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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-03
(54)【発明の名称】粒子の分離のための装置及び方法
(51)【国際特許分類】
B04C 5/081 20060101AFI20230626BHJP
【ＦＩ】
B04C5/081
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2022573251
(86)(22)【出願日】2021-05-27
(85)【翻訳文提出日】2022-12-26
(86)【国際出願番号】 AU2021050514
(87)【国際公開番号】W WO2021237298
(87)【国際公開日】2021-12-02
(31)【優先権主張番号】2020901719
(32)【優先日】2020-05-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522461550
【氏名又は名称】バイオアクティブ マテリアルズ ピーティーワイ リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＢＩＯＡＣＴＩＶＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＰＴＹ ＬＴＤ
(74)【代理人】
【識別番号】100107456
【弁理士】
【氏名又は名称】池田 成人
(74)【代理人】
【識別番号】100162352
【弁理士】
【氏名又は名称】酒巻 順一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100123995
【弁理士】
【氏名又は名称】野田 雅一
(72)【発明者】
【氏名】ヘ， リジョン
(72)【発明者】
【氏名】ディクソン， イアン エドワード
(72)【発明者】
【氏名】ポール， プジャ
(72)【発明者】
【氏名】シャンバグ， ブバナ
(72)【発明者】
【氏名】ジ， リー
【テーマコード（参考）】
4D053
【Ｆターム（参考）】
4D053AA03
4D053AB04
4D053BA01
4D053BB02
4D053BC01
4D053BD04
4D053CA04
4D053CB02
(57)【要約】
記載される実施形態は、概して、流体中の粒子を分離するための液体サイクロンに関する。液体サイクロンは、上側円錐部分であって、流体を受け入れるための少なくとも１つの入口と、上側円錐部分内に伸びる渦ファインダと、渦ファインダに流体接続されており、流体の一部を上側円錐部分から排出するように構成されたオーバーフローポートと、を画定する上側円錐部分と、アンダーフローポートを画定する下側円錐部分であって、アンダーフローポートは、下側円錐部分から残りの流体を排出し、下側円錐部分は、単一の中空ボリュームを画定するように、上側円錐部分に流体接続されている、下側円錐部分と、を備える。液体サイクロンの形状は、所定の粒径より小さい粒子をオーバーフローポートから排出することによって、それらの粒子を分離させる。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体中の粒子を分離するための液体サイクロンであって、前記液体サイクロンは、上側円錐部分であって、前記流体を受け入れるための少なくとも１つの入口と、前記上側円錐部分内に伸びる渦ファインダと、前記渦ファインダに流体接続されており、前記流体の一部を前記上側円錐部分から排出するように構成されたオーバーフローポートと、を画定する、上側円錐部分と、
アンダーフローポートを画定する下側円錐部分であって、前記アンダーフローポートは、前記下側円錐部分から残りの流体を排出し、前記下側円錐部分は、単一の中空ボリュームを画定するように、前記上側円錐部分に流体接続されている、下側円錐部分と、を備え、
前記下側円錐部分の壁は凹状であり、
前記液体サイクロンの形状は、所定の粒径より小さい粒子を前記オーバーフローポートから排出することによって、前記粒子を分離させる、液体サイクロン。
【請求項2】
前記所定の粒径が、５μｍ未満である、請求項１に記載の液体サイクロン。
【請求項3】
前記所定の粒径が、１μｍ未満である、請求項２に記載の液体サイクロン。
【請求項4】
前記液体サイクロンの前記形状が、前記所定の粒径よりも大きい粒子を前記アンダーフローポートから排出させる、請求項１～３のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項5】
前記液体サイクロンの直径が、０．５ｍｍ～５ｍｍである、請求項１～４のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項6】
前記上側円錐部分が、前記流体を受け入れるための２つの逆向きに配設された入口を画定する、請求項１～５のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項7】
前記少なくとも１つの入口の直径が、０．２５～０．７１ｍｍである、請求項１～６のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項8】
前記オーバーフローポートの直径が、０．０７５～０．７５ｍｍである、請求項１～７のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項9】
前記渦ファインダの長さが、０．５～１．６７ｍｍである、請求項１～８のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項10】
前記上側円錐部分の長さが、１．０～３．６ｍｍである、請求項１～９のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項11】
前記アンダーフローポートの直径が、０．０５～１．５ｍｍである、請求項１～１０のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項12】
前記下側円錐部分の長さが、２～９８．６ｍｍである、請求項１～１１のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項13】
前記下側円錐部分の円錐形状が、０．６～１である、請求項１～１２のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項14】
前記液体サイクロンの内部の粗さが、３～１０μｍである、請求項１～１３のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項15】
前記少なくとも１つの入口が、円形の形状を有する、請求項１～１４のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項16】
前記少なくとも１つの入口が、台形の形状を有する、請求項１～１４のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項17】
前記液体サイクロンが、３Ｄ印刷によって製造されたものである、請求項１～１６のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項18】
前記流体が、生体流体若しくは前記生体流体の一部分を含むか、又は生体材料を含有する、請求項１～１７のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項19】
前記粒子が、ナノ粒子、リポソーム、細胞、分泌された細胞外小胞、ウイルス粒子、ウイルスベクター、ウイルス様粒子、タンパク質凝集体、核酸凝集体、又はこれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１～１８のいずれか一項に記載の液体サイクロン。
【請求項20】
前記分泌された細胞外小胞は、エクソソームである、請求項１９に記載の液体サイクロン。
【請求項21】
流体中の粒子を分離するためのシステムであって、前記システムは、流体を収容するための供給タンクと、
請求項１～２０のいずれか一項に記載の液体サイクロンと、
前記供給タンクから前記流体を受け入れ、前記流体を前記液体サイクロン内に送るためのポンプと、を備える、システム。
【請求項22】
前記システムが、前記液体サイクロンの前記アンダーフローポートから前記供給タンクに流体を運ぶためのリサイクルチューブを更に備える、請求項２１に記載のシステム。
【請求項23】
前記ポンプが、９．６～１６．２５ｍ／秒の速度で前記流体を前記液体サイクロン内に送るように構成されている、請求項２１又は２２に記載のシステム。
【請求項24】
流体中の粒子を分離するための方法であって、前記方法は、請求項１～２０のいずれか一項に記載の液体サイクロンの前記少なくとも１つの入口内に流体を送ることと、
前記液体サイクロンの前記オーバーフローポートから前記分離された粒子を回収することと、を含む、方法。
【請求項25】
前記液体サイクロンの前記少なくとも１つの入口内に流体を送ることは、９．６～１６．２５ｍ／秒の速度で前記液体サイクロンの前記少なくとも１つの入口内に流体を送ることを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項26】
前記液体サイクロンの前記アンダーフローポートから流体を回収することと、その後、前記回収された流体を、前記液体サイクロンの少なくとも１つの入口内に、又は前記供給タンク内に再び送ることを更に含む、請求項２４又は２５に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
実施形態は、概して、流体中の粒子を分離するための装置及び方法に関する。具体的には、実施形態は、流体中の微粒子及び／又はナノ粒子を分離するための小型液体サイクロンに関する。
【背景技術】
【0002】
製造、水処理、鉱物処理、化学合成、食品処理、及びバイオメディカル分析を含む数多くの分野において、粒径及び粒子の密度に基づいて溶液中の粒子を引き離す能力が望まれている。特に、連続フローにおける粒子の引き離し及び分離がこれらのプロセスに有利である可能性がある。流体技術は、粒径及び粒子の密度に基づいて粒子の連続的な引き離し及び選別を可能にするが、既知の流体技術は、微粒子及びナノ粒子を分離するためなど、粒径が小さい粒子の引き離しに上手く対処することができない。
【0003】
粒子を分離するための従来の装置及び方法に関連付けられた１つ以上の短所若しくは欠点に取り組むか若しくは改善すること、又は少なくともこれらへの有用な代替を提供することが望ましい。
【0004】
本明細書全体を通して、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」という用語、又は「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」若しくは「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などのバリエーションは、記載された要素、整数、若しくはステップ、又は要素、整数、若しくはステップのグループを含むことを意味するが、任意の他の要素、整数、若しくはステップ、又は要素、整数、若しくはステップのグループを排除することを意味しないと理解されるであろう。
【0005】
本文献において、要素が選択肢のリストの「少なくとも１つ」であり得るという記述は、要素が列挙されている選択肢のうちの任意の１つであり得ること、又は列挙されている選択肢のうちの２つ以上の任意の組み合わせであり得ることを意味すると理解されたい。
【0006】
本明細書に含まれる文献、行為、材料、装置、又は物品等の任意の議論は、これらの事項のうちのいずれか又は全てが、添付の特許請求の範囲の各請求項の優先日より前に存在したために、先行技術基準の一部を形成する、又は本開示に関連する分野における通常の一般的知識であることを認めるものではない。
【発明の概要】
【0007】
一部の実施形態は、流体中の粒子を分離するための液体サイクロンに関し、液体サイクロンは、
上側円錐部分であって、流体を受け入れるための少なくとも１つの入口と、上側円錐部分内に伸びる渦ファインダと、渦ファインダに流体接続されており、流体の一部を上側円錐部分から排出するように構成されたオーバーフローポートと、を画定する、上側円錐部分と、
アンダーフローポートを画定する下側円錐部分であって、アンダーフローポートは、下側円錐部分から残りの流体を排出し、下側円錐部分は、単一の中空ボリュームを画定するように、上側円錐部分に流体接続されている、下側円錐部分と、を備え、
下側円錐部分の壁は凹状であり、
液体サイクロンの形状は、所定の粒径より小さい粒子をオーバーフローポートから排出することによって、粒子を分離させる。
上側円錐部分であって、流体を受け入れるための少なくとも１つの入口と、上側円錐部分内に伸びる渦ファインダと、渦ファインダに流体接続されており、流体の一部を上側円錐部分から排出するように構成されたオーバーフローポートと、を画定する、上側円錐部分と、
アンダーフローポートを画定する下側円錐部分であって、アンダーフローポートは、下側円錐部分から残りの流体を排出し、下側円錐部分は、単一の中空ボリュームを画定するように、上側円錐部分に流体接続されている、下側円錐部分と、を備え、
下側円錐部分の壁は凹状であり、
液体サイクロンの形状は、所定の粒径より小さい粒子をオーバーフローポートから排出することによって、粒子を分離させる。
【0008】
一部の実施形態によれば、所定の粒径は５μｍ未満である。一部の実施形態では、所定の粒径は１μｍ未満である。一部の実施形態では、液体サイクロンの形状が、所定の粒径よりも大きい粒子をアンダーフローポートから排出させる。
【0009】
一部の実施形態によれば、液体サイクロンの直径は、０．５ｍｍ～５ｍｍである。一部の実施形態では、少なくとも１つの入口の直径は、０．２５～０．７１ｍｍである。一部の実施形態によれば、オーバーフローポートの直径は、０．０７５～０．７５ｍｍである。一部の実施形態では、アンダーフローポートの直径は、０．０５～１．５ｍｍである。
【0010】
一部の実施形態では、上側円錐部分は、流体を受け入れるための２つの逆向きに配設された入口を画定する。
【0011】
一部の実施形態によれば、渦ファインダの長さは、０．５～１．６７ｍｍである。一部の実施形態では、上側円錐部分の長さは、１．０～３．６ｍｍである。一部の実施形態では、下側円錐部分の長さは、２～９８．６ｍｍである。
【0012】
一部の実施形態では、下側円錐部分の円錐形状は、０．６～１である。
【0013】
一部の実施形態では、液体サイクロンの内部の粗さは、３～１０μｍである。
【0014】
一部の実施形態によれば、少なくとも１つの入口は、円形の形状を有する。一部の実施形態では、少なくとも１つの入口は、台形の形状を有する。
【0015】
一部の実施形態では、液体サイクロンは３Ｄ印刷によって製造されたものである。
【0016】
一部の実施形態によれば、流体は、生体流体若しくは生体流体の一部を含むか、又は生体材料を含有する。一部の実施形態では、粒子は、ナノ粒子、リポソーム、細胞、分泌された細胞外小胞、ウイルス粒子、ウイルスベクター、ウイルス様粒子、タンパク質凝集体、核酸凝集体、又はこれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。
【0017】
一部の実施形態は、流体中の粒子を分離するためのシステムに関し、システムは、
流体を収容するための供給タンクと、
一部の他の実施形態の液体サイクロンと、
供給タンクから流体を受け入れ、流体を液体サイクロン内に送るためのポンプと、を備える。
流体を収容するための供給タンクと、
一部の他の実施形態の液体サイクロンと、
供給タンクから流体を受け入れ、流体を液体サイクロン内に送るためのポンプと、を備える。
【0018】
一部の実施形態は、液体サイクロンのアンダーフローポートから供給タンク内に流体を運ぶためのリサイクルチューブを更に備える。
【0019】
一部の実施形態では、ポンプは、９．６～１６．２５ｍ／秒の速度で流体を液体サイクロン内に送り込むように構成される。
【0020】
一部の実施形態は、流体中の粒子を分離するための方法に関し、方法は、
一部の他の実施形態の液体サイクロンの少なくとも１つの入口内に流体を送ることと、
液体サイクロンのオーバーフローポートから分離された粒子を回収することと、を含む。
一部の他の実施形態の液体サイクロンの少なくとも１つの入口内に流体を送ることと、
液体サイクロンのオーバーフローポートから分離された粒子を回収することと、を含む。
【0021】
一部の実施形態では、液体サイクロンの少なくとも１つの入口内に流体を送ることは、９．６～１６．２５ｍ／秒の速度で液体サイクロンの少なくとも１つの入口内に流体を送ることを含む。
【0022】
一部の実施形態は、液体サイクロンのアンダーフローポートから流体を回収することと、その後、回収された流体を、液体サイクロンの少なくとも１つの入口内に、又は供給タンク内に再び送ることを更に含む。
【図面の簡単な説明】
【0023】
以下の添付図面を参照しながら、例として実施形態を更に詳細に説明する。
【0024】
【発明を実施するための形態】
【0025】
実施形態は、概して、流体中の粒子を分離するための装置及び方法に関する。具体的には、実施形態は、流体中の微粒子及びナノ粒子を分離するための小型液体サイクロンに関する。
【0026】
流体中の粒子を引き離すための従来の既知の装置では、微粒子及びナノ粒子などの粒径が小さい粒子を引き離すのに苦労する。特に、小さな粒子の引き離し用に設計された従来の液体サイクロンは層流を実現することができなかったため、粒径が小さくなるにつれて効率が低下した。以下に記載される実施形態は、流体中の微粒子及びナノ粒子の分離のための新しい液体サイクロンに関する。具体的には、記載の実施形態は、特定の幾何学形状及び動作パラメータを有する液体サイクロンに関する。一部の実施形態は、レイノルズ数の減少及び液体サイクロン内の乱流の減少を可能にする液体サイクロンに関する。一部の記載の実施形態は、かかる液体サイクロンのレイノルズ数が層流を許容しないことを示唆している過去のデータにもかかわらず、液体サイクロン内で層流が発生することを可能にし、粒子の分離の効率を向上させる。したがって、以下に記載される一部の実施形態は、従来可能であったものよりも２～３桁小さい粒子を分離することを可能にするとともに、引き離し効率を向上させる。
【0027】
図１は、流体中の粒子を分離するための液体サイクロン１００を示す。粒子は、一部の実施形態では微粒子又はナノ粒子であってもよい。流体は気体又は液体を含み得る。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００は特に、流体の密度が粒子の密度よりも低い場合に流体中の粒子を分離するために使用されてもよい。
【0028】
液体サイクロン１００はダブル円錐液体サイクロンであり、上側円錐部分１１０及び下側円錐形部分１２０を含むボディを有する。上側円錐部分１１０及び下側円錐部分１２０は中空な円錐台形又は切頭円錐形を有し、両者の交点において流体結合された単一のボリュームを一緒に画定する。
【0029】
上側円錐部分１１０は入口１３０及び１３５を含む。２つの入口１３０及び１３５が図示されているが、一部の実施形態は１つの入口のみを含み、一部の実施形態は３つ以上の入口を含み得る。図示された入口１３０及び１３５は、上側円錐部分１１０の上端の反対側に逆向きに配設されており、円錐部分１１０の上端に正接するように位置づけられている。一部の実施形態によれば、入口１３０及び１３５は、上側円錐部分１１０の上端の周りに不均等な間隔で配置され得る。図示されている実施形態では、入口１３０及び１３５は、入口１３０又は１３５に入る流体を、上側円錐部分１１０内で時計回り方向に誘導するように配置されている。一部の実施形態によれば、入口１３０及び１３５は、入口１３０又は１３５に入る流体を、上側円錐部分１１０内で反時計回り方向に誘導するように配置され得る。
【0030】
上側円錐部分１１０は、アクセプト又はオーバーフローポート１４０を更に含む。オーバーフローポート１４０は、上側円錐部分１１０の上面に対して垂直に配置され、粒子の出口流を、液体サイクロン１００から上向きに出るように誘導するように構成されている。一部の実施形態によれば、上側円錐部分１１０は、上側円錐部分１１０の上面から上側円錐部分１１０の中心に向かって下方に伸びる渦ファインダ（図３に示される）を含む。渦ファインダは上向きに伸び、オーバーフローポート１４０となる。
【0031】
下側円錐部分１２０の下端は、リジェクトポート又はアンダーフローポート１５０を含む。アンダーフローポート１５０は、粒子の出口流を、液体サイクロン１００から下向きに出るように誘導するように構成されている。
【0032】
動作中、液体サイクロン１００は流体中の粒子を引き離すために使用され得る。具体的には、粒子を含む流体が入口１３０及び１３５に注入され得る。流体は、液体サイクロン１００の上側円錐部分１１０に正接して入り、液体サイクロン１００の垂直軸に沿った正味内向きの流れを有する循環経路を形成する。より大きく、より重く、かつ／又はより密度の高い粒子は、上側円錐部分１１０の壁に向かって押し出され、下側円錐部分１２０へと下向きに移動する。最終的に、これらの粒子は、ある割合の流体とともにアンダーフローポート１５０から出る。アンダーフローポート１５０から出る流体の割合は液体サイクロンのスプリット比によって定義され、アンダーフローポート１５０から出る流体のボリュームは、液体サイクロンのスプリット比及び供給（フィード）流量によって定義される。より小さく、より軽く、かつ／又はより密度の低い粒子は、液体サイクロン１００の垂直軸に沿って生成される渦に向かって内側に引き寄せられ、上方に移動し、最終的に残りの流体とともにオーバーフローポート１４０から出る。オーバーフローポート１４０から出る流体の割合は液体サイクロンのスプリット比によって定義され、オーバーフローポート１４０から出る流体の体積は、液体サイクロンのスプリット比及び供給流量によって定義される。
【0033】
液体サイクロン１００／２００のスプリット比Ｒｆは、下式を使用して、アンダーフローポート１５０の流量Ｑｕと入口１３０／１３５の流量Ｑｉの比として定義されてもよい。
【数1】
【0034】
スプリット比は、液体サイクロン１００／２００の幾何学的パラメータと、入口流量、圧力、及び供給濃度を含む動作パラメータとの両方の影響を受ける。入口流量が増加すると、提出された流れの圧力エネルギーが増加する。これは液体サイクロン１００／２００内の空気コア又は内部渦ボリュームを膨張させ、アンダーフローポート１５０への流れを制限する。これにより、スプリット比が変化する。例えば、スプリット比が減少し得る。入口１３０／１３５における圧力が増加すると、圧力降下が増加する。これは液体サイクロン１００／２００内の空気コア又は内部渦ボリュームを膨張させ、アンダーフローポート１５０への流れを制限する。これもスプリット比を変化させる。例えば、スプリット比が減少し得る。供給濃度が変更される場合、それに比例してアンダーフローポート１５０への流れも変化し得る。これにより、スプリット比に対応する変化が生じる。例えば、供給濃度が増加すると、アンダーフローポート１５０への流量も増加し、結果としてスプリット比が増加する。
【0035】
一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００は、微粒子をアンダーフローポート１５０から排出し、ナノ粒子をオーバーフローポート１４０から排出するように設計されてもよい。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００は、所定の閾値粒径より大きい粒子をアンダーフローポート１５０から排出し、所定の閾値粒径より小さい粒子をオーバーフローポート１４０から排出するように設計されてもよい。一部の実施形態では、所定の粒径は５μｍ以下であってもよい。一部の実施形態では、所定の粒径は１μｍであってもよい。所定の閾値サイズは、液体サイクロンのカットサイズと称される場合があり、液体サイクロンの幾何学的形状、特に液体サイクロンのボディの直径を変更することによって広範に設定され得る。概して、直径が小さいほどカットサイズが小さくなる。カットサイズは、５０％の効率でオーバーフローポート１４０によって排出される粒径として定義され得る。一部の実施形態によれば、直径２．５ｍｍの液体サイクロンは５μｍのカットサイズを有し得る。
【0036】
一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００は、所定の閾値密度よりも高密度の粒子をアンダーフローポート１５０から排出し、所定の閾値密度よりも低密度の粒子をオーバーフローポート１４０から排出するように設計されてもよい。
【0037】
液体サイクロン１００内の小さい粒子及び大きい粒子の引き離しは、遠心力場における固体粒子の終末沈降速度に基づく。具体的には、粒子は、粒子の粒径、形状、及び密度に基づいて、加速する遠心力によって引き離しされる。抗力により、沈降がより遅い粒子が、液体サイクロン１００内に形成された内部渦に沿って低圧ゾーンに移動される。渦は、沈降がより遅い粒子を（図３に示される）渦ファインダを通してオーバーフローポート１４０へと上方に運ぶ。
【0038】
図７は、液体サイクロン１００内を移動する粒子７１０の図式的表現を示す。液体サイクロン１００は、入口１３０、オーバーフローポート１４０、及びアンダーフローポート１５０を含む。粒子７１０は直径Ｄｐ、密度ρｐ、及び質量ｍを有する。液体サイクロン１００内を移動する粒子７１０は軸速度Ｖａ、接線速度Ｖｔ、及び径方向速度Ｖｒを有する。粒子７１０が径方向距離ｒにおいて液体サイクロン１００内を移動しているとき、粒子７１０には３つの力が作用している。これらの３つの力は、接線速度ｖｔに起因する径方向外向きの遠心力ＦＣ、流体ρｆと粒子ρｐとの密度差に起因する径方向内向きの浮力Ｆｂ、及び、流体粘度μに起因する、粒子の運動に常に対向するように粒子の径方向速度ｖｒの方向に応じて内向き又は外向きの方向を有する抗力Ｆｄである。抗力は粒子の形状及び粒径、並びに流れの乱流強度に依存する。これらの力のそれぞれを記述する式を以下に示す。
【数2】
【0039】
定常状態での動作では、粒子にかかる正味の力はゼロになる。
Ｆｃ＋Ｆｂ＋Ｆｄ＝０
Ｆｃ＋Ｆｂ＋Ｆｄ＝０
【0040】
直径がＤｃの液体サイクロン１００の場合、これは、引き離し可能な粒子の粒径を下式のようにして計算できることを意味する。
【数3】
【0041】
上式からわかるように、粒子ρｐの密度と流体ρｆの密度との差が大きいほど、液体サイクロン１００は粒子を効率的に引き離すことができる。
【0042】
図２は、一部の実施形態に係る代替の液体サイクロン２００を示す。液体サイクロン２００は、下側円錐部分１２０のみを含むシングル円錐液体サイクロンである。上側円錐部分の代わりに、液体サイクロン２００は上側円筒部分２１０を含む。上側円筒部分２１０及び下側円錐部分１２０はともに中空であり、両者の交点において流体結合された単一のボリュームを一緒に画定する。
【0043】
上記の点を除き、液体サイクロン２００は液体サイクロン１００と同一であってもよく、上側円筒部分２１０は入口１３０及び１３５、並びにオーバーフローポート１４０を含み、下側円錐部分１２０はアンダーフローポート１５０を含む。
【0044】
液体サイクロン１００／２００は可動部を有さないため、その動作は２つの主要なパラメータ、すなわち、入口１３０／１３５に注入される流体の供給流の特性、及び液体サイクロン１００／２００の特定の具体的形状に依存する。供給流の特性は、流体の密度及び粘度、流体中の粒子の粒径及び密度、並びに流体中の粒子の濃度など、所与の流体の定数の物理化学的特性を含む可能性がある。供給流の特性はまた、流体の速度又は流量、及びアンダーフローのリサイクル率などの変数を含み得る。
【0045】
液体サイクロン１００／２００の幾何学形状の説明を可能にするために、垂直軸３１０を有する液体サイクロン１００／２００の寸法に符号が付されている図３が提供される。図１及び図２に関して上記したように、液体サイクロン１００／２００は上側部分１１０／２１０及び下側部分１２０を有する。上側部分１１０／１２０は、少なくとも１つの入口１３０／１３５及びオーバーフローポート１４０を含む。上側部分１１０／１２０はまた、オーバーフローポート１４０に接続された渦ファインダ３２０を備える。下側部分１２０はアンダーフローポート１５０を含む。
【0046】
入口１３０／１３５の直径には「ａ」という符号が付されている。入口１３０／１３５の直径は、一部の実施形態では０．２５～０．７１ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、入口１３０／１３５の直径は０．２５～０．６ｍｍであり得る。一部の実施形態によれば、入口１３０／１３５の直径は約０．３５ｍｍであり得る。
【0047】
渦ファインダ３２０及びオーバーフローポート１４０の直径にはＤｘという符号が付されている。一部の実施形態では、渦ファインダ３２０及びオーバーフローポート１４０の直径は０．０７５～０．７５ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、渦ファインダ３２０及びオーバーフローポート１４０の直径は０．０７５～０．６ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、渦ファインダ３２０及びオーバーフローポート１４０の直径は約０．４５ｍｍであってもよい。
【0048】
渦ファインダ３２０の長さにはＳという符号が付されている。一部の実施形態では、渦ファインダ３２０の長さは０．５～１．６７ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、渦ファインダ３２０の長さは０．５～１．５ｍｍであり得る。一部の実施形態によれば、渦ファインダ３２０の長さは約０．８４ｍｍであり得る。
【0049】
上側部分１１０／２１０における液体サイクロン１００／２００のボディの直径には、Ｄｃという符号が付されている。一部の実施形態では、液体サイクロン１００／２００のボディの直径は０．５～５ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００のボディの直径は０．５～４ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００のボディの直径は約２．５ｍｍであってもよい。
【0050】
液体サイクロンがダブル液体サイクロン１００である場合、上側部分１１０における液体サイクロン１００のボディの直径は、円錐の上面の直径及び底面の直径という２つの測定値として与えられ得る。一部の実施形態によれば、円錐の上面の直径は約３．５ｍｍであってもよく、円錐の底面の直径は約２．５ｍｍであってもよい。
【0051】
上側部分１１０／１２０の長さには、Ｈという符号が付されている。一部の実施形態では、上側部分１１０／１２０の長さは１．０～３．６ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、上側部分１１０／１２０の長さは１．０～３ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、上側部分１１０／１２０の長さは約１．８ｍｍであり得る。
【0052】
軸３１０からの下側部分１２０の円錐表面の径方向距離には、Ｄｒという符号が付されている。Ｄｒの値は液体サイクロン１００／２００の形状に依存し、部分１２０の上部から部分１２０の下部まで変化する。
【0053】
アンダーフローポート１５０の直径には、Ｄｄという符号が付されている。一部の実施形態によれば、アンダーフローポート１５０の直径は０．０５～１．５ｍｍであり得る。一部の実施形態によれば、アンダーフローポート１５０の直径は０．０５～０．６ｍｍであり得る。一部の実施形態によれば、アンダーフローポート１５０の直径は約０．５ｍｍであり得る。
【0054】
下側部分１２０の長さには、Ｈｃという符号が付されている。一部の実施形態では、下側部分１２０の長さは２～９８．６ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、下側部分１２０の長さは２～３７ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、下側部分１２０の長さは約１９．３ｍｍであり得る。
【0055】
アンダーフローポート１５０の長さを含む下側部分１２０の全長には、Ｈｔという符号が付されている。一部の実施形態によれば、アンダーフローポート１５０の長さは約１ｍｍであり得る。一部の実施形態では、アンダーフローポート１５０の長さは０．５ｍｍ～２ｍｍであってもよい。したがって、下側部分１２０の長さは、一部の実施形態では、３～９９．６ｍｍであってもよい。一部の実施形態によれば、アンダーフローポート１５０の長さを含む下側部分１２０の全長は、約２０．３ｍｍであってもよい。
【0056】
上記の各パラメータの値に、液体サイクロン１００／２００の幾何学的形状及び供給流の特性に関連する更なるパラメータの値を加えた表が以下に提供されている。具体的には、この表は、様々なパラメータのそれぞれの動作範囲及び好ましい値を示している。
【表1】
【0057】
供給流量及び入口速度は相互に依存する可能性があり、供給流量は入口速度に基づいて変化し得る。一部の実施形態によれば、供給流量は、入口の面積に入口速度を乗じたものであってもよい。一部の実施形態によれば、供給流量は３～６６ｍＬ／秒であってもよい。一部の実施形態によれば、供給流量は１０～６６ｍＬ／秒であってもよい。一部の実施形態では、供給流量は約６６ｍＬ／秒であり得る。一部の実施形態では、入口速度は８～４０ｍ／秒であってもよい。一部の実施形態によれば、入口速度は９．６～１６．２５ｍ／秒であり得る。一部の実施形態によれば、入口速度は約９．６ｍ／秒であり得る。
【0058】
液体サイクロン内の流量及び入口速度の増加は、概して、引き離し効率を変化させ、アンダーフローから排出される流体の量を増加させる。引き離し効率は、低流量範囲において最初は流量の増加とともに増加するが、流量が更に増加すると、液体サイクロン内の流体の乱れが増すことに起因して減少する。具体的には、高流量で入口速度を増加させると、液体サイクロン内の流体のレイノルズ数及び接線速度が増加し、結果として乱流がより強くなり、高流量レジームでの引き離し効率が低下する。対照的に、低流量で入口速度を増加させると接線速度が高くなり、これは遠心力を増加させ、したがって引き離し効率を向上させる。
【0059】
しかし、液体サイクロン１００／２００は、上記のような幾何学形状に基づいて、液体サイクロン１００／２００のボディ内に層流領域を作り出すことによって、より高い流量を可能にする。
【0060】
円錐形状（ｎ）は、下側部分１２０の凸状又は凹状のレベルを表す値である。具体的には、円錐形状値１は、凸状又は凹状を呈さない平坦な壁を有する下側部分１２０に対応し、１未満の円錐形状値は、凹状壁を有する下側部分１２０に対応し、１を超える円錐形状値は、凸状壁を有する下側部分１２０に対応する。
【0061】
円錐形状値は以下の式に従って求められ得る。
【数4】
【0062】
ここで、Ｌは、オーバーフロー１４０及びアンダーフロー１５０を含む液体サイクロン１００／２００の全長である。
【0063】
一部の実施形態では、円錐形状は０．６～１．４であってもよい。一部の実施形態によれば、円錐形状は１未満であってもよい。一部の実施形態によれば、円錐形状は０．６～１であり得る。一部の実施形態では、円錐形状は約０．６であり得る。
【0064】
一部の実施形態では、液体サイクロン１００／２００の内部の表面粗さは０～１０μｍであってもよい。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００の内部の表面粗さは約３μｍであり得る。表面粗さは、使用される製造方法及び材料に依存し得る。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００は３Ｄ印刷によって製造されてもよく、これは表面粗さに影響を及ぼし得る。一部の実施形態では、液体サイクロン１００／２００は、ドリリング又は溶接によって製造されてもよい。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００は金属又はプラスチックで製造されてもよい。例えば、液体サイクロン１００／２００は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）プラスチック、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリアミド若しくはナイロン、ガラス充填ポリアミド、エポキシ樹脂などのステレオリソグラフィ材料、チタン、ステンレス鋼、フォトポリマー、ポリカーボネート、セラミックス、高衝撃性ポリスチレン、又は、例えばポリエチレングリコール若しくはポリビニルアルコールなどの合成ポリマーから製造されてもよい。液体サイクロン１００／２００が生体試料を処理するために使用される場合、液体サイクロン１００／２００は、ガンマ線によって滅菌された、又はガンマ線によって滅菌されるのに適した材料から製造されてもよい。材料は、生体試料の取り扱いに特に適したものであってもよい。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００は、医薬品適正製造基準（ＧＭＰ）の規制に従う材料から製造され得る。
【0065】
円錐の数は、液体サイクロン１００／２００の上側部分１１０／２１０が円錐形状であるかどうかを表す。円錐の数が１である場合、上側部分は円筒形であり、図２に示されるように、液体サイクロン２００の上側部分２１０に対応する。円錐の数が２である場合、上側部分は円錐形であり、図１に示されるように、液体サイクロン１００の上側部分１１０に対応する。
【0066】
液体サイクロン１００／２００の動作に影響を与える更なるファクタは、入口１３０／１３５の形状である。図４Ａ及び図４Ｂは、２つの例示的な入口形状を示す。図４Ａは、上側部分２１０及びオーバーフローポート１４０を有する液体サイクロン２００を示す。上側部分２１０は円形入口４１０を画定する。図４Ｂは、上側部分１１０及びオーバーフローポート１４０を有する液体サイクロン１００を示す。上側部分１１０は台形入口４２０を画定する。実際には、液体サイクロン１００又は２００のいずれも、円形又は台形入口ポート１３０／１３５のいずれかを有するように製造され得る。
【0067】
一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００の動作は、アンダーフローポート１５０から出る流体がリサイクルされる場合に改善され得る。図５及び図６は、液体サイクロン１００／２００が組み込まれた例示的なシステムを示す。図５は、リサイクルを組み込んでいないシステム５００を示し、図６は、リサイクルを組み込んでいるシステム６００を示す。
【0068】
図５は、液体サイクロン１００／２００が組み込まれた、粒子を分離するための処理システム５００を示す。処理システム５００は、分離すべき微粒子又はナノ粒子などの粒子を有する流体を収容するための供給タンク５１０を含む。
【0069】
処理システム５００は、０℃～５０℃の温度で動作するように構成されてもよい。一部の実施形態によれば、処理システム５００は、１０～３０℃の温度で動作するように構成されてもよい。一部の実施形態によれば、処理システム５００は約２５℃の温度で動作するように構成されてもよい。流体の粘度は高温で減少し、粘度が低い流体はより高い引き離し効率をもたらすことから、一部の実施形態によれば、システム５００は、処理される流体又は試料の損傷又は変性を引き起こすことなく、可能な限り高い温度で動作するように構成され得る。
【0070】
一部の実施形態では、流体は、ギアポンプであり得るポンプ５３０によって、供給タンク５１０から液体サイクロン１００／２００の入口１３０／１３５内にチューブ５２０を通して引き込まれる。ポンプ５３０は、流体の移動を補助するために、機械的作用によって流体に圧力を加えるように構成されてもよい。
【0071】
流体は、ポンプ５３０から液体サイクロン１００／２００の入口１３０／１３５内に送られる。より小さく、より軽く、かつ／又はより密度の低い粒子は、回収及び更なる処理のために分離され、オーバーフローポート１４０から出てチューブ５５０内に入り、残りの粒子及び流体は、アンダーフローポート１５０から出てチューブ５６０内に入った後、廃棄される。例えば、一部の実施形態によれば、ナノ粒子は分離されて、オーバーフローポート１４０から出る一方、微粒子はアンダーフローポート１５０から出得る。一部の実施形態によれば、アンダーフローポート１５０から出る粒子及び流体を廃棄する代わりに、更なる処理のために保持してもよい。システム５００は連続フローシステムとして動作してもよい。
【0072】
図６は、液体サイクロン１００／２００が組み込まれた、粒子を分離するための代替の処理システム６００を示す。処理システム６００も、分離すべき微粒子又はナノ粒子などの粒子を有する流体を収容するための供給タンク５１０を含む。流体は、ポンプ５３０によって供給タンク５１０から液体サイクロン１００／２００の入口１３０／１３５内にチューブ５２０を通して引き込まれる。より小さく、より軽く、かつ／又はより密度の低い粒子は、回収及び更なる処理のために分離され、オーバーフローポート１４０から出てチューブ５５０内に入る一方、残りの粒子及び流体はアンダーフローポート１５０から放出される。しかし、廃棄の代わりに、アンダーフローポート１５０は、残りの粒子及び流体を供給タンク５１０内に戻るように運ぶチューブ６１０に接続されており、少なくともある割合の粒子及び流体がシステム６００を通して混合及びリサイクルされる。したがって、流体中に残る小さくて軽い粒子を次のサイクルで分離することができる。リサイクルされる残りの粒子及び流体の割合は、リサイクル比に基づいて変化し得る。リサイクルされる流体の量を増加させることにより、オーバーフローから取り出される流体は、リサイクル比の倍率で減少する。
【0073】
液体サイクロン１００／２００のリサイクル比を、図８を参照しながら更に詳細に説明する。図８に示されるように、オーバーフローポート１４０から出る流体の流量はＱｏとして定義され、入口１３０／１３５の流量はＱｉとして定義される。アンダーフローポート１５０から出る流体の流量はＱｕとして定義され、リサイクル流Ｑｒ及び次段階流Ｑｎｅｘｔという２つの流れに分割され得る。リサイクル比Ｒは、リサイクル流Ｑｒを介してリサイクルされて入口１３０／１３５に戻るアンダーフローポート１５０から出る流体の割合として定義される。
【数5】
【0074】
システムの全体的な質量バランスは以下の式によって定義される。
Ｑｉ＋Ｑｒ＝Ｑｏ＋Ｑｎｅｘｔ
Ｑｉ＋Ｑｒ＝Ｑｏ＋Ｑｎｅｘｔ
【0075】
図８の点１を中心とした質量バランスは以下の式によって定義される。
Ｑｕ＝Ｑｒ＋Ｑｎｅｘｔ
Ｑｕ＝Ｑｒ＋Ｑｎｅｘｔ
【0076】
したがって、リサイクル比はＱｎｅｘｔにのみ影響を及ぼし得る。Ｑｕ、及び液体サイクロン１００／２００のスプリット比は影響を受けない。
【0077】
【0078】
図１２Ａは、エクソソーム源からミクロンサイズの粒子を分離するために、液体サイクロン１００を有し、アンダーフローリサイクルが行われないシステム５００などのシステムを使用した結果を示すグラフ１２００を示す。具体的には、図１２Ａは、乳清を処理するときの液体サイクロン１００のフィード、アンダーフロー、及びオーバーフロー内で特定される様々な粒径の粒子のボリュームを示す。
【0079】
図１２Ａに示される実験のために使用された液体サイクロン１００は、ボディ直径（Ｄｃ）が２．５ｍｍ、円錐の数が２、円錐形状（ｎ）が１、下側部分の長さ（Ｈｃ）が１９．３ｍｍ、入口直径（ａ）が０．３５ｍｍ、オーバーフロー直径（Ｄｘ）が０．４５ｍｍ、渦ファインダの長さ（Ｓ）が０．８４ｍｍ、アンダーフロー直径（Ｄｄ）が０．５ｍｍ、上側部分の長さ（Ｈ）が１．８ｍｍである。
【0080】
処理中、実際の供給流量は１３２．２ｍＬ／分と測定され、各入口１３０／１３５における流量が６６．１ｍＬ／分であった。
【0081】
フィード、オーバーフロー、及びアンダーフローの流体に対して動的光散乱法を実行し、存在する粒子の粒径を求めた。この分析の結果を図１２Ａのグラフ１２００に示す。処理後、初期フィードボリュームのうちのオーバーフロー流体のボリューム寄与は３３．５％であり、初期フィードボリュームのうちのアンダーフローボリュームのボリューム寄与は、残りの６６．５％を占めた。
【0082】
グラフ１２００は、特定された粒子の粒径又は直径をｎｍ単位で示すｘ軸１２０５と、各流体中の特定された粒子のパーセントとしてボリュームを示すｙ軸１２１０とを有する。線１２１５は、供給流体内で特定された粒子を表し、線１２２０は、オーバーフロー流体内で特定された粒子を表し、線１２２５は、アンダーフロー流体内で特定された粒子を表す。矢印１２３０は、オーバーフロー内で特定された粒子のカットオフサイズを示し、約５μｍである。
【0083】
対照的に、図１２Ｂは、エクソソーム源からミクロンサイズの粒子を分離するために、液体サイクロン１００を有し、アンダーフローリサイクルが行われるシステム６００などのシステムを使用した結果を示すグラフ１２５０を示す。具体的には、図１２Ｂは、乳清を処理するときの液体サイクロン１００のフィード、アンダーフロー、及びオーバーフロー内で特定される様々な粒径の粒子のボリュームを示す。
【0084】
図１２Ｂに示される実験のために使用された液体サイクロン１００は、ボディ直径（Ｄｃ）が２．５ｍｍ、円錐の数が２、円錐形状（ｎ）が１、下側部分の長さ（Ｈｃ）が１９．３ｍｍ、入口直径（ａ）が０．３５ｍｍ、オーバーフロー直径（Ｄｘ）が０．４５ｍｍ、渦ファインダの長さ（Ｓ）が０．８４ｍｍ、アンダーフロー直径（Ｄｄ）が０．５ｍｍ、上側部分の長さ（Ｈ）が１．８ｍｍである。
【0085】
処理中、実際の供給流量は１３２．２ｍＬ／分と測定され、各入口１３０／１３５における流量が６６．１ｍＬ／分であった。
【0086】
フィード、オーバーフロー、及びアンダーフローの流体に対して動的光散乱法を実行し、存在する粒子の粒径を求めた。この分析の結果を図１２Ｂのグラフ１２５０に示す。処理後、初期フィードボリュームのうちのオーバーフロー流体のボリューム寄与は３２．５％であり、初期フィードボリュームのうちのアンダーフローボリュームのボリューム寄与は、残りの６７．５％を占めた。
【0087】
グラフ１２５０は、特定された粒子の粒径又は直径をｎｍ単位で示すｘ軸１２５５と、各流体中の特定された粒子のパーセントとしてボリュームを示すｙ軸１２６０とを有する。線１２６５は、供給流体内で特定された粒子を表し、線１２７０は、オーバーフロー流体内で特定された粒子を表し、線１２７５は、アンダーフロー流体内で特定された粒子を表す。矢印１２８０は、オーバーフロー内で特定された粒子のカットオフサイズを示し、約２μｍである。
【0088】
グラフ１２００とグラフ１２５０との比較から明らかなように、システム６００などのシステムを使用したリサイクルは、液体サイクロン１００によってもたらされる引き離しを改善する。
【0089】
リサイクルとともに液体サイクロン１００を使用する更なる例を図１３に示す。図１３は、エクソソーム源からミクロンサイズの粒子を分離するために、液体サイクロン１００を有し、アンダーフローリサイクルが行われるシステム６００などのシステムを使用した結果を示すグラフ１３００を示す。具体的には、図１３は、乳清を処理するときの液体サイクロン１００のフィード、アンダーフロー、及びオーバーフロー内で特定される様々な粒径の粒子のボリュームを示す。
【0090】
処理中、実際の供給流量は１５０ｍＬ／分と測定され、各入口１３０／１３５における流量が７５ｍＬ／分であった。４分間の処理時間で、乳清をアンダーフローのリサイクルを使用して処理した。
【0091】
フィード、オーバーフロー、及びアンダーフローの流体に対して動的光散乱法を実行し、存在する粒子の粒径を求めた。この分析の結果を図１３のグラフ１３００に示す。処理後、初期フィードボリュームのうちのオーバーフロー流体のボリューム寄与は５８．３８％であり、初期フィードボリュームのうちのアンダーフローボリュームのボリューム寄与は、残りの４１．６１％を占めた。
【0092】
グラフ１３００は、特定された粒子の粒径又は直径をｎｍ単位で示すｘ軸１３０５と、各流体中の特定された粒子のパーセントとしてボリュームを示すｙ軸１３１０とを有する。線１３１５は、供給流体内で特定された粒子を表し、線１３２０は、オーバーフロー流体内で特定された粒子を表し、線１３２５は、アンダーフロー流体内で特定された粒子を表す。
【0093】
グラフから明らかなように、液体サイクロン１００を使用して、５μｍより大きい大粒子を良好に分離することができた。これらの結果は、リサイクルとともに使用した場合、液体サイクロン１００が、直径５μｍを超える粒子を良好に分離するために使用され得ることを示す。
【0094】
【0095】
図１４Ａは、２００ｎｍに拡大された、乳清を含む供給流のＴＥＭ画像１４００を示す。様々な粒径分布の粒子１４１０を画像内で観察することができる。
【0096】
図１４Ｂは、１００ｎｍに拡大された、オーバーフロー流のＴＥＭ画像１４５０を示す。約４０～１８０ｎｍの範囲内のエクソソーム１４６０を画像内で観察することができる。この画像は、オーバーフロー流内のエクソソーム１４６０の存在を証明し、液体サイクロン１００を使用して、乳清からエクソソームを分離することができることを証明する。
【0097】
液体サイクロン１００の動作はまた、様々な流体から粒子を分離又は精製するために使用され得る。
【0098】
一部の実施形態によれば、流体は、生体流体若しくは生体流体の一部、又は加工食品などの生体材料を含有する流体を含んでもよい。そのような流体の例としては、乳、乳清、植物抽出物、血清、血液、血漿、ビールなどの発酵製品、果汁、果肉、唾液、涙、精子、尿、糞便、脳脊髄液、間質液、滑液、骨髄から分離された流体、呼吸器、腸管、若しくは尿生殖路由来の粘液又は流体、廃水、細胞抽出物、細胞又は組織抽出物、細胞外小胞（例えば、エクソソーム）などの細胞から分泌された粒子を含む（又は細胞及び粒子の両方が分泌される）培地又は同様のもの、ウイルス、タンパク質（ワクチン産生のための抗体又はタンパク質／ペプチドなど）、及び核酸が挙げられるが、これらに限定されない。分泌又は抽出される粒子は、限定されないが、哺乳類細胞、昆虫細胞、植物細胞、鳥類細胞、藻類細胞、細菌細胞、又は真菌細胞などの任意の種類の細胞から得ることができる。
【0099】
一部の実施形態によれば、流体は、水、空気、グリセロール、排気ガス、石油化学物質、化学溶液、油水エマルション、デンプン溶液、エタノール、ディーゼル、及び他の流体などの非生体流体を含み得る。これは、例えば食品加工業、鉱業、及び廃水処理業などの産業で有用であり得る。
【0100】
一部の実施形態によれば、流体は、１．５ｇ／ｃｃ未満の密度を有する。一部の実施形態によれば、流体は、１．３ｇ／ｃｃ未満の密度を有する。
【0101】
一部の実施形態では、粒子は、リポソーム、細胞（哺乳類細胞、微生物細胞、又はＨｅＬａ細胞など）、分泌された細胞外小胞（エクソソームなど）、ウイルス（哺乳類ウイルスなど）、ウイルス粒子（又はビリオン）、ウイルスベクター、ウイルス様粒子、タンパク質（ワクチン産生のための抗体若しくはタンパク質／ペプチド、又は乳清など）、タンパク質凝集体、核酸、核酸凝集体、ＤＮＡ、ＲＮＡ、バイオ医薬品粒子、又はこれらの任意の組み合わせのうちの１つ以上を含む。分離される細胞は動物細胞であってもよいが、分離される細胞は、藻類細胞、細菌細胞（Ｅ．ｃｏｌｉなど）、又は真菌細胞（酵母細胞など）などのより小さい細胞であってもよい。粒子はまた、油粒子、グリース粒子、デンプン粒子、シリカ粒子、ＰＭＭＡ粒子、ポリスチレンラテックス（ＰＳＬ）粒子、マイクロビーズ粒子、及びスラッジ粒子のうちの１つ以上であってもよい。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００は、一部の粒子タイプを分離するが、他の粒子タイプは分離しないように構成され得る。例えば、一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００は、エクソソーム粒子を分離するが、オレオソーム粒子は分離しないように構成され得る。
【0102】
一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００を使用して分離される粒子の粒径は、４０μｍ未満、２０μｍ未満、１０μｍ未満、５μｍ未満、又は１μｍ未満である。
【0103】
一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００を使用して分離される粒子は、０．５～２．５ｇ／ｃｃの密度を有する。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００を使用して分離される粒子は、０．７～２．０ｇ／ｃｃの密度を有する。一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００を使用して分離される粒子は、１．０～２．０ｇ／ｃｃの密度を有する。
【0104】
一部の実施形態によれば、流体の密度が粒子の密度よりも低い場合、粒子が液体サイクロン１００／２００を使用して流体から分離され得る。
【0105】
図９には、エクソソーム源からミクロンサイズの粒子を分離するために液体サイクロン１００を使用した結果を示すグラフ９００が示されている。図９に示される実験のために使用された液体サイクロン１００は、ボディ直径（Ｄｃ）が２．５ｍｍ、円錐の数が２、円錐形状（ｎ）が１、下側部分の長さ（Ｈｃ）が１９．３ｍｍ、入口直径（ａ）が０．３５ｍｍ、オーバーフロー直径（Ｄｘ）が０．４５ｍｍ、渦ファインダの長さ（Ｓ）が０．８４ｍｍ、アンダーフロー直径（Ｄｄ）が０．５ｍｍ、上側部分の長さ（Ｈ）が１．８ｍｍである。
【0106】
具体的には、図９は、生姜汁を処理するときの液体サイクロン１００のフィード、アンダーフロー、及びオーバーフロー内で特定される様々な粒径の粒子のボリュームを示す。
【0107】
グラフ９００に示される結果を生成するために使用された生姜汁は、一定量の生姜から出発して取得され、生姜の皮を剥き、表面上の汚れ又は混入物を除去するために洗浄した。皮を剥いた生姜を、ｐＨ８の１０ｍＭリン酸緩衝液に３０分間浸した。次に、生姜を細かくすりおろし、汁を抽出した。その後、汁をふるいに通し、残りの固形物及び繊維を濾し取った。濾された汁は、処理システム５００などの処理システム内の液体サイクロン１００の供給液体として使用された。実際の供給流量は２４０ｍＬ／分と測定され、各入口１３０／１３５における流量が１２０ｍＬ／分であった。生姜汁を２分間の処理時間で処理した。
【0108】
フィード、オーバーフロー、及びアンダーフローの流体に対して動的光散乱法を実行し、存在する粒子の粒径を求めた。この分析の結果を図９のグラフ９００に示す。処理後、初期フィードボリュームのうちのオーバーフロー流体のボリューム寄与は３７．９％であり、初期フィードボリュームのうちのアンダーフローボリュームのボリューム寄与は、残りの６２．１％を占めた。
【0109】
グラフ９００は、特定された粒子の粒径又は直径をｎｍ単位で示すｘ軸９１０と、各流体中の特定された粒子のパーセントとしてボリュームを示すｙ軸９２０とを有する。線９３０は、供給流体内で特定された粒子を表し、線９４０は、オーバーフロー流体内で特定された粒子を表し、線９５０は、アンダーフロー流体内で特定された粒子を表す。
【0110】
グラフから明らかなように、供給流体から特定された粒子のボリュームの大半の粒径は３５００～７５００ｎｍであり、より少量は３００～１５００ｎｍであり、一層少ないボリュームが１００～２００ｎｍであった。オーバーフロー流体では、特定された粒子のほとんど全てが２００ｎｍ～４５０ｎｍであった。アンダーフロー流体では、４０００～７５００ｎｍの粒径の粒子、及び２５０～１５００の粒径の粒子のボリュームの割合が等しく、８０～２５０ｎｍの粒径の粒子がいくらか特定された。
【0111】
これらの結果は、液体サイクロン１００を使用して、直径１μｍより大きい粒子を分離することができることを示す。
【0112】
【0113】
図１５Ａは、２００ｎｍに拡大された、生姜汁を含む供給流のＴＥＭ画像１５００を示す。様々な粒径分布の粒子１５１０を画像内で観察することができる。
【0114】
図１５Ｂは、１００ｎｍに拡大された、液体サイクロン１００からのオーバーフロー流のＴＥＭ画像１５５０を示す。約３７～９１ｎｍの範囲内のエクソソーム１５６０を画像内で観察することができる。挿入画像１５７０は、５０ｎｍまで更に拡大されたエクソソーム１５８０を示す。これらの画像は、オーバーフロー流内のエクソソーム１５６０／１５８０の存在を証明し、液体サイクロン１００を使用して、生姜汁からエクソソームを分離することができることを証明する。
【0115】
一部の実施形態によれば、液体サイクロン１００／２００は、１つ以上の追加の液体サイクロン１００／２００と直列に動作してもよく、これにより生成される引き離しが更に改善される可能性がある。
【0116】
図１０は、２つの液体サイクロン１００／２００が直列に組み込まれた、粒子を分離するための処理システム１０００を示す。具体的には、システム１０００は、第１の液体サイクロン１０１０及び第２の液体サイクロン１０２０を含む。
【0117】
図５を参照して上記したように、処理システム１０００は、分離すべき微粒子又はナノ粒子などの粒子を有する流体を収容するための供給タンク５１０を更に含む。処理システム５００と同様に、処理システム１０００は、０℃～５０℃の温度で動作するように構成されてもよい。一部の実施形態によれば、処理システム１０００は、１０～３０℃の温度で動作するように構成されてもよい。一部の実施形態によれば、処理システム１０００は約２５℃の温度で動作するように構成されてもよい。流体の粘度は高温で減少し、粘度が低い流体はより高い引き離し効率をもたらすことから、一部の実施形態によれば、システム１０００は、処理される流体又は試料の損傷又は変性を引き起こすことなく、可能な限り高い温度で動作するように構成され得る。
【0118】
流体は、図５を参照して上記したポンプ５３０などのポンプであり得るポンプ１０３０によって、供給タンク５１０から第１の液体サイクロン１０１０の入口１３０／１３５内にチューブ５２０を通して引き込まれる。
【0119】
流体は、ポンプ１０３０から液体サイクロン１０１０の入口１３０／１３５内に送られる。より小さく、より軽く、かつ／又はより密度の低い粒子は、回収及び更なる処理のために分離され、オーバーフローポート１４０から出てチューブ５５０内に、次いでオーバーフロータンク１０４０内に入り、残りの大きな粒子及び流体は、アンダーフローポート１５０から出てアンダーフロー回収タンク１０５０内に放出される。
【0120】
オーバーフロータンク１０４０からの流体は更に処理され、図５を参照して上記したポンプ５３０などのポンプであり得る第２のポンプ１０６０によって、オーバーフロータンク１０４０から第２の液体サイクロン１０２０の入口１３０／１３５内にチューブ１０４５を通して引き込まれる。
【0121】
流体は、ポンプ１０６０から液体サイクロン１０２０の入口１３０／１３５内に送られる。より小さく、より軽く、かつ／又はより密度の低い粒子は、回収及び更なる処理のために分離され、オーバーフローポート１４０から出てチューブ１０６５内に入り、残りの粒子及び流体は、アンダーフローポート１５０から出て第２のアンダーフロー回収タンク１０８０内に入る。
【0122】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、システム１０００を使用してエクソソーム源から粒子を分離した結果を示す。具体的には、図１１Ａ及び図１１Ｂは、乳清を処理するときの液体サイクロン１０１０及び１０２０のフィード、アンダーフロー、及びオーバーフロー内で特定される様々な粒径の粒子のボリュームを示しており、粒子のボリュームは動的光散乱法を使用して求められている。
【0123】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示す実験の場合、液体サイクロン１０１０及び液体サイクロン１０２０はいずれも、液体サイクロン１００に関して上述したように、ダブル円錐液体サイクロンであり、実質的に同一の形状及びサイズを有した。液体サイクロン１０１０及び１０２０はいずれも、ボディ直径（Ｄｃ）が２．５ｍｍ、円錐の数が２、円錐形状（ｎ）が１、下側部分の長さ（Ｈｃ）が１９．３ｍｍ、入口直径（ａ）が０．３５ｍｍ、オーバーフロー直径（Ｄｘ）が０．４５ｍｍ、渦ファインダの長さ（Ｓ）が０．８４ｍｍ、アンダーフロー直径（Ｄｄ）が０．５ｍｍ、上側部分の長さ（Ｈ）が１．８ｍｍである。
【0124】
図１１Ａは、処理システム１０００などの処理システム内で第１の液体サイクロン１０１０を使用して乳清を処理した後の結果を示すグラフ１１００を示す。ポンプ１０３０によってもたらされるポンプ流量は１５０ｍＬ／分に設定され、実際の流量は合計で１２０ｍＬ／分、又は各入口１３０／１３５で６０ｍＬ／分と測定された。
【0125】
処理後、初期フィードボリュームのうちのオーバーフロー流体のボリューム寄与は５７％であり、初期フィードボリュームのうちのアンダーフローボリュームのボリューム寄与は、残りの４３％を占めた。
【0126】
グラフ１１００は、特定された粒子の粒径又は直径をｎｍ単位で示すｘ軸１１１０と、各流体中の特定された粒子のパーセントとしてボリュームを示すｙ軸１１２０とを有する。線１１３０は、供給流体内で特定された粒子を表し、線１１４０は、オーバーフロー流体内で特定された粒子を表し、線１１５０は、アンダーフロー流体内で特定された粒子を表す。
【0127】
グラフから明らかなように、供給流体から特定された粒子のボリュームの大半の粒径は４０００～７５００ｎｍであり、より少量は４００～１５００ｎｍであり、一層少ないボリュームが１００～３００ｎｍであった。オーバーフロー流体では、特定された粒子の大半は３５０ｎｍ～１５００ｎｍであった。アンダーフロー流体では、４０００～７５００ｎｍの粒径の粒子、及び３５０～２０００の粒径の粒子のボリュームの割合が等しく、１００～２００ｎｍの粒径の粒子がいくらか特定された。
【0128】
図１１Ｂは、その後、処理システム１０００などの処理システム内の第２の液体サイクロン１０２０を用いて、液体サイクロン１０１０のオーバーフロー流体から出力された乳清液を処理した後の結果を示すグラフ１１６０を示す。ポンプ１０６０によってもたらされるポンプ流量は１５０ｍＬ／分に設定され、実際の流量は合計で１２０ｍＬ／分、又は各入口１３０／１３５で６０ｍＬ／分と測定された。
【0129】
処理後、初期フィードボリュームのうちのオーバーフロー流体のボリューム寄与は１７．４％であり、初期フィードボリュームのうちのアンダーフローボリュームのボリューム寄与は２２％を占めた。
【0130】
グラフ１１６０は、特定された粒子の粒径又は直径をｎｍ単位で示すｘ軸１１６５と、各流体中の特定された粒子のパーセントとしてボリュームを示すｙ軸１１７０とを有する。線１１７５は、供給流体内で特定された粒子を表し、線１１８０は、オーバーフロー流体内で特定された粒子を表し、線１１８５は、アンダーフロー流体内で特定された粒子を表す。
【0131】
グラフから明らかなように、供給流体から特定された粒子のボリュームの大半の粒径は３００～２０００ｎｍであり、より少量が１００～２００ｎｍであった。オーバーフロー流体では、特定された粒子の大半は１５０ｎｍ～１１００ｎｍであり、より少量が７０～１５０ｎｍであった。アンダーフロー流体では、特定された粒子の大半は１５０ｎｍ～２０００ｎｍであり、より少量が７０～１５０ｎｍであった。
【0132】
グラフ１１００と１１６０との比較に基づいて明らかなように、オーバーフロー流体を２回処理するときには更なる粒子を分離することができたため、図１０に示すように２つの液体サイクロン１００を直列で使用することで粒子分離が改善された。
【0133】
当業者は、本開示の広範な一般的範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に対して多くの変更及び／又は改変がなされ得ることを理解されるであろう。したがって、上記実施形態はあらゆる点で例示的であり、制限的ではないと見なされるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【国際調査報告】