СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО МАНИПУЛИРОВАНИЯ ЧАСТИЦАМИ В ПОЛЯХ СТОЯЧИХ ВОЛН
METHOD FOR ACOUSTIC MANIPULATION OF PARTICLES IN STANDING WAVE FIELDS

Перекрестные ссылки на родственные заявки
[0001] В настоящей заявке испрашивается приоритет американской предварительной заявки на патент №62/163,994, которая была подана 20 мая 2015 года и полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Уровень техники
[0002] Настоящее изобретение относится к использованию ультразвуковых акустических стоячих волн для захвата, накопления и отделения компонентов взвешенной фазы и, тем самым, удаления таких примесей из жидкой среды, например, из воды.
[0003] Когда частицы увлекаются или диспергируются в текущей текучей среде, агрегация частиц с образованием крупных агрегатов обычно обусловлено некоторым притяжением или адгезией между частицами или добавлением флокулирующего агента, способствующего притяжению и агрегации частиц. Силы притяжения между частицами могут быть ионной природы или представлять собой механическое сцепление.
[0004] Как правило, после образования агрегатов частиц в текучей среде применяют механическую фильтрацию для отделения агрегированных, агломерированных, флокулированных или агрегатов частиц, образованных в ходе других процессов. Большая часть решений, описанных в литературе, относящейся к удалению частиц из воды, включает в себя сменные фильтрующие элементы, как правило, состоящие из упакованных картриджей, фильтрующих мембран или специальной фильтровальной бумаги. Если процесс отделения представляет собой процесс фильтрационного отделения, механический фильтрующий материал и агрегаты частиц, отделенные от текучей среды, обычно выбрасываются, тем самым создавая дополнительные отходы и увеличивая затраты. Кроме того, при осуществлении такого процесса механической фильтрации выход фильтрата снижен, поскольку часть его используется для насыщения фильтрующего материала. Кроме того, по мере заполнения фильтра фильтрационная способность уменьшается, и использование таких фильтров требует периодической остановки для извлечения фильтра и удаления захваченных на нем частиц. Наконец, хотя частицы размером более 10 мкм, как правило, могут быть уловлены этими методами, менее крупные частицы, например, споры бактерий, в диапазоне размеров 1 микрометр не могут быть уловлены с достаточной эффективностью.
[0005] Таким образом, существует потребность в раскрытие способа, обеспечивающего возможность непрерывной фильтрации. Такие непрерывные способы были бы полезны в различных областях применения фильтрации, таких как фильтрация масла из воды, компонентов из крови, отходов обогащения из воды в прудах-хранилищах для отходов обогащения и, в целом, частиц из потока текучей среды, а также несмешивающихся или эмульгированных текучих сред из потока текучей среды.
[0006] Акустофорез - это процесс отделения частиц и вторичных текучих сред от первичной или основной текучей среды с использованием акустических стоячих волн высокой интенсивности и без использования мембран или механических фильтров для отделения по размерам. Известно, что акустические стоячие волны высокой интенсивности прикладывают силу к частицам в текучей среде, когда присутствует разность плотности и/или сжимаемости, также известная как коэффициент акустического контраста. Профиль давления в стоячей волне содержит области локальных минимумов амплитуды давления в ее узлах и локальных максимумов в ее пучностях. В зависимости от плотности и сжимаемости частиц они захватываются в узлах или пучностях стоячей волны. В целом, чем выше частота стоячей волны, тем меньше частицы, которые могут быть захвачены давлением стоячей волны.
[0007] В известных из уровня техники акустофоретических устройствах для выполнения процесса разделения используются плоские акустические стоячие волны. Однако одиночная плоская волна имеет тенденцию захватывать частицы или вторичную текучую среду так, что их отделение от первичной текучей среды возможно только после выключения плоской стоячей волны. Это обстоятельство делает непрерывную работу невозможной. Кроме того, энергия, требуемая для создания акустической плоской стоячей волны, имеет тенденцию нагревать первичную текучую среду вследствие энергетических потерь.
[0008] Таким образом, известные из уровня техники акустофоретические устройства имеют ограниченную эффективность из-за нескольких факторов, включая выделение тепла, использование плоских стоячих волн, ограничения по расходу текучей среды и невозможность захвата материалов различных типов. Таким образом, для повышения эффективности гравитационного разделения и улавливания, существует потребность в создании устройства и способа создания оптимизированных кластеров частиц. Также существует потребность в создании улучшенного акустофоретического устройства, использующего улучшенную гидрогазодинамику с возможностью непрерывности процесса акустофореза.
Раскрытие сущности изобретения
[0009] Настоящее изобретение в своих различных вариантах осуществления относится к акустофоретическому устройству и способу отделения вторичной текучей среды или частиц от основной текучей среды. Вкратце, наложение многомерных акустических стоячих волн применяется для непрерывного улавливания вторичной текучей среды или частиц, которые после этого агломерируют, агрегируют, образуют кластеры или соединяются друг с другом, а затем поднимаются или осаждаются из основной текучей среды благодаря выталкивающей силе или силе тяжести, и покидают акустическую камеру.
[0010] Способ отделения вторичной текучей среды или частиц от первичной текучей среды согласно настоящему изобретению включает в себя обеспечение тока смеси основной текучей среды и вторичной текучей среды или частиц через акустофоретическое устройство. Акустофоретическое устройство содержит акустическую камеру, имеющую по меньшей мере одно впускное отверстие и по меньшей мере одно выпускное отверстие; по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, расположенный на стенке акустической камеры, причем упомянутый по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлектрик, управляемый сигналом напряжения для создания наложения многомерных акустических стоячих волн в акустической камере; и отражатель, расположенный на стенке с противоположной, относительно упомянутого по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя, стороны акустической камеры. Кроме того, упомянутый способ включает в себя передачу сигнала напряжения для управления по меньшей мере одним ультразвуковым преобразователем в соответствии с профилем смещения, представляющем собой наложение комбинации из различных мод (например, плоской моды, моды низшего порядка и/или моды более высокого порядка), имеющих одинаковый порядок величины, чтобы создать в акустической камере многомерную акустическую стоячую волну так, чтобы непрерывно улавливать в стоячей волне вторичную текучую среду или частицы, которые после агломерируют, агрегируют, образуют агрегаты или соединяются друг с другом, и затем поднимаются или осаждаются из основной текучей среды благодаря выталкивающей силе или силе тяжести, и покидают акустическую камеру.
[0011] Моду (1, 1) называют модой низшего порядка. Моды низшего порядка и более высокого порядка могут иметь пики в пределах 0,005 МГц друг от друга. Моды более высокого порядка могут включать в себя моды (1, 3); (1, 5); (3, 3); (3, 5); и (5, 5). В некоторых вариантах осуществления волны более высокого порядка могут включать в себя моды вплоть до (25, 25).
[0012] Частоту возбуждения пьезоэлектрика могут изменять или искажать в небольшом интервале, возбуждая пьезоэлектрик в нескольких модах более высокого порядка, а затем циклически возвращая частоту через низшие моды пьезоэлектрика, тем самым обеспечивая возможность генерирования в течение определенного времени различных многомерных форм волн, вместе с формой одной поршневой модой. В других вариантах осуществления частота возбуждения пьезоэлектрика представляет собой фиксированную частоту возбуждения, причем вклад в общий профиль смещения пьезоэлектрического элемента вносит взвешенная комбинация нескольких мод.
[0013] В конкретных вариантах осуществления многомерная стоячая волна обеспечивает силу акустического излучения, имеющую осевую составляющую силы и поперечную составляющую силы, имеющие одинаковый порядок величины. Многомерная акустическая стоячая волна может быть сгенерирована в акустической камере в направлении, перпендикулярном направлению проходящего через нее потока. Пьезоэлектрик может вибрировать для создания через поверхность текущей смеси профиля давления с несколькими максимумами и минимумами. В смеси могут быть образованы активные области, расположенные в минимуме потенциала поля акустического излучения. Сигнал напряжения может представлять собой синусоидальный, прямоугольный, пилообразный, треугольный или импульсный сигнал. Частота сигнала напряжения может составлять от 100 кГц до 10 МГц. Для прекращения акустического потока сигнал напряжения может управляться с возможностью запуска/остановки амплитудной или частотной модуляции. При этом отражатель может иметь неплоскую поверхность.
[0014] В конкретных конструкциях упомянутый по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь может содержать: корпус, имеющий верхний конец, нижний конец и внутренний объем; и пьезоэлектрический элемент на нижнем конце корпуса, имеющий открытую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, причем пьезоэлектрический элемент выполнен с возможностью вибрировать при управлении сигналом напряжения. С внутренней поверхностью пьезоэлектрического элемента может контактировать опорный слой, изготовленный из по существу акустически прозрачного материала. Упомянутый по существу акустически прозрачный материал может представлять собой бальзу, пробку или пеноматериал. Толщина упомянутого по существу акустически прозрачного материала может составлять до 1 дюйма. Упомянутый по существу акустически прозрачный материал может иметь форму решетки. Внешняя поверхность пьезоэлектрического элемента может быть покрыта материалом поверхности износа толщиной не более половины длины волны, причем материал поверхности износа представляет собой уретановое, эпоксидное или силиконовое покрытие. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент не имеет ни опорного слоя, ни слоя износа. Пьезоэлектрический элемент может быть кристаллическим, полукристаллическим или некристаллическим.
[0015] В способе согласно настоящему изобретению смесь, содержащая вторичную текучую среду или частицы, может течь вертикально вниз, при этом вторичная текучая среда или частицы могут всплывать в накопительный канал. Также в способе согласно настоящему изобретению смесь может течь вертикально вверх, при этом вторичная текучая среда или частицы могут опускаться в накопительный канал. Частицы могут представлять собой клетки яичника китайского хомяка (Chinese Hamster Ovary, СНО клетки), клетки гибридомы NS0, клетки почки детенышей хомяка (Baby Hamster Kidney, ВНK) или клетки человека.
[0016] В конкретных вариантах осуществления акустическая стоячая волна может представлять собой многомерную акустическую стоячую волну. Примеры таких многомерных акустических стоячих волн известны из патента США №9,228,183, полное содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки. В других вариантах осуществления акустическая стоячая волна может представлять собой плоскую акустическую стоячую волну. Кроме того, в конкретных вариантах осуществления акустическая стоячая волна может представлять собой комбинацию плоской акустической стоячей волны и многомерной акустической стоячей волны, причем плоская акустическая стоячая волна и многомерная акустическая стоячая волна наложены друг на друга.
[0017] Эти и другие неограничивающие признаки более подробно описаны ниже.
Краткое описание чертежей
[0018] Ниже приведено краткое описание чертежей, представленных в целях иллюстрации раскрытых примеров вариантов осуществления, а не для их ограничения.
[0019] Фиг. 1 представляет собой график зависимости силы акустического излучения, силы тяжести/выталкивающей силы и влекущей силы Стокса от размера частиц, при этом горизонтальная ось имеет размерность в микронах (мкм), вертикальная - в ньютонах (Н).
[0020] Фиг. 2 иллюстрирует общую конфигурацию пьезоэлектрического элемента, отделенного слоем воды от отражающего граничного слоя.
[0021] Фиг. 3 иллюстрирует известный из уровня техники способ применения преобразователя и отражателя для генерации плоской стоячей волны для создания в акустической камере неплотно упакованные матрицы частиц. Приведены три изображения: вид со стороны отражателя, вид сверху и изометрическое изображение.
[0022] Фиг. 4 иллюстрирует способ применения преобразователя и отражателя согласно настоящему изобретению для генерации многомерной акустической стоячей волны, чтобы создать в акустической камере плотно упакованные кластеры частиц. Приведены три изображения: вид со стороны отражателя, вид сверху и изометрическое изображение.
[0023] Фиг. 5 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую акустофоретический способ отделения вторичной текучей среды или частиц, менее плотных, чем первичная текучая среда, согласно настоящему изобретнию.
[0024] Фиг. 6 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую акустофоретический способ отделения вторичной текучей среды или частиц, более плотных, чем первичная текучая среда, согласно настоящему изобретению.
[0025] Фиг. 7 представляет собой изображение поперечного разреза известного из уровня техники ультразвукового преобразователя.
[0026] Фиг. 8 представляет собой изображение поперечного разреза ультразвукового преобразователя согласно настоящему изобретению, внутри которого имеется воздушный зазор, при этом отсутствуют опорный слой или пластина износа.
[0027] Фиг. 9 представляет собой изображение поперечного разреза ультразвукового преобразователя согласно настоящему изобретению, внутри которого имеется воздушный зазор, а также имеется опорный слой и пластина износа.
[0028] Фиг. 10 иллюстрирует смещение в плоскости и вне плоскости пьезоэлектрического кристалла, в котором присутствуют составные волны.
[0029] Фиг. 11 представляет аналитические данные об ответном смещении пьезоэлектрического кристалла PZT-8 (PZT, lead zirconate titanate - цирконат-титанат свинца) 25,4×25,4×1 мм с излучающим слоем воды.
[0030] Фиг. 12 иллюстрирует аналитические данные об ответном смещении пьезоэлектрического кристалла PZT-8 25,4×25,4×1 мм с акустической камерой 25,4 мм, на конце которой расположен акустический отражатель.
[0031] Фиг. 13 иллюстрирует двумерную численную модель COMSOL пьезоэлектрических уравнений в соответствии с данным изобретением.
[0032] Фиг. 14 иллюстрирует численные данные об ответном смещении пьезоэлектрического кристалла PZT-8 25,4×25,4×1 мм с камерой для текучей среды 25,4 мм, на конце которой расположен акустический отражатель.
[0033] Фиг. 15 иллюстрирует численные данные об ответном токе пьезоэлектрического кристалла PZT-8 25,4×25,4×1 мм с камерой для текучей среды 25,4 мм, на конце которой расположен акустический отражатель.
[0034] Фиг. 16 иллюстрирует экспериментальные данные об ответном токе пьезоэлектрического кристалла PZT-8 25,4×25,4×1 мм, работающего с колебанием частоты 30 кГц и снабженного акустической камерой 25,4 мм, на конце которой расположен акустический отражатель.
Осуществление изобретения
[0035] Настоящее изобретение может быть лучше понято из нижеследующего описания со ссылкой на подробное описание предпочтительных вариантов осуществления и включенных в него примеров. В нижеследующем описании и формуле изобретения встречаются ссылки на ряд терминов, которые следует трактовать следующим образом.
[0036] Хотя для ясности в нижеследующем описании используются специальные термины, эти термины предназначены для обозначения только конкретной структуры вариантов осуществления, выбранных для иллюстрации на чертежах, и не предназначены для определения или ограничения объема изобретения. Очевидно, что на чертежах и в нижеследующем описании одинаковые числовые обозначения относятся к компонентам, имеющим аналогичную функцию.
[0037] Упоминание в единственном числе включает в себя также ссылку и на множественное число, если из контекста очевидным образом не следует обратное.
[0038] Термин "содержит" используется здесь как требующий наличия названного компонента и допускающий наличия других компонентов. Значение термина "содержит" включает в себя значения термина "состоит из", допускающий наличие только названного компонента, вместе с любыми примесями, возникшими в результате производства названного компонента.
[0039] Следует понимать, что числовые значения включают числовые значения, одинаковые при уменьшении до одинакового числа значимых цифр, и числовые значения, отличающиеся от указанного значения менее чем на величину экспериментальной погрешности обычной измерительной техники, описанной в настоящей заявке для определения этого значения.
[0040] Все диапазоны, представленные в настоящем документе, включают в себя указанное предельное значение и могут комбинироваться независимо друг от друга (например, диапазон "от 2 до 10 грамм" включает в себя предельные значения, то есть, 2 грамма, 10 грамм и все промежуточные значения). Границы диапазонов и любые раскрытые здесь значения не ограничены точным интервалом или значением; они являются достаточно неопределенными для того, чтобы включать значения, близкие к этим диапазонам и/или значениям.
[0041] Определение "приблизительно", применяемое в отношении количества, включает названную величину и имеет значение, определенное контекстом. При использовании в контексте интервала определение "приблизительно" также следует трактовать как интервал, определенный абсолютными значениями двух границ. Например, интервал "от приблизительно 2 до приблизительно 10" также раскрывает интервал "от 2 до 10". Термин "приблизительно" может относиться к значению плюс или минус 10% от указанного числа. Например, "приблизительно 10%" может означать интервал от 9 до 11%, а "приблизительно 1" может означать "от 0,9 до 1,1".
[0042] Следует отметить, что многие термины, используемые здесь, являются относительными. Например, термины "верхний" и "нижний" рассматриваются в отношении положения относительно друг друга, то есть, в данной ориентации верхний компонент расположен на более высоком уровне, чем нижний компонент, но если устройство перевернуто, эти термины могут измениться. Термины "впускное отверстие" и "выпускное отверстие" относятся к текучей среде, протекающей через них относительно данной конструкции. Например, текучая среда течет в конструкцию через впускное отверстие и вытекает из конструкции через выпускное отверстие. Термины "выше по потоку» и "ниже по потоку" относятся к направлению, в котором текучая среда протекает через различные компоненты, то есть, текучая среда сначала протекает через компонент выше по потоку, а затем - через компонент, расположенный ниже по потоку. Следует отметить, что в замкнутой системе первый компонент можно описать как находящийся относительно второго компонента как выше по потоку, так и ниже по потоку.
[0043] Термины "горизонтальный" и "вертикальный" используются для указания направления относительно абсолютного начала отсчета, то есть, уровня земли. Однако эти термины не следует толковать, как требующие, чтобы структуры были абсолютно параллельными или абсолютно перпендикулярными друг другу. Например, первая вертикальная структура и вторая вертикальная структура не обязательно параллельны друг другу. Термины "верх" и "низ" или "основание" используются для обозначения поверхностей, когда относительно абсолютного начала отсчета, т.е. уровня земли, верх всегда расположен выше, чем низ/основание. Термины "вверх" и "вниз" также относятся к абсолютному началу отсчета; вверх всегда обозначает направление против силы тяжести земли.
[0044] Термин "параллельный" следует понимать в смысле расположения двух поверхностей, между которыми сохраняется, в целом, постоянное расстояние, а не в том строгом математическом смысле, что при продолжении этих поверхностей до бесконечности они никогда не пересекаются.
[0045] В настоящей заявке имеются ссылки на "тот же порядок величины". Два числа имеют тот же порядок величины, если частное от деления большего числа на меньшее число, составляет не менее 1, но меньше 10.
[0046] Акустофорез - это процесс отделения частиц и вторичных текучих сред от первичной или основной текучей среды с использованием акустических стоячих волн высокой интенсивности и без использования мембран или механических фильтров для отделения по размерам. Известно, что акустические стоячие волны высокой интенсивности прикладывают силу к частицам в текучей среде, когда присутствует разность плотности и/или сжимаемости, также известная как коэффициент акустического контраста. Профиль давления в стоячей волне содержит области локальных минимумов амплитуды давления в ее узлах и локальных максимумов в ее пучностях. В зависимости от плотности и сжимаемости частиц они захватываются в узлах или пучностях стоячей волны. В целом, чем выше частота стоячей волны, тем меньше частицы, которые могут быть захвачены давлением стоячей волны.
[0047] При распространении в жидкостях акустических стоячих волн быстрые колебания могут генерировать неколеблющуюся силу на частицах, взвешенных в жидкости, или на поверхности раздела между жидкостями. Эта сила известна как сила акустического излучения. Эта сила является результатом нелинейности распространяющейся волны. В результате нелинейности волна искажается по мере ее распространения, при этом ее среднее во времени значение отлично от нуля. При последовательном расширении (в соответствии с теорией возмущений) первым ненулевым членом является член второго порядка, учитывающий силу акустического излучения. Сила акустического излучения на частице или клетке в жидкой суспензии зависит от разности давлений излучения с двух сторон этой частицы или клетки. Физическая характеристика силы излучения представляет собой наложение падающей волны и рассеянной волны, в дополнение к эффекту нежесткой частицы, колеблющейся с другой скоростью по сравнению с окружающей средой и поэтому излучающей волну. Следующее уравнение представляет собой аналитическое выражение для силы акустического излучения, действующую на частицу или клетку в жидкой суспензии в плоской стоячей волне.
m
p
0
где β - сжимаемость текучей среды, ρ - плотность, ϕ - коэффициент акустического контраста, V - объем частицы, λ - длина волны, k - это 2π/λ, P - амплитуда акустического давления, x - осевое расстояние вдоль стоячей волны (то есть, в направлении, перпендикулярном волновому фронту), причем
p
m
p
m
где ρ - плотность частицы, ρ - плотность текучей среды, β - сжимаемость частицы, β - сжимаемость текучей среды.
R
v
[0048] Для многомерной стоячей волны сила акустического излучения представляет собой трехмерное силовое поле, и одним из способов расчета этой силы является метод Горькова, в соответствии с которым первичную силу F акустического излучения определяют как функцию потенциала поля U, F=-∇(U), где потенциал поля U определяется как
тогда как f1 и f2 - монопольные и дипольные вклады, определяемые по формулам
где
p
f
р
f
o
где p - акустическое давление, u - скорость частиц жидкости, Λ - отношение плотности ρ клеток к плотности ρ текучей среды, σ - отношение скорости с звука в клетке к скорости c звука в текучей среде, V - объем клетки, а <> означает усреднение по времени в течение периода волны.
[0049] Модель Горькова относится к одной частице в стоячей волне и ограничена размерами частицы, которые малы относительно длины волны акустических полей в текучей среде и частице. Она также не учитывает влияние вязкости текучей среды и частицы на силу излучения. В результате эта модель не может использоваться для крупных ультразвуковых сепараторов, поскольку в них могут образоваться довольно крупные кластеры частиц.
p
р
w
f
f
3
3
[0050] Фиг. 1 представляет собой график с логарифмическим масштабом на обоих осях (логарифмическая ось X, логарифмическая ось Y), показывающий соотношение между силой акустического излучения, влекущей силой потока текучей среды и выталкивающей силой, и радиусом частицы. Расчеты выполнены для типичной клетки млекопитающих, используемой в экспериментах. В этом эксперименте клетка млекопитающего имеет плотность (ρ) 1050 кг/м, скорость (с) звука в клетке составляет 1550 м/с. Текучая среда, в которой двигалась частица, представляет собой воду, имеющую плотность (ρ) 1000 кг/м, скорость (c) звука в текучей среде 1500 м/с, причем скорость (v) потока составляла 4 см/мин. В ходе эксперимента использовали 33 пьезоэлектрических кристаллов PZT-8, возбуждаемые с частотой (f) 2,2 МГц при давлении (p) 1 МПа. Как пояснено выше, сила тяжести/выталкивающая сила зависит от объема частицы и поэтому она пренебрежимо мала для частиц с размером порядка микрона, но увеличивается и становится значимой для частицы с размером порядка сотен микрон. Влекущая сила потока текучей среды линейно зависит от скорости текучей среды и, следовательно, как правило, превышает выталкивающую силу для частиц размера порядка микрона, но пренебрежимо мала для частиц большего размера порядка сотен микрон. Сила акустического излучения соотносится с размерами частицы иным образом. Когда размер частицы невелик, уравнение Горькова является точным, а сила акустического захвата пропорциональна объему частицы. В результате, с увеличением размера частицы сила акустического излучения не увеличивается с кубом радиуса частицы и быстро стремится к нулю при определенном критическом размере частиц. При дальнейшем увеличении размера частицы сила излучения снова возрастает по величине, но с противоположной фазой (на графике это не показано). Эта картина повторяется при увеличении размеров частицы.
c1
c2
[0051] Вначале, когда через систему протекает суспензия с мелкими частицами преимущественно микронного размера, необходимо, чтобы сила акустического излучения уравновешивала комбинированное действие влекущей силы потока текучей среды и выталкивающей силы для того, чтобы частица была захвачена стоячей волной. На фиг. 1 это происходит при размере частиц приблизительно 3,5 микрон, обозначенном R. Кроме того, как видно на графике, также будут захвачены все более крупные частицы. Поэтому, когда мелкие частицы захватываются в стоячей волне, происходит коалесценция/накопление/агрегация/агломерация, что приводит к непрерывному росту эффективного размера частиц. По мере роста размера частиц сила акустического излучения отражается от частицы, поэтому большие частицы будут вызывать уменьшение силы акустического излучения. Рост размера частиц продолжается до тех пор, пока выталкивающая сила не станет превалирующей, что показывает второй критический размер R частиц, при котором размер частиц будет увеличиваться или уменьшаться, в зависимости от их плотности по отношению к первичной текучей среде. Таким образом, на фиг. 1 показано, как мелкие частицы могут непрерывно захватываться в стоячей волне, вырастать в более крупные частицы или агрегаты, а затем в результате подниматься или осаждаться из-за увеличенной выталкивающей силы.
[0052] Существует потребность в использовании более сложной и совершенной модели, чем модель сил акустического излучения, которая не ограничена размером частиц, как модель Горькова. Модели, которые были реализованы в настоящем изобретении, основаны на теоретических работах Юрия Ильинского и Евгении Заболоцкой, описанных в документе AIP Conference Proceedings, Vol. 1474-1, pp. 255-258 (2012). Эти модели также включают влияние вязкости текучей среды и частиц, следовательно, они обеспечивают более точное вычисление силы акустического излучения. На фиг. 2 показана весьма общая конфигурация пьезоэлектрика с электродами, расположенными на его наружных поверхностях. Один электрод сконфигурирован как электрод с периодическим электрическим потенциалом, в то время как другой электрод сконфигурирован как заземляющий электрод. Пьезоэлектрик расположен напротив акустического отражателя, обеспечивающего граничное условие в отношении отражения. Отражатель и пьезоэлектрик разделены слоем воды. Общее представление пьезоэлектрических уравнений:
где p - плотность, ω - угловая частота, u - тензор смещения, ϕ - потенциал электрического поля, λ - тензор упругости, е - тензор связи, ε - тензор диэлектрической проницаемости. На основе этого общего представления предполагаемыми решениями пьезоэлектрических уравнений являются следующие выражения:
где  и  - комплексная амплитуда, k и K - волновые числа пьезоэлектрического элемента. Для 33 ориентированных пьезоэлектрических элементов PZT-8 существует пять независимых значений λ, три независимых значения е и два независимых значения ε.
[0053] Механические граничные условия определяются следующими уравнениями:
z
w
w
w
R
где σ - напряжение, d - толщина пьезоэлектрического элемента, p - акустическое давление в воде, ρ - плотность воды, k - волновое число в воде, K - коэффициент отражения, L - длина слоя воды.
[0054] Электрические граничные условия определяются следующими уравнениями:
ϕ(x, y, z=0)=0
где V - амплитуда напряжения, n - периодический индекс, m - периодический индекс для представляющей интерес моды (n, m).
[0055] Способе акустофоретического разделения согласно настоящему изобретнию используют многомерные ультразвуковые акустические стоячие волны, плоские акустические стоячие волны или комбинацию, то есть, наложение, плоских и многомерных акустических стоячих волн (в совокупности называемых в настоящем документе акустическими стоячими волнами) для захвата частиц или вторичной текучей среды в объеме текучей среды, содержащей эти частицы или эту вторичную текучую среду.
[0056] На фиг. 3 проиллюстрирован известный из уровня техники способ применения расположенных друг против друга преобразователя и отражателя для генерации между ними плоской стоячей волны. В левой части фиг. 3 представлено изображение акустической камеры, как она видна через отражатель, в то время как средняя часть фиг. 3 представляет собой вид акустической камеры на виде сверху. Как показано на фиг. 3, генерация плоской стоячей волны в акустической камере обеспечивает создание в акустической камере неплотно заполненных плоскостей частиц, как правило, для частиц с положительным акустическим контрастом соответствующих узловым плоскостям давления.
[0057] С другой стороны, на фиг. 4 проиллюстрирован новый способ применения преобразователя и отражателя, расположенных друг против друга, для генерации между ними многомерной акустической стоячей волны или наложение многомерных акустических стоячих волн. Как и в случае фиг. 3, в левой части фиг. 4 представлено изображение акустической камеры, как она видна через отражатель, в то время как средняя часть фиг. 4 представляет собой вид акустической камеры на виде сверху. Как показано на фиг. 4, генерация многомерной акустической стоячей волны в акустической камере обеспечивает создание в акустической камере плотно упакованных кластеров частиц, как правило, соответствующих местоположению узлов давления или пучностей давления в плоской волне в зависимости от коэффициента акустического контраста.
[0058] Частицы или вторичная текучая среда накапливаются в узлах или пучностях акустической стоячей волны в зависимости от коэффициента акустического контраста частиц или вторичной текучей среды относительно первичной текучей среды, образуя кластеры/агрегаты/агломераты/коалесцированные капли, которые непрерывно выпадают из акустической стоячей волны, когда кластеры вырастают до размера, достаточно большого, чтобы преодолеть удерживающую силу акустической стоячей волны (например, путем слияния или агломерации), а плотность частиц/вторичной текучей среды больше, чем плотность первичной текучей среды, или поднимаются из акустической стоячей волны, если плотность частиц/вторичной текучей среды меньше, чем плотность первичной текучей среды. Сила акустического излучения пропорциональна объему частицы (например, кубу радиуса), если размеры частицы малы относительно длины волны. Она пропорциональна частоте и коэффициенту акустического контраста. Она также пропорциональна акустической энергии (например, квадрату амплитуды акустического давления). Для гармонического возбуждения синусоидальная пространственная вариация этой силы - это то, что приводит частицы в устойчивые положения в осевом направлении стоячих волн. Когда действующая на частицы сила акустического излучения сильнее, чем совокупный эффект влекущей сила потока текучей среды и выталкивающей силы, и силы тяжести, частица задерживается в поле акустической стоячей волны. Это приводит к концентрации, агломерации и/или слипанию задержанных частиц. Большие поперечные силы обеспечивают быструю кластеризацию частиц. Таким образом, частицы микронного размера, например, бактерии, клетки млекопитающих, микроводоросли, металлические частицы, дрожжи, грибы, липиды, капли масла, эритроциты, лейкоциты, тромбоциты и так далее, могут быть отделены от первичной жидкости за счет усиленного гравитационного разделения. Для случая суспензии с несколькими разными размерами частиц путем настройки параметров устройства может быть осаждена группа более крупных частиц, тогда как группу частиц меньшего размера может быть сохранена в суспензии. Затем эти два слоя могут быть отобраны отдельно. После этого могут использовать повторный процесс для фракционирования групп частиц разного размера в соответствии с размером. В этом отношении многомерные акустические стоячие волны, генерируемые каждым преобразователем, могут иметь разные частоты.
[0059] Одной из специальных областей применения акустофоретического устройства является обработка получаемых в биореакторах материалов. Важно иметь возможность отделять относительно большие клетки и клеточный детрит от выделяемых материалов, находящихся в первичной текучей среде. Выделяемые материалы состоят из биомолекул, таких как рекомбинантные белки или моноклональные антитела, и являются желательным продуктом, подлежащим восстановлению. Благодаря использованию акустофореза отделение клеток и клеточного детрита весьма эффективно и приводит к очень малой потере выделяемых материалов. Это представляет собой усовершенствование по сравнению с современными процессами фильтрации (глубинное фильтрование, тангенциальная фильтрация и т.п.), которые показывают ограниченную эффективность при высоких плотностях клеток, так что потеря выделяемых материалов в самих фильтрующих слоях может составлять до 5% материалов, полученных в биореакторе. Использование клеточных культур млекопитающих, включая клетки яичников китайского хомяка (СНО), клетки гибридомы NS0, клетки почки новорожденного хомяка (ВНK), клетки насекомых и клетки человека (например, Т-лимфоциты, В-лимфоциты, стволовые клетки, эритроциты) и в целом живые/биологические клетки, оказалось очень эффективным способом получения/выделения рекомбинантных белков и моноклональных антител, необходимых для современных фармацевтических препаратов. Фильтрация клеток млекопитающих и клеточного детрита млекопитающих посредством акустофореза помогает значительно увеличить производительность биореактора. При желании процесс акустофореза также может быть связан со стандартным процессом фильтрации вверх или вниз по потоку, таким как глубинное фильтрование, тангенциальная фильтрация (Tangential Flow Filtration, TFF) или другие процессы механической фильтрации.
[0060] В этом отношении коэффициент акустического контраста является функцией отношения сжимаемости частиц к сжимаемости текучей среды и отношения плотности частиц к плотности текучей среды. Большинство типов клеток имеют более высокую плотность и более низкую сжимаемость, чем среда, в которой они суспендированы, так что коэффициент акустического контраста между клетками и средой имеет положительную величину. В результате продольная сила акустического излучения (Acoustic Radiation Force, ARF) перемещает клетки с положительным коэффициентом контраста к плоскостям узлов давления, тогда как клетки или другие частицы с отрицательным коэффициентом контраста перемещаются к плоскостям пучностей давления. Радиальная или поперечная составляющая ARF больше, чем совокупный эффект влекущей силы потока текучей среды и силы тяжести. Радиальная или поперечная составляющая перемещает клетки/частицы в определенные места (области) в пределах этих плоскостей, где они группируются, скопляются, агломерируются или объединяются в более крупные группы, которые после этого под действием силы тяжести непрерывно отделяются от текучей среды.
[0061] Предпочтительно, чтобы ультразвуковой преобразователь (ультразвуковые преобразователи) генерировал (генерировали) в текучей среде трехмерную или многомерную акустическую стоячую волну, которая посредством поперечной силы воздействует на взвешенные частицы, чтобы поддержать продольную силу, чтобы улучшить эффективность стоячей волны в отношении захвата частиц и образования кластеров. Типовые результаты, опубликованные в литературе, показывают, что поперечная сила на два порядка меньше продольной силы. Технология, раскрытая в этой заявке, напротив, обеспечивает поперечную силу того же порядка величины, что и продольная сила (то есть многомерную акустическую стоячую волну). Однако в некоторых нижеописанных вариантах осуществления рассматриваются комбинации преобразователей, создающие как многомерные акустические стоячие волны, так и плоские стоячие волны. В контексте настоящего описания стоячая волна, при которой поперечная сила имеет тот же порядок величины, что и продольная сила, считается многомерной акустической стоячей волной.
[0062] Иногда из-за акустического потока может потребоваться, модулировать частоту или амплитуду напряжения стоячей волны. Это могут сделать путем амплитудной и/или частотной модуляции. Для достижения определенных результатов улавливания материалов также может использоваться циклический режим распространения стоячей волны. Другими словами, для достижения желаемых результатов акустический луч могут включать и выключать с разными частотами.
[0063] Схематическое представление одного из вариантов осуществления изобретения для извлечения масла или другого материала, более легкого, чем вода, показано на фиг. 5. На преобразователь 10, как правило, подают частоту возбуждения в диапазоне от сотен килогерц до десятков мегагерц. Между преобразователем 10 и отражателем 11 создают одну или несколько стоячих волн. Микрокапли 12 задерживают в стоячей волне в пучностях 14 давления, где они агломерируют, агрегируют, образуют кластеры или коалесцируют и, в случае плавучего материала, всплывают на поверхность и удаляются через выпускное отверстие 16, расположенное выше канала для текучей среды. Осветленную воду выпускают через выпускное отверстие 18. Технология акустофоретического разделения позволяет выполнять многокомпонентное разделение частиц без неполадок и со значительно меньшими затратами.
[0064] Схематическое представление одного из вариантов осуществления изобретения для извлечения примесей или другого материала, более тяжелого, чем вода, показано на фиг. 6. На преобразователь 10, как правило, подают частоту возбуждения в диапазоне от сотен килогерц до десятков мегагерц. Примеси в поступающей воде 13 задерживают в стоячей волне в узлах 15 давления, где они агломерируют, агрегируют, образуют кластеры или слипаются и, в случае более тяжелого материала, опускаются на дно накопителя и удаляются через выпускное отверстие 17, расположенное ниже канала для текучей среды. Осветленную воду выпускают через выпускное отверстие 18.
[0065] Как объяснялось выше, ультразвуковой преобразователь и отражатель расположены на противоположных сторонах акустической камеры. Таким образом, между ультразвуковым преобразователем и отражателем создают одну или несколько акустических стоячих волн.
[0066] Перед раскрытием дальнейшей оптимизации устройства, следует пояснить, каким образом генерируются многомерные акустические стоячие волны. Многомерную акустическую стоячую волну, необходимую для сбора частиц, получают путем возбуждения ультразвукового преобразователя на частоте генерирования акустической стоячей волны и возбуждения основной моды трехмерных колебаний пьезоэлектрического элемента преобразователя. Возмущение пьезоэлектрического элемента в ультразвуковом преобразователе в многомодовом режиме позволяет генерировать многомерную акустическую стоячую волну. Пьезоэлектрический элемент может специально быть выполнен с возможностью деформации в многомодовом режиме на заданных частотах, что позволяет генерировать многомерную акустическую стоячую волну. Многомерную акустическую стоячую волну могут генерировать, применяя различные моды пьезоэлектрического элемента, например, моду 3×3, позволяющую генерировать многомерные акустические стоячие волны. Множество многомерных акустических стоячих волн также могут генерировать, позволяя пьезоэлектрическому элементу вибрировать с несколькими разными формами колебаний. Таким образом, этот элемент может возбуждать несколько мод, таких как мода 0×0 (то есть, поршневая мода), до 1×1 (мода низшего порядка), до 2×2, 1×3, 3×1, 3×3 и других мод более высокого порядка, а затем циклически возвращаться через более низкие моды элемента (не обязательно в прямом порядке). Это переключение или возбуждение пьезоэлектрического элемента в разных модах делает возможными различные многомерные формы мод, а также форму поршневой моды, генерируемые в течение определенного времени.
[0067] Кроме того, могут возбудить или выбрать частоту возбуждения, одновременно возбуждающую несколько мод, причем каждая мода имеет разную амплитуду смещения. Благодаря этой комбинации нескольких мод, возбуждаемых одновременно с переменной амплитудой смещения, могут создать наложение многомерных стоячих волн, требуемых для захвата, кластеризации и отделения от первичной текучей среды вторичной текучей среды или частиц.
[0068] Рассеивание акустического поля от частиц обеспечивает трехмерную силу акустического излучения, действующую как трехмерное поле захвата. Сила акустического излучения пропорциональна объему частицы (например, кубу радиуса), если частица мала относительно длины волны, она пропорциональна частоте и коэффициенту акустического контраста и она также пропорциональна акустической энергии (например, квадрату амплитуды акустического давления). Когда сила акустического излучения, действующая на частицы, сильнее, чем совокупный эффект влекущей силы потока текучей среды и выталкивающей силы и силы тяжести, частицы задерживаются в поле акустической стоячей волны. Это приводит к концентрации, агломерации и/или слипанию задержанных частиц. Таким образом, относительно большие твердые частицы одного материала могут быть отделены от меньших частиц другого материала, того же материала и/или первичной текучей среды благодаря усиленному гравитационному разделению.
[0069] Многомерная стоячая волна создает силы акустического излучения как в осевом направлении (то есть, в направлении стоячей волны, между преобразователем и отражателем, перпендикулярном направлению потока), так и в поперечном направлении (то есть, в направлении потока). По мере прохождения смеси через акустическую камеру на частицы в суспензии в направлении стоячей волны действует большая продольная составляющая силы. Поскольку эта акустическая сила перпендикулярна направлению потока и влекущей силе потока, она быстро перемещает частицы к узловым плоскостям или плоскостям пучностей, в зависимости от коэффициента контрастности частицы. Затем поперечная сила акустического излучения действует так, что она перемещает сконцентрированные частицы к центру каждого планарного узла, что приводит к агломерации или образованию кластеров. Чтобы такие агрегаты частиц постоянно росли, а затем выпадали в осадок из смеси благодаря силе тяжести, поперечная составляющая должна преодолевать влекущую силу потока. Следовательно, чтобы акустический сепаратор работал эффективно, необходимо учитывать как падение влекущей силы на одну частицу по мере увеличения размера кластера частиц, так и падение силы акустического излучения на каждую частицу при увеличении размера кластера частиц. В контексте настоящего описания поперечная составляющая силы и продольная составляющая силы многомерной акустической стоячей волны имеют одинаковый порядок величины. В этом отношении следует отметить, что в многомерной акустической стоячей волне осевая сила больше поперечной силы, но поперечная сила многомерной акустической стоячей волны намного больше, чем поперечная сила плоской стоячей волны, обычно на два порядка или больше.
[0070] Также следует привести некоторые пояснения относительно ультразвуковых преобразователей, применяемых в устройствах, системах и способах, предлагаемых в данном изобретении. В этом отношении в преобразователях используют пьезоэлемент, обычно изготовленный из PZT-8 (цирконат-титанат свинца). Такие элементы могут иметь поперечное сечение 1 дюйм и номинальную резонансную частоту 2 МГц, они могут иметь также больший размер. Каждый модуль ультразвукового преобразователя может иметь только один пьезоэлектрический элемент или несколько элементов, каждый из которых действует, как отдельный ультразвуковой преобразователь и управляется одним или несколькими усилителями. Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлектрические элементы) могут быть кристаллическими, полукристаллическими или некристаллическими. Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлектрические элементы) могут иметь квадратную форму, прямоугольную форму, форму неправильного многоугольника или, в целом, любую произвольную форму. Преобразователь (преобразователи) используют для создания поля давления, которое генерирует силы одинакового порядка величины, ориентированные как перпендикулярно направлению стоячей волны (в поперечном направлении), так и в направлении стоячей волны (в осевом направлении).
[0071] Фиг. 7 представляет собой поперечный разрез обычного ультразвукового преобразователя. Этот преобразователь имеет пластину 50 износа, расположенную на нижнем конце, эпоксидный слой 52, пьезоэлектрический элемент 54 (например, керамический кристалл, например, изготовленный из PZT), слой 56 эпоксидной смолы и опорный слой 58. По обе стороны пьезоэлектрического элемента имеется электрод: положительный электрод 61 и отрицательный электрод 63. Слой 56 эпоксидной смолы предназначен для крепления опорного слоя 58 к пьезоэлектрическому элементу 54. Вся эта сборка содержится в корпусе 60, который может быть изготовлен, например, из алюминия. Электрический соединитель 62 обеспечивает соединение проводов, проходящих через корпус и соединяющихся с выводами (не показаны), присоединяемыми к пьезоэлектрическому элементу 54. Как правило, опорные слои предназначены для добавления затухания и создания широкополосного преобразователя с равномерным смещением в широком диапазоне частот, а также для подавления возбуждения в определенных модах собственных колебаний. Пластины износа обычно выполняют в виде трансформаторов импеданса, чтобы они лучше соответствовали характеристическому импедансу среды, в которую излучает преобразователь.
[0072] Фиг. 8 представляет собой поперечный разрез предлагаемого ультразвукового преобразователя 81. Преобразователь 81, выполненный в виде диска или пластины, имеет алюминиевый корпус 82. Пьезоэлектрический элемент может представлять собой, например, массу из керамических кристаллов перовскита, каждый из которых состоит из небольшого четырехвалентного иона металла, обычно титана или циркония, в решетке из более крупных ионов двухвалентного металла, обычно свинца или бария, и ионов O2. В качестве примера, в варианте осуществления, показанном на фиг. 8, кристалл 86 PZT (цирконат-титанат свинца) определяет нижний конец преобразователя и открыт снаружи корпуса. По периметру кристалл опирается на тонкий эластичный слой 98, т.е. на силикон или аналогичный материал, расположенный между кристаллом и корпусом. Иными словами, слой износа отсутствует. В особых вариантах осуществления кристалл представляет собой нерегулярный многоугольник, а в других вариантах осуществления - асимметричный нерегулярный многоугольник.
[0073] Винты 88 предназначены для крепления при помощи резьбы алюминиевой верхней пластины 82а корпуса к телу 82b корпуса. Верхняя пластина включает в себя соединитель 84 для питания преобразователя. Верхняя поверхность кристалла 86 PZT соединена с положительным электродом 90 и отрицательным электродом 92, которые разделены изоляционным материалом 94. Электроды могут быть изготовлены из любого проводящего материала, такого как серебро или никель. Электрическую энергию подают на кристалл 86 PZT через расположенные на нем электроды. Следует отметить, что кристалл 86 не имеет опорного слоя или слоя эпоксидной смолы. Другими словами, в преобразователе между алюминиевой верхней пластиной 82а и кристаллом 86 имеется воздушный зазор 87 (т.е. воздушный зазор совершенно пуст). Как показано на фиг. 9, в некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрена минимальная подложка 58 и/или пластина 50 износа.
[0074] Конструкция преобразователя может влиять на работу устройства. Типичный преобразователь представляет собой слоистую структуру с пьезоэлектрическим элементом, соединенным с опорным слоем и пластиной износа. Поскольку этот преобразователь нагружен высоким механическим импедансом, создаваемым стоячей волной, традиционные принципы проектирования для пластин износа, например, полуволновая толщина для применений со стоячими волнами или четвертьволновая толщина для применений с излучением, и соответствующие технологические процессы могут быть неприемлемыми. Предпочтительно в одном варианте осуществления настоящего изобретения преобразователи не имеют пластины износа или подложки, благодаря чему пьезоэлектрический элемент может колебаться в одной из своих собственных мод (то есть, приблизительно с собственной частотой) с высокой добротностью. Вибрирующий пьезоэлектрический элемент, например, керамический кристалл/диск, непосредственно подвергается воздействию текучей среды, протекающей через акустическую камеру.
[0075] Отсутствие подложки (например, обеспечение пьезоэлектрического элемента с воздушной подложкой) также позволяет элементу вибрировать в модах более высокого порядка с небольшим затуханием (например, модальное смещение более высокого порядка). В преобразователе, имеющем пьезоэлектрический элемент с подложкой, элемент вибрирует с более равномерным смещением, как поршень. Благодаря подложке элемент может вибрировать в режиме неравномерного смещения. Чем выше порядок формы колебаний пьезоэлектрического элемента, тем больше узловых линий имеет элемент. Модальное смещение элемента более высокого порядка создает больше линий захвата, хотя коэффициент корреляция линии захвата с узлом не обязательно равен единице, и возбуждение элемента на более высокой частоте не обязательно приводит к появлению большего количества линий захвата.
[0076] В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент может иметь подложку, минимально влияющую на добротность кристалла (например, менее 5%). Подложку могут изготовить из по существу акустически прозрачного материала, такого как бальза, пеноматериал или пробка, что позволяет элементу вибрировать с формой колебаний более высокого порядка и поддерживает высокую добротность, при этом обеспечивая для него некоторую механическую опору. Опорный слой может быть сплошным или представлять собой решетку, имеющую проходящие через этот слой отверстия, так что решетка следует за узлами вибрирующего элемента в определенной моде колебаний более высокого порядка, обеспечивая опору в местах расположения узлов, в то же позволяя остальной части элемента свободно колебаться. Целью работы решетки или акустически прозрачного материала является обеспечение опоры без снижения добротности пьезоэлектрического элемента или помех возбуждению колебаний определенного вида.
[0077] Размещение пьезоэлектрического элемента в непосредственном контакте с текучей средой также способствует высокой добротности, так как это исключает эффект демпфирования и поглощения энергии слоем эпоксидной смолы и пластиной износа. Другие варианты осуществления могут иметь пластины износа или поверхность износа, чтобы предотвратить контакт PZT, который содержит свинец, с первичной текучей средой. Это может быть желательным, например, в биологических применениях, таких как сепарация крови. В таких приложениях могут использовать слой износа, такой как хром, электролитический никель, или химическое никелирование. Для нанесения слоя поли-п-ксилилена (например, парилена) или других полимеров или полимерных пленок также могут использовать химическое осаждение из паровой фазы. В качестве поверхности износа также могут использовать органические и биосовместимые покрытия, такие как силикон или полиуретан.
[0078] Возмущение пьезоэлектрического элемента в ультразвуковом преобразователе в многомодовом режиме позволяет генерировать многомерную акустическую стоячую волну. Пьезоэлектрический элемент могут специально разработать для деформирования в многомодовом режиме на заданных частотах, что позволяет генерировать многомерную акустическую стоячую волну. Многомерную акустическую стоячую волну могут генерировать, применяя различные моды пьезоэлектрического элемента, например, моду 3×3, позволяющую генерировать многомерные акустические стоячие волны. Множество многомерных акустических стоячих волн также могут генерировать, позволяя пьезоэлектрическому элементу вибрировать с несколькими разными формами колебаний в результате изменения частоты в небольшом интервале. Таким образом, этот пьезоэлектрический элемент может возбуждать несколько мод, таких как мода 0×0 (т.е. поршневой режим), до 1×1, 2×2, 1×3, 3×1, 3×3 и других мод более высокого порядка, а затем циклически возвращаться через более низкие моды пьезоэлектрического элемента (не обязательно в прямом порядке). Это переключение или возбуждение пьезоэлектрического элемента в разных модах делает возможными, наряду с одним поршневым режимом, различные многомерные формы волны, генерируемые в течение определенного времени. В других вариантах осуществления возбуждение представляет собой возбуждение на фиксированной частоте, при котором взвешенная комбинация нескольких мод вносит вклад в общий профиль смещения пьезоэлектрического элемента. Поперечная составляющая общей силы акустического излучения (ARF), генерируемой ультразвуковыми преобразователями настоящего изобретения, существенна и достаточна для преодоления влекущей силы потока текучей среды при высоких линейных скоростях до 1 см/с и более. Например, в случае разделения масляно-водяных фаз линейные скорости движения через предлагаемые устройства могут составлять минимум 4 см/мин при разделении клеток/частиц и до 1 см/сек.
[0079] Поперечную составляющую силы акустического излучения, создаваемой преобразователем, могут увеличить за счет возбуждения преобразователя с формой колебаний более высокого порядка, в отличие от формы колебаний, когда пьезоэлектрический элемент фактически перемещается в виде равномерно смещающегося поршня. Акустическое давление пропорционально напряжению возбуждения преобразователя. Электрическая мощность пропорциональна квадрату напряжения. Обычно преобразователь представляет собой тонкую пьезоэлектрическую пластину с электрическим полем, направленным по оси Z, и основное смещение по оси Z. Как правило, преобразователь с одной стороны соединен с воздухом (т.е. воздушным зазором внутри преобразователя), а с другой стороны - с текучей смесью среды для культивирования клеток. Типы волн, генерируемых в пластине, известны как составные волны. Подмножество составных волн в пьезоэлектрической пластине аналогично вытекающим симметричным волнам Лэмба (их также называют сжатыми или продольными волнами). Пьезоэлектрический характер пластины обычно приводит к возбуждению симметричных волн Лэмба. Волны являются вытекающими, потому что их излучают в слой воды, что приводит к генерации в водном слое акустических стоячих волн. Волны Лэмба существуют в тонких пластинах бесконечной протяженности в условиях отсутствия на их поверхностях напряжений. Поскольку преобразователи этого варианта осуществления по своему характеру конечны, фактические модальные смещения являются более сложными.
[0080] На фиг. 10 показано типичное изменение смещения в плоскости (смещение по оси X) и смещение вне плоскости (смещение по оси Y) по толщине пластины, причем смещение в плоскости является четной функцией по толщине пластины, а смещение вне плоскости - нечетной функцией. Из-за конечного размера пластины компоненты смещения изменяются по ее ширине и длине. В общем случае мода (m, n) представляет собой режим смещения преобразователя, при котором имеется m волнообразных движений при смещении преобразователя в направлении ширины и n волнообразных движений в направлении длины, и имеется изменение толщины, как показано на фиг.10. Максимальное число m и n является функцией размера пьезоэлектрического элемента и частоты возбуждения. Существуют дополнительные пространственные моды, не имеющие вида (m, n).
[0081] Преобразователи возбуждают так, что пьезоэлектрический элемент колеблется в модах более высокого порядка, имеющих общую формулу (m, n), где m и n независимо друг от друга равны 1 или более. В особых вариантах осуществления пьезоэлектрический элемент колеблется по меньшей мере в трех модах: модах: (1, 1), (1, 3), и (3, 3). Моды более высокого порядка генерируют больше узлов и пучностей и приводят к трехмерным стоячим волнам в водном слое, отличающимися сильными градиентами в акустическом поле во всех направлениях - не только в направлении стоячих волн, но и в поперечных направлениях. Как следствие, акустические градиенты приводят к увеличенным силам захвата в поперечном направлении.
[0082] На фиг. 11 проиллюстрированы аналитические результаты для ответного смещения пьезоэлектрического кристалла PZT-8 25,4×25,4×1 мм, излучающего в полубесконечный слой воды. Кристалл возбуждали в трех разных модах (m, n): моде 11 (1, 1), моде 13 (1, 3) и моде 33 (3, 3). На фиг. 11 самая верхняя линия представляет собой сумму всех трех мод, верхняя средняя линия представляет собой моду 11, нижняя средняя линия - моду 13, а самая нижняя линия - моду 33. Как видно из фиг. 11, имеется небольшое воздействие на общее смещение пьезоэлектрического кристалла в направлении поляризации. Когда пьезоэлектрический элемент излучает в слой воды, его профиль смещения в основном относится к моде низшего порядка. Амплитуда смещения мод более высокого порядка меньше во всем соответствующем диапазоне частот и, таким образом, оказывает минимальное влияние на генерацию излучаемой акустической волны. Также следует заметить, что резонансные частоты мод более высокого порядка возрастают с номером моды.
[0083] На фиг. 12 проиллюстрированы аналитические результаты для ответном смещении пьезоэлектрического кристалла PZT-8 25,4×25,4×1 мм с акустической камерой 25,4 мм, заканчивающейся жестким акустическим отражателем. Кристалл снова возбуждали в трех разных модах (m, n): моде 11 (1, 1), моде 13 (1, 3) и моде 33 (3, 3). На фиг. 12, самая верхняя линия представляет собой сумму всех трех мод, верхняя средняя линия представляет собой моду 11, нижняя средняя линия - моду 13, а самая нижняя линия - моду 33. Как видно из сравнения фиг. 12 с фиг. 11, на фиг. 12 показано несколько мод, дающих аналогичный порядок величины смещения пьезоэлектрического кристалла в направлении поляризации. Другими словами, мода (1, 1) низшего порядка больше не является превалирующей на всех частотах. Для некоторых частот возбуждения превалирующей является мода (1, 3), в то время как для другой частоты превалирующей является мода (3, 3). Для других частот интенсивность нескольких мод аналогична, и поэтому все они вносят вклад в общий профиль смещения, который в этом случае является наложением каждой из этих мод. Следует отметить, что пики смещения в этих трех модах накладываются друг на друга при приблизительно эквивалентных частотах в области более высоких частот. Пики в каждой моде лежат приблизительно в пределах 0,005 мегагерц (МГц) друг от друга.
[0084] На основе этих аналитических результатов с использованием вышеописанных пьезоэлектрических уравнений была разработана числовая модель. На рис 13 эта числовая модель представлена в двумерной модели COMSOL, в которой пьезоэлектрический кристалл(ы) работал(и) на частоте 2,235 МГц. На фиг. 13, на оси Y отмечена высота устройства в дюймах, а на оси X - ширина устройства в дюймах. Два обозначения на этом графике представляют собой общее смещение пьезоэлектрического кристалла в дюймах (правое обозначение) и акустический потенциал (U) (внутреннее обозначение). Как видно на фиг. 13, генерация многомерной акустической стоячей волны создает несколько линий минимумов акустического потенциала.
[0085] На фиг. 14 и фиг.15 показаны эти численные результаты. В частности, фиг. 14 иллюстрирует численные результаты для ответного смещения пьезоэлектрического кристалла PZT-8 25,4×25,4×1 мм с камерой для текучей среды 25,4 мм. Как можно видеть на фиг. 14, профиль смещения имеет несколько пиков в диапазоне рабочих частот. Для слоя жидкости толщиной 25,4 мм разнос между частотами акустического резонанса составляет около 29 кГц. Дополнительные пики, показанные на фиг. 15 являются признаками действия мод более высокого порядка, соответствующими расчетным данным, полученным при помощи теоретической модели. На фиг. 15 проиллюстрированы численные результаты для ответного тока пьезоэлектрического кристалла PZT-8 25,4×25,4×1 мм с камерой для текучей среды 25,4 мм. Как видно из сравнения фиг. 15 с фиг. 14, ответный ток демонстрирует поведение, аналогичное ответному смещению, поскольку ответный ток имеет несколько пиков в диапазоне рабочих частот.
[0086] В некоторых вариантах осуществления сигнал напряжения, возбуждающий преобразователь, может представлять собой синусоидальный, прямоугольный, пилообразный, импульсный или треугольный сигнал, имеющий частоту от 500 кГц до 10 МГц. Сигналом напряжения могут управлять при помощи широтно-импульсной модуляции, которая позволяет генерировать сигнал любой желаемой формы. Для прекращения акустического потока, сигнал напряжения предусматривают с возможностью включения и выключения амплитудной или частотной модуляции. В экспериментальной установке, показанной на фиг. 16, использовано колебание частоты 30 кГц, а ответный ток был рассчитан в сравнении с частотой, аналогично фиг. 15. Как видно на фиг. 16, было обнаружено несколько резонансных пиков. Это показывает, что экспериментальные результаты подтверждают как теоретические, так и численные результаты.
[0087] Преобразователи используют для создания поля давления, которое генерирует силы акустического излучения одинакового порядка величины, ориентированные как перпендикулярно направлению стоячей волны, так и в направлении стоячей волны. Если эти силы имеют приблизительно одинаковый порядок величины, частицы размером от 0,1 до 300 микрон более эффективно перемещаются в направлении "линий захвата", так что частицы через поле давления не проходят. Вместо этого частицы остаются в акустической камере, из которой их предпочтительным образом могут собрать через специальные выпускные отверстия акустофоретического устройства или вернуть в соответствующий биореактор иным образом.
[0088] Описанные здесь акустофоретические устройства и способы могут использовать для отделения вторичной текучей среды или частиц от основной текучей среды. В этом отношении в предлагаемых устройствах и способах используют модальное смещение пьезоэлектрического элемента более высокого порядка, с несколькими модами, имеющими одинаковый порядок величины, что обеспечивает более сильный и эффективный захват вторичной жидкости или частиц.
[0089] Настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерные варианты осуществления изобретения. Очевидно, что после прочтения и понимания предыдущего детального описания специалист в данной области может прийти к идее, осуществить его модификации и изменения. Предполагается, что настоящее изобретение будет истолковано как включающее все такие модификации и изменения, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.