Brevet FR3005876A1 — publié le 20141128

La présente invention concerne un dispositif de séparation en continu de particules chargées en solution dans un liquide. Le dispositif est constitué d'un récipient en forme de cylindre avec tube central muni de faces intérieures conductrices, d'une alimentation électrique à contacts tournants, d'un système d'injection en continu du mélange de particules, d'un système d'extraction en continu des particules sélectionnées, d'un système de régulation du volume de liquide tournant par trop-plein et d'un système de mesure et d'asservissement du potentiel du mélange injecté. La rotation du récipient et son contrôle de vitesse sont obtenus par les techniques de motorisation usuelles. La séparation des particules est obtenue par la rotation du liquide et l'effet d'un champ électrique radial. La continuité de fonctionnement est assurée par un système de pompes d'injection et d'extraction des particules. Les techniques habituelles d'électrophorèse en veine liquide ou sur support se font, pour l'instant, sur les plaques rectangulaires plongées dans un champ électrique uniforme. Les analytes sont introduites sur un côté de la plaque et se déplacent vers le côté opposé sous l'effet dudit champ. La séparation de ces particules s'établit sur la distance rectiligne qu'elles parcourent dans un temps donné. Ces méthodes obligent à séquencer chaque séparation une fois les distances prévues atteintes et ne permettent qu'une ségrégation des particules par comparaison des longueurs de trajets parcourus entre elles. Enfin, leur reproductibilité est variable du fait de la sensibilité du milieu dans lequel les particules se déplacent aux conditions extérieures, notamment dans le cas d'une électrophorèse sur support où les interactions des particules avec le milieu peuvent être importantes. Les techniques usuelles de centrifugation demandent, pour sélectionner une particule donnée, d'effectuer des cycles de centrifugation successifs qui obligent à de nombreux transvasements ou, comme dans le cas de la centrifugation à l'équilibre, qui obligent à utiliser un solvant susceptible d'interagir avec le corps que l'on désire à sélectionner et qu'il faut ensuite éliminer. Enfin, pour minimiser la durée des cycles, ces techniques obligent à rechercher des vitesses de rotation importantes qui imposent de nombreuses précautions (équilibrage du balourd, blindage de la cuve, ...). La présente invention permet de remédier à ces inconvénients en associant les avantages des deux techniques en régime continu et dans des conditions d'emploi allégées. (FIG. 1) Elle soumet, selon une première caractéristique, les particules (P) à séparer à deux effets antagonistes : celui d'une force centrifuge (Fc) obtenue par la mise en rotation du liquide à la vitesse (0) et celui d'un champ électrique radial (E) exerçant sur les particules une force électrostatique (Fe). Le champ est orienté de façon à attirer les particules chargées au centre. La rotation du récipient ayant, elle, pour effet d'expulser les particules vers la périphérie. Dans le dessin de la figure 1, il est ainsi supposé centripète pour des particules chargées négativement. Les particules introduites en continu à mi-chemin du centre et de la périphérie (I) sont donc placées dans une situation analogue à celle d'une satellisation, le liquide les contenant formant une paraboloïde (Pa) de révolution atteignant sa hauteur maximale (H) contre le bord extérieur du récipient et la hauteur minimale (h0) contre le bord axial. Les particules les plus chargées relativement à leur masse sont attirées au centre (migration centripète), les moins chargées relativement à leur masse sont expulsées à la périphérie (migration centrifuge). Seules celles qui intéressent la séparation seront satellisées et récoltées en continu (R) sur une orbite intermédiaire (0). Le dispositif proposé définit, en deuxième caractéristique, les propriétés électriques du récipient rotatif (FIG. 2). Le champ électrique radial est obtenu par une différence de potentiel créée entre deux surfaces conductrices cylindriques situées intérieurement au récipient, l'une à sa périphérie (1) et l'autre autour de son axe de rotation (2). Ces surfaces qui peuvent être continues ou alvéolées sont positionnées contre la face interne des bords du récipient de façon à être immergées partiellement ou totalement dans le liquide. Deux autres bandes conductrices circulaires, dites bordures de contact, sont fixées sur la partie supérieure des bords du récipient. Ces bordures de contact, la bordure axiale (3) et la bordure périphérique (4), servent à établir un contact électrique tournant permanent. Elles peuvent être obtenues à partir d'un pliage des surfaces conductrices intérieures ou fabriquée séparément et assemblées à ces dernières de façon à assurer la continuité électrique du montage. Les surfaces conductrices intérieures et les bordures de contact peuvent être collées sur les bords du récipient tournant avec des colles du commerce choisies pour leur neutralité vis à vis des liquides contenus ou fixées mécaniquement de façon amovible ou permanente. Le contact électrique sur les bordures de contact est assuré par un ou plusieurs contacteurs du commerce (5). Dans le cas de plusieurs contacteurs, il est possible d'associer à chacun d'entre eux une différence de potentiel, variable ou permanente, différente des autres contacteurs, de manière à produire, au cours de la rotation du récipient, des effets de variation du champ radial susceptibles de faciliter la ségrégation des particules. Le champ produit peut être pulsé ou continu. Sa valeur est choisie corrélativement à la vitesse de rotation du disque pour fixer précisément la nature des particules satellisées. Le dispositif proposé définit, en troisième caractéristique, les propriétés d'injection du mélange contenant les particules à séparer, de récolte des particules sélectionnées et d'évacuation de l'excédent de liquide mis en rotation (FIG. 3). Ces fonctions sont assurées par un système de buses d'injection (I) et de récolte (R) fixées sur un support et d'ouies de trop-plein (Ou) percées symétriquement dans le bord périphérique du récipient et dans son tube central. Le dessin de la coupe A-A (FIG. 4) montre le système de porte-buses (6) et de son support (7) qui permet la fixation des buses d'injection et de récolte et leur réglage en inclinaison, hauteur et en position radiale. La buse de récolte (R) est destinée à aspirer en continu les particules sélectionnées pour leur ratio charge/masse et stabilisées sur leur orbite de récolte après le réglage de la vitesse de rotation et de la valeur du champ électrique. Cette buse est plongée dans le liquide. Sa profondeur d'immersion, son inclinaison et sa position radiale sont réglables (8) de façon manuelle ou automatique avec les systèmes mécaniques du commerce. Son débit d'aspiration est fonction du régime d'alimentation et d'élimination choisi. La ou les buses d'injection (I) alimentent en continu le récipient circulaire en mélange de particules à séparer. Une disposition des buses d'injection de part et d'autre de l'orbite de récolte permet aux particules à sélectionner de migrer continument vers leur orbite d'équilibre quel que soit leur ratio masse/charge. Le positionnement de ces buses d'injection ainsi que leur profondeur d'immersion et leur inclinaison (9) sont réglables manuellement ou automatiquement de façon à s'adapter aux caractéristiques du mélange introduit. Le débit d'injection est fonction du régime d'alimentation et d'élimination choisi. Aussi, les buses peuvent être l'une ou l'autre fermées (10) pour les besoins, par exemple, d'un recyclage (les produits d'éjection centrifuge ou centripète étant réintroduits pour récupération) ou, dans le cas d'un fonctionnement du dispositif en séquence, d'un affinage en continu de la ségrégation effectuée (les produits de récolte étant repris dans une nouvelle injection). Les particules éliminées, que ce soit celles qui sont expulsées à la périphérie du récipient (centrifugées) ou celles attirées au centre (centripétées), et l'excédent de liquide sont recueillis par débordement au fur et à mesure de l'injection de nouveau mélange. Des ouïes (11) sont percées dans le bord interne et dans le bord périphérique du récipient à des hauteurs tributaires des paramètres de fonctionnement du dispositif. La hauteur de ces ouïes par rapport au fond est déterminée par la vitesse de rotation du récipient, les débits d'injection et de récolte prévus, le volume de mélange initialement introduit et la profondeur minimale d'immersion de la bande axiale conductrice. Dans un fonctionnement standard, les hauteurs des ouïes et leur section d'ouverture sont réglées au préalable pour un volume de mélange donné en fonction de la vitesse choisie, du rayon du récipient et de la paraboloïde de surface prévue pour un volume de mélange défini, les débits d'injection et de récolte étant ensuite ajustés relativement aux débordements de trop- plein. Deux récipients de recueillement de ces débordements (12) sont placés sous le récipient à la verticale des bords portant ouïes. Un recyclage de ces trop-pleins peut être mis en place par le dispositif pour les besoins d'une ségrégation particulière. Le dispositif proposé définit, en quatrième caractéristique, les propriétés électriques des buses d'injection relativement au problème de la projection du mélange injecté au point d'injection sous l'effet de la rotation du liquide. L'éclaté de la figure 5 (FIG. 5) montre un détail des buses d'injection concernant le système de 30 contrôle et d'asservissement associé au dispositif pour éviter que le mélange injecté par ces buses soit trop vite expulsé par la rotation du récipient. Une électrode (E) reliée à un générateur est insérée dans chaque buse pour créer, dans le mélange qu'elle injecte, un potentiel voisin de celui qui règne dans le liquide tournant au point d'injection. Pour mesurer ce potentiel, les buses d'injections sont équipées d'une sonde (S) chargée de le mesurer et de piloter le générateur correspondant. Ce système de mesure et d'asservissement peut, éventuellement, piloter des variations de potentiel d'injection susceptibles d'améliorer les migrations de particules dans le liquide tournant. De la même façon, il peut être envisagé d'équiper la sonde de récolte avec une électrode de potentiel et une sonde afin de favoriser le transit des particules récoltées. Variante : le dispositif est établi pour fonctionner en veine liquide et pour s'affranchir des contraintes imposées habituellement par les supports poreux (gels, papiers, ). Cependant, pour s'adapter à certaines caractéristiques particulières de particules que l'on désirerait récolter, notamment des caractéristiques stériques, des milieux de migration poreux pourront être utilisé avec ce dispositif dès lors que l'on aura ajusté ses paramètres de fonctionnement (vitesse, champ, débits) et que l'on aura éventuellement adapté au support le profil et la section des extrémités immergées des buses. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la ségrégation de particules en solution pour l'industrie pharmaceutique ou l'industrie chimique. REVENDICATIONS1) Dispositif pour séparer en continu les particules chargées en solution dans un liquide caractérisé en ce qu'il est constitué d'un récipient tournant cylindrique avec tube central dont les bords intérieurs sont munis de bandes conductrices de façon à produire un champ électrique radial et, par la rotation dudit récipient, une centrifugation. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les bandes conductrices chargées de créer le champ électrique radial sont positionnées contre les bords intérieurs du récipient tournant, bord périphérique (1) et bord axial (2), de façon à être immergées partiellement ou totalement dans le liquide mis en rotation, ces bandes pouvant être continues ou alvéolées. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la partie supérieure des bords du récipient est équipée de deux bandes circulaires de contact tournant, bande périphérique (3) et bande axiale (4), chargées d'assurer une liaison électrique permanente avec les bandes conductrices placées contre les faces intérieures des bords du récipient tournant, ces bandes circulaires pouvant être obtenues à partir d'un pliage ou fabriquées séparément et assemblées de façon à assurer la continuité électrique, collées sur les faces intérieures des bords du récipient tournant ou fixées mécaniquement sur ces derniers de façon amovible ou permanente. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des contacteurs tournants sur les bandes circulaires de contact pouvant être alimentés par des différences de potentiel différentes de manière à produire, au cours de la rotation du récipient, des effets d'oscillation de champ radial susceptibles de faciliter la ségrégation des particules. 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'injection du liquide contenant les particules que l'on cherche à séparer se fait au dessus du liquide mis en rotation par une ou plusieurs buses plongées dans le milieu et réglables en profondeur d'immersion, en orientation, en position et en débit. 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la ou les buses d'injection du liquide contenant les particules que l'on cherche à séparer sont munies d'une électrode chargée de porter le potentiel du liquide injecté au potentiel du liquide au lieu de l'injection. 35 7) Dispositif selon la revendication 5 et la revendication 6 caractérisé en ce que la ou les buses d'injection du mélange contenant les particules que l'on cherche à séparer sont munies d'une sonde chargée de mesurer le potentiel du liquide tournant au lieu de l'injection afin d'adapter le potentiel de l'électrode d'injection à celui-ci. 40 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la récolte des particules sélectionnées se fait au dessus du liquide mis en rotation par une buse plongée dans ce dernier et réglable en profondeur d'immersion, en orientation, en position et en débit. 45 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les particules éliminées et l'excédent de liquide sont recueillis par débordement à travers des ouïes réglables en hauteur et en section d'ouverture, ouïes percées dans le bord interne et dans le bord périphérique du récipient tournant.