(57)【要約】  本発明は、固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを同時に行うことを含んでなる連続式またはバッチ式の遠心固液分離方法、ならびに、改善が、遠心分離の前および／または遠心分離中に固液混合物に対する均一磁場、磁場勾配、またはその両方の付与を同時に行うことを含んでなる改善された遠心固液分離方法に関する。
2007522938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性粒子を含有する固液混合物の遠心固液分離のための連続方法であって、前記固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを同時に行うことを含んでなり、前記局所的な磁場勾配の供給源が、前記遠心分離が行われる容器内の回転磁性マトリックスである方法。
【請求項２】
前記磁性マトリックスが、遠心分離中に磁場の存在下にある請求項１に記載の連続方法。
【請求項３】
前記容器が遠心分離機である請求項１に記載の連続方法。
【請求項４】
前記回転磁性マトリックスが唯一の遠心力源である請求項１に記載の連続方法。
【請求項５】
前記回転磁性マトリックスが磁性ワイヤのアレイを含んでなる１つの要素よりなる請求項１に記載の連続方法。
【請求項６】
前記回転磁性マトリックスが２つ以上の要素よりなり、そのそれぞれが磁性ワイヤのアレイを含んでなる請求項１に記載の連続方法。
【請求項７】
前記回転磁性マトリックスが、前記容器の軸から前記容器の内壁まで延びている請求項２に記載の連続方法。
【請求項８】
前記局所的な磁場勾配が≧１００Ｔ／ｍの大きさを有する請求項２に記載の連続方法。
【請求項９】
前記局所的な磁場勾配が≧５０００Ｔ／ｍの大きさを有する請求項９に記載の連続方法。
【請求項１０】
前記磁性材料が、高価値の対象材料に取り付けられた機能化磁性ビーズである請求項１〜９のいずれか１項に記載の連続方法。
【請求項１１】
前記固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを行う前に、前記磁性粒子の凝集を促進するために、前記固液混合物に対して均一磁場、磁場勾配、またはその両方が付与される請求項１〜９のいずれか１項に記載の連続方法。
【請求項１２】
前記固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを行う前に、前記磁性粒子の凝集を促進するために、前記固液混合物に対して均一磁場、磁場勾配、またはその両方が付与される請求項１０に記載の連続方法。
【請求項１３】
前記連続方法が、異なる大きさの磁性材料を分級するために使用される請求項１〜９のいずれか１項に記載の連続方法。
【請求項１４】
前記連続方法が、磁性材料を非磁性材料から選別するために使用される請求項１〜９のいずれか１項に記載の連続方法。
【請求項１５】
前記固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを行う前に、前記磁性粒子の凝集を促進するために、前記固液混合物に対して均一磁場、磁場勾配、またはその両方が付与される請求項１４に記載の連続方法。
【請求項１６】
磁性粒子を含有する固液混合物を遠心固液分離するためのバッチ方法であって、前記固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを同時に行うことを含んでなり、前記局所的な磁場勾配の供給源が、前記遠心分離が行われる容器内の回転磁性マトリックスである方法。
【請求項１７】
前記磁性マトリックスが、遠心分離中に磁場の存在下にある請求項１６に記載のバッチ方法。
【請求項１８】
前記容器が遠心分離機である請求項１６に記載のバッチ方法。
【請求項１９】
前記回転磁性マトリックスが唯一の遠心力源である請求項１６に記載のバッチ方法。
【請求項２０】
前記回転磁性マトリックスが磁性ワイヤのアレイを含んでなる１つの要素よりなる請求項１６に記載のバッチ方法。
【請求項２１】
前記回転磁性マトリックスが２つ以上の要素よりなり、そのそれぞれが磁性ワイヤのアレイを含んでなる請求項１６に記載のバッチ方法。
【請求項２２】
磁性粒子を含有する固液混合物を遠心固液分離するための改善された方法であって、前記改善が、前記磁性粒子の凝集を促進するために、前記固液混合物に対して遠心分離と、均一磁場、磁場勾配、またはその両方の付与とを同時に行うことを含んでなる方法。
【請求項２３】
前記遠心分離方法が、磁性材料を非磁性材料から選別するために使用される請求項２２に記載の改善された方法。
【請求項２４】
磁性粒子を含有する固液混合物を遠心固液分離するための改善された方法であって、前記改善が、前記固液混合物に対して遠心分離方法を実施する前に、前記磁性粒子の凝集を促進するために、前記固液混合物に対して均一磁場、磁場勾配、またはその両方を付与することを含んでなる方法。
【請求項２５】
前記固液混合物に対して実施される前記遠心分離方法が、前記固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを同時に行うことを含んでなり、前記局所的な磁場勾配の供給源が、前記遠心分離が行われる容器内の回転磁性マトリックスである請求項２４に記載の改善された方法。
【請求項２６】
前記遠心分離方法が、磁性材料を非磁性材料から選別するために使用される請求項２４または２５に記載の改善された方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２００４年２月１７日に出願された米国仮出願第６０／５４５，０６３号明細書、および２００４年３月１２日に出願された６０／５５２，５８１号明細書の利益を主張し、これらのそれぞれの記載内容全体が、あらゆる目的で本明細書の一部として援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、連続式、バッチ式、および改善された遠心固液分離方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
固液分離の使用は、広範囲にわたっており、固液混合物から無機物の大量分離から、バイオテクノロジーまたは医薬産業における高価値製品の小規模バッチ式分離までの範囲におよんでいる。過去５０年間、重力、圧力、温度、遠心分離、および流体力学によって、従来の固液分離が行われていた。従来の固液分離は、典型的には２つの主要工程からなる。第１の工程は、機械的手段によって固体粒子を液体から分離する機械的工程である。この機械的手段は、ピストン、気体の圧力、動圧、静水圧、遠心圧、またはそれらの組み合わせなどによって加えられる機械的圧力であってよく、この場合、液体はフィルターに通し、固体はフィルターによって保持される。発生する問題の１つは、固体がフィルタを「突破する」、すなわち通過する結果生じる固体の減少である。さらにより大きな問題は、機械的分離工程では分離が完了しないことである。これは第２の工程である熱乾燥プロセスを必要とする。この熱乾燥プロセスははるかにエネルギー効率が悪く、機械的工程よりも１００〜２００倍エネルギー効率が悪い。毎年莫大な量の材料が処理されるため、より効率的な機械的固液分離であれば、下流の乾燥の要求が減少することによって全体のエネルギー消費が大きく減少する。全世界中のエネルギー消費の有意な部分を熱乾燥が占めているので、このことはエネルギー消費影響を与えるだろう。
【０００４】
場合によっては、液体中の固体の混合物から粒子状磁性固体を分離するために、高勾配磁場分離が使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の一目的は、より効率的でより迅速な遠心固液分離方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、磁性粒子を含有する固液混合物を遠心固液分離するための方法であって、固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを同時に行うことを含んでなる方法を提供する。局所的な磁場勾配の供給源は回転磁性マトリックスである。これらの局所的な磁場勾配によって提供される磁力は、磁性粒子を回転磁性マトリックスに引き寄せる。本発明の方法は連続式またはバッチ式であってよい。
【０００７】
本発明は、本発明の方法中に磁場の存在下にある磁性マトリックスも提供する。
【０００８】
本発明の方法は、固液混合物が強磁性、フェリ磁性、反強磁性、常磁性、または反磁性の固体を含む場合、または固液混合物に強磁性または常磁性の粒子が加えられている場合に効果的である。磁性粒子が分離されるべき対象材料に取り付けられる場合、すなわち、「機能化磁性ビーズ」が使用されてタンパク質、ＤＮＡプラスミド、および他の生物学的材料などの高価値の対象材料に取り付けられる場合に、本発明の方法は特に有用である。
【０００９】
本発明の方法において、磁場勾配が≧１００Ｔ／ｍであると有用となることが分かった。高磁場勾配、すなわち勾配が≧５０００Ｔ／ｍであることが好ましい。
【００１０】
本発明は、磁性粒子を含有する固液混合物を遠心固液分離するための改善された方法であって、その改善が、磁性粒子の凝集を促進するために、固液混合物に対して遠心分離と、均一磁場、磁場勾配、またはその両方の付与とを同時に行うことを含んでなる方法も提供する。
【００１１】
本発明は、固液混合物に対して遠心分離方法を行う前に、磁性粒子の凝集を促進するために、磁性粒子を含有する固液混合物に対して均一磁場、磁場勾配、またはその両方を付与することをさらに提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、磁性粒子を含有する固液混合物のための連続式、バッチ式、および改善された遠心固液分離方法を提供する。
【００１３】
本発明の方法は、固液混合物に対して局所的な磁場勾配の付与と遠心分離とを同時に行うことを含んでなる。磁場勾配によって、固液混合物中に存在する磁性粒子、すなわち、強磁性、フェリ磁性、反強磁性、常磁性、または反磁性の粒子上に磁力が生じる。本発明に必要な局所的な磁場勾配および遠心分離は、回転磁性マトリックスによって最も好都合に発生される。局所的な磁場勾配によって提供される磁力は、磁性粒子を磁性マトリックスに引き寄せる。磁場勾配は好ましくは≧１００Ｔ／ｍである。高磁場勾配、すなわち勾配が≧５０００Ｔ／ｍであることが最も好ましい。
【００１４】
磁性マトリックスは、局所的な磁場勾配を提供するあらゆる材料で構成される。典型的には、磁場中に配置すると局所的な磁場勾配が得られる材料、たとえば、鋼製ワイヤ、鋼製ロッド、スチールウール、鋼製スクリーンなどで構成される。内部で磁性マトリックスが回転する容器の外部のソレノイドまたは永久磁石によって磁場が発生する。磁性マトリックスは、磁性ワイヤのアレイを含んでなる１つの要素よりなることができるし、または類似していても異なっていてもよい複数のこのような要素よりなることもできる。この要素は容器内に配置される。一実施態様において、この要素は平面状であり、その面は容器の軸に対して垂直である。要素が取りうる一部の配列の例を図１に示す。図１ａは、中央から半径方向外側に延びるワイヤまたはロッドを含んでなる要素を示している。図１ｂは、半径方向外側に延びるワイヤと、同心円内のワイヤとを含んでなる要素を示している。図１ｃは、外側に延びて分岐するワイヤを含んでなる要素を示している。図１ｄは中央から外側に延びる湾曲したワイヤを含んでなる要素を示している。図１ｅは、スクリーンを含んでなる要素を示している。これらのワイヤは、形状および大きさを変動させることができる。要素は、容器の直径に対して直径を変動させることができる。一実施態様において、使用される要素は中心から延びており、すなわち、容器の軸から容器の内壁に向けて延びている。磁性マトリックスのワイヤは、自立性であってもよいし、支持されてもよい。別の実施態様においては、要素が平面状ではないが、容器の軸に沿った軸を有する円錐形である。
【００１５】
磁性マトリックスは、固液混合物が供給される容器内部で回転する。内部で磁性マトリックスが回転する容器は、回転部分を有する遠心分離機であってよく、この場合、遠心分離機の回転部分および回転磁性マトリックスの両方が、磁性粒子に作用する遠心力に寄与する。本明細書において使用される用語「遠心分離機」は、回転ローター、回転スクリュー、または遠心力を提供する他の回転部分を有するあらゆる容器を含む。このようなものとしては、遠心力を提供するデカンター、分離器、および液体サイクロンが挙げられる。この場合、磁性マトリックスは、遠心分離機のローター、スクリュー、またはアクスルに固定して、遠心分離機と同じ回転数で回転させることができるし、独立に回転数を調節するために別の駆動装置を有する別のアクスルに取り付けることもできる。遠心分離機および磁性マトリックスの回転数の差を、分離プロセスを調節するためのパラメーターとして使用することができる。用語「遠心分離機」は、固液混合物のらせん状の動きと遠心力とが得られる接線方向、すなわち半径方向の入口を有する静的遠心分離機も含んでいる。
【００１６】
あるいは、内部で磁性マトリックスが回転する容器は、静止した容器、すなわち回転しない容器であってよい。この場合、回転磁性マトリックスが唯一の遠心力源となる。
【００１７】
固液混合物は、軸方向または接線方向、すなわち半径方法のいずれかで容器内に供給することができる。固液混合物は、綿状物質、界面活性剤、およびゾルを含むことができる。あるいは、固液混合物を懸濁液と呼ぶこともできる。
【００１８】
固液混合物中の磁性粒子は、強磁性、フェリ磁性、反強磁性、常磁性、または反磁性であってよい。分離を促進するために、固液混合物に強磁性または常磁性の粒子を加えることもできる。本発明の改善された方法は、「機能化磁性ビーズ」を使用する場合、すなわち磁性粒子が分離されるべき対象固体に取り付けられる場合にも効果的となる。分離プロセスを促進し、高価な生体材料の減少を抑えるために、高価な生体材料などの高価値の対象材料をこのような磁性粒子に取り付けることができる。「機能化磁性ビーズ」は、対象となる生物学的材料に結合することが知られている生物学的または化学的な構成要素で表面を処理することによって「機能化」された磁性粒子である。取り付けられた対象材料を有する「機能化磁性ビーズ」を単離した後、分離工程によって、対象材料を機能化磁性ビーズから分離することができる。この磁性ビーズは再利用することができる。本明細書において使用される場合「磁性粒子」は、この項に記載されるすべての磁性材料を含んでいる。
【００１９】
磁力によって、磁性粒子は磁性マトリックスに引き寄せられて付着する。遠心力によって、磁性粒子は、容器内壁に向かって半径方向外側に移動する。磁性粒子が半径方向外側に移動し、磁性マトリックスの外端に集まることで、磁性マトリックスは自己洗浄され、そのためさらに磁性粒子を捕集することができる。
【００２０】
回転磁性マトリックスが唯一の遠心力源である場合、磁性粒子が回転磁性マトリックスに付着しているので、実質的に磁性粒子のみに遠心力が作用する。これらの磁性粒子は、容器内壁に向かって外側に移動し、そこで磁性粒子を捕集することができる。本発明の方法がこのように実施される場合、回収すべき磁性粒子と廃棄物の一部と見なされる非磁性粒子とを含有する固液混合物から磁性粒子を分離するのに非常に有用となりうる。この方法で実施される場合、本発明の方法は、連続方法として実施するのに特に適している。内部で磁性マトリックスが回転している容器内に固液混合物が連続的に供給される。磁性マトリックスの外端で磁性粒子が捕集され、生成物として容器から取り出される。固液混合物中のあらゆる非磁性粒子は磁性マトリックスに引き寄せられることはなく、液体ととも容器内を流動し、廃棄物流中の液体とともに容器から排出される。
【００２１】
回転磁性マトリックスが唯一の遠心力源である本発明の連続方法の一実施態様の概略図を図２に示す。図２ａは、２組の同心の円筒形壁を有する直円柱の形態の容器１の垂直断面を示している。垂直壁２は、内部円筒を囲んでおり、壁２および３は外部円筒形シェルを囲んでいる。回転磁性マトリックス４がシャフト５に取り付けられている。シャフト５は矢印６で示されるように回転する。Ｂで示される矢印は、磁場の存在および方向を示している。この磁場は別の方向であってもよいが、好ましくは容器の軸と平行であるか、または容器の軸と平行となる大きな成分を有する。図２ｂは、回転磁性マトリックスの構成を示す水平断面である。この場合、磁性マトリックスは、１つのみの要素を含んでなるが、類似または異なる複数の要素をシャフト５に取り付けて回転させることもできる。方に関して示される構成は図１ａと類似のものであり、すなわち、中央から半径方向外側に延びるワイヤまたはロッドを有する。これらのワイヤまたはロッドは、シャフトから、壁２の中を通過し、外部円筒形シェルまで延びている。固液混合物は、矢印７で示されるように内部円筒に連続的に供給される。固液混合物は、中央が白い丸で示される磁性粒子８と、全体が黒い丸で示される非磁性固体９と、液体とを含んでなる。固液混合物は、適用された圧力および重力によって、内部円筒の上部から底部に向かって流動する。磁性マトリックスにおける磁場勾配と、結果として得られる磁力とによって、磁性粒子が磁性マトリックスに引き寄せられて付着する。高磁場勾配は、より大きな力が生じ、磁性粒子が磁性マトリックスにより強く付着するので好ましい。回転磁性マトリックスによって提供される遠心力によって、磁性粒子は、壁２に向かって半径方向外側に移動する。これらは壁２の孔を通って外部円筒形シェルに入る。矢印１０で示されるように液相緩衝溶液が外部円筒形シェルに供給される。磁性粒子が壁２の孔を通過して外部円筒形シェルに入ると、緩衝溶液の流れに取り込まれ、矢印１１で示されるように装置から排出される。この緩衝溶液は、磁性粒子を溶液から分離しやすいように選択される。磁性粒子が、対象生成物が付着した機能化磁性ビーズである場合、対象生成物は磁性ビーズから分離され、磁性ビーズは再利用される。非磁性粒子は磁性マトリックスに引き寄せられず、遠心力は実質的に作用せず、固液混合物の液体とともに流動して内部円筒を通過し、矢印１２で示されるように液体とともに内部円筒から放出される。
【００２２】
本発明の方法は、選択的分離のため、すなわち磁性粒子を非磁性粒子および液体から分離するために使用することができる。この方法は、磁性粒子を液体から分離するため、または異なる大きさの磁性粒子を分級するために使用することもできる。高勾配磁場では強い磁力が発生するので、より小さな磁性粒子を分離でき、そのためより小さな粒子を磁性ビーズとして使用することができる。磁場が存在する結果生じる凝集によってこのような分離が促進される。本発明の方法によって磁性ナノ粒子を分離することができる。
【００２３】
本発明は、磁性粒子を含有する固液混合物の遠心固液分離のための改善された方法であって、磁性粒子の凝集を促進するために、固液混合物に遠心分離と、均一磁場、磁場勾配、またはその両方の付与とを同時に行うこととを含んでなる方法も提供する。一実施態様においては、遠心分離とともに振動磁場が使用される。
【００２４】
均一磁場の付与によって得られる改善は、混合物またはフィルターケーキの多孔質構造の内部で構造変化が起こることに依拠する。均質、すなわち均一な磁場は、磁性粒子を配列させたり配列を乱したりすることができる。したがって、付与される均一磁場が、固液混合物の構造を変化させる。固体粒子は磁場の存在下で凝集する。粒子が凝集すると、その有効直径が増加する。この凝集体は質量が大きいため、１つの磁性粒子よりも大きな遠心力が作用する。したがって、粒子の凝集によって、固液分離の時間が短縮される。均一磁場は、遠心力に対してあらゆる角度で付与することができる。
【００２５】
磁場勾配を使用すると、磁性粒子上に磁力が発生する。磁場勾配は、前述のような利点を有する凝集に寄与することができる。
【００２６】
固液混合物に対して遠心分離方法を行う前に、磁性粒子の凝集を促進するために、固液混合物に対して均一磁場、磁場勾配、またはその両方を付与することも好都合である。一実施態様においては、遠心分離とともに振動磁場が使用される。この凝集工程の後、この固体−液体に対して、さらに均一磁場、磁場勾配、またはその両方の付与を遠心分離方法とともに行うことができる。この遠心分離方法は、本発明の連続方法であってもよいし、磁性マトリックスを使用しない従来の遠心分離方法であってもよい。
【実施例】
【００２７】
この実施例の目的は、遠心分離方法中に磁気を付与することで得られる改善を示すことである。
【００２８】
直径３５ｍｍおよび長さ９４ｍｍの静的プレキシガラス遠心分離機を使用して、水中に約０．５体積％の磁鉄鉱Ｆｅ３Ｏ４よりなる固液混合物の分離を測定した。この磁鉄鉱はメジアン粒度が２０μｍであった。遠心分離機の一端付近には、ノズル直径２ｍｍの接線方向入口が存在する。接線方向の入口に固液混合物を供給すると、混合物がらせん状に移動し、磁鉄鉱粒子に対して遠心力が発生する。遠心分離機の他端には、接線方向のアンダーフロー出口と、軸方向のオーバーフロー出口との２つの出口が存在する。供給流速は３．９ｌ／分であった。
【００２９】
遠心力によって、磁鉄鉱粒子は、半径方向外側に移動して、アンダーフロー出口で捕集されると予想することができ、きれいな水は軸方向のオーバーフロー出口を通過して処理室に残留する。
【００３０】
このプロセスを、磁場を付与せずに実施すると、および０．３９体積％の磁鉄鉱がオーバーフロー出口流中に見られた。
【００３１】
次に、超電導磁石の非常に小さな残留磁気である均一磁場中、すなわちＢ＝０．０３５Ｔ中に静的遠心分離機を置いた。この小さな磁場の存在下でプロセスを実施すると、０．２９体積％の磁鉄鉱がオーバーフロー出口流中に見られた。オーバーフロー出口流中の磁鉄鉱が体積％で２５％の減少となる。これは、遠心分離方法中に磁場を付与する場合の、粒子凝集の利点および分離の改善を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】磁性マトリックスの要素の配置の例を示している。
【図２】連続遠心分離方法の一実施態様を示す概略図である。
【図１】
2007522938.tif 000003
【図２】
2007522938.tif 000004
【国際調査報告】
2007522938.tif 000005
2007522938.tif 000006
2007522938.tif 000007