CN101925813B - 柱装填方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在柱(3)中装填介质床的方法。根据本发明，该方法包括以下步骤：对连接到柱(3)上的控制单元(15)提供数据，所述数据至少包括测量的料浆浓度、目标床高度、目标装填系数或压缩系数，以及关于目标床高度和目标装填或压缩系数中的至少一个的最小和最大的可接受的值；沿着柱(3)的纵向轴线推动可动适配器(9)，以便装填介质；检测介质床何时固结；控制单元(15)处理所提供的数据和关于固结的床的高度的信息，以便对使用者呈现可接受的床高度，如果有的话，给出可接受的装填或压缩系数。

Description

柱装填方法

技术领域

本发明涉及用于柱(column)的介质装填(packing)系统和用于在柱中使用的介质装填方法。更具体地，本发明涉及用于改进将色谱介质装填到色谱柱中的质量、简易性以及一致性的方法。 

发明背景 

在液相色谱法中使用的柱典型地包括包围载液流过的多孔色谱介质的装填的床的管状体，其中，通过载液和固相的多孔介质之间的物质收集来进行分离。典型地，介质作为通过固结分散微粒的悬浮液(其称为料浆(slurry)，该料浆被泵送、灌注或吸入到柱中)而形成的装填的床而被包围在柱中。通过压缩料浆使其被装填到一定容积(该容积小于在料浆被允许在重力的影响下沉积以形成沉积床的情况下所占用的容积)中来实现将料浆固结成固结的装填的床。随后的色谱分离的效率强烈地依赖于1)在装填的床的流体入口和出口处的液体分配和收集系统，2)介质微粒在装填的床中的特殊定向(也称为装填几何结构)，以及3)装填的床的压缩。如果装填的床的压缩太低，则在该床上执行的色谱分离会经受“拖尾”(tailing)，而且一般来说，这种不充分地压缩的床是不稳定的。如果装填的床的压缩太高，则由床执行的色谱分离会经受“前延”(leading)，而且这种过度压缩的床可影响通过量和结合量，而且一般来说会引起高得多的操作压力。如果压缩是最优的，则在使用期间形成的分离峰会展现少得多的前延或拖尾，且分离峰值是基本对称的。用实验方法针对各个柱大小(宽度或直径)、床高度以及介质类型来确定柱所需的最优压缩程度。 

在任何分离过程之前，必须从必须引入到柱中的微粒的料浆开始 制备床。床形成的过程被称为“装填进程”，且正确地装填的床是影响包含装填的床的柱的性能的关键因素。装填进程的主要目标之一是提供以最优压缩量(即最优压缩系数)压缩的床。当被最优地压缩时，经常是由使用者限定的床的高度被称为目标压缩床高度。 

优选通过将预定体积的具有特定浓度的介质微粒的料浆注入柱中来制备大规模的柱。一旦预定体积的料浆已经输送到柱中，就需要通过通常以恒定的速度使可动适配器(adapter)沿着柱的纵向轴线朝向柱的底部运动来进一步固结和压缩料浆。在此进程期间的过剩液体在柱出口处被排出，同时借助于具有太小而不允许介质微粒穿过的孔的过滤物质(所谓的“床支承件”(bed support))来保留介质微粒。一旦装填的床已经通过最优的压缩程度压缩，就完成了装填过程。如果压缩床允许良好和稳固的色谱性能，则认为装填过程是成功的。但是，通过手动的方式在色谱柱中装填色谱介质的这种最优压缩的床在实践中是不容易实现的，因为最终的装填的床的质量很大程度上取决于操作员的技术。在柱的填充(filling)和随后的装填期间，操作员手动地选择和调节所有的装填参数，例如阀位置、泵速度、适配器的运动速度等。操作员必须测量料浆浓度，以便决定应该将多少料浆填充到柱中。如果对料浆浓度的测量不精确(经常发生这种情况，因为难以精确地测量料浆浓度)，则填充到柱中的料浆的体积不是最优的，且固结的床将沉淀在不期望的(如根据所测量的料浆浓度所计算的)床高度处，因此不能在目标床高度处实现目标装填系数。另外，操作员还必须判断适配器何时开始压缩床的时刻。使用该时刻来计算适配器必须再运动多远，以便获得期望的压缩量。对任何装填参数的错误选择通常会导致表现不佳的柱。另外，在装备有透明管的柱中，通过眼睛难以判断床的压缩实际上是何时开始的，而且在配备有不透明的管(例如不锈钢)的柱中，通过眼睛无法判断床的压缩实际上是何时开始的，在这一点上的显著误差会使得无法获得最优地压缩的床。 

如果使用者做出了错误的决定，还存在损害介质和柱的风险。 

因此，需要用于将色谱介质以精确地且可再生的方式装填到色谱柱中的系统和方法。对错误地装填的柱进行重新装填是耗时的，且要花费大量金钱。 

发明内容

本发明的目标是提供柱装填系统和用于将介质装填到柱中的方法以便克服现有技术的系统的缺点。 

本发明的另一个目标是提供在可接受的床高度处对压缩床给出可接受的装填系数的柱装填方法和系统。 

在根据本发明的方法中、根据本发明的设备中以及根据本发明的控制单元中实现这一点。 

因此，将不同的可接受的床高度及其期望的可接受的装填或压缩系数呈现给使用者。 

适当地，对使用者呈现关于何时停止装填的时间或距离窗，从而使得床高度和装填因子两者均在给定的可接受的范围内。因此，使用者可容易地看见何时停止装填的不同选项。 

优选地，如果不能实现可接受的床高度值或者如果在最小的可接受的床高度已经过去之后使用者还没有停止装填，则对使用者呈现警报。因此，可防止介质和/或柱的损害。 

适当地，方法还包括：如果不能实现可接受的床高度值或者如果在最小的可接受的床高度已经过去之后使用者还没有停止装填，则控制装填在预定时段之后自动停止。因此，可防止介质和/或柱的损害。 

附图说明

参照附图阅读以下描述时，本发明的这些和其它优点将变得更加显而易见，其中： 

图1是根据本发明的介质装填系统的示意图； 

图2是描述了根据本发明的装填方法的流程图； 

图3是根据本发明的使用者接口的示意图； 

图4A是根据本发明的一个实施例的固结过程的更加详细的流程图； 

图4B是根据本发明的一个实施例的压缩过程的详细流程图。 

具体实施方式

参照附图对本发明的目前优选的实施例进行描述。优选实施例的描述是示例性的，且不意在限制本发明的范围。 

如在本文中和在所附权利要求书中所使用的那样： 

术语“柱”意在包括术语“容器”和“单元”，以及分离领域的实践者所使用的任何其它结构，以实现分离，以及/或者反应，以及/或者催化，以及/或者通过使混合物与固体或液体交换介质(称为装填的床)接触来从混合物中提取成分。 

术语“料浆”是介质微粒和液体的分散体(dispersion)。 

术语“纵向流向”指的是在柱内从入口朝向出口的流向。在不考虑方向的情况下，一致地使用“纵向”来指示流体通过单元的主要流径。 

术语“分配系统”指的是通过其将流体引入到柱的结构，而术语“收集系统”指的是用来收集来自柱的流体的结构。 

术语“沉积床高度”指的是这样的介质微粒的床的高度，即，当在料浆中的介质微粒被允许仅在重力的影响下沉积之后形成床时，获得该介质微粒的床的高度——这种床被称为“沉积床”。 

术语“固结的床的高度”指的是这样的介质微粒的床的高度，即，当在当通过1)将液体泵送到柱中，2)通过从柱中泵送出液体，或者3)通过强制液体离开柱的可动适配器的运动(例如下降)而在纵向流向上施加流体流通过柱时，料浆中的介质微粒被迫沉积期间，在柱中形成床时，获得该介质微粒的床的高度——这种床称为“固结的床”。 

术语“压缩床高度”指的是这样的在柱中的介质微粒的床的高度， 即，当例如通过与可动适配器等接触和可动适配器等的进一步的运动，或者通过以比在床的固结期间所使用的速率高的速率将流体泵送通过柱而压缩固结的或沉积的床时，获得该在柱中的介质微粒的床的高度——这种床被称为“压缩床”。 

术语“压缩系数”定义为(沉积床高度)/(压缩床高度)，而术语“装填系数”定义为(固结的床的高度)/(压缩床高度)。此后，当使用装填系数时，应当理解的是可使用压缩系数来替代。 

图1是根据本发明的柱装填系统的示意图。该系统包括柱3，该柱3包括由圆柱形柱壁7围绕的上盖或法兰5a和下端板5b。在柱3中的盖或法兰5a和下端板5b之间定位有连接到可连接到液体输送系统14上的柱入口11上的可动适配器9(其可设有：意在在柱3的截面上基本均匀地分配进入液体的液体分配系统(未显示)；和带有精细得足以防止床微粒穿过其中的网眼的、在柱的截面上延伸的床支承件(未显示))，该液体输送系统14输送液体，例如样本混合物、洗提液、缓冲液等。可通过诸如电动、液压或气动马达或活塞/汽缸促动器的促动器(未显示)使可动适配器9在柱的纵向方向上运动。 

可通过定位在柱的底部中的喷嘴或阀12将料浆吸入柱3中。喷嘴或阀12连接到料浆箱13上。可动适配器9设有定位机构(未显示)，以确定可动适配器相对于固定基准面(例如下端板5b的上侧)的位置(“x”)，且将对应于距离x的信号发送到控制单元15，在此实例中，该控制单元15连接到液体输送系统14和适配器促动器上。但是相反也可将控制单元15建造到液体输送系统14中。促动器的操作以及可动适配器9的对应的向上或向下运动可由控制单元15控制。控制单元15优选包括用于控制柱3的操作的硬件和软件。控制单元15控制例如阀的打开和关闭以及可动适配器运动的速度。此类柱装填系统在本领域中是众所周知的，因此本文不需要描述全部细节。 

根据本发明，控制单元15还包括用于引导使用者通过装填进程的软件。因此，控制单元15设有某类显示单元或连接到某类显示单 元上。另外，控制单元15设有某类键盘或者连接到某类键盘上，使用者可在键盘处输入数据。 

图2是根据本发明的装填过程的流程图。以下对步骤进行了描述： 

S1：使用者对控制单元15提供输入数据。在一个实施例中，这些输入数据为：介质类型、料浆浓度(由使用者测得)和目标床高度，优选地以及最大和最小的可接受的床高度。在此实施例中，控制单元设有与不同的可能的介质类型有关的数据，即在使用者给定介质类型的情况下，控制单元知道此介质的特征，例如目标装填系数(在此实例中，将使用装填系数，但同样可使用压缩系数)，优选地最大和最小的可接受的装填系数、装填速度以及适于此介质的填充速度。在另一个实施例中，使用者还可对控制单元15提供这些输入数据，而非提供介质类型。 

S3：控制系统控制柱的填充，即打开喷嘴或阀12，且使适配器9向上运动，从而从料浆箱13中吸入料浆。存在给柱加注料浆的其它可行方式，例如使用泵或加压箱。控制单元中的软件使用输入数据和柱的尺寸的信息来计算应将多少料浆吸入柱中。因此，控制单元自动地用适当量的料浆填充柱(即控制适配器的运动)，从而使得随后可实现期望的目标床高度。 

S5：开始装填进程，即由控制单元15控制可动适配器9向下运动，即朝向端板5b。这种运动的速度优选为控制单元的软件中的与所选介质类型有关的预设值。但是，在另一个实施例中，使用者可将此数据输入到控制单元。 

S7：检测固结的床，即：例如设在柱中的且连接到控制单元上的压力传感器对控制单元提供固结的床已经形成的信号。这在之前已经有所描述且此处将不会对其进行详细描述，但是在固结的床的形成期间且尤其当适配器遇到床时柱中的压力将改变。如上所描述的那样，当应当计算装填系数时，固结的床的高度是重要的量度。也可通过测量使适配器运动的马达电流来检测固结的床，该马达电流将由于变化 的电阻而改变。固结的床的视觉检测也是可行的。可选地，在将关于图4A进一步被描述的本发明的一个实施例中，软件请求使用者确认已经检测到固结的床以便能够忽略错误检测。 

S9：控制单元中的软件处理输入数据和所测量的固结的床的高度，以便对使用者呈现关于何时停止对床的进一步装填的不同选项。软件可对使用者说明装填何时应当停止，以用于在给定的输入数据和所测量的固结的床的高度的情况下实现最优地装填的床。如果连同最大和最小的可接受的值一起给出了目标床高度和目标装填系数两者，则可以图解的方式对使用者显示窗口(即可接受的值的范围)，在其中，清楚地显示了关于各个床高度的装填系数值。例如，可将此窗口对使用者显示为绿色区域(见关于图3的进一步的描述)。还可行的是使绿色区域与信号结合，告诉使用者如果现在停止装填(在信号期间)，则将实现床的期望状态。还可对使用者显示其它有关的数据，例如直到将达到绿色区域的时间、直到将达到目标床高度的时间、使床高度最小化的时间等。如果装填系数或目标床高度中任何一个都没有伴随最大和最小的可接受的值，则不会对使用者显示这种绿色区域。但是，将对使用者显示到达目标床高度(或目标装填系数)的时间和关于将达到哪个装填系数(或床高度)以及此装填系数(或高度)是否可接受的信息。 

S11：使用者手动停止装填(优选根据由S9中的软件给出的建议)。但是，如果装填在绿色区域之外停止(或者如果不存在绿色区域：在未实现床的期望状态的位置中)，软件优选对使用者显示警报。(将关于图4B对此进行进一步的描述)。另外，如果使用者根本就不停止装填，则控制单元可编程成在预定时段之后自己停止装填。这将确保介质和/或柱不受损。 

图3示出了根据本发明的一个实施例的可行的使用者接口。在此实例中，连同最大和最小的可接受的值(在此实例中：1.12-1.18和19-21)一起给出了目标装填系数(1.15)和目标床高度(20)两者。然后对使用者 显示“绿色区域”(图3中的阴影区域)，在其中，根据由软件根据输入数据和所测量的固结的床的高度进行的计算，装填系数和床高度两者是可接受的。因此，使用者可清楚地看见可在哪个床高度值的范围中停止装填，以及然后将实现哪个装填系数。优选地还对使用者显示诸如直到达到“绿色区域”的时间的其它信息。在另一个实施例中，不存在“绿色区域”，即不存在装填系数在该处同样是可接受的可接受的床高度。在这种情况下，将这一点通知使用者，且使用者可决定对柱进行重新装填。 

图4A更加详细地描述了根据本发明的一个实施例来检测固结的床的步骤。在以下对框进行了描述： 

B1：适配器向下运动，且固结正在进行。 

B3：检测到固结的床。如上所述，存在不同的检测可能性。 

B5：应当存在使用者命令控制单元忽略此检测的可能性，因为使用者可看见这是错误检测。在此实施例中，过程仅仅返回到B1，等待对固结的床的下一次检测。 

B7：如果使用者出于任何原因既没有确认也没有忽略检测，则过程继续到这个“无回应”框，且适配器优选在预定时段之后自动停止。这是要确保柱和/或介质不受损。 

B9：如果使用者确认了检测到的固结的床，则过程将前进到压缩B11，如将关于图4B进一步所描述的那样。 

B13：另一方面，如果在达到床高度或装填系数的给定下限之前还没有检测到固结的床，则优选对使用者显示警报，且适配器也优选自动停止，从而使得柱和/或介质不受损。然后使用者优选具有继续或从头开始的选择权，且使用者可能会改变一些错误的输入参数。 

图4B是根据本发明的一个实施例的压缩过程的更加详细的描述。在下面按次序对步骤进行了描述： 

B11：开始固结的床的压缩。已经测量到固结的床的高度，且控制单元中的软件将使用该固结的床的高度来进行计算。对使用者显示 信息。在一个实施例中，使用者接口类似于图3中所示的使用者接口，且使用者接口显示了“绿色区域”。优选对使用者显示全部必要的信息，包括哪个(些)床高度将给出可接受的装填系数值，且还优选地包括直到达到这些床高度所剩的时间的信息。 

B13：进入“绿色区域”(如上所述)。或者如果仅对目标床高度或目标装填系数中的一个给定最大值和最小值，则“绿色区域”将仅为绿线，也就是将给出同样是可接受的装填系数的床高度值，反之亦然。 

B15：在此“绿色区域”内(或者对应地在关于如由控制单元中的软件呈现给使用者的床高度和装填系数两者的可接受的值内)由使用者停止压缩。因此，装填完成，而且装填是成功的。 

B17：在“绿色区域”已经过去之后由使用者停止压缩。(或者对应地在实现预设条件的目标值已经过去之后)。 

B19：在这种情况下(B17)，将对使用者显示警报。警报例如可告诉使用者压缩过度。然后使用者可决定是否想要手动地调节床高度，或者床高度是否仍然是可接受的，或者使用者可决定对柱进行重新装填。 

B21：如果在使用者没有停止压缩的情况下经过了“绿色区域”(或单个可接受的值)，则优选地，适配器在预定时段之后或在预定的进一步量的床压缩之后自动停止。这是为了避免损害柱和介质。 

B23：同样此处应当优选对使用者显示警报，告诉使用者压缩过度。 

B25：另一种可能性是根据由软件使用输入数据和固结的床的高度所进行的计算，不存在装填系数在该处同样是可接受的可接受的床高度值，即没有“绿色区域”。在这种情况下，应当对使用者显示警报，告诉使用者无法满足规定。然后使用者可具有停止过程或手动继续的选择权。 

B27：另外，如果没有记录到来自使用者的回应，则压缩应当优 选在预定时段之后自动停止。 

虽然，本发明已经通过实施例的实例(其中柱是圆柱形的，且具有恒定的直径，这使得筒体积和床高度之间的线性相关成为可能)说明，但是还可设想修改本发明，以使其应用于其中相关性是非线性的其它柱形状。 

虽然已经在上文中根据具体实施例来对本发明进行了描述，但是如将对本领域技术人员显而易见的，可在不偏离如权利要求书中阐明的本发明的精神和范围的情况下做出本发明的许多修改和变化。 

Claims (15)

1.一种用于在柱(3)中从为介质微粒和液体的分散体的料浆中装填介质床的方法，所述方法包括以下步骤：

-对连接到所述柱(3)上的控制单元(15)提供数据，所述数据至少包括测量的料浆浓度、目标床高度、目标装填系数或压缩系数，以及关于目标床高度和目标装填或压缩系数的最小和最大的可接受的值；

-根据柱尺寸和所提供的数据，给所述柱(3)填充正确量的料浆；

-沿着所述柱(3)的纵向轴线推动可动适配器(9)，以便装填所述介质；

-检测所述介质床何时固结；

-所述控制单元(15)处理所提供的数据和关于固结的床高度的信息，以便对使用者呈现可接受的床高度，给出可接受的装填或压缩系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制单元(15)还适于对使用者提供关于何时停止装填的时间窗或距离窗，从而使得床高度和装填或压缩系数两者在给定的可接受的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：如果不能实现可接受的床高度值，或者如果在最小的可接受的床高度已经过去之后使用者还没有停止装填，则对使用者呈现警报。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：如果不能实现可接受的床高度值，或者如果在最小的可接受的床高度已经过去之后使用者还没有停止装填，则控制装填在预定时段之后自动停止。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：使用者将介质类型输入控制单元中，然后控制单元针对目标装填或压缩系数、最大和最小的装填或压缩系数，从数据库中检索与这种具体的介质类型有关的预设值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：使用者将介质类型输入控制单元中，然后控制单元针对适配器运动在装填期间的最优速度和用于给所述柱填充料浆的最优速度，从数据库中检索与这种具体的介质类型有关的预设值。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对使用者呈现时间信息以及所述可接受的床高度，所述时间信息是关于下者的信息：达到可接受的床高度将要多长时间，且如果存在可接受的床高度的范围，则在装填期间这种可接受的床高度范围将持续多长时间。

8.一种布置成引导使用者通过用于在柱中装填介质床的进程的设备，所述设备包括：

-用于从使用者和/或从数据库中检索数据的装置，所述数据包括从其中装填所述介质床的料浆的浓度、连同最小和最大的可接受的床高度值的目标床高度，以及连同最小和最大的装填或压缩系数值的目标装填或压缩系数；

-用于检索关于固结的床高度的信息的装置；

-用于处理检索到的数据和固结的床高度，以便确定哪个床高度值将提供可接受的装填或压缩系数的装置；

-用于对使用者呈现可接受的床高度，给出可接受的装填或压缩系数的装置。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，用于对使用者呈现可接受的床高度的装置还包括如下装置，其对使用者提供关于何时停止装填的时间或距离窗，从而使得床高度和装填或压缩系数两者在给定的可接受的范围内。

10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括如下装置，其如果不能实现可接受的床高度值，或者如果在最小的可接受的床高度已经过去之后使用者还没有停止装填，则对使用者呈现警报。

11.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括如下装置，其如果不能实现可接受的床高度值，或者如果在最小的可接受的床高度已经过去之后使用者还没有停止装填，则控制装填在预定时段之后自动停止。

12.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括如下装置，其从使用者检索关于介质类型的信息，然后针对目标装填或压缩系数、最大和最小装填或压缩系数，从数据库中检索与这种具体的介质类型有关的预设值。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述设备还包括如下装置，其从使用者检索关于介质类型的信息，然后针对适配器运动在装填期间的最优速度和用于给所述柱填充料浆的最优速度，从数据库中检索与这种具体的介质类型有关的预设值。

14.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述设备还包括如下装置，其对使用者呈现时间信息以及可接受的床高度，所述时间信息是关于下者的信息：达到可接受的床高度将要多长时间，且如果存在可接受的床高度的范围，则在装填期间这种可接受的床高度范围将持续多久。

15.一种柱装填系统中的控制单元，所述控制单元包括根据权利要求8-14中任一项所述的设备。