JP3965459B2 - 遠心分離機用の低せん断供給システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心分離機に関し、特に、低せん断供給システムを有する固体／液体分離用遠心分離機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
連続流動遠心分離機においては、原料流動体内の固体／液体懸濁液は回転ボウル内に導入される。原料流動体の速度をボウルの角速度にまで加速するために種々の供給システムが使用されている。その幾つかの従来技術の供給システムは、供給原料内の固体粒子のせん断応力に対する敏感度を考慮せずに設計されている。このような供給システムを組み込んだ分離機が固体／液体懸濁液から固体を分離するために使用されると、典型的には固体粒子は高いレベルのせん断応力にさらされる。もし浮遊粒子が沈殿たんぱく質や生体細胞の場合のようにせん断に敏感であれば、粒子は破壊されるか、さもなければ損傷を受ける可能性がある。
【０００３】
Ｃａｒｒに許可された米国特許第５，６７４，１７４号（以後、「'１７４号特許」と称する）は、せん断応力を最小にすることを意図した供給システムを記載している。'１７４号特許は、アプリケータヘッドを出て行く原料流動体の速度が隣接する回転円錐面の速度に整合しようとするような方式で、原料流動体をアプリケータヘッドによって回転しているディストリビュータコーンに加えることを述べている。しかしながら、実際には原料流動体は、回転する円錐面に接触するときに多次元的速度プロファイルを受ける。縦方向成分、例えば表面に平行で回転方向に垂直な成分と、一つ以上の接線方向成分、すなわち回転方向成分とが存在する。'１７４号特許ではアプリケータヘッドは、原料流動体の接線方向速度だけを伝達し、また多くの場合に縦方向速度成分によるせん断応力は接線方向速度成分によるせん断応力を超えている。その結果、'１７４号特許のアプリケータヘッドは、哺乳動物細胞への使用に適するだけの十分に低いせん断応力にはならない。また'１７４号特許のシステムでは、原料流動体が加えられる回転ディストリビュータコーン上の点は、このディストリビュータコーンの回転軸からかなりの半径方向距離にあり、従って、典型的な表面速度もかなり大きくなる。例えば、もし原料流動体が半径５ｃｍの箇所に加えられ、ディストリビュータコーンが１０，０００ｒｐｍで回転しているとすれば、原料流動体が適合しなくてはならない表面速度は約５２３６ｃｍ／ｓｅｃである。このような高い速度を原料流動体に伝達することは、アプリケータヘッドに達している導管内で高いレベルのせん断応力に原料流動体をさらすことになる。加えて、前述の方向差すなわち縦方向成分対接線方向成分の方向差の結果から、あるいは流量制御公差の結果からくるアプリケータヘッドからの原料流動体とディストリビュータコーンの回転表面との間の速度のわずかな不整合が実質的なせん断応力を発生させる。従って、'１７４号特許に述べられたシステムは、酵母菌細胞や圧縮粉体沈殿物といった、せん断に対してほんの中程度に敏感な浮遊固体には最適であるように見えるが、哺乳動物細胞といった、よりせん断敏感性の材料には適当でない。
【０００４】
Ｃａｒｒに許可された米国特許第５，８２３，９３７号(以後「'９３７号特許」)には、せん断応力問題に取り組むもう一つのシステムが開示されている。'９３７号特許は一般に、供給アプリケータを遠心分離機ボウルの回転軸の中心からずらせて配置することを教示しているが、これはまた回転軸と同心に原料流動体を加える供給アプリケータも記述している。'１７４号特許の手法と比較してこの同心配置の手法は、原料流動体が回転表面に接触する回転軸からの半径距離を減少させる可能性があり、従って、せん断応力を減少させる可能性がある。しかしながら、テストの結果、原料流動体を同心的に加えるだけでは、せん断敏感性の材料が保存されることを保証できないことが明らかになった。
【０００５】
その結果、最もせん断に敏感な細胞および沈殿物を処理できる分離機の必要性が存在している。本発明は、極度にせん断敏感度の高い細胞および沈殿物を処理できる分離機を提供することによって従来の分離装置に関連した諸問題を克服する。
【０００６】
【発明の開示】
（ａ）軸の周りに角速度ωで回転可能で且つ該軸上に１点を持つ内面を有する加速器と、（ｂ）オリフィスを介して前記加速器内に体積流量Ｑで原料流動体を導入するためのノズルとを含む遠心分離機。このオリフィスは、実質的に前記１点に中心合わせされており、ほぼ ０＜ｄ≦４δ，ただし、δ＝１．４１４｛（４Ｑ／π^２ω）^１／３｝の範囲内の内径ｄを有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、哺乳動物細胞といった極度にせん断敏感度の高い材料の固体／液体分離用の遠心分離機を提供する。哺乳動物細胞に加えて、沈積たんぱく質といった材料は、せん断応力に極度に敏感であり、それによって損傷される可能性がある。沈積たんぱく質の粒子は、せん断力の下で破砕されて分離がより困難な、より小さな粒子を形成する可能性がある。本発明は、このような材料に対する使用に適している。
【０００８】
本発明は、従来技術の設計と比較して遠心分離機供給ゾーンにおけるせん断応力のかなりの削減を可能にする。これは、原料流動体がドーム型の供給加速器の回転軸に沿って加えられるノズルオリフィスを介して細いジェットとして送り込まれることによって達成される。このノズルオリフィスは、調整可能なギャップによってドーム型供給加速器から離れて配置される。このオリフィスを通る平均原料流動体速度は、原料流動体が放出される加速器上のある領域に亘って平均されたドーム型供給加速器上の接線方向表面速度に整合する。オリフィスから流れる原料流動体の平均速度が加速器表面の接線方向速度に整合するようにオリフィスのサイズを決めることによって、原料流動体内の固体成分に対するせん断力は、最小にされる。
【０００９】
他のパラメータを考慮せずにオリフィスを任意のサイズにすることは、せん断力に関して状況を悪化させる可能性がある。例えば、もし遠心分離機速度と流量とを同じに保持しながらオリフィス・サイズを減少させれば、原料流動体は、加速器上のより小さな直径の目標に衝突し、また加速器の接線方向運動による、より少ないせん断率を受けるであろう。しかしながら、原料流動体はノズル内でより高速で移動しており、ノズル内と加速器の表面上のジェットの衝突時との両方で、より高いせん断率を受けるであろう。
【００１０】
これに対して、もしオリフィス・サイズが増加すると、原料流動体は、ノズル内と加速器の表面のジェット衝突時とでより低いせん断率を受けるであろう。しかしながら、原料流動体が放出される領域の半径はより大きいので、より大きな目標領域は加速器の回転軸からより遠い衝突点における、より高速の接線速度のために、より高いせん断率に原料流動体をさらすであろう。
【００１１】
図１は、本発明による遠心分離機５を示す。遠心分離機５は、半球状ドーム型の供給加速器１０と遠心機ボウル１２とを含んでいる。理解を明瞭にまた容易にするために、図１は遠心機ボウル１２の小部分だけを示す。
【００１２】
供給加速器１０は、回転軸１８の周りに回転可能であり、回転軸１８上に１点２６を持つ内面２４を有する。供給加速器１０は、ねじ機構１３によってボウル１２に取り付けられている。通常の運転時にはボウル１２は、液体のプール、より詳細には固体／液体懸濁液を入れている。ボウル１２は、ボウル１２の回転時の液体の軸方向の波動を減衰させる一般的な周バッフル１４を有する。給水管１６は、取り付け具(図示せず)によって適所に保持される。給水管１６は、回転軸１８に関して中心合わせされることが好ましい。
【００１３】
ノズル２２は、好ましくは半径(ｒ)の円形のオリフィス５０(図１Ａを参照)を介して給水管１６から細いジェット状の原料流動体を点２６のところの表面２４に加える。オリフィス５０は、点２６に関して実質的に中心合わせされて、ギャップ２０だけ表面２４から離れて配置されている。
【００１４】
動作時には、オリフィス５０を介して流れる原料流動体の所定の流量と、供給加速器１０の所定の角速度とのために、オリフィス５０の直径は、原料流動体が放出される表面２４上で好ましくは円形の領域５５(図１Ｂ参照）にわたって平均された加速器１０の接線速度にオリフィス５０内の平均原料流動体速度が等しくなるように選択される。言い換えれば、原料流動体の平均速度ｖは、点２６で中心合わせされた、半径ｒを有する表面２４の領域５５における表面２４の平均接線速度ｖ_ｔにほぼ等しい。こうして領域５５は、オリフィス５０の面積にほぼ等しい。領域５５にわたって平均された表面２４の接線速度は、点２６から０．７０７ｒのところ、すなわち点２６から半径（ｒ）の長さの０．７０７のところに位置する表面２４上の点における接線速度を使用することによって近似できる（図１Ｃ参照）。
【００１５】
ノズル２２は、交換可能、従って給水管１６に着脱可能である。ギャップ２０の寸法は、給水管１６と表面２４との間の相対位置を調整することによって設定される。たとえばノズル２２の給水管１６から突き出た部分が長さ（Ｌ）を持っていると仮定する。ギャップ２０（ｇ）は、（ａ）給水管１６上のノズル２２の代わりに、ほぼｍ＝Ｌ＋ｇの長さ（ｍ）を有する部材、たとえば固体ゲージまたはダミーオリフィスプラグ(図示せず)を代用するステップと、（ｂ）ダミー・プラグが点２６において表面２４に接触するように給水管１６と表面２４との間の相対位置を調整するステップと、（ｃ）ダミーオリフィスプラグの代わりに給水管１６上にノズル２２を設置するステップとによって設定される。オリフィス５０の寸法は、オリフィスが図３に関連して下記に説明するように所望のオリフィス寸法を持つようにノズル２２を選択することによって設定される。
【００１６】
実用上の理由からギャップ２０の寸法を最小にすることが望ましい。例えば、供給加速器１０が下向き配置で（図１に示すように）動作するときの滴下を最小にするために、あるいは供給加速器１０が上向き配置で（図示せず）動作するときの原料流動体の残留液を最小にするために。極度にせん断に敏感な供給原料の場合には、経験的研究のために開始点としてギャップの最小寸法を使用すべきであり、その後せん断敏感性の細胞または粒子の損傷を最小にするように調整すべきである。
【００１７】
供給加速器１０のドームの中心における、すなわち点２６における小さな目標領域に衝突する細いジェット「ｄ」にまで原料流動体の幅を減少させることによって、供給加速器１０の接線速度の結果から生じるせん断率は、ノズル２２からの原料流動体のジェットの衝突の結果から生じるせん断率と同じ程度にまで低減される。せん断を最小にするためには、ボウル１２の回転軸１８に関して給水管１６をできるだけ正確に中心に配置することが好ましい。このために、加速器１０はその表面にエッチングされた中心合せ目標（図示せず）を備えることができる。給水管を適所に保持する取り付け具は、ギャップ２０の幅を設定するための軸方向の調整ばかりでなく中心合わせのためのある程度の横方向の調整も可能としている。
【００１８】
図２は、遠心分離機２００に使用される本発明の他の実施形態を示す。遠心分離機２００は、楕円形ドーム型の供給加速器２０５と遠心機ボウル２１０とを含んでいる。図２は、遠心機ボウル２１０の一小部分だけを示す。
【００１９】
供給加速器２０５は、回転軸２１５の周りに回転可能であり、回転軸２１５上に１点２２５を持つ内面２２０を有する。供給加速器２０５は、ねじ機構２３０によってボウル２１０に取り付けられている。ボウル２１０は、同軸バッフル２３５を有する。給水管２４０は、回転軸２１５に関して中心合わせされることが好ましい。
【００２０】
給水管２４０は、オリフィス２５０（図２Ａ参照）を介して給水管２４０から細いジェット状の原料流動体を点２２５のところで表面２２０に与えるノズル２４５を含んでいる。オリフィスは、点２２５に関して実質的に中心合わせされて、ギャップ２２５だけ表面２２０から離れて配置されている。
【００２１】
給水管２４０は、図１に示す給水管１６の衛生特性よりも優れた衛生特性を有する。これは、ノズル２４５が給水管２４０の一体化された一部をなしているからである。給水管２４０は、ギャップ２５５が所望の幅に設定できるように、交換可能でありかつ種々の異なる長さで利用可能である。図１の構成では、ギャップ２０はダミーオリフィスプラグの使用によって調整される。ギャップ２２５を設定する方法は、（ａ）ギャップ２２５の所望の幅にほぼ等しい幅を有するゲージをノズル２４５と表面２２０との間に挿入するステップと、（ｂ）給水管２４０のその取り付け具(図示せず)内の位置を調整するといったノズル２４５と表面２２０との間の相対位置を調整するステップとを含んでいる。ギャップ２５５を設定するためのゲージは、給水管２４０が最初に遠心分離機２００に挿入されるときにオリフィス２５０内にマッシュルーム型の暫定プラグ（図示せず）を設置することによって達成できる。それからその取り付け具に給水管２４０を固定した後に、暫定プラグは給水管２４０から取り除かれる。給水管２４０とその取り付け具（図示せず）とが再挿入される際、前に設定されたギャップは保持されている。
【００２２】
図３は、本発明による供給流量とボウル速度との種々の組合せに関してオリフィス直径を決定するためのグラフである。ボウル速度と供給流量との所定値に関してオリフィス直径とギャップ寸法とを決定するための手法を示す一例を以下に説明する。
【００２３】
直径６インチの遠心機ボウルでの使用を意図した給水管が内径２．０〜１０ｍｍの交換可能なノズル／オリフィスのセットを装備していると仮定する。所定の一式の動作条件に関する速度に最も密接に整合する設定値を選択するために、オリフィスを通る平均流体速度と加速器の「目標」領域内の領域平均接線速度とが方程式：δ＝１．４１４｛（４Ｑ／π^２ω）^１／３｝、（ここで、Ｑ＝ｍｌ／ｍｉｎ単位での流量、ｄ＝ｃｍ単位のノズルオリフィス直径、およびω＝ｒｐｍ（毎分回転数）単位での角速度）に従って整合する供給流量とボウル速度との組合せにオリフィス直径が関係づけられている図３のグラフを参照する。好ましくはオリフィス直径ｄはδに等しく設定されるが、 δ／４≦ｄ≦２δ の範囲にわたって良好な結果が得られ、また、 ０＜ｄ≦４δ の範囲にわたって満足な結果が見出された。
【００２４】
図３のｘ軸上で所望のボウル速度を求め、それからパラメータが最も密接に供給流量に整合する曲線を選択する。例えば、５０００ｒｐｍのボウル速度と１０００ｍＬ／分の流量とに関しては、ｘ軸上で５０００ｒｐｍを求め、それから５０００ｒｐｍに対応するポイント３１０で１０００ｍＬ／分曲線と交わる垂直線３０５を引く。それからポイント３１０よりｙ軸に水平線３１５を引く。この水平線とｙ軸との交差は、使用すべきノズル直径を示している。この例では指示された直径は６．０ｍｍと６．５ｍｍとの間にある。ノズルが１．０ｍｍ増分で備えられているとすれば、６．０ｍｍのノズルが選択されるであろう。
【００２５】
前述のように、ギャップを設定するための手順は、オリフィス・プラグの一つに代用されるときに給水管の正確な深さ設定を可能にする固体ゲージ装置によって容易にできる。それからオリフィス・プラグのいずれかが設置されると、オリフィス・プラグの端部とボウル・ハブの表面との間に生成されるギャップは、たとえばｇ＝ｄ／４（ただし「ｇ」はギャップ高さ、「ｄ」はオリフィスの内径）の関係を与えるゲージによって制御できる。オリフィスの内径とギャップ高さとの間の関係が維持されているときは、オリフィス内の平均原料流動体速度は、オリフィスに直接隣接する環状スペース内の平均速度に整合する。
【００２６】
ギャップ高さｄ／４は、ギャップ高さの好適な最小値であるが、 δ／４≦ｇ≦４ｄ の範囲にわたって良好な結果が得られ、また、 ０＜ｇ≦１０ｄ の範囲にわたって満足な結果が得られた。
【００２７】
ボウル速度と流量とのいかなる組合せに関しても正しいオリフィス直径を選択することによって、オリフィスを通る平均原料流動体速度は、原料流動体が供給加速器に衝突する点におけるボウルの表面速度に密接に整合できる。原料流動体の速度プロファイルは両周方向成分、すなわち接線方向成分と縦方向成分とを有するので、上記の手順は、試行錯誤実験によって決定される最終的な動作条件とギャップ設定とを有する開始点として役立ち得る。用意されたオリフィス直径の範囲は、直径６インチのボウルを備えた遠心分離機の正常動作範囲にわたって良好な整合をもたらすように選択された。
【００２８】
供給加速器の回転軸に中心合わせされた細いジェット状の供給原料を加えることによって、液相内のせん断応力は最小にされる。このようにして、哺乳動物細胞といった最もせん断に敏感な細胞でもせん断力からの重大な損傷を受けずに処理することができる。これは、例えばバイオテクノロジー産業におけるアプリケーションといった増大しつつあるアプリケーションが哺乳動物細胞の培養に基づいているという理由で、重要な利点である。
【００２９】
当業者によって種々の代替例と修正例とが案出可能であることは理解すべきである。本発明は、付属の請求項の範囲に入るような代替、修正、変形のすべてを包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による遠心分離機の供給アプリケータと加速器の断面図。
【図１Ａ】 図１の遠心分離機に使用されるノズルの詳細図。
【図１Ｂ】 原料流動体が放出される、図１の遠心分離機の一部の詳細図。
【図１Ｃ】 平均接線速度に近づけるための、図１の遠心分離機の一部の詳細図。
【図２Ａ】 本発明による遠心分離機の供給アプリケータの第２の実施形態の断面図。
【図２Ｂ】 図２の遠心分離機に使用されるノズルの拡大図。
【図３】 本発明による供給流量とボウル速度との種々の組合せに関してオリフィス直径を決定するためのグラフ。

Claims (9)

1. 軸の周りに角速度（ω）で回転可能で且つ該軸上に１点を持った内面を有する加速器と、オリフィスを介して前記加速器内に体積流量（Ｑ）で原料流動体を導入するためのノズルと、を含む固体／液体分離用遠心分離機であって、
   前記オリフィスは実質的に前記１点に中心合わせされており、また前記オリフィスは ０＜ｄ≦４δ （ただし、δ＝１．４１４｛（４Ｑ／π^２ω）^１／３｝）の範囲内の内径（ｄ）を有することを特徴とする遠心分離機。
2. 前記内径（ｄ）は、 δ／４≦ｄ≦２δ の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離機。
3. 前記ノズルは、前記内面から ０＜ｇ≦１０ｄ の範囲内のギャップ（ｇ）だけ離れて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心分離機。
4. 前記ギャップ（ｇ）は、 ｄ／４≦ｇ≦４ｄ の範囲内にあることを特徴とする請求項３に記載の遠心分離機。
5. 前記ノズルが取り付けられる給水管をさらに含み、前記ノズルは前記給水管から取り外し可能あり、そして、前記ノズルが長さ（Ｌ）を有するとともに前記ギャップ（ｇ）は、
   （ａ）前記給水管上の前期ノズルの代わりに ｍ＝Ｌ＋ｇ の長さ（ｍ）を有する部材を代用するステップと、
   （ｂ）前記給水管と前記加速器の前記内面との間の相対位置を調整するステップと、
   （ｃ）前記部材の代わりに前記給水管上に前記ノズルを設置するステップと、によって設定されることとを特徴とする請求項３に記載の遠心分離機。
6. 前記ギャップ（ｇ）は、
   （ａ）前記ギャップ（ｇ）にほぼ等しい幅を有するゲージを前記ノズルと前記加速器の前記内面との間に挿入するステップと、
   （ｂ）前記給水管と前記加速器の前記内面との間の相対位置を調整するステップと、によって設定されることとを特徴とする請求項３に記載の遠心分離機。
7. 前記内面は、ほぼ半球形状を有することを特徴とする請求項１に記載の遠心分離機。
8. 前記内面は、ほぼ楕円体形状を有することを特徴とする請求項１に記載の遠心分離機。
9. 軸の周りに角速度（ω）で回転可能で且つ該軸上に１点を持った内面を有する加速器と、オリフィスを介して前記加速器内に平均速度（ｖ）で原料流動体を導入するためのノズルと、を含む固体／液体分離用の遠心分離機であって、
   前記オリフィスは内半径（ｒ）を有し、実質的に前記１点に中心合わせされており、前記原料流動体の前記平均速度（ｖ）は前記１点に中心合わせされていて前記半径（ｒ）を有する、前記内面の円形領域における前記内面の平均接線速度（ｖ_ｔ）にほぼ等しいことを特徴とする固体／液体分離用遠心分離機。

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