la pression au-dessous de la pression atmosphérique. Le quatrième passage comprend un joint avec une partie tournante et une partie fixe, et il permet le retrait de l'échantillon du rotor en rotation. La pression réduite utilisée est déterminée par l'équation : dBN2 2 p = r dans laquelle d (g/cm ) est le poids spécifique du fluide retiré, N (tr/mn) est la vitesse du rotor, £ (cm) est la position radiale do l'orifice de sortie d'échantillon et B est une cons- —R tante do proportionnalité égale à 7,1.10" ,p étant exprimé en bî D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de In description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : BAD ORIGINAL 72 00317 2123308 la figure 1 est une vue de dessus d'un rotor de centrifugeuse selon l'invention ; la figure 2 est une coupe en élévation de l'appareil destiné au retrait d'un échantillon séparé ; 5 la figure 3 est une coupe partielle suivant la ligne 3 de la figure 1 ; la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4 de la figure 1 ; la figure 5 est une coupe suivant la ligne 5 de la fi-10 gure 1 ; la figure 6 est une coupe partielle suivant la ligne 6 de la figure 1 ; et la figure 7 est une coupe partielle suivant la ligne 7 de la figure 1. 15 On se réfère aux figures 1 et 3 à 7 sur lesquelles la centrifugeuse qui porte la référence générale 1 comprend un carter 2 et un rotor 3 de forme tronconique. Le rotor 2 comprend une douille inférieure axiale 8 destinée au logement d'un dispositif d'entraînement à moteur (non représenté) et une 20 douille axiale supérieure 9 destinée au logement d'un dispositif étanche de récupération d'échantillon, décrit plus loin en référence à la figure 2. Le rotor 3 comprend plusieurs passages destinés à l'introduction et à la sortie du liquide de gradient et de l'échantillon fluide, en un cycle continu, si bien que 25 l'échantillon décrit environ 3602 autour du rotor 3. Les flèches longues indiquent le sens et le trajet de l'échantillon. On réalise de la façon suivante l'introduction du liquide de gradient et de l'échantillon. Pendant que le rotor 1 tourne, on introduit le liquide de gradient dans la gorge circulaire 10 en 30 plaçant l'orifice d'un tube au voisinage de la gorge 10 ou dans celle-ci, de manière à introduire le fluide. Le liquide de gradient passe de la gorge 10 dans plusieurs passages 11 qui aboutissent aux extrémités d'ailettes 12a, 12b, 12£ et 22 placées au voisinage du carter 2. L'introduction de liquide de gradient 35 dans la gorge 10 et les passages 11 se poursuit jusqu'à l'obtention de la dimension voulue pour la zone 13A de gradient. De manière générale, la zone 13A va de la face interne du carter 2 jusqu'au point le plus externe en direction radiale du rotor 3. BAD ORIGINAL 72 00317 2123308 Après formation de la zone 13A, on introduit l'échantillon à séparer dans une gorge circulaire 15 qui se trouve radialement à l'intérieur de la gorge 10 et est reliée à un passage 16 d'introduction d'échantillon ayant un orifice 17 de sortie placé en 5 direction radiale vers l'intérieur par rapport à la zone 13A. L'échantillon liquide pénètre de façon permanente dans la gorge 15 et dans le passage 16, si bien qu'il se forme dans le rotor 1, au cours de la rotation, une zone .18 d'échantillon qui décrit dans le sens anti-horaire environ 3602 autour du rotor, 10 jusqu'au passage 19 d'évacuation et au passage 20 de sortie par lequel est retiré l'échantillon épuisé» Pendant que la zone 18 se déplace autour du rotor, la zone 13A ne bouge pas par rapport à celui-ci au cours de sa rotation. Le passage de l'échantillon autour de l'ailette 22 est 15 interdit par une plaque circulaire 23 et une plaque inférieure 24 fixée au rotor 2 et empêchant le passage de l'échantillon au-dessus et au-dessous de l'ailette 22. Les plaques 23 et 24 entourent tout le rotor 2 et la plaque 24 comprend un orifice permettant l'évacuation de l'échantillon épuisé (figure 6). La 20 zone 18 passe par l'orifice 21 des ailettes 12, mais ne passe pas au-delà de l'ailette 22, car celle-ci ne comporte pas d'orifice par lequel peut passer l'échantillon. En conséquence, celui-ci doit sortir par la sortie 19 et l'évacuation 20. Lorsque l'échantillon passe dans la zone 18, les particules se sé-25 parent et forment des couches dans la zone 13A. Après le passage de la quantité voulue d'échantillon dans le rotor 1, on arrête l'introduction d'échantillon dans la gorge 15 et on continue à faire tourner la centrifugeuse 1., mais habituellement à une vitesse plus faible que celle qu'on utilisait au cours de la 30 séparation, mais suffisamment élevée pour que les couches de particules restent séparées. On introduit dans la gorge 10 un liquide de gradient ayant un poids spécifique au moins égal au liquide de gradient qui se trouve dans le rotor au cours de la séparation, de manière qu'il 35 passe dans le passage 11 et pénètre dans la zone 13A. Le liquide de gradient qu'on vient d'introduire déplace le liquide de gradient de la zone vers l'intérieur, grâce à son poids spécifique plus élevé, et il déplace ainsi le liquide de la zone 13A at BAD ORIGINAL, 72 00317 2123308 sépare les particules de l'échantillon en les dirigeant vers l'orifice 25 d'entrée d'un passage 26 de retrait d'échantillon. Avant l'introduction du liquide de gradient après la séparation de l'échantillon et au cours de cette introduction, le 5 dispositif d'étanchéité représenté sur la figure 2 est mis en place de manière que le fluide passant du passage 26 à la sortie 27 puisse pénétrer à l'entrée 28 d'un tube 29 de retrait d'échantillon. Le dispositif d'étanchéité représenté sur la figure 2 comprend essentiellement deux parties, un joint rota-10 tif 30 et un joint fixe 31. Les joints 30 et 31 sont maintenus au contact par un ressort 32. Le carter rotatif 33 du joint est maintenu dans le carter principal 34 par des roulements à billes 35 et le carter 33 se déplace en pénétrant dans le rotor 1 ou en en sortant sous la commande d'un levier 36 pivotant autour d'un 15 axe 37 et portant contre la face supérieure 38 du carter 34. Le levier 36 se déplace contre l'action du ressort 40. Lorsqu'il est en position de retrait d'échantillon, le prolongement 30a coopérant de façon étanche avec le joint 3Q&ajuste dans un arbre 44 qui à son tour s'ajuste dans une douille 9, l'étanchéité 20 entre ces deux éléments étant assurée par un joint torique 45. Un joint torique 46 assure l'étanchéité entre le prolongement 30a et l'arbre 44. Lorsque le rotor 2 tourne, l'arbre 44, le prolongement 30a, le joint 30, le carter 33 et les roulements 35 tournent aussi alors que le joint 31, le ressort 32, le/cax-25 ter 34, la table 29, le ressort 40 et le levier 36 ne tournent pas. Le carter principal 34 est fixé à un carter de centrifugeuse (non représenté) par un plateau d'étanchéité 42 et un disque 43 de sûreté fixé au plateau 42. Celui-ci comprend des orifices 10a et 15a destinés au logement de tubes de remplissa-30 ge qui peuvent pénétrer dans les gorges 10 et 15. La récupération de l'échantillon est assurée par une pompe 50 qui réduit la pression dans la chambre 51 , le tube 29 et le passage 26, lorsque la soupape 52 est ouverte, et les soupapes 53 et 54 sont fermées et commandent ainsi le retrait progressif du li-35 quide de gradient et des couches d'échantillon qu'il contient pendant l'introduction, de liquide de gradient dans le passage 11, comme décrit précédemment. La récupération de l'échantillon est assurée pendant la rotation du rotor 2 à une vitesse modérée, BAD ORIGINAL 72 00317 2123308 habituellement de l'ordre de 1000 à 2000 tr/mn, si bien que les couches de l'échantillon restent séparées dans le liquide de gradient au cours de la récupération. On récupère successivement les couches d'échantillon, en récupérant d'abord la 5 couche la moins dense. Une fois que la partie voulue de l'échantillon est recueillie dans la chambre 51, on ferme la soupape 52 et on ouvre les soupapes 53 et 54, de manière à récupérer l'échantillon par le conduit 35. La sortie d'évacuation d'échantillon épuisé est disposée 10 radialement à l'extérieur de la gorge radiale la plus externe, et assure ainsi l'écoulement voulu du liquide. On préfère que la gorge destinée à recevoir le liquide de gradient au cours de la récupération d'échantillon soit disposée radialement à l'extérieur de la gorge destinée à recevoir l'échantillon, de ma-15 nière à assurer l'écoulement voulu du liquide. De plus, on préfère que les gorges soient inclinées ou aient une configuration telle que leur/inferieure se trouve radialement plus à l'extérieur que la partie supérieure, de manière à réduire l'évacuation des gorges à la surface supérieure du rotor. On préfère 20 que la sortie du passage de liquide de gradient .aille jusqu'à la face interne du carter de manière à faciliter la formation de la zone de gradient et le retrait de l'échantillon séparé. A cet égard, il n'est pas nécessaire que le passage de liquide de gradient parvienne au-dessous des orifices 21 dans les ailettes 25 12a, 12b et 12jç. On peut utiliser un tube passant par les orifices 21 pour relier les passages de liquide de gradient dans le corps du rotor et la partie externe des ailettes. Bien qu'on ait décrit l'invention en se référant à un rotor dans lequel l'échantillon circule sur environ 3602, et 30 dans lequel il existe quatre passages d'échantillon et quatre passages d'entrée de liquide de gradient, il faut noter que l'appareil peut comprendre des variantes tout en donnant les mêmes résultats. Ainsi, on peut former plusieurs éléments de rotors en fermant les orifices 21 des ailettes 12a, 121} et 12£ 35 et ajouter des passages d'entrée d1 évacuation_d1 échantillon supplémentaires pour chaque élément de rotor, si bien que l'échantillon ne parcourt qu'environ 902 dans le rotor. Cependant, on ne préfère pas ce mode de réalisation car la séparation de BAD 0P,o'N'Al/ 72 00317 212330S l'échantillon est moins complète pour un débit donné. De plus, on peut utiliser un nombre plus ou moins grand de passages d'entrée de liquide de gradient et de sortie d'échantillon pour obtenir une séparation et une récupération équivalentes. 5 De plus, on peut utiliser tout dispositif d'étanchéité lans la mesure où il assure efficacement le passage d'un courant de liquide et maintient l'étanchéité nécessaire entre les parties coopérantes rotative et fixe. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et 10 représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. BAD ORIGINAL 72 00317 2123308 REVENDICATIONS 1. Procédé desbiné à la formation d'un gradient d'échantillon, caractérisé en ce qu'on forme une zone de. gradient dans une centrifugeuse, on fait circuler un échantillon en le 5 faisant pénétrer par la face supérieure d'un noyau de rotor da.ns une zone d'échantillon voisine de la zone de gradient de manière que l'échantillon décrive pratiquement 3602, avec formation d'un gradient d'échantillon- dans la zone de gradient, on retire l'échantillon épuisé par la face inférieure du noyau de 10 rotor, oïl retire le gradient d'échantillon ei}4.ntroduisant un liquide de gradient par la face supérieure du noyau de rotor, jusqu'à la zone de gradient de manière à déplacer le gradient d'échantillon radialement vers l'intérieur, et on fait passer ledit gradient d'échantillon hors du noyau pendant la rotation 15 du rotor, par un passage placé dans l'axe du noyau, et dans lequel règne une pression réduite. 2. Centrifugeuse à écoulement continu, caractérisée en ce qu'elle comprend un noyau de rotor comportant un dispositif d'introduction de deux courants séparés de liquide dans des 20 gorges circulaires dans la face supérieure du ro.tor, de manière qu'un courant soit dirigé dans une zone d'échantillon et l'autre dans une zone de gradient, un dispositif destiné à retirer l'échantillon épuisé de la zone d'échantillon par un orifice de sortie placé à la face inférieure dudit rotor et un dispo- 25 sitif destiné à retirer l'échantillon séparé du rotor par un passage placé dans l'axe du rotor, lors de la rotation de celui-ci . 3. Centrifugeuse selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif destiné à assurer l'écou- 30 lement d'un courant d'échantillon dans la zone d'échantillon sur pratiquement 360 2 autour du noyau du rotor. 4. Centrifugeuse à écoulement continu, caractérisée en ce qu'elle comprend un carter de rotor, un noyau de rotor placé dans le carter et distant de celui-ci en délimitant une zone 35 de gradient voisine du carter et une zone d'échantillon placée entre le rotor et la zone de gradient, la face supérieure du noyau de rotor ayant une première gorge circulaire et une seconde gorge circulaire distante radialement de la première, BAD ORIGINAL 72 00317 10 2123308 la gorge étant destinée à recevoir un dispositif d'introduction de liquide, au moins un passage reliant la première gorge de gradieni^'t au moins un passage reliant la seconde gorge à la zone d'échantillon, au moins un passage d'évacuation placé dans 5 le noyau et reliant la zone d'échantillon à la face inférieure du noyau de rotor, le passage d'évacuation ayant un orificejae/^ placé, en direction radiale, entre la gorge externe et la face périphérique du noyau du rotor, au moins un passage de récupération d'échantillon placé dans le noyau du rotor et reliant la 10 zone d'échantillon à un passage axial placé dans l'axe du noyau, ledit passage axial comprenant un dispositif de récupération de l'échantillon séparé à une pression réduite, au cours de la rotation du rotor. 5. Centrifugeuse selon la revendication 4, caractérisée 15 en ce qu'elle comprend un dispositif destiné à faire circuler un courant d'échantillon dans la zone d'échantillon sur pratiquement 3602 autour du noyau du rotor. 6. Centrifugeuse selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend quatre passages également répartis des- 20 tinés à l'introduction de liquide de gradient dans la zone de gradient et quatre passages de récupération d'échantillon également répartis. 7. Centrifugeuse selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs ailettes placées 25 entre le noyau de rotor dans la zone de gradient au voisinage du carter, chacune des ailettes ayant un orifice permettant le passage de la zone d'échantillon, et une seconde ailette pleine placée entre le noyau de rotor dans la zone de gradient au voisinage du carter, un orifice d'entrée de courant d'échantillon 30 et un orifice de sortie de courant d'échantillon étant placés au voisinage des faces verticales de la seconde ailette, un dispositif à plaque coopérant avec les faces supérieure et inférieure de la seconde ailette depuis la zone de gradient jusqu'au noyau du rotor de manière à empêcher le passage de la 35 zone d'échantillon autour de la seconde ailette. 8. Centrifugeuse selon la revendication 7, caractérisée en ce que les passages reliant la première gorge à la zone de gra-, ,1a dient passent dans/ seconde ailette et dans chaque orifice des premières ailettes. BAD ORIGINAL