CN101248352B - 用于色谱柱自动填料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种柱填料系统，其包括控制单元，该控制单元设有软件以计算断点，可移动适配器与床身介质的澄清床在该断点处接触。控制单元利用所计算的断点来确定可移动适配器必须移入柱中的距离，以达到所需的床身压缩量。

Description

用于色谱柱自动填料的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于柱的介质填料系统和介质填料方法。具体而言，本发明涉及用于改进色谱介质到色谱柱中的填充的填料系统和方法。

发明背景

用于液相色谱法的柱(column)一般包括管状体，其包围多孔色谱介质，而载液流过该色谱介质，通过在载液和固相的多孔介质之间的物质富集而存在分离。多孔介质一般作为填料床而被包围在柱中，该多孔介质一般通过把分散的微粒的悬浮液进行固结而形成，而这种分散微粒的悬浮液被称为浆状物(slurry)，其通常从柱一端灌入、吸入或用泵抽入柱中。压缩浆状物而把它固结成填料床(packed bed)，使得它被填装成的体积小于它仅在重力作用下而沉淀成的沉淀床(Sedimented bed)所占用的体积。随后的色谱分离的功效很大程度上依赖于填料床的流体进口和出口处的液体分布及收集系统以及填料床的压缩情况。如果压缩床的压缩量太低，那么在床身进行色谱分离会发生“拖尾”现象。如果压缩床的压缩量太高，那么在床身进行色谱分离会发生“前沿”现象。如果压缩量最优，那么在使用时产生的分离峰既不会发生前沿现象也不会发生拖尾现象并且会相当地对称。柱所需的最佳压缩程度通过实验，根据每一个柱的尺寸(宽度或直径)、床身高度和床身介质而决定。

在任何分离过程之前，床身必须从须引入柱内的微粒浆状物开始制备。床身形成过程叫做“填料过程”，而正确填料的床身是影响柱性能的非常重要的因素，其中该柱包含填料床。填料过程的目的是提供压缩到最佳压缩量(最佳压缩系数)的床。大尺寸的柱优选地通过将预定体积的、含特定介质微粒浓度的浆状物经由位于中心的浆状物喷嘴注入柱中来制备。一旦预定体积的浆状物被注入柱中，它就会通过可移动适配器沿着柱的纵轴线方向向下、朝柱底部所进行的移动而压缩，通常移动速度是恒定的，例如1厘米/分钟。在这过程中多余的液体在柱出口处排出，而微粒通过所谓“床身支持部”的过滤材料被保留下来，这种“床身支持部”上的孔很小而不足以让微粒通过。一旦填料床压缩到最佳量，填料过程就完成了。如果压缩的床身具有优良而稳定的、可以从床身上的滞留时间分布来量化的色谱性能，填料程序就被认为是成功的。然而，在实践中不易生产这样的最佳压缩的床身。床身填料迄今为止被认为是一门技术而不是一门科学，而最终的填料床的质量依赖于操作者对柱的填充的控制技巧。原因之一在于，很难确保注入柱中的实际浆状物浓度与计算中所使用的应注入柱中的浆状物的特定浓度精确地相等。在柱的填充和随后的填料过程中，操作者要手动选择并调整填料参数，例如流率、适配器前进的速度和床身压缩量等，操作者还必须判断调配器何时开始压缩床身。该时间点被用来计算适配器所必须运动的距离，以获得所需的压缩量。在任何填料参数选择上发生的错误都可能会导致性能低劣的柱。特别困难的是用肉眼判断床身压缩何时真正开始，在这一点上一个稍大的错误就会导致无法得到最佳压缩的床身。

正如在这里及所附的权利要求书中所使用的：用语“流体系统”旨在标明这样的装置，在该装置中，液体在近似地横过其流经某单元的方向的区域内被引入或撤出该单元。“单元”这个用语旨在包括用语“容器”和“柱”以及任何其它分离技术的实践者所利用的结构，以实现分离、及/或反应、及/或催化、及/或通过将混合物与液态或固态的交换介质(已知如填料床)接触来提取成分。“截面区域”(或者截面范围或者截面部分)指单元内的由单元截面来限界的区域，其中截面横过(一般近似于垂直)流经该单元的纵向方向。“纵向的流向”指在单元内从入口到出口的流向。“纵向的”一贯用于标明在不考虑方向时流体穿过单元的主要路径。“流动连接系统”指在流体回路中连结两点的通道系统或者说路径系统。“分布系统”指流体被引入单元而经过的结构，而“收集系统”指用于从单元收集流体的结构(在每个实例中都是从截面区域)。

“沉淀床高度”指这样的床身介质微粒的床身高度，即介质微粒的浆状物仅在重力影响下沉淀后、形成介质微粒床时的高度——这样的床叫做“沉淀床”。“澄清床(settled bed)高度”指这样的床身介质微粒的床身高度，即在重力和其它向下施加在床身微粒上的力的影响下(例如，由于可移动适配器向下运动引起的流体流经床身或者液体在泵的作用下经过床身时所产生的力)，介质微粒的浆状物沉淀后，形成介质微粒的床身时的高度——这样的床称作“澄清床”。

发明概述

本发明的目的在于，提供一种柱填料系统和一种将介质填进柱内的方法，其克服了现有技术系统的缺点。本发明的实施例在从属权利要求中作了限定。

更多的改进之处在从属权利要求中提及。

根据本发明的装置和方法的一个优点在于，它们提供以最佳压缩系数来进行填料的床身。这种装置和方法的另外的优点在于，它们使色谱柱的可再现及可控制的填料过程成为可能。

附图简述

图1是根据本发明的介质填料系统的侧面示意图。

图2是在介质澄清床填料过程中，移动可移动适配器所需的力与距离的函数曲线的一般形状的示例。

发明详述

图1显示了根据本发明的一个实施例的自动化柱填料系统1，其中与本发明无关的元件被省去以更清楚地阐明本发明的原理。系统1包括柱3，而柱3包括上部盖或者说凸缘5a和下部端板5b，其由圆柱形柱壁7围绕。在柱3中，在凸缘5a和下部端板5b之间定位有可移动适配器9(其设有未显示的样本分布系统，用于将流入的液体基本均匀地分布在柱状物3的截面上；还设有未显示的床身支持部，其延伸在柱的截面上，用足够精细的网眼来防止床身微粒穿过它)，可移动适配器9与柱入口11相连，柱入口11可以连结到液体供应源(未显示)上，例如样品混合液、洗提液、缓冲液等等。可移动适配器9可以借助于促动器13而沿柱的纵向方向移动，其中促动器13可以是例如电的、液压的或者气压的电动机或者活塞/气缸促动器，且支撑在穿过柱壁5的上端的框架14上。设有可移动适配器定位传感器16，以用来确定可移动适配器的相对于固定水平(例如下部端板5b的上侧)的位置(“x”)，而与这个距离x相对应的信号被发送给控制单元15。促动器13的操作和可移动适配器的相应的上下运动都可由自动控制单元15来控制。控制单元15优选地包括硬件和软件以用于控制柱3的操作。控制单元15控制阀的开闭、可移动适配器的移动速度及移动量。控制单元15还设有器件以测量、记录并分析移动可移动配器9而所需的力。作用力可以通过例如测量马达扭矩、测量马达电流或者测量促动器的工作压力或电流而进行直接测量，也可以通过例如测量柱的内压或者测量容器壁、框架、盖、可移动适配器、端板内的张力来进行间接测量，或者将这些测量方式进行组合。

下部端板5b支撑通向环形输送管19的流体收集系统17。收集系统17位于床身支持部21和环形输送管19之间，用于收集均匀分布在柱的截面上的流体并将其送至环形输送管19。环形输送管19与流动相出口20相连，而流动相出口20用于把流动相运离该柱以做进一步处理。床身支持部21用于支撑柱中床身的重量并防止床身介质离开柱。床身支持部21可以是(例如)带有足够小的孔的网眼或者说网状物，以防止床身介质穿过床身支持部。下部端板5b还包括中心孔23，其中可以安装可移动的喷嘴装置25。该喷嘴装置包括定置洗净(CIP)喷嘴27(其通过管线29连接)和可远程控制的阀31以用于系统中清洁流体的再循环。再循环阀31可由控制单元15控制。喷嘴27可以从封闭位置伸到打开位置，其中在封闭位置它可以和床身支持部21密闭接合并阻塞中心孔23，而在打开位置它经过床身支持部21而突出进入柱的腔穴35内，腔穴35形成在床身支持部21和可移动适配器9之间。中心孔23由环形输送管19围绕，环形输送管19与介质输送管39相连，而介质输送管39可以连接到管道43上，管道43又可以通过浆状物容器阀45而与浆状物容器47相连，并通过排放阀49与排放管51相连。当喷嘴27在打开位置时，环形输送管19与柱腔35存在流体连通，当喷嘴27缩回到封闭位置时，环形输送管19与腔穴35的流体连通被封阻。

为了用床身介质对柱进行填料，控制单元中编入了相关介质信息，例如所需要的填料床高度(它可以不同于实际达到的填料床高度)，和待注入柱中的、设定的浆状物浓度或浆状物体积(浆状物具有特定的微粒浓度，而该浓度已假定在实践中获得)，以及适配器为达到所需的澄清床高度以及所需的床身压缩量(即“压缩系数”)而必需的下降速度，以获得最佳性能。所需的床身压缩量可以以澄清床高度百分比的形式给出，例如如果注入到柱中的浆状物的量足够在1厘米/分钟的适配器下降速度下给出1米高的澄清床，而所需的压缩量为15％，那么目标床身高度为85厘米。典型地所需的压缩量可以在1％和50％之间，并且首先取决于柱的尺寸、床身介质微粒的类型及尺寸以及澄清床的高度。包含床身介质微粒的、预定量的浆状物被引入柱中，其方式可以是(例如)吸入——通过在控制单元15的控制下提升可移动适配器9，而同时浆状物容器阀45打开、喷嘴27处于打开位置且再循环阀31关闭——这就可以把浆状物从浆状物容器47、经过浆状物阀45、沿管道43、经过端口39和输送管19而吸入空腔35。当可移动适配器9达到所必需的距离x(以吸入所需量的浆状物到柱中)时，控制单元15就会停下可移动适配器9。

在填料模式中，介质阀介质开口37通过缩回喷嘴27并关闭浆状物容器阀45而关闭。移动相出口20打开，使得多余的流体流出柱。可移动适配器9以恒定的速度向下移动(例如0.5厘米/分钟到10厘米/分钟)，它一旦下降到与澄清床接触就开始沿轴线方向压缩澄清床——这个位置叫“断点(breakpoint)”。利用可移动适配器在柱内对微粒床身所进行的压缩可以定义成在可移动适配器位于这样的位置时开始——即在柱的基本上整个截面区域上、在适配器和它所移向的柱的端部之间，出现第一未中断的微粒通道的地方。如果在系统中，适配器以恒定的速度朝柱底部的下降的特点是移动适配器所需的作用力基本恒定，则通过移动适配器所需的力的增加来显示这个位置。如果在系统中，适配器以恒定的速度朝柱底部的下降的特点是移动适配器所需的作用力持续地增加，则通过移动适配器所需的力的增加率的上升来显示这个位置。因此，在断点处，因为适配器运动的阻力增加，使得以恒定速度来移动适配器9的所需作用力也增加，而适配器运动的阻力增加是因为床身微粒靠得更近，而不仅仅是因为为了填充床身的空间而排出了液体。可移动适配器9向下移动必要的距离以压缩床身，直到达到所需的床身压缩量为止。

为获得正确的床身压缩量，需要确定断点。在人工操纵系统中这由操作者确定。而自动系统必须具有用于决定断点的自动化器件。因为柱壁和移动适配器之间变化的摩擦力、澄清床的不均匀性、测量误差等因素，这很不容易做到，而适配器位置x与作用力f实际曲线图与理论曲线不符。这显示在图2中。虚线显示了在可移动适配器向下朝柱运动时，促动器作用力与可移动适配器位置的函数关系的理论曲线图。理论曲线图的第一部分A表示当适配器开始移动并将流体压出柱时作用力的增加。B部分是平的曲线，其表示适配器将液体压出柱状物并以恒定速度下降。这“澄清”了床身。C部分表示当床身中介质被填到一起并被压缩时，作用力基本上稳定地增加。B部分和C部分的交点就是断点，它表示澄清床压缩的开始。在这一点上，适配器的位置相应于澄清床的高度。这个高度用作起始点来计算适配器为获得最佳压缩的填料床高度而还需要移动的距离。C部分另外一端的适配器位置相应于进行了最佳压缩的填料床。

图2中的实线显示了当适配器向下朝柱移动时，促动器的作用力与可移动适配器位置的函数关系的实际曲线图。在B部分中，力上下波动，而B部分和C部分之间的过渡不再是尖锐的断点，而是曲线。这样就很难准确地确定床身压缩的起始点。

为了准确地确定床身压缩的起始点，控制单元15设有软件，其可以运行床身压缩算法，该算法计算床身压缩(通过适配器与澄清床的接触)何时开始(即确定断点)而又何时结束(即何时床身被从断点压缩到所需量)。

在本发明的一个实施例中，算法可以算出信号s的平均值，该信号s是相应于移动可移动适配器所需的力、记录在可移动适配器没有运动到与床身接触前的部分时间或全部时间内的信号(也即力与位置函数曲线图的B部分)，算法还可以算出记录在床身压缩的时间的一部分中的曲线斜率的平均值(也即力与位置的函数曲线图的C部分)，算法还计算这两个部分的交点。这需要软件能够确定，信号值是在曲线的B部分还是C部分上。一种方法是估计位置X1(澄清床的估计高度)并计算可移动适配器从起始位置(当X＝0时)到位置X1的行程的一部分中的平均作用力Fav。例如，平均值可以涵盖从X＝0.1*X1到X＝0.9*X1或者从X＝0.2*X1到X＝0.75*X1的期间。此区域所记录的作用力最大值Fmax也可以被保存。一旦可移动适配器接触澄清床，移动该适配器所需的力就开始增大。软件可以编写成，一旦力达到之前所记录的力最大值的多倍(例如2倍、2.5倍、3倍等等)时，就开始计算力与距离的函数曲线的斜率。这可以通过比较当前的和一组或多组先前的力与位置的读数来实现。计算出的斜率用来计算与对应于平均力Fav的线的预测交点(calculated intersection)。然后，在这个交点的距离Xcal就被假定为可移动适配器接触澄清床并开始压缩它的位置——所预测的断点。这可以重复，而预测的断点位置Xcal的平均值就可以计算。当可移动适配器从Xcal移动其位置时计算就开始进行，而当它超过与床身压缩量相应的距离时(例如基于当前Xcal的、75％的床身压缩量)，上一个当前值就被认为是真正的澄清床的高度，而可移动适配器的所需的终点位置(以获得所需的床身压缩)被计算出，并且可移动适配器达到所需的终点位置时才停止移动。

在本发明的备选实施例中，可移动适配器不是通过马达来移动，而是利用泵在适配器和盖5a之间的密封空间使液体(例如水)进出而运动。床身压缩算法监控这个空间的压强。当适配器到达床身，这个空间的压力就开始增加(或者，如果所监控的压力显示了基本上恒定上的增加率，那么增加率开始上升)，而所述算法计算出压力开始增加的位置。压力信号充满噪声，且上升可能是非线性的，在这种情况下，使用下文所详述的滤波器来除去噪声，并使该上升基本上成线性。

当内信号(in-signal)上升到特定水平之上时，利用所观察并捕捉到的过滤后的压力信号(dp)和当前的位置(x)，可以计算压力上升的起始点。存在两种这样的水平，dp1和dp2，而dp2大于dp1。当达到水平dp2时，就计算用于经过所捕捉的点(x1，dp1)、(x2，dp2)的直线的参数。这条线应该接近信号的上升斜率。这条线与x轴线的交点被认为是床身压缩开始的地方，并被称作断点。该点可用来确定达到所需的床身压缩量还需要的进一步的柱的移动。

滤波器设计

除了内信号上升时，滤波器将压力信号转变到平的接近0的信号：该信号也上升。

当前实施方案是IIR滤波器，其具有以下的差分式：

y(n)＝a*y(n-1)+b*y(n-2)+c*x(n)                    (1)

s(n)＝y(n)-y(n-1)

通过使用实际数据测试，选择了以下参数：

a＝1.9495，b＝-0.95，c＝0.005

该滤波器的推理如下：

假设机械系统具有质量m，其与弹簧相连且内部全是粘性介质。附上内信号作为松弛的弹簧端的位置，就会得到：

my”+ry’+k(y-x)＝0

(y＝物质的位置；x＝弹簧另一端的位置；r＝粘度；k＝弹力系数)

还可以写成这样：

y”+(r/m)y’+(k/m)y＝(k/m)x

或

y”+Ay’+By＝Cx

把微分式用差分式来近似：

y’(n-1)＝(y(n-1)-y(n))/h                              (2)

y”(n-1)＝(y(n)+2y(n-1)+y(n-2))/h²                     (3)

出于稳定性的原因，为y和x选择(n-1)的样例。

这导致：

y_n-2-2y_n-1+y_n-2+(hr/m)(y_n-1-y_n-2)+(h²k/m)(y_n-1-x_n-1)＝0       (4)

重新排列：

y_n-2+((h²k/m)+(hr/m)-2)y_n-1+(1-(hr/m))y_n-2＝(h²k/m)x_n-1  (5)

或：

y_n-2＝(2-(h²k/m)-(hr/m))y_n-1+((hr/m)-1)y_n-2+(h²k/m)x_n-1  (6)

令

a＝(2-(h²k/m)-(hr/m))，b＝((hr/m)-1)，c＝(h²k/m)

则我们得到(1)式。

用m、r、k进行实验可以得到最好的值。因为m可以解释为“重量”，r可以解释为“粘度”，k可以解释为“弹力”，这就变得容易了。

加入了差分以去除低频成分并使上升的压力变得线性化。

尽管在实施例的示例中，通过移动可移动适配器而将浆状物吸入柱中来说明本发明，也可直接将浆状物利用泵抽入柱中。此外，也可在床身的“澄清”和压缩澄清床的过程中，以非恒定的速度来移动适配器，例如，以(例如)10厘米/分钟适配器速度开始床身的“澄清”，当适配器接近所估计的澄清床的高度时，就降低适配器的速度，然后继续以较慢的速度(例如0.5厘米/分钟)来使适配器下降。这些适配器的速度仅仅是示例性的，任何合适的适配器的速度都可以使用，例如从少于0.5厘米/分钟(比如0.1厘米/分钟)到大于10厘米/分钟(比如12.5厘米/分钟)。

此外，根据本发明的填料系统可能设有人工控制装置，这样操作者可以在部分填料过程或者全部填料过程中控制适配器的速度，而软件可用于监控适配器的运动并计算断点。预测断点的位置、优选地与适配器的预测位置信息(为获得所需压缩系数而需要的)一起都可以提供给操作者，而操作者控制适配器的运动，直到它达到与所需床身压缩量相对应的位置。

在本发明的实施例中，柱是圆筒形的并且有不变的直径，因此使圆筒容量和床身高度成线性关系，也可以把本发明应用到其它形状的柱中，则容量和高度不再是线性关系。

本领域的技术人员可以从本发明中获利并做出大量的改进。这些修改被认为是包含在本发明的范围内的，而该范围阐明在所附的权利要求中。

Claims (8)

1.一种柱填料系统，其包括带有纵轴线的柱和可移动适配器，所述可移动适配器是可移动的，且同时被控制单元监控，所述系统还包括压缩装置，所述压缩装置包括自动化软件和硬件，沿所述柱的所述纵轴线在所述柱中压缩床身介质的澄清床，以形成以预定量压缩的、已压缩的填料床，其中，所述控制单元设有软件以确定所述可移动适配器开始压缩所述澄清床时的断点；

所述软件能够计算所述可移动适配器为达到预定的床身压缩量而必须从所述断点处移动的距离，所述软件还能够控制所述可移动适配器到相应于所述距离的位置的运动。

2.根据权利要求1所述的柱填料系统，其特征在于，所述软件能够产生与所述断点的位置相应的、操作者易读的信号。

3.根据权利要求2所述的柱填料系统，其特征在于，所述软件还能够产生相应于所述距离的、操作者易读的信号。

4.根据权利要求1所述的柱填料系统，其特征在于，所述柱是色谱柱，而所述床身包括色谱介质。

5.一种用于对柱进行填料的方法，其包括：

提供带有自动控制单元的柱填料系统，所述自动控制单元包括自动化软件和硬件；

利用所述控制单元来监控可移动适配器在柱中的运动，所述柱包含床身介质的澄清床；

利用所述控制单元来确定所述可移动适配器开始压缩所述澄清床时的断点；并且

在确定所述断点后，使用所述软件来计算所述可移动适配器为达到预定的床身压缩量而必须从所述断点处移动的距离，并且把所述可移动适配器移动到与所述距离相对应的位置上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：产生操作者易读的、与所述断点的位置相对应的信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：产生操作者易读的、与所述距离相对应的信号。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法实施在色谱柱上，所述床身包括色谱介质。

Images