KR20170063882A - 비-유동성 유체 내의 입자의 음향 영동 정화 - Google Patents

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바트 립켄스
제프 킹
다비드 소콜로우스키
앤서니 비. 마시
브라이언 티. 케네디
브라이언 매카시
벤자민 로스-존스러드
제이슨 디온
데인 밀리
제이슨 반스
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프로디자인 소닉스, 인크.
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Abstract

비-유동성 호스트 유체로부터 입자들을 분리하는 음향 영동 디바이스들이 개시된다. 상기 디바이스들은 실질적으로 음향적인 투명 컨테이너 및 분리 유닛을 포함하고, 이때 상기 컨테이너는 상기 분리 유닛 내에 위치된다. 상기 분리 유닛 내의 초음파 변환기는 상기 컨테이너 내에서 평면 또는 다-차원 음향 정재파를 생성하여, 비-유동성 유체 내에 배치된 입자들을 포집하고 이들을 합쳐지게 하거나 뭉쳐지게 하여, 그 이후에 부력 또는 중력으로 분리시킨다.

Description

비-유동성 유체 내의 입자의 음향 영동 정화{ACOUSTOPHORETIC CLARIFICATION OF PARTICLE-LADEN NON-FLOWING FLUIDS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 9월 30일 자로 출원된 미국 가출원 제62/057,514호의 우선권 주장 출원이고, 상기 가출원은 전반적으로 참조로 본 명세서에 병합된다.
음향 영동 (acoustophoresis)은, 멤브레인들 또는 물리적 크기 배제 필터들의 사용 없이, 고강도 음향 정재파들 (high intensity acoustic standing waves)을 사용하여 1 차 또는 호스트 유체로부터 입자들 및 제 2 유체들을 분리하는 것이다. 밀도 및/또는 압축률 둘 다에서 차이가 있을 시에 사운드의 고 강도 정재파들이 유체 내의 입자들에 힘을 가할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 그렇지 않으면 음향 대조 계수 (acoustic contrast factor)로 알려져 있다. 정재파의 압력 프로파일은 그의 노드들에서의 국부적인 최소 압력 진폭들의 영역들 및 그의 반대-노드들 (anti-nodes)에서의 국부적인 최대치들을 포함한다. 입자들의 밀도와 압축률에 따라 이들은 정재파의 노드들 또는 반대-노드들에 포집될 (trapped) 것이다. 정재파의 주파수가 높을수록, 정재파의 압력으로 인해 포집될 수 있는 입자들은 작아진다. 음향 영동 공정은 전형적으로 이동하는 유체 스트림 상에서 수행된다.
입자들 또는 액적들이 함유된 유체를 정화하거나, 호스트 유체로부터 2 차 상을 분리할 필요가 있는 많은 응용 분야가 있다. 소정의 상황에서, 특히 2 차 상의 농도가 클 시에, 예컨대 1 볼륨 % 농도를 초과하거나, 예컨대 10 %를 초과할 시에, 뱃치 (batch) 또는 반 (semi)-뱃치 모드로 이러한 공정을 수행하는 것이 유리할 수 있다. 응용 분야들은 침강 탱크들, 식품 및 음료 산업들에서의 효모 분리 공정들, 생물 약학 분야에서의 포유동물 세포 정화, 및 혈장으로부터의 적혈구 및 백혈구에 있다.
본 개시 내용은 다양한 실시예들에서, 호스트 유체 및 입자들/2 차 유체의 혼합물을 함유하는 별개 볼륨 (discrete volume)의 유체로부터 배치 모드에서 입자들 또는 2 차 유체들을 분리하기 위해 정재파에서의 초음파 에너지의 사용에 관한 것이다. 별개 볼륨의 유체는 비-유동적이고, 즉, 유체는 제 2 볼륨의 유체에 의해 펌핑, 유동 또는 변위되지 않는다. 별개 볼륨의 유체의 정화 (clarification)는 음향 영동 디바이스를 사용하여 달성된다. 그 결과, 별개 볼륨의 유체는 입자들의 농도가 증가된 일 부분 및 입자들의 농도가 감소된 일 부분인 두 부분들로 분리된다. 음향 영동 분리 공정은 음향 필드 내에서 안정된 포집 위치들에서 입자들 및 액적들을 포집한다. 강한 3 차원 음향 필드는 이들 위치들에서 단단하게 팩킹된 무리들 (clusters)을 추가로 생성하고, 그 결과 중력/부력이 지배적이 되어, 입자들의 무리들 또는 덩어리들 (clumps)이 호스트 액체보다 무거울 시에 이들을 연속적인 침강 (continuous settling)를 초래하거나 또는 입자들 또는 액적들이 호스트 유체보다 가벼워질 시에 부유액에서 벗어나는 것을 초래한다.
다양한 실시예들에서, 음향 영동 디바이스는 상단 말단부 및 하단 말부를 가진, 실질적으로 음향적인 투명 컨테이너; 및 하나 이상의 벽들에 의해 정의된 분리 유닛을 포함한다. 상기 분리 유닛은 상기 컨테이너를 통해 상기 분리 유닛에서 음향 정재파를 생성하기 위해 전압 신호에 의해 구동되는 압전 재료를 가진 적어도 하나의 초음파 변환기 (ultrasonic transducer)를 포함하며, 그리고 상기 분리 유닛은 상기 컨테이너로부터 분리될 수 있다.
일반적으로, 상기 컨테이너는 볼륨의 유체를 보유한다. 컨테이너는 일반적으로 음향 정재파의 주파수에 기초하여 적절한 두께를 가진, 플라스틱, 유리, 폴리카보네이트, 저-밀도 폴리에틸렌 및 고-밀도 폴리에틸렌과 같은 실질적으로 음향적인 투명 재료로 형성된다. 컨테이너는 플라스틱 병 또는 플라스틱 백 (bag)일 수 있다.
소정의 실시예들에서, 상기 분리 유닛은 2 개의 초음파 변환기들을 포함한다. 2 개의 초음파 변환기들의 사용이 필요할 시에, 2 개의 초음파 변환기들은 분리 유닛에서 정재파를 전파하는데 단일 반사기 (reflector)만이 필요하도록 분리 유닛의 공통 벽 상에 위치될 수 있다. 대안적으로, 2 개의 초음파 변환기들은 서로 대향하도록 위치될 수 있고, 이로 인해 서로 교차하는 파동들을 생성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 분리 유닛의 벽은 컨테이너의 하단 말단부에서 발생하는 분리를 보기 위한 관찰 창 (viewing window)을 포함한다. 관찰 창은 추가로 분리 유닛에서 컨테이너의 원하는 설치를 가능하게 할 수 있다.
또한, 전술한 컨테이너 및 분리 유닛을 사용하여 입자들을 함유하는 별개 볼륨의 유체 매체를 정화하는 방법이 본 명세서에 개시된다. 상기 방법은 일반적으로 상기 별개 볼륨의 유체 매체를, 상단 말단부 및 하단 말단부를 가진 컨테이너에 도입하는 단계; 상기 컨테이너를 적어도 하나의 벽에 의해 정의된 분리 유닛 내로 위치시키는 단계 - 상기 분리 유닛은 적어도 하나의 초음파 변환기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 초음파 변환기는 상기 적어도 하나의 초음파 변환기에 대향하여 위치된 반사기의 입사 파들을 반사시킴으로써, 상기 분리 유닛에서 음향 정재파를 생성할 수 있는 압전 재료를 가짐; 및 상기 분리 유닛에서 음향 정재파를 생성하여 상기 별개 볼륨의 유체 매체로부터 입자들을 분리하기 위해, 상기 적어도 하나의 초음파 변환기를 구동하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 음향 정재파를 생성하기 위해 초음파 변환기를 구동하는 단계는 노드 라인들 (nodal lines), 및 이들 노드 라인들에서 별개 볼륨의 유체 매체의 입자들을 포집하는 측 방향 힘들을 생성한다. 이들 노드 라인들에서의 입자들은 무리화, 덩어리화, 뭉침화 (agglomerate), 또는 합체화 (coalesce)되어 중력으로 인해 컨테이너의 하단 말단부로 가라앉거나, 또는 부력으로 인해 컨테이너의 상단 말단부로 올라간다. 무리들의 가라앉음 또는 상승은 또한 별개 볼륨 그 자체 내에서 중력-구동 유동 (gravity-driven flow)이 생성되어, 상들 (phases)의 분리를 더 향상시킨다. 일부 실시예들에서, 유체는, 음향 정재파가 분리 유닛에서의 유체 및 컨테이너에서의 별개 볼륨의 유체 매체를 통과하도록, 컨테이너와 분리 유닛 사이에 있게 된다 (interstitial).
소정의 실시예들에서, 상기 컨테이너는 외부 표면, 및 상기 외부 표면에 의해 경계가 정해진 (bounded) 내부 볼륨을 포함하는 일회용 분리 백일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 초음파 변환기는 음향 정재파가 백의 내부 볼륨에 생성될 수 있도록, 분리 백의 외부 표면의 안쪽으로 적어도 부분적으로 배치된다. 이는, 백에서의 유체 내에 부유된 고형물들이 덩어리화, 무리화, 또는 뭉침화되어 용액으로부터 침강될 수 있고, 액적들이 유체 무리, 덩어리, 뭉침, 또는 합침에서 유화되어 부력이 뭉쳐지거나 합쳐진 액적들을 부유액으로 올라가게 가하는 일회용 시스템을 허용한다. 음향 정재파 필드는 이로써 백에서의 유체의 정화를 생성한다. 즉, 이러한 배치에서, 유체 내의 세포들, 세포 잔해들 또는 다른 고형물들은 음향 정재파(들)에 포획되고, 큰 그룹들로 덩어리화되고, 중력으로 인해 분리 백 내로 떨어진다.
이들 및 다른 비-제한적인 특성들은 하기에보다 구체적으로 기술된다.
다음은 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예들을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하기 위한 목적이 아닌 도면의 간략한 설명이다.
도 1은 본 개시 내용의 음향 영동 디바이스의 일 예시적인 실시예의 사시도이다. 일회용 컨테이너 (예컨대, 플라스틱 백)는 하나 이상의 초음파 변환기들을 포함하는 재사용 가능한 분리 유닛과 함께 작동한다.
도 2는 컨테이너에 대해 분리 유닛을 이동하기 위한 지지 구조체를 포함하는, 본 개시 내용의 음향 영동 디바이스의 또 다른 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 3은 지지 구조체를 갖는 본 개시 내용의 또 다른 예시적인 음향 영동 디바이스의 사시도이다. 여기서, 분리 유닛은 그의 벽들 내에서 지지 구조체를 포함하고, 지지 구조체는 축을 따라 초음파 변환기/반사기 쌍만을 병진 운동시키는 반면, 분리 유닛의 벽들은 컨테이너에 대해 정적 위치에 있게 된다.
도 4는 종래 초음파 변환기의 단면도이다.
도 5는 본 개시 내용의 초음파 변환기의 단면도이다. 공극은 상기 변환기에 존재하며, 후면 층 (backing layer) 또는 웨어 플레이트 (wear plate)에는 없다.
도 6은 본 개시 내용의 초음파 변환기의 단면도이다. 공극은 상기 변환기에 존재하며, 후면 층 및 웨어 플레이트에도 존재한다.
도 7은 음향 방사력 (acoustic radiation force), 중력/부력, 스토케스 (Stokes)의 항력(drag force)과 입자 크기의 관계를 도시하는 그래프이다. 수평축은 미크론 (μm) 단위이고 수직축은 뉴턴 (N) 단위이다.
도 8은 상이한 주파수들에서 구동되는 정사각형 변환기에 대한 주파수 대 전기 임피던스 진폭의 그래프이다.
도 9a는 유체 유동에 수직인 방향으로부터 도 8의 피크 진폭들 중 7 개에 대한 포집 라인 구성들을 도시한다.
도 9b는 분리기를 도시하는 사시도이다. 포집 라인들이 도시된다.
도 9c는 도 9b의 변환기에 수직인, 분리기의 측면으로부터의 도면으로서, 입자들이 캡쳐되는 정재파의 포집 노드들을 도시한다.
도 9d는 도 9b에 도시된 바와 같이 화살표 (116)를 따라 포집 라인 구성들을 도시한, 변환기의 면을 관통한 도면이다.
도 10은 BNC 케이블에 의해 전달된 전압 신호에 의해 구동되는 초음파 변환기를 가진 분리 유닛 내에 부분적으로 배치된 플라스틱 백 (즉, 컨테이너)을 도시한, 본 개시 내용의 음향 영동 디바이스의 도면이다.
도 11은 본 개시 내용의 또 다른 예시적인 음향 영동 디바이스의 개략도이다. 일회용 가요성 플라스틱 백은 내장형 초음파 변환기를 포함한다.
도 12는 도 11의 백의 단면도로서, 백 내에 내장된 변환기를 도시한다.
본 개시 내용은 원하는 실시예들 및 그에 포함된 예시들에 대한 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 쉽게 이해될 수 있다. 다음의 명세서 및 하기의 청구 범위에서, 다음의 의미를 가지는 것으로 정의되는 다수의 용어가 참조될 것이다.
명료성을 위해 하기의 설명에서 특정 용어들이 사용되지만, 이들 용어들은 도면들의 예시를 위해 선택된 실시예들의 특정 구조만을 언급하고자 하는 것이며, 그리고 본원의 권리 범위를 정의하거나 제한하려는 것은 아니다. 이하의 도면 및 이하의 설명에서, 동일한 번호는 유사한 기능의 구성요소들을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 도면은 일정한 비율로 도시되어 있지 않다는 것을 이해해야 한다.
단수 형태 ("a", "an" 및 "the")는 문맥이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수 대상을 포함한다.
용어 "포함하는 (comprising)"은 명명된 구성요소들/단계들의 존재를 요구하고 다른 구성요소들/단계들의 존재를 허용하는 것으로 본 명세서에서 사용된다. 용어 "포함하는"은, 단지 명명된 구성요소들/단계들, 및 불가피한 불순물들의 존재를 허용하고 다른 구성요소들/단계들을 배제하는 "구성되는 (consisting of)" 및 "본질적으로 구성되는 (consisting essentially of)" 이라는 용어를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 사용된 모든 수치들은 동일한 유효 숫자의 수로 감소될 시에 동일한 값들, 및 그 값을 측정하는 종래의 기술들의 실험 오차 미만만큼 상이한 값을 포함한다.
본 명세서에 개시된 모든 범위들은 인용된 종점을 포함하고 독립적으로 조합할 수 있다 (예를 들어, "2 그램 내지 10 그램"의 범위는 종점, 2 그램 및 10 그램, 및 모든 중간 값을 포함함).
"실질적으로" 및 "약" 이라는 용어들은 그 값의 기본 기능을 변경하지 않고 다양할 수 있는 임의의 수치를 포함하는데 사용될 수 있다. 범위와 함께 사용될 시에, 2 개의 종점들의 절대값들로 정의된 범위도 개시한다. 예컨대 "약 2 내지 약 4"는 또한 범위 "2 내지 4"의 범위를 개시한다. "약"이라는 용어는 표시된 수의 플러스 또는 마이러스 10 %를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 많은 용어들이 상대적인 용어라는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 용어 "상부" 및 "하부"는 위치에서 서로에 대해 상대적이며, 즉, 상부 구성요소는 주어진 배향에서 하부 구성요소보다 높은 높이에 위치하지만, 디바이스가 뒤집힌 경우에 이들 용어들은 변경될 수 있다. "유입구" 및 "유출구"라는 용어는 주어진 구조체와 관련하여 이들을 통과하여 유동하는 유체에 관한 것이고, 즉, 유체는 유입구를 통해 구조체로 유동하고 유출구를 통해 밖으로 유동한다. 용어 "상류" 및 "하류"는 유체가 다양한 구성요소들을 통해 유체가 유동하는 방향에, 즉 하류 구성요소를 통해 유동하기 전에 상류 구성요소를 통과하는 유동 유체에 관련된다. 루프에서, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소의 상류 및 하류 둘 다로 기술될 수 있음을 유의하여야 한다.
용어 "수평" 및 "수직"은 절대 기준, 즉 지면 레벨에 대한 방향을 나타내기 위해 사용된다. 그러나, 이들 용어들은 구조체들이 절대적으로 평행하거나 절대적으로 서로 수직이 되도록 요구하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 예를 들어, 제 1 수직 구조체 및 제 2 수직 구조체는 반드시 서로 평행할 필요는 없다. 용어 "상부" 및 "하부"는 상부가 절대 기준, 즉 지구 표면에 대해 하부보다 항상 높은 표면들 또는 말단부를 지칭하는데 사용된다. "상부 방향 "하부 방향"이라는 용어는 또한 절대 기준에 관한 것이다; 상부 방향은 항상 지구의 중력에 대항한다.
용어 "평행"은 그러한 표면들이 무한대로 연장될 시에 결코 교차하지 않을 엄밀한 수학적 의미가 아니라 일반적으로 그들 사이에 일정한 거리를 유지하는 2 개의 표면들의 상태 의미로 해석되어야 한다.
본 출원은 "동일한 크기 차수 (order of magnitude)"를 언급한다. 보다 큰 수를 보다 작은 수로 나눈 몫이 10보다 작은 값인 경우, 두 개의 수가 동일한 크기 차수로 나타난다.
본 개시 내용의 음향 영동 분리 기술은 입자들/2 차 유체를 함유하는 볼륨의 유체에 상기 입자들 또는 2 차 유체를 포집하기 위해, 초음파 음향 정재파들을 사용한다. 입자들 또는 2 차 유체는 호스트 유체에 대한 입자 또는 2 차 유체의 음향 대조 계수에 따라 음향 정재파의 노드들 또는 반대-노드들에 수집되어, (예컨대 합쳐짐 또는 뭉쳐짐에 의해) 무리들이 음향 정재파의 유지력을 극복하기에 충분히 큰 크기로 성장하고 입자/2 차 유체 밀도가 호스트 유체보다 클 시에 음향 정재파로부터 연속적으로 떨어지거나, 또는 입자/2 차 유체 밀도가 호스트 유체보다 작을 시에 음향 정재파로부터 올라가는 무리들/덩어리들/뭉치들/합쳐진 액적들을 형성한다. 음향 방사력은 입자가 파장에 비해 작을 시에 입자 볼륨 (예컨대, 반경의 큐브)에 비례한다. 이는 주파수 및 음향 대조 계수에 비례한다. 이는 또한, 음향 에너지 (예컨대, 음압 진폭의 제곱)에 따라 스케일링된다. 고조파 여기 (harmonic excitation)에 대해, 힘의 정현파 공간 변화는 정재파들 내에서 입자들을 안정된 축 방향 위치들로 유도한다. 입자들에 가해진 음향 방사력이 유체 항력 및 부력 및 중력의 결합된 효과보다 강할 시에, 입자는 음향 정재파 필드 내에서 포집된다. 이는 포집된 입자들의 농도, 뭉쳐짐 및/또는 합쳐짐을 초래한다. 강한 측 방향 힘들은 입자들의 빠른 무리를 생성한다. 이로써, 미크론 크기의 입자들은, 예컨대 박테리아, 포유류 세포들, 미세 조류, 금속 입자들, 효모, 균류, 지질, 유적, 적혈구, 백혈구, 혈소판 등은 향상된 중력 분리를 통해 호스트 유체로부터 분리될 수 있다. 여러 가지 상이한 입자 크기들을 갖는 부유액의 경우, 시스템 파라미터들을 조정하여 크기가 큰 입자들의 그룹을 침강시키는 반면, 크기가 작은 입자들의 그룹은 부유액에서 유지될 수 있는 것이 가능하다. 이들 2 개의 층들은 그 후에 별도로 수확될 수 있다. 그 후에, 반복된 공정은 크기에 따라 크기가 상이한 입자들의 그룹을 분별하는데 사용될 수 있다.
음향 영동 디바이스에 대한 하나의 특정 응용은 생물 반응기 재료들의 공정에 있다. 비교적 큰 세포들 및 세포 잔해를 호스트 유체에 있는 발현된 재료들 (expressed materials)로부터 분리할 수 있는 것이 중요하다. 발현된 재료들은 재결합 단백질들 또는 단일 클론 항체들과 같은 생체 분자들로 구성되며, 회복될 원하는 생성물이다. 음향 영동의 사용을 통해, 세포 및 세포 잔해의 분리는 매우 효율적이며, 발현된 재료들의 손실을 거의 일으키지 않는다. 이는, 큰 세포 밀도에서 제한된 효율을 보이는 현재의 여과 공정들 (심층 여과, 접선 유동 여과 등)에 비해 개선된 것이므로, 필터 베드들 (filter beds) 그 자체에서 발현된 재료들의 손실은 생물 반응기에 의해 생성된 재료들의 최대 5 % 까지 증가될 수 있다. 중국 햄스터 난소 (Chinese hamster ovary, CHO), NS0 하이브리도마 세포들 (hybridoma cells), 아기 햄스터 신장 (baby hamster kidney, BHK) 세포들, 곤충 세포들 및 인간 세포들 (예컨대, T-세포들, B-세포들, 줄기 세포들, 적혈구들), 및 및 살아있는/생물학적 세포들을 포함한 포유류 세포 배양물들의 사용은 일반적으로 오늘날의 의약품들에 요구되는 재결합 단백질들 및 단일 클론 항체들을 생산/발현하는 매우 효과적인 방안인 것으로 입증되었다. 음향 영동을 통한 포유류 세포들 및 포유류 세포 잔해의 여과는 생물 반응기의 수율을 크게 증가시키는데 도움을 줄 수 있다. 필요에 따라, 음향 영동 공정은 또한 심층 여과, 접선 유동 여과 (TFF) 또는 다른 물리적 여과 공정들과 같은 표준 여과 공정 상류 또는 하류와 결합될 수 있다.
이에 대하여, 음향 대조 계수는 유체 압축률에 대한 입자 및 유체 밀도에 대한 입자의 비율의 함수이다. 대부분의 세포 유형들은 부유된 매체보다 높은 밀도 및 낮은 압축률을 제시하므로, 세포들과 매체 간의 음향 대조 계수는 양수 값을 가진다. 그 결과, 축 방향 음향 방사력 (axial acoustic radiation force, ARF)은 양의 대조 계수로 세포들을 압력 노드 평면들로 유도하는 반면, 세포들 또는 다른 입자들은 음의 대조 계수로 압력 반대-노드 평면들로 유도된다. ARF의 반경 방향 또는 측 방향 성분은 유체 항력 및 중력의 결합 효과보다 크다. 반경 방향 또는 측 방향 성분은 세포들/입자들을 이들 평면들 내의 특정 위치들 (지점들)로 유도하며, 이 경우에, 이들은 큰 그룹들로 무리화, 덩어리화, 뭉침화, 또는 합쳐짐으로 되고, 그 후에 유체로부터 연속적으로 중력 분리될 것이다.
바람직하게는, 초음파 변환기(들)는, 정재파의 입자 포집 및 덩어리화 능력을 증가시키기 위해, 부유 입자들에 측 방향 힘을 가하여 축 방향 힘을 수반하는 유체에서 3-차원 또는 다-차원의 음향 정재파를 발생시킨다. 문헌에 발표된 일반적인 결과들에 따르면 측 방향 힘은 축 방향 힘보다 2 배 크기 차수를 가진다. 이와 달리, 본 출원에 개시된 기술은 축 방향 힘과 동일한 크기 차수가 될 수 있는 측 방향 힘을 제공한다 (즉, 다-차원 음향 정재파). 그러나, 본원에서 추가로 기술된 소정의 실시예들에서, 다-차원 음향 정재파들 및 평면 정재파들 둘 다를 생성하는 변환기들의 조합들이 고려된다. 본 개시 내용의 목적을 위해, 측 방향 힘이 축 방향 힘과 동일한 크기 차수가 아닌 정재파는 "평면 음향 정재파"로 간주된다.
3-차원 음향 필드들에 대해, Gor'kov의 공식은 임의의 사운드 필드에 적용 가능한 음향 방사력 (Fac)을 계산하는데 사용될 수 있다. 1 차 음향 방사력 (Fac)은 필드 전위 (U)의 함수로서 정의되며,
Figure pct00001
여기서 필드 전위 (U)는 다음과 같이 정의되고
Figure pct00002
그리고 f1 및 f2는 다음과 같이 정의된 모노폴과 다이폴 기여물들이며,
Figure pct00003
여기서 ρ는 음향 압력, u는 유체 입자 속도, Λ는 세포 밀도 ρp 대 유체 밀도 ρf의 비율, σ는 세포 사운드 속도 cp 대 유체 사운드 속도 cf의 비율, Vo는 세포 볼륨이며, 그리고 < >는 파동의 기간에 걸친 평균 시간을 나타낸다. Gor'kov의 공식은 파장보다 작은 입자들에 적용된다. 큰 입자 크기의 경우, Ilinskii는 임의의 입자 크기에 대한 3D 음향 방사력들을 계산하는 방정식을 제공한다. 본 명세서에 참조로 병합된 Ilinskii, Acoustic Radiation Force on a Sphere in Tissue, The Journal of the Acoustical Society of America, 132, 3, 1954 (2012)을 참조한다.
초음파 변환기에서 다중 모드 방식으로 압전 요소를 섭동시킴으로써 다차원의 음향 정재파가 생성되는 것을 허용한다. 압전 요소는 설계된 주파수에서 다중 모드 방식으로 변형되도록 특별히 설계되어, 다-차원 음향 정재파를 생성하는 것을 허용할 수 있다. 다-차원 음향 정재파는 다차원 음향 정재파들을 발생시키는 3x3 모드와 같은 압전 요소의 별개의 모드들에 의해 발생될 수 있다. 다수의 다차원 음향 정재파들은 또한 압전 요소가 상이한 많은 모드 형상들을 통해 진동하도록 함으로써 발생될 수 있다. 이로써, 압전 요소는 0x0 모드 (즉, 피스톤 모드)와 같은 다중 모드들을 1x1, 2x2, 1x3, 3x1, 3x3 및 다른 고차 모드들로 여기시키고, 그 후에 압전 요소의 하위 모드들을 통해 다시 순환시킬 수 있거나 (반드시 직선 순서가 아님), 또는 여기가 여러 모드들의 가중치 조합일 수 있다. 모드들 사이의 압전 요소의 이러한 스위칭 또는 디더링 (dithering)은 지정된 시간에 걸쳐 생성될 단일 피스톤 모드 형상과 함께, 다양한 다차원 파형들을 허용한다.
임의의 위상으로 다수의 초음파 변환기들을 구동하는 것 역시 가능하다. 다시 말하면, 다수의 변환기들은 유체 스트림 내의 재료들을 분리하도록 작동할 수 있으면서, 서로 다른 위상을 가질 수 있다. 대안적으로, 정리된 어레이로 분할된 단일 초음파 변환기는 또한 어레이의 일부 구성요소들이 어레이의 다른 구성요소들과 위상이 맞지 않도록 동작될 수 있다.
정재파의 주파수 또는 전압 진폭을 변조하는 것이 때때로 음향 스트리밍으로 인해 필요할 수 있다. 이는 진폭 변조 및/또는 주파수 변조에 의해 수행 될 수 있다. 정재파의 전파의 듀티 사이클은 또한 재료들의 포집에 대한 소정의 결과들을 달성하기 위해 활용될 수 있다. 다시 말하면, 음향 빔은 원하는 결과들을 달성하기 위해 상이한 주파수들에서 턴 온 또는 셧 오프될 수 있다.
본 개시 내용의 초음파 변환기들에 의해 생성된 전체 음향 방사력 (ARF)의 측 방향 힘은 중요하고 최대 1cm/s 및 그 초과의 고 선형 속도로 유체 항력을 극복하기에 충분하다. 예를 들어, 본 개시 내용의 디바이스들을 통한 선형 속도는 세포들/입자들의 분리에 대해 최소 4 cm/min일 수 있으며, 그리고 오일/물 상 분리에 대해 1 cm/sec 만큼 높을 수 있다. 이는, 이하에서 더 기술되는 바와 같이, 초음파 변환기가 분리를 향상시키기 위해 서 있는 볼륨의 유체에 대해 이동될 시에 관련될 수 있다.
원한다면, 다수의 초음파 변환기들로부터의 다수의 정재파들이 또한 사용될 수 있으며, 이는 다수의 분리 스테이지들을 허용한다. 예를 들어, 입자들 및 유체의 혼합물에서, 제 1 변환기 (및 그의 정재파)는 소정의 양의 입자들을 수집할 것이며, 그리고 제 2 변환기 (및 그의 정재파)는 제 1 변환기가 유지될 수 없는 추가 입자들을 수집할 것이다. 이러한 구성은 입자/유체 비율이 높고 (즉, 큰 볼륨의 입자들), 제 1 변환기의 분리 용량에 도달하는 경우에 유용할 수 있다. 이러한 구성은 또한 2 모드 (bimodal) 또는 보다 큰 크기 분포를 가진 입자들에 유용할 수 있으며, 각각의 변환기는 소정의 크기 범위 내의 입자들을 캡쳐하도록 최적화될 수 있다.
도 1은 별개 볼륨의 유체 매체와 함께 사용될 본 개시 내용의 음향 영동 디바이스 (100)의 제 1 예시적인 실시예를 도시한다. 이러한 유체는 유체를 이동시키는 펌프가 없다는 점에서 유동적이지 않은 것으로 간주될 수 있으며, 그리고 이러한 별개 볼륨에 추가되거나 이러한 별개 볼륨으로부터 대체될 추가 유체가 없다. 음향 영동 디바이스는 실질적으로 음향적인 투명 컨테이너 (110) 및 분리 유닛 (120)을 포함한다. 이들 2 개의 구성요소들은 서로 분리 가능하다.
음향 영동 디바이스의 컨테이너 (110)는 일반적으로 플라스틱, 유리, 폴리카보네이트, 저-밀도 폴리에틸렌 및 고-밀도 폴리에틸렌 (모두 적절한 두께)과 같은 실질적으로 음향적인 투명 재료로 형성된다. 그러나, 컨테이너는 본 개시 내용의 음향 정재파(들)의 통로를 허용하기에 적합한 임의의 재료로 형성될 수 있다. 컨테이너는 분리 유닛에 맞는 병 또는 백 또는 셀의 형태 일 수 있다. 이들 형태들 간의 차이는 이들 조성물 및 구조에 있다. 병은 가방보다 단단하다. 비어있는 경우, 가방은 일반적으로 그 자체를 지탱할 수 없는 반면 병은 똑바로 세울 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 컨테이너 (110)는 고-밀도 폴리에틸렌 백이다. 컨테이너 (110)는 일반적으로 상단 말단부 (112) 및 하단 말단부 (114), 및 비-유동성 유체 매체가 위치하는 내부 볼륨을 가진다. 이러한 유체 매체는 유체 매체의 대부분인 호스트 유체, 및 상기 호스트 유체에 분산된 제 2 유체 또는 미립자의 혼합물이다.
음향 영동 디바이스의 분리 유닛 (120)은 적어도 하나의 벽 (122)에 의해 정의되며, 그리고 분리 유닛의 측면을 형성하는 복수의 벽들을 가질 수 있다. 예를 들어, 분리 유닛은 (도시된 바와 같이) 원통형 또는 직사각형 형상일 수 있다. 벽(들)은 고형물이다. 분리 유닛의 상단 말단부에는 컨테이너 (110)를 수용하기위한 개구 (126)가 존재한다. 다시, 분리 유닛 (120)은 컨테이너 (110)로부터 분리 가능하며, 그 결과 컨테이너는 음향 영동 디바이스의 원하는 적용에 따라 일회용 또는 재사용 가능할 수 있다. 본 명세서에 도시된 바와 같이, 분리 유닛 (120)의 베이스는 고형물이다.
분리 유닛 (120)은 벽 (134) 상에 적어도 하나의 초음파 변환기 (130)를 포함한다. 초음파 변환기 (130)는 음향 정재파를 생성하기 위해 전압 신호에 의해 구동되는 압전 요소를 가진다. 초음파 변환기 (130)에 파워 및 제어 정보를 전송하기 위한 케이블들 (132)이 도시된다. 반사기 (140)는 초음파 변환기 (130)에 대향하는 벽 (136) 상에 존재 및 위치될 수 있다. 이로써, 정재파는 변환기로부터의 방사된 초기파들 (initial waves) 및 반사기로부터의 반사파들을 통해 생성된다. 일부 실시예들에서, 반사기는 필요하지 않으며, 오히려, 주변 공기는 입사파들을 반사시키고 정재파들을 생성하는데 사용될 수 있다. 이해되어야 하는 바와 같이, 다양한 변환기 및 반사기 조합들은 비-유동성 유체 매체 내에 배치된, 입자들의 중력 침강 또는 입자들 또는 저-밀도 유체들의 부력 상승을 각각 가속시키기 위해 본 개시 내용의 음향 정재파(들)의 생성에 대해 활용될 수 있다. 평면 및/또는 다-차원의 음향 정재파(들)는 컨테이너 내에서 발생되며, 그리고 컨테이너에서 비-유동성 유체에서의 입자들의 침강 속도를 증가시키는데 사용된다. 이러한 공정은 유체의 도입을 재개하기 전에 유체 내의 입자들의 분리를 가속시키기 위해 음향 정재파가 사용되는 동안, 입자 및 유체 혼합물이 일정 기간 동안 정지될 수 있는 뱃치 또는 반-뱃치 동작에서 또한 활용될 수 있고, 이때 입자들은 이제 우물 바닥 또는 포획 영역으로 분리된다. 초음파 변환기와, 분리되고 있는 별개 볼륨의 유체 사이에는 어떠한 접촉도 없다는 것을 유의하여야 한다.
소정의 실시예들에서, 음향 영동 디바이스는, 반사기 (140)가 위치하는 벽 (136)에 대향하는 분리 유닛의 공통 벽 (134) 상에 위치한 복수의 초음파 변환기들 (130)을 포함한다. 대안적으로, 초음파 변환기들은 반사기가 없는 상태에서 서로 마주보게 위치될 수 있다. 추가로, 분리 유닛 (120)은 분리 유닛 (120)의 또 다른 벽 (138)에 관찰 창 (124)을 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이, 관찰 창이 제공될 시에, 이는 초음파 변환기(들) 및 반사기가 위치하는 벽들에 인접한 분리 유닛의 벽에 있을 수 있고, 그 결과 컨테이너 (110)의 하단 말단부 (114)는 분리 챔버 (120)에서 관찰 창 (124)을 통해 관측될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 관찰 창은 반사기를 대신할 수 있다.
소정의 실시예들에서, 컨테이너 (110)와 분리 유닛 (120) 사이의 간극 공간 (interstitial space) (105)에 물과 같은 유체가 위치될 수 있어, 음향 정재파가 분리 유닛 내의 유체 및 컨테이너 내의 비-유동성 유체 매체 둘 다를 통과하게 된다. 간질 유체 (interstitial fluid)는 임의의 유체일 수 있지만, 음향 정재파(들)가 분리 및 정화용 컨테이너 내의 비-유동성 유체 매체를 통과하는 것을 방지하지 않도록, 컨테이너 내의 별개 볼륨의 유체와 유사한 음향 속성들을 갖는 유체를 사용하는 것이 바람직하다. 간극 공간 내의 유체는 음향 정재파(들)의 우수한 전달을 허용하는 음향 임피던스 값, 바람직하게는 낮은 음향 감쇠를 가져야 한다.
소정의 실시예들에서, 분리 유닛 (120)은 존재할 때 반사기 (140)와 함께, 초음파 변환기(들) (130)를 컨테이너 (110)에 대해 수직으로 이동시키도록 구성된 지지 구조체를 포함한다. 변환기의 이동은 수직 이동 방향에 따라, 상단 말단부 (112)로부터 하단 말단부 (114) 까지, 또는 하단 말단부 (114)로부터 상단 말단부 (112) 까지 컨테이너 (110) 내의 비-유동성 유체 혼합물을 통해 "스위핑 효과 (sweeping effect)"를 생성한다. 컨테이너 내의 유체의 이러한 "스위핑"은 유체 내에 배치된 입자들의 침강 또는 부력을 개선시킨다. 초음파 변환기는 약 0.1 밀리미터/초 내지 약 1 센티미터/초의 선형 속도로 컨테이너에 대해 이동될 수 있다.
하나의 그러한 디바이스는 도 2에 도시된다. 여기에서, 분리 유닛 (120)은 4 개의 벽들 (122)로 구성되고, 변환기 (130)는 벽들 중 하나 상에 있다 (반사기는 보이지 않음). 유닛 (120)은 상단 개구 (126) 및 하단 개구 (128)를 포함하고, 이때 컨테이너 (110)는 양쪽 개구들을 통과한다. 여기서 지지 구조체 (150)는 베이스 (152) 및 상기 베이스로부터 수직으로 상승된 지지 필러들 (support pillars, 154)를 포함한다. 지지 필러들은 분리 유닛 (120)을, 컨테이너 (110) (베이스 상에 그의 위치가 유지됨)에 대해 상하로 이동시키는 메커니즘을 제공한다. 메커니즘은 기술 분야에서 예컨대 기어들, 풀리들 (pulleys) 등으로 공지될 수 있다. 여기서 분리 유닛 (120)은 컨테이너 (110)의 대략 중앙에 도시되고, 화살표들은 분리 유닛 (120)이 원하는 대로 상부 방향 또는 하부 방향으로 이동할 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, 변환기 (130)는 컨테이너의 바닥에서 입자들의 침강을 향상시키기 위해 컨테이너 (110)의 상단 말단부 (112)로부터 하단 말단부 (114)를 향해 이동될 수 있다. 대안적으로, 변환기 (130)는, 오일이 물로부터 분리되는 오일-물 혼합물에서와 같이, 부양 입자들의 분리를 증가시키기 위해, 컨테이너 (110)의 상단 말단부 (112)를 향해 컨테이너의 하단 말단부 (114)로부터 상승될 수 있다.
이러한 디바이스의 또 다른 실시예가 도 3에 도시된다. 여기서, 초음파 변환기 (130)는 분리 유닛 (120) 내의 지지 구조체 (150) 상에 장착되며, 그리고 벽 (134)은 지지 구조체가 컨테이너에 대해 수직으로 이동하는 트랙을 포함한다. 분리 유닛 (120)의 벽들 (122)은 컨테이너 (110), 단지 변환기 (및 존재한다면 반사기)에 대해 이동하지 않는다.
본 개시 내용의 음향 영동 디바이스들의 다양한 부품들은 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 그러한 적합한 재료들은 의료용 플라스틱들, 이를테면 폴리카보네이트들 또는 폴리메틸 메타크릴레이트들, 또는 다른 아크릴레이트들, 금속, 이를테면 강철 또는 유리를 포함한다. 일반적으로, 재료가 다소 투명하여, 음향 영동 디바이스/시스템의 동작 동안에 깨끗한 창을 생성하고 내부 유동 채널들 및 유동 경로들을 볼 수 있는 것이 바람직하다.
본 개시 내용의 디바이스들에서 사용된 초음파 변환기들의 일부 설명도 도움이 될 수 있다. 이에 대하여, 변환기들은 일반적으로 PZT-8 (lead zirconate titanate, 납 지르코네이트 티타네이트)로 만들어진 압전 요소를 사용한다. 그러한 요소들은 1 인치 직경 및 공칭 2 MHz 공진 주파수를 가질 수 있거나, 또는 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있다. 각각의 초음파 변환기 모듈은 단지 하나의 압전 요소를 가질 수 있거나, 또는 각각 별도의 초음파 변화기로 작동하고 하나 또는 다수의 증폭기들에 의해 제어되는 다수의 압전 요소들을 가질 수 있다.
도 4는 종래 초음파 변환기의 단면도이다. 이러한 변환기는 바닥 말단부에 있는 웨어 플레이트 (50), 에폭시 층 (52), 세라믹 압전 요소 (54) (PZT로 제조됨), 에폭시 층 (56) 및 후면 층 (58)을 가진다. 세라믹 압전 요소의 양 측면에는 전극: 양극 (61) 및 음극 (63)이 있다. 에폭시 층 (56)은 압전 요소 (54)에 후면 층 (58)을 부착시킨다. 전체 조립체는 예를 들어 알루미늄으로 제조될 수 있는 하우징 (60)에 포함된다. 전기 어댑터 (62)는 와이어들이 하우징을 통과하여 압전 요소 (54)에 부착되는 리드들 (미도시)에 연결되도록 하는 연결부를 제공한다. 전형적으로, 후면 층들은 감쇠 (damping)를 추가하고 광범위의 주파수에 걸쳐 균일한 변위로 광대역 변환기를 생성하도록 설계되고, 특정 진동 고유 모드들에서 여기를 억제하도록 설계된다. 웨어 플레이트들은 보통 변환기가 방사하는 매체의 특성 임피던스를 양호하게 일치시키기 위해 임피던스 변압기들로 설계된다.
도 5는 본 개시 내용의 초음파 변환기 (81)의 단면도이다. 변환기 (81)는 정사각형으로 형상화되고 알루미늄 하우징 (82)을 가진다. 압전 요소는 페로브스카이트 세라믹 (perovskite ceramic)의 덩이로, 큰 2가 금속 이온 (보통 납 또는 바륨), 및 O2- 이온의 격자에 작은 4가 금속 이온 (보통 티타늄 또는 지르코늄)으로 각각 구성된다. 예시로서, PZT (납 지르코네이트 티타네이트) 압전 요소 (86)는 변환기의 바닥 말단부를 정의하고, 하우징의 외부로부터 노출된다. 압전 요소는 압전 요소와 하우징 사이에 위치된, 작은 탄성 층 (98), 예컨대, 에폭시, 실리콘 또는 유사한 재료로 그 주변 상에 지지된다. 다른 말로 하면, 웨어 플레이트가 존재하지 않는다. 그러나, 일부 실시예들에서, 음향 정재파가 발생되는 유체로부터 압전 요소를 분리시키는 플라스틱 또는 다른 재료의 층이 있다.
스크류들 (88)은 하우징의 알루미늄 상부 플레이트 (82a)를 나사산을 통해 하우징의 몸체 (82b)에 부착시킨다. 상부 플레이트는 변환기에 파워를 공급하기 위한 커넥터 (84)를 포함한다. PZT 압전 요소 (86)의 상부 표면은 절연 재료 (94)에 의해 분리된 양극 (90) 및 음극 (92)에 연결된다. 전극들은 은 또는 니켈과 같은 임의의 전도성 재료로 제조될 수 있다. 전력은 압전 요소 상의 전극들을 통해 PZT 압전 요소 (86)에 제공된다. 압전 요소 (86)가 어떠한 후면 층 또는 에폭시 층도 가지지 않음을 유의한다. 다른 말로 하면, 알루미늄 상부 플레이트 (82a)와 압전 요소 (86) 사이의 변환기에는 공극 (87)이 있다 (즉, 공극이 완전하게 비어 있음). 최소 후면부 (backing) (58) 및/또는 웨어 플레이트 (50)는 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 실시예들에 제공될 수 있다.
변환기 설계는 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 전형적인 변환기는 후면 층 및 웨어 플레이트에 결합된 세라믹 압전 요소를 갖는 층형 구조체이다. 변환기에는 정재파에 의해 나타난 고 기계적 임피던스의 부하가 걸리기 때문에, 웨어 플레이트들에 대한 종래의 설계 지침들, 예컨대 정재파 응용들을 위한 반 파장 두께 또는 방사 응용들을 위한 1/4 파장 두께, 및 제조 방법들은 적절하지 않을 수 있다. 오히려, 본 개시 내용의 일 실시예에서, 변환기에는 웨어 플레이트 또는 후면부가 없기 때문에, 압전 요소가 고 Q-계수를 갖는 고유 모드들 중 하나 (즉, 고유 주파수에 가까운 것)에서 진동하는 것을 허용한다. 진동 세라믹 압전 요소는 유동 챔버를 통해 유동하는 유체에 직접 노출된다.
후면부를 제거하는 것 (예컨대, 공기가 후면에 있도록 압전 소자를 제조)은 또한, 세라믹 압전 요소가 작은 감쇠 (예컨대, 고차 모드 변위)로 고차 모드들의 진동에서 진동하는 것을 허용한다. 후면부를 갖는 압전 요소를를 가진 변환기에서, 압전 요소는 피스톤처럼 보다 균일한 변위로 진동한다. 후면부를 제거하는 것은 압전 요소가 비-균일 변위 모드로 진동하는 것을 허용한다. 압전 요소의 차수 모드 형상이 높아질 수 있도록, 압력 요소는 노드 라인들을 보다 많이 가진다. 압전 요소의 고차 모드 변위는 보다 많은 포집 라인들을 생성하지만, 노드에 대한 포집 라인의 상관관계는 반드시 일대일이 될 필요가 없으며, 그리고 보다 높은 주파수에서 압전 요소를 구동하는 것은 반드시 보다 많은 포집 라인들을 생성할 필요가 없을 것이다.
일부 실시예들에서, 압전 요소는 압전 요소의 Q-계수에 최소한 영향 (예컨대, 5 % 미만)을 미치는 후면부을 가질 수 있다. 후면부는 실질적으로 음향적인 투명 재료, 이를테면 발사 목재, 발포체 또는 코르크로 제조될 수 있고, 이는 압젼 요소가 고차 모드 형상으로 진동하는 것을 허용하고, 고 Q-계수를 유지하면서 압전 요소에 대한 일부 기계적 지지를 여전히 제공한다. 후면 층은 고형물일 수 있거나, 또는 상기 층을 통해 홀들을 가진 격자일 수 있고, 그 결과 상기 격자는 특정 고차 진동 모드로 진동하는 압전 소자의 노드들을 따르고, 노드 위치들에서 지지를 제공하면서 압전 요소의 나머지가 자유롭게 진동하는 것을 허용한다. 격자 작업 또는 음향적인 투명 재료의 목적은 압전 요소의 Q-계수를 낮추거나 특정 모드 형상의 여기를 간섭함 없이 지지를 제공하는 것에 있다.
도 7은 입자 반경에 따라 음향 방사력, 유체 항력 및 부력의 스케일링을 도시한 로그-로그 그래프 (대수 y-축, 대수 x-축)이며, 그리고 음향 방사력을 사용하여 입자들의 분리에 대한 설명을 제공한다. 계산들은 실험들에 사용된 전형적인 CHO 세포에 대해 수행된다. 부력은 입자 볼륨에 의존하는 힘이며, 그러므로 미크론 정도의 입자 크기들은 무시할 만하지만, 그러나 입자 크기들이 성장하여 수백 미크론 정도면 중요하게 된다. 유체 항력 (스토케스 항력)은 속도에 따라 선형적으로 스케일링되고 (변환기가 컨테이너 내의 비-유동성 유체에 대해 이동될 시), 그러므로, 전형적으로 미크론 크기의 입자들에 대한 부력을 초과하지만, 수백 마이크론 정도의 큰 크기의 입자들에 대해서는 무시할 만하다. 음향 방사력 스케일링은 상이하다. 입자 크기가 작을 시에, Gor'kov의 방정식은 정확하고 음향 포집력은 입자의 볼륨에 따라 스케일링된다. 결과적으로, 입자 크기가 성장할 시에, 음향 방사력은 입자 반경의 세제곱으로 더 이상 증가하지 않으며, 소정의 임계 입자 크기에서 빠르게 없어질 것이다. 입자 크기가 더 커지는 경우, 방사력의 크기는 다시 증가하지만 반대 위상을 가지게 된다 (그래프에 미도시). 이러한 패턴은 입자 크기를 증가시키기 위해 반복된다.
처음에, 컨테이너가 주로 작은 미크론 크기의 입자들을 갖는 호스트 유체를 포함하고, 변환기가 컨테이너에 대해 이동할 시에, 입자가 정재파에 포집되도록 음향 방사력이 유체 항력 및 부력의 조합된 효과를 밸런싱하는 것이 필요하다. 도 7에서 이는 Rc1로 표시된 약 3.5 미크론의 입자 크기에 대해 일어난다. 이때 그래프는 모든 큰 입자들이 포집될 것도 나타낸다. 그러므로, 작은 입자들이 정재파에 포집될 시에, 입자들의 합쳐짐/덩어리화/응집화/뭉침화가 발생되어, 유효 입자 크기의 연속적인 성정을 초래한다. 입자들이 무리화될 시에, 상기 무리의 입자들 모두에 대한 총 항력은 개별 입자들에 대한 항력들의 합보다 매우 낮다. 본질적으로, 입자들이 무리화될 시에, 이들은 상기 무리의 전체 항력을 감소시킨다. 입자 크기가 성장할 시에, 음향 방사력은 입자에 반사되어, 그 결과 큰 입자들은 음향 방사력을 감소시킬 것이다. 입자들에 대한 음향 측 방향 힘들은, 상기 무리들이 정지 상태를 유지하고 크기가 성장하도록 항력들보다 커야한다.
입자 크기 성장은 중력/부력이 지배적이 될 때까지 계속되며, 이는 제 2 임계 입자 크기 Rc2로 나타내고, 그 입자 크기에서 상기 입자들은 호스트 유체에 대한 이들의 상대 밀도에 따라 상승하거나 가라앉을 것이다. 이러한 크기에서, 음향력들은 2 차이고, 중력/부력은 지배적이 되고, 입자들은 자연적으로 호스트 유체로부터 떨어진다. 모든 입자들이 떨어지지 않을 것이며, 이들 잔여 입자들도 크기가 계속 성장할 것이다. 이러한 현상은 크기 Rc2를 넘는 음향 방사력의 급격한 떨어짐 및 상승을 설명한다. 이로써, 도 7은 작은 입자들이 정재파에 연속적으로 포집될 수 있고, 보다 큰 입자들 또는 덩어리들로 성장하고, 그 이후에 증가된 부력 또는 중력으로 인해 결국 어떻게 상승 또는 침강될 것인지를 설명한다. 변환기 모션이 없을 시에, 항력은 단지 그 후에 유체 내의 입자의 모션 때문이며, 그리고 변환기 모션의 경우와 비교하여 작을 것이고. 즉, Rc1은 보다 더 작아질 것이고, 따라서 보다 작은 입자 크기들이 고정 변환기 동작을 위해 포집될 수 있다.
변환기의 크기, 형상 및 두께는 상이한 여기 주파수들에서의 변환기 변위를 결정하며, 이는 결국 입자 분리 효율에 영향을 미친다. 전형적으로, 변환기는 두께 공진 주파수 (반 파장) 근처의 주파수들에서 동작된다. 변환기 변위의 구배는 전형적으로 입자가 포집되는 장소들을 보다 많이 만들어낸다. 고차 모드 변위들은 모든 방향들로 음향 필드에 강한 구배를 갖는 3-차원 음향 정재파들을 생성하여, 동등하게 모든 방향에서 강한 음향 방사력을 생성하여 다수의 포집 라인들로 인도하고, 여기서 포집 라인들의 수는 변환기의 특정 모드 형상과 상관관계를 가진다.
도 8은 변환기의 측정된 전기 임피던스 진폭을 2.2 MHz 변환기 공진 부근의 주파수의 함수로서 도시한다. 변환기 전기 임피던스의 최소치는 물기둥 (water column)의 음향 공진들에 대응하며, 동작을 위한 잠재적인 주파수들을 나타낸다. 수치 모델링은 변환기 변위 프로파일이 이들 음향 공진 주파수들에서 크게 변화하여 음향 정재파 및 그에 따른 포집력에 직접적인 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 변환기가 그의 두께 공진 근처에서 동작하기 때문에 전극 표면들의 변위들은 본질적으로 위상이 맞지 않는다. 변환기 전극들의 전형적인 변위는 균일하지 않으며, 여기 주파수에 따라 변한다. 예를 들어, 단일 라인의 입자들이 포집되는 한 여기 주파수에서, 변위는 전극의 중앙에서의 단일 최대치 및 변환기 에지들 근처에서의 최소치를 가진다. 또 다른 여기 주파수에서, 변환기 프로파일은 다수의 포집된 입자들 라인들을 유도하는 다수의 최대치를 진다. 고차 변환기 변위 패턴들은 켭쳐된 입자들에 대해 보다 높은 포집력들 및 다수의 안정된 포집 라인들을 초래한다.
음향 포획력 및 입자 분리 효율들에 대한 변환기 변위 프로파일의 효과를 조사하기 위해, 여기 주파수를 제외하고 모든 조건들이 동일한 실험을 10 회 반복하였다. 도 8에서 동그라미 번호 1-9 및 문자 A로 표시된 10 개의 연속적인 음향 공진 주파수들은 여기 주파수들로 사용되었다. 상기 조건들은 30 분의 실험 기간, 대략 5 미크론 SAE-30 오일 액적들의 1000 ppm 오일 농도, 500 ml/min의 유속 및 20W의 인가된 파워이었다.
에멀젼 (emulsion)이 변환기에 의해 통과함에 따라, 오일 액적들의 포집 라인들이 관찰되고 특성화되었다. 상기 특성화는 도 8에 식별된 10 개의 공진 주파수들 중 7 개에 대해, 도 9a에 도시된 바와 같이 유체 채널에 걸친 포집 라인들의 수의 관찰 및 패턴을 수반하였다.
도 9b는 포집 라인 위치들이 나타난 본 개시 내용의 시스템의 등각도를 도시한다. 도 9c는 측면으로부터 나타난 바와 같은 시스템의 도면으로서, 포집 라인들을 볼 수 있다. 도 9d는 화살표 (116)를 따라 변환기 면을 직접 볼 시에 나타난 바와 같은 시스템의 도면이다.
여기 주파수의 효과는 음향 공진기 (5 및 9)의 여기 주파수에서 단일 포집 라인으로부터 음향 공진 주파수 (4)에 대한 9 개의 포집 라인들로 변화되는 포집 라인들의 수를 명확하게 결정한다. 다른 여기 주파수들에서 4 또는 5 개의 포착 라인들이 관찰된다. 변환기의 상이한 변위 프로파일들은 정재파들에서 상이한 (보다 많은) 포집 라인들을 생성할 수 있으며, 일반적으로 변위 프로파일에서 보다 많은 구배들이 보다 높은 포집력들 및 보다 많은 포집 라인들을 생성한다.
본 시스템들에서, 시스템은 입자들 및 입자 무리들이 초음파 정재파에 포집되도록 하는 전압에서 동작된다. 입자들 및 무리들은 철저히 정의된 포집 라인들에 수집된다. 각각의 포집 라인은 음향 정재파의 주 방향과 정렬된다. 포집 라인들에서 입자들 및 무리들은 파장 절반으로 분리된다. 정재파의 각 압력 노드 평면 내에서, 입자들은 매우 특정한 지점들에, 전형적으로 음향 방사 포텐셜의 최소치에 포집된다. 음향 방사력의 축 방향 성분은 양의 대조 계수를 갖는 입자들을 압력 노드 평면들로 유도하는 반면, 음의 대조 계수를 갖는 입자들은 압력 반대-노드 평면들로 유도된다. 음향 방사력의 반경 방향 또는 측 방향 성분은 정재파에 입자들을 포획하고, 이들을 단단하게 패킹된 무리들로 덩어리화 또는 무리화하고, 그 후에 상기 무리들이 임계 크기에 도달할 시에 중력 분리하는 힘이다. 전형적인 변환기들을 사용하는 시스템들에서, 음향 방사력의 반경 방향 또는 측 방향 성분은 전형적으로 음향 방사력의 축 방향 성분보다 몇 크기 차수가 작다. 그러므로, 두 가지 한계들이 있다. 입자들의 포집 능력들이 매우 약하고, 게다가 중력으로 인해 분리될, 충분히 단단하게 팩킹된 무리들을 발생시킬 수 없다. 본 디바이스들에서 측 방향 힘은 크기 차수가 축 방향 힘 성분과 동일하다는 점에서 중요 할 수 있다. 강한 무리화 능력은 중력/부력 분리를 통해 호스트 유체로부터 연속적으로 분리되는 무리들의 신속한 형성을 이끈다.
3-차원 음향 정재파들은 압전 요소의 진동 모드들의 중첩의 결과이다. 3 차원 힘 필드는 정재파의 모든 노드 평면 내에서 강한 구배를 초래한다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 다수의 입자 무리들이 정재파의 축 방향으로 일렬로 형성된다. 최적의 수집을 위해, 입자 무리들의 형상은 가장 낮은 항력을 제공해야 한다. 입자 레이놀즈 수가 20보다 작으면, 원통형 형상들은 구형들보다 현저하게 낮은 항력 계수들을 가진다. 원통형들은 또한 주어진 표면적에 대해 현저하게 많은 입자들 (질량)을 운반할 수 있어, 그 결과 원통형 입자 무리는 구형 입자 무리보다 높은 중력/부력 및 낮은 저항 항력을 가질 것이다. 이로써, 원통형 입자 무리는 다른 형상들보다 빠르게 떨어질 것이다. "원통형"은 그러한 무리들의 형상을 기술하기 위한 약칭으로 사용되고, 타워형으로 보다 양호하게 아마도 기술될 수 있음을 유의한다.
다시 도 1을 참조하면, 이로써, 전체 시스템은 다음과 같이 동작한다. 하나 이상의 음향 정재파들은 분리 유닛 (120)의 변환기 (130)와 반사기 (140) 사이에 생성되고; 이들 파들은 또한 컨테이너 (110)를 통과한다. 컨테이너 (110) 내의 유체/입자 혼합물에 존재하는 입자들은 양의 음향 대조를 갖는 입자들에 대한 압력 노드들에서, 그리고 음의 음향 대조를 갖는 입자들에 대한 압력 반대-노드들에서 음향 정재파들에 포집되고, 이 경우에 이들은 입자들의 큰 무리들로 뭉치고, 응집되고, 덩어리되고 또는 합쳐지게 된다. 그 후에, 무리들은 상승하거나 가라앉고 유체로부터 분리되어 결과적으로 정화된다. 정화를 더 향상시키는, 중력 유도 유동 (Gravity driven flows)이 시스템에 존재한다. 입자들의 덩어리들이 침강될 시에, 동일한 볼륨의 가볍고 정화된 유체가 바닥 영역으로부터 움직여 상부로 이동된다.
도 11 및 도 12는 본 개시 내용에 따른 음향 영동 디바이스의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 11은 백의 외형도이며, 그리고 도 12는 백의 단면도이다. 이러한 실시예에서, 음향 영동 디바이스는 일반적으로 일회용 분리 백 (310)을 포함한다. 일회용 분리 백 (310)은 외부 표면 (314), 및 상기 외부 표면 (314)에 의해 경계가 정해진 내부 볼륨 (316)을 포함한다. 일회용 분리 백 (310)은 적어도 하나의 폴리머 층 (예컨대, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌 등)으로 제조될 수 있다. 또한, 백은 차별적으로 기능하는 폴리머 층들의 다수 층들으로 제조될 수 있음이 고려된다. 이들 폴리머 층들은 방수 층으로서, 강도 등을 제공하는 층으로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우들에서, 백의 외부 (즉, 최외곽 층)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 폴리머이다. 백의 중간 또는 중앙 층은 전형적으로 에틸렌 비닐 알콜 (EVOH) 또는 폴리비닐 아세테이트 (PVA) 일 수 있다. 내부 층 (생물 반응기 세포 배양 매체와 접촉함)은 전형적으로 저-밀도 폴리에틸렌 또는 최저밀도 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌 폴리프로필렌이다. 백은 일반적으로 적어도 1 리터, 최대 1000 리터, 심지어 원하는 대로 큰 내부 볼륨을 가진다.
초음파 변환기 (330)는 분리 백 (310)의 외부 표면 (314)의 내부에 적어도 부분적으로 배치되어, 음향 정재파가 백의 내부 볼륨 (316)에 생성될 수 있다. 초음파 변환기 (330)는 음향 정재파를 생성하기 위해 전압 신호에 의해 구동되는 압전 요소를 포함한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 초음파 변환기 (330)는 2 개의 폴리머 층들 (322, 324) 사이에 있다 (두 개의 층들이 함께 결합되며, 이들 사이에는 자유 공간이 없음을 유의한다 - 이는 도면의 인공물임). 초음파 변환기 및 음향 정재파는 본 명세서에 개시된 다양한 다른 실시예들을 참조하여 기술된 것과 동일하다. 즉, 음향 정재파 필드는 일회용 분리 백 (310)의 내부 볼륨 (316) 내에서 초음파 변환기 (330)에 의해 생성되어, 유체 내에 배치된 입자들이 합체되거나 뭉쳐져서 중력 또는 부력으로 인해 아래도 떨어지거나, 음향 정재파 필드 위로 상승될 수 있다. 달리 말하면, 이러한 실시예는, 백 내의 유체 내에 배치된 고형물이 중력/부력 및 음향 정재파 필드로 인해 음향 정재파 필드 위 또는 아래에서 뭉쳐지고 용액으로부터 떨어질 수 있게 되어, 백 내의 유체의 정화를 초래하는 일회용 시스템을 허용한다. 여기서, 반사기는 초음파 변환기로부터 백의 반대 측면 상에 있는 공기이다. 이러한 백은 도 1의 분리 유닛 (120)과 함께 사용되지 않는다.
다양한 유형들의 플라스틱들이 본 개시 내용의 컨테이너를 형성하는데 사용될 수 있다. 선택된 플라스틱의 임피던스 값을 매칭시키는 것이 중요하며, 그리고 초음파 변환기(들)가 평면, 다-차원 또는 조합 음향 정재파를 생성하도록 구동되는 주파수에 따라 달라질 것이다. 이로써, 본 명세서에 개시된 컨테이너들 또는 분리 백들이 컨테이너들 또는 분리 백들의 원하는 특성들, 및 초음파 변환기(들)가 유체의 비-유동성 분리 및 정화를 위해 구동되어야 하는 원하는 주파수에 따라, 표 1의 재료들 중 하나 이상으로 형성될 수 있음을 고려한다.
하기 표 1은 다양한 유형들의 플라스틱들에 대한 임피던스 값들을 나타낸다. 표 1의 값들은 Vl = 세로 음속 (longitudinal sound velocity) (m/s); D = 밀도 (g/cm3); 및 Z = 음향 임피던스 (Megarayls).
Figure pct00004
생물학적 적용들에서, 시스템의 모든 부분들 (즉, 컨테이너, 분리 유닛 등)은 서로 분리되어 일회용이 될 수 있음이 고려된다. 원심 분리기들 및 필터들을 피함으로써, 입자들의 생존력을 저하시키지 않으면서 배치된 입자들로부터 유체를 양호하게 분리할 수 있다. 변환기들은 또한 입자들의 뭉침으로 인한 막힘을 방지하거나 제거하기 위해 급격한 압력 변화를 생성하도록 구동될 수 있다. 변환기들의 주파수는 또한 주어진 파워에 대해 최적의 효과를 얻기 위해 변화될 수 있다.
하기 예시들은 본 개시 내용의 디바이스들, 구성요소들 및 방법들을 설명하기 위해 제공된다. 예시들은 단지 예시적인 것이며, 본 명세서에 기재된 재료들, 조건들 또는 공정 파라미터들로 본 개시 내용을 한정하려는 것은 아니다.
예시들
도 10은 상세하게 상술한 바와 같은 음향 영동 디바이스의 실험 장치를 도시한다. 이러한 음향 영동 디바이스는 컨테이너가 볼륨이 있는 플라스틱 백인 점을 제외하고 도 1에 도시된 것과 매우 유사하다. 플라스틱 백의 하단 말단부는 분리 유닛의 벽들 내에 배치되며, 그리고 분리 유닛은 초음파 변환기 및 반사기를 포함한다. 초음파 변환기는 BNC 케이블에 의해 제공된 전압 신호에 의해 구동된다. 음향 정재파는 함유된 유체를 정화하기 위해 컨테이너의 하단 말단부 및 분리 유닛을 통해 초음파 변환기에 의해 생성된다.
정화 및 분리 공정은 볼륨이 있는 플라스틱 백이 비-유동성 유체 매체, 즉 유체 및 효모 혼합물로 채워진 곳에서 수행되었다. 전술한 공정에 따라, 유체 혼합물을 함유하는 백은 분리 유닛 내로 위치되고, 이때 상기 백은 분리 유닛의 변환기와 반사기 사이에 위치되고, 그 결과 음향 정재파는 플라스틱 백과 유체 혼합물 둘 다를 통과한다. 상기 유체는 1000 mL 볼륨에서 6 % 농도의 효모를 함유하였다. 상기 혼합물은 11,800 개의 개시 NTU (Nephelometric Turbidity Units)를 가졌으며, 그리고 본 명세서에 기술된 디바이스들 및 구성요소들을 사용하여 전술한 분리 및 정화 공정 이후에, 상단 정화 층은 856 개의 최종 NTU를 가졌으며, 음향 영동을 이용한 유체 및 효모 세포들의 비-유동성 혼합물 또는 정적 환경을 정화시키는 효과를 입증하였다. 이는 효모 세포들이 음향 정재파에서 합쳐지거나 뭉쳐지고 중력에 의해 컨테이너의 하단 말단부로 가라앉음으로써 유체의 정화가 일어나고 있음을 보여준다.
테스트들에 대한 파라미터들은 하기 표 2에 표시된다. 표 2는 2.2196 MHz 및 2.2147 MHz에서 여기된 압전 초음파 변환기들을 사용하여 40 분 동안 분리 된 물 내의 6 % 효모 용해에 대한 정화 결과들을 보여준다. 공급물은 효모가 분산된 개시 혼합물이다. 침투물은 백의 상부에서 정화된 유체이며, 그리고 공급물에 비해 낮은 농도의 미립자를 함유한다. 농축물은 백의 바닥에 있는 유체이며, 공급물에 비해 높은 농도의 미립자를 함유한다.
Figure pct00005
본 개시 내용은 예시적인 실시예들을 참조하여 기술되었다. 명백하게, 상기의 상세한 설명을 읽고 이해할 때 다른 것들에 대해 수정들 및 대안들이 일어날 것이다. 본 개시 내용은 첨부된 특허 청구 범위 또는 그 균등물의 권리 범위 내에 있는 한에 있어서, 모든 그러한 수정들 및 대안들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 별개 볼륨 (discrete volume)의 유체를 정화하는 음향 영동 디바이스 (acoustophoretic device)에 있어서,
    실질적으로 음향적인 (acoustically) 투명 컨테이너; 및
    상기 컨테이너를 둘러싸며, 적어도 하나의 벽 및 상기 컨테이너가 삽입될 수 있는 제 1 개구에 의해 정의되는 분리 유닛 - 상기 분리 유닛은 음향 정재파 (acoustic standing wave)를 생성하도록 전압 신호에 의해 구동되는 압전 재료를 가진 적어도 하나의 초음파 변환기를 포함함;을 포함하는, 음향 영동 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨테이너는 플라스틱, 유리, 폴리카보네이트, 저-밀도 폴리에틸렌 및 고-밀도 폴리에틸렌으로 구성된 군으로부터 선택된 재료를 포함하는, 음향 영동 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 음향 정재파는 평면의 일-차원 음향 정재파인, 음향 영동 디바이스.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 음향 정재파는 다-차원 음향 정재파인, 음향 영동 디바이스.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다-차원 음향 정재파는 크기 차수 (order of magnitude)가 서로 동일한 축 방향 힘 성분, 및 측 방향 힘 성분을 가진 음향 방사력을 초래하는, 음향 영동 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨테이너 및 상기 적어도 하나의 초음파 변화기를 서로에 대해 이동시키는 지지 구조체를 더 포함하는, 음향 영동 디바이스.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 지지 구조체는 상기 분리 유닛의 하나의 벽을 따라 상기 적어도 하나의 초음파 변환기를 이동시키는, 음향 영동 디바이스.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 변환기는 상기 분리 유닛의 적어도 하나의 벽 상에 고정 위치되며, 상기 분리 유닛은 상기 컨테이너에 대해 이동되는, 음향 영동 디바이스.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리 유닛은 상기 적어도 하나의 벽과 상기 컨테이너 사이에 간극 공간 (interstitial space)을 제공하도록 크기 조정되는, 음향 영동 디바이스.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 변환기는 상기 분리 유닛의 공통 벽 상에 위치되거나 또는 서로 대향하여 위치된 복수의 초음파 변환기인, 음향 영동 디바이스.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 변환기를 대향하여 상기 분리 유닛의 벽 상에 위치된 반사기를 더 포함하는, 음향 영동 디바이스.
  12. 제 2 유체 또는 미립자를 호스트 유체로부터 분리시키는 방법에 있어서,
    상기 호스트 유체 및 상기 제 2 유체 또는 미립자의 혼합물의 별개 볼륨을 함유하는 실질적으로 음향적인 투명 컨테이너를 분리 유닛의 제 1 개구 내로 위치시키는 단계 - 상기 분리 유닛은 상기 분리 유닛에서 음향 정재파를 생성하도록 전압 신호에 의해 구동되는 압전 재료를 가진 적어도 하나의 초음파 변환기 및 적어도 하나의 벽을 포함함; 및
    상기 제 2 유체 또는 미립자가 상기 음향 정재파에 포집되어, 함께 덩어리화 (clump), 무리화 (cluster), 뭉침화 (agglomerate), 또는 합체화 (coalesce) 되고, 부력 또는 중력으로 인해 상기 호스트 유체로부터 연속적으로 상승 또는 침강되도록, 상기 컨테이너에 상기 음향 정재파를 생성하는 적어도 하나의 초음파 변환기를 구동시키는 단계;를 포함하는, 제 2 유체 또는 미립자와 호스트 유체 분리 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 미립자는 중국 햄스터 난소 (Chinese hamster ovary, CHO) 세포들, NS0 하이브리도마 세포들 (hybridoma cells), 아기 햄스터 신장 (baby hamster kidney, BHK) 세포들, 곤충 세포들, 또는 인간 세포들인, 제 2 유체 또는 미립자와 호스트 유체 분리 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 변환기를 구동시키는 단계 전에, 상기 적어도 하나의 벽과 상기 컨테이너 사이의 간극 공간에 유체를 위치시키는 단계를 더 포함하는, 제 2 유체 또는 미립자와 호스트 유체 분리 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 컨테이너의 하단 말단부로부터 상기 컨테이너의 상단 말단부까지 비-유동성 혼합물을 스위핑 (sweep)하기 위해, 또는 상기 컨테이너의 상단 말단부로부터 상기 컨테이너의 하단 말단부까지 비-유동성 혼합물을 스위핑하기 위해, 상기 컨테이너 및 상기 분리 유닛을 서로에 대해 이동시키는 단계를 더 포함하는, 제 2 유체 또는 미립자와 호스트 유체 분리 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 컨테이너 및 상기 분리 유닛은 약 0.1 밀리미터/초 내지 약 1 센티미터/초의 선형 속도로 서로에 대해 이동되는, 제 2 유체 또는 미립자와 호스트 유체 분리 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 변환기는:
    상부 말단, 하부 말단, 및 내부 볼륨을 가진 하우징; 및
    상기 하우징의 하부 말단에서 노출된 외부 표면 및 내부 표면을 가진 압전 요소 - 상기 압전 요소는 전압 신호에 의해 구동될 시에 진동할 수 있음;를 포함하는, 제 2 유체 또는 미립자와 호스트 유체 분리 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 압전 요소의 내부 표면은 후면 층과 접촉하며, 상기 후면 층은 실질적으로 음향적인 투명 재료로 제조되는, 제 2 유체 또는 미립자와 호스트 유체 분리 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 변환기는 적어도 상기 분리 유닛의 공통 벽 상에 위치된 제 1 초음파 변환기 및 제 2 초음파 변환기이고;
    상기 제 1 초음파 변환기는 평면의 음향 정재파를 형성하기 위해 구동되며; 그리고
    상기 제 2 초음파 변환기는 다-차원 음향 정재파를 형성하기 위해 구동되는, 제 2 유체 또는 미립자와 호스트 유체 분리 방법.
  20. 비-유동성 유체를 정화하는 음향 영동 디바이스에 있어서,
    외부 표면, 및 상기 외부 표면에 의해 경계가 정해진 내부 볼륨을 포함한 일회용 분리 백; 및
    상기 분리 백의 외부 표면의 내부에 적어도 부분적으로 배치된 초음파 변환기 - 상기 초음파 변환기는 상기 일회용 분리 백의 내부 볼륨 내에서 음향 정재파를 생성하도록 전압 신호에 의해 구동되는 압전 재료를 가짐;를 포함하는, 음향 영동 디바이스.
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