CN102047107B - 自动化的柱填充方法 - Google Patents

Abstract

一种用于由是介质颗粒和液体的悬浮液的浆料来自动地而无需任何必需的人工交互作用地填充柱(3)中的介质床的方法，所述方法包括全部自动执行的步骤(a)-(f)：a)用一定体积的浆料装填柱(3)；b)用浆料将介质床填充到预定义的目标床高度或预定义的目标床压缩状态；c)测试填充床的分离效率；d)如果测试结果不可接受，则对床进行自动卸料，备选地，如果测试结果不可接受，则对填充床进行流动调节，并且返回到c)；e)基于测试结果来计算待装填到柱中的浆料的新的体积；f)从a)开始重复。

Description

自动化的柱填充方法

技术领域

本发明涉及用于柱的介质填充系统和用于在柱中使用的介质填充方法。更具体而言，本发明涉及用于提高将层析介质填充到层析柱中的质量、简易性和一致性的方法。

背景技术

在液相层析法中使用的柱典型地包括封闭多孔层析介质的填充床的管状主体，载液流过多孔层析介质，通过载液和多孔介质的固相之间的材料收集来进行分离。典型地，介质作为通过固结离散颗粒的悬浮液(已知为泵送、倾注或吸入柱中的浆料)而形成的填充床而封闭在柱中。通过压缩浆料使其填充一定体积(该体积小于在允许浆料在重力的作用下沉淀来形成沉积床的情况下其将占用的体积)中来实现将浆料固结到固结的填充床中。随后的层析分离的效率强烈地依赖于1)在填充床的流体入口和出口处的液体分配和收集系统，2)填充床中的介质颗粒的空间定向(也已知为填充几何)，以及3)填充床的压缩。如果填充床的压缩(程度)太低，则在该床上执行的层析分离会经受“拖尾(tailing)”，而且一般而言，这种未充分压缩的床是不稳定的。如果填充床的压缩(程度)太高，则由床执行的层析分离会经受“前延(leading)”，而且这种过度压缩的床可影响生产量和粘合能力，而且一般而言，造成高得多的操作压力。如果压缩是最佳的，则在使用期间形成的分离峰会展现低得多的前延或拖尾，并且分离峰基本是对称的。针对各个柱大小(宽度或直径)、床高度和介质类型，用实验的方式确定柱所需的最佳压缩程度。

在任何分离过程之前，必须准备好柱和床。在对柱装填浆料之前，通常需要准备柱、通往/来自柱和连接到柱上的阀的软管。这意味着从柱和连接到系统上的软管上吹走空气。通常，液体流过系统和柱，以吹走空气。在柱已经装填好之后，借助于通过床支承件或通过喷雾嘴的液体流，可对柱加压，以迫使最后剩余的空气离开柱。可通过这样的方式来实现这一点：继续对着关闭的出口将液体泵送到柱中，然后打开出口释放压力；或者通过使可动适配器迅速向下移动，从而通过床支承件排出空气(可能一次一个)。在准备之后，常常还需要对柱进行清洁。然后可对柱装填浆料，以及进行填充程序。床形成的过程称为“填充程序”，且正确地填充的床是影响填充床的性能的关键因素。填充程序的主要目标之一是提供被压缩达最佳压缩量(即最佳压缩系数)的床。通常在床被最优地压缩时由用户定义的床的高度称为目标压缩床高度。

可通过将具有规定浓度或已知浓度的介质颗粒的预定体积的浆料吸入或喷射入柱中来准备大型的柱。一旦预定体积的浆料输送到柱中，就需要通过例如沿着柱的纵向轴线朝向柱的底部移动可动适配器来固结和压缩该浆料，通常以恒定速度将液体和颗粒两者推向柱的底部。在柱出口处排出在此程序期间的过量液体，同时借助于过滤材料(所谓的“床支承件”)来保持介质颗粒，其中孔太小以至于不能允许介质颗粒通过。一旦填充床被压缩达最佳压缩程度，填充过程就完成。如果压缩床允许获得良好且稳定可靠的层析性能，就认为填充过程是成功的。存在可在本发明中使用的备选填充方式。例如，可应用流来强制浆料中的颗粒移向柱的出口，而非向下移动适配器。另外的备选方案是使用喷雾嘴，喷雾嘴在浆料中喷射，直到实现填充床为止。将在下面对这些方法进行进一步的描述。但是，通过人工手段将这种最优地压缩的层析介质床填充到层析柱中在实践中是不容易完成的，因为最终填充床的质量在很大程度上取决于操作员的技能。在柱的装填和随后的填充期间，操作员人工地选择和调节所有的填充参数，例如阀位置、泵速度、适配器的移动速度等。操作员必须测量浆料浓度，以便决定应当将多少浆料装填到柱中。如果浆料浓度的测量是不准确的(经常出现这种情况，因为难以准确地测量浆料浓度)，装填到柱中的浆料的体积就不是最优的，而且固结床(consolidated bed)将在非预期的(根据测得浆料浓度所计算出的)床高度处沉淀，并且从而不能在目标床高度处实现目标压缩。此外，操作员还必须判断当适配器开始压缩床的点。这个点用来计算适配器还必须进一步移动多少以便获得需要的压缩量。选择任何填充参数时的错误通常都会导致性能不良的柱。另外，在配备有透明管的柱中，可能难以用眼睛判断床的压缩实际上在何时开始，而在配备有非透明管(例如不锈钢)的柱中，不可能用眼睛判断床的压缩实际上在何时开始，而且在这一点上的重大误差使得不可能获得最优地压缩的床。

如果用户作出错误决定的话，还存在损害介质和柱的风险。

当介质床已经填充到柱中时，有时执行效率测试，以便判断填充床是否足够良好以便使用。这可为例如脉冲测试、过渡测量或压力/流量属性的测试。如果测试的结果显示填充床的质量不可接受，则需要对床进行卸料，然后重新填充，以便提供可接受的填充床。

需要执行的所有这些步骤当然是耗时的。操作员误差是普遍的，这会导致耗时且代价高的重新填充。

因此，需要一种用于将层析介质精确且可再生地填充到层析柱中的系统和方法。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种用于将介质填充到柱中的柱填充系统和方法，以便克服现有技术的系统的缺点。

这在根据权利要求1的方法、根据权利要求7的计算机程序产品和根据权利要求8的控制单元中得到实现。

在此，所有这些步骤是自动执行的，而不需要任何人工交互作用。因为装填、填充、测试，可能还有卸料和重新填充两者均包括在此自动过程中，所以最终将提供根据执行的测试为可接受的填充床，而不需要来自用户的任何交互作用。

适当的实施例在从属权利要求中所有描述。

附图说明

当结合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是根据本发明的一个实施例的介质填充系统的示意图；

图2是描述了根据本发明的一个实施例的填充方法的流程图。

具体实施方式

参照附图来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，并且不意在限制本发明的范围。

如本文和所附的权利要求书中所用：

术语“柱”意在包括术语“容器”和“单元”，以及分离领域的实践者使用来通过使混合物与固体或液体交换介质(已知为填充床)进行接触来实现来自混合物的成分的分离和/或反应和/或催化和/或提取的任何其它结构。

术语“浆料”是介质颗粒和液体的悬浮液。

术语“纵向流向”指的是在柱内从入口朝向出口的流动方向。“纵向”一贯用来指定通过单元的流体的主要流径，而不考虑方向。

术语“分配系统”指的是流体通过其被引导到柱且分散在柱的整个截面积上的结构，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”指的是这样的介质颗粒床的高度：该高度是当在允许浆料中的介质颗粒仅在重力的作用下沉积之后形成床(这种床称为“沉积床”)时获得的。

术语“固结床高度”指的是在这种时候在柱中形成床(这种床称为“固结床”)时获得的介质颗粒床的高度：当在通过1)将液体泵送到柱中，2)通过将液体泵送出柱，或者3)通过移动(例如降下)可动适配器(这会迫使液体离开柱)来沿纵向流向将流体流应用通过柱时，浆料中的介质颗粒被迫沉积时。

术语“压缩床高度”指的是在这种时候获得的柱中的介质颗粒床的高度：当已例如通过与可动适配器等接触，并且进一步移动可动适配器等，或者通过以比在床的固结期间使用的速率更高的速率将流体泵送通过柱而压缩固结床或沉积床时—这种床称为“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“填充系数”定义为(固结床高度)/(压缩床高度)。以下，当使用填充系数时，应当理解，可使用压缩系数来代替。

图1是根据本发明的一个实施例的柱填充系统的示意图。该系统包括由圆柱形柱壁7围绕、包括上盖或法兰5a和下端板5b的柱3。定位在柱3中的盖或法兰5a和下端板5b之间的是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(其可设有意在将进入液体基本均匀地分配在柱3的截面上的液体分配系统(未显示)，以及在柱的截面之上延伸的、具有精细得足以防止床颗粒穿过其中的网的床支承件(未显示))，液体输送系统14输送液体，例如样品混合物、洗提剂、缓冲剂等。诸如电气、液压或气动马达或活塞/缸体促动器的促动器(未显示)可使可动适配器9沿柱的纵向方向移动。

可通过定位在柱的底部中的喷嘴或阀12将浆料吸入柱3中。喷嘴或阀12可能通过浆料罐阀17连接到浆料罐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水平(例如下端板5b的上侧)的位置(“x”)，并且对应于距离x的信号被发送到控制单元15，在此实例中，控制单元15连接到液体输送系统14上，并且因此可控制通向柱和从柱通出来的阀的打开和关闭。但是，控制单元15可改为构建在液体输送系统14中。控制单元15进一步连接到适配器促动器上，连接到浆料罐阀17上，以及连接到喷嘴或介质阀12上，以通过适当的方式来控制它们。在本发明的一个实施例中，控制单元15还可连接到优选地定位在浆料罐的出口附近的某处的在线浆料浓度测量装置18上。促动器的操作和可动适配器9的对应的向上或向下移动由控制单元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(即液体输送系统和柱的入口和出口之间的阀、介质阀12和浆料罐阀17)的打开和关闭以及可动适配器移动的速度。

在图1中，显示了柱的一个实例。但是，存在其填充过程也可根据本发明为自动化的其它类型的柱。例如，不一定必须通过向下移动适配器来执行填充。根据本发明可为自动化的填充过程的另一个实例是这样的柱：其中适配器置于预期的最终填充床高度处，并且通过该柱的顶部中的喷嘴来同时装填和填充该柱。当浆料喷射到柱中时，过量液体将通过底部的床支承件离开柱。浆料的颗粒将由床支承件保持，并且床将从底部开始建立。当正确的浆料量已经从浆料罐输送到柱时，就可关闭填充泵，并且收回喷嘴。通过按重量或者通过柱的入口处的流量计测量罐中的浆料量，这个填充可为自动化的。对于具有喷雾嘴的柱而言，喷射动作可用来打破床，并且对柱进行卸料。最终，床被打破，并且可通过柱泵送出浆料。

另一个可行的解决方案是将这个填充方法与可动适配器结合起来。可如以上描述的那样填充柱，但是，这次床未被压缩。相反，适配器用于最终压缩。

还可行的是以除了上述之外的另一种方式来填充图1中所描述的柱。不是通过适配器的向下移动来建立液体流，而是适配器可保留在装填位置上，同时使用通过顶部床支承件的液体流来固结或填充床。可改变流率，使得床首先被固结，然后被填充。最后，当通过流压缩床时，适配器可下降到床表面，以防止床膨胀。

根据本发明，提供了一种用于填充柱的完全自动化的过程。图2是根据本发明的一个实施例的填充过程的流程图。

该过程可包括以下步骤：

步骤1：准备系统(此步骤可选地包括在根据本发明的自动化的过程中)，即：以吹走包括软管、阀与柱两者的系统中的空气。可根据众所周知的方法来完成这一点。可如何完成这一点的一个实例是首先通过将液体泵送通过所有的有关软管来用液体准备通往柱和罐的所有液体连接。然后，用液体装填柱，直到尽可能多的空气已被推出柱为止，且然后适配器向下移动，从而首先通过顶部筛然后通过底部筛排出过量的空气和液体，或者反之亦然。

步骤2：在自动化的过程中可选地包括柱的清洁。

步骤3：在本发明的一个实施例中，在线自动测量浆料浓度。

步骤5：可选地，可自动计算装填高度(应当将多少浆料装填到柱中)。基于目标床高度、填充系数和浆料浓度来计算装填高度。或者，可将柱装填到预定高度，或者可装填预定体积的浆料。

步骤7：用浆料装填柱。可选择装填速度，以适于使用的具体介质或环境状况(例如浆料浓度、粘度和温度)。浆料容器和柱之间的通道(例如可自动地控制的阀)必须打开，使得当适配器以预定速度从底部位置向上移动时，负压将浆料从罐拉入柱中。还可借助于泵来装填柱-或者在浆料被泵送入柱中时向上推动适配器，或者通过在适配器已经在正确的装填位置上时用浆料装填柱。代替泵，可使用装填有浆料的加压罐。在泵的情况下，在计算装填高度或装填体积时，适配器将停止(如果它在移动的话)，并且阀将关闭。

步骤9：然后可选地可包括软管的自动漂洗。这是为了避免在装填之后有任何介质残留在软管中。残留介质可堵塞软管，并且因此使后面的程序更困难。

步骤11：介质床的填充。在具有可动适配器的实例中，运动相流径之一(在大多数情况下是底部)将打开，并且适配器将以预定义的速度开始向下移动，预定义的速度取决于填充的方法和被填充的介质的属性。即，依赖于用户最初作出了何种选择或输入，控制单元选择在填充期间对适配器使用哪个速度。柱内部的液体将以与适配器相同的速度开始向下移动，并且通过可渗透的底部筛和底部运动相阀而移动出来。层析介质的颗粒将不会穿过筛，而是将会由于过滤动作而停止，并且开始形成固结床。在某点上，所有颗粒将形成床，并且适配器将与填充床发生接触。适配器将如之前那样以恒定速度(速度也可以改变)继续。可借助于压力，光学传感器、促动器输出的变化或任何其它可测量的力来探测当适配器遇到床时的点。在这一点时，床松散地填充，而且在许多情况下，床需要进一步的压缩，以便于其获得期望的分离性能、期望的长期的床稳定性和抵抗由于通过填充床的流引起的压缩力的能力。如果适配器继续向下移到床中，床就将开始像弹簧一样压缩。在床和适配器接触的点之后所需的压缩量取决于适配器速度、填充缓冲剂、温度、柱直径、床高度，但是最主要取决于层析介质的属性。所需的压缩量定义为填充系数，填充系数是未压缩的床高度与压缩床高度的比率。具体介质的填充系数和当前适配器速度确定床应当进一步压缩多少，并且因此适配器在达到最终的床高度之前还将进一步移动多少。如果进入的浆料浓度是正确的，则适配器将在预期的目标床高度处停止。这个特征还允许有不对床进行任何探测的方法，因为可根据输入数据来计算最终的床高度。然后适配器将仅基于计算来简单地移动到预定位置。如果可允许有最终的床高度或填充系数的变化，软件就可编程为将这些考虑因素考虑在内。这允许一些输入误差或浆料浓度测量误差。在这个程序的结尾，对柱进行填充。如上所述，还存在可在本发明中使用的其它填充方法。

步骤12：效率测试。在许多情况下，期望测量填充床的均一性或效率。可用许多方式来实现这一点，最普通的是进行脉冲测试或者通过过渡分析。泵系统可配备有必要的阀和探测器，以根据考虑了介质的类型、床高度和柱体积的预编程的方法来执行这些测试。

以下列出和概述了可用来评估床的质量的各种测试。典型地可使用一个或多个测试，并且本文包括了最普通的一些测试。也就是说，测试不应限于本文列出的一些测试。

脉冲测试：脉冲测试是确定填充床中的分离效率的测试，并且脉冲测试通常被报导为HETP(理论板的高度等同)和描述了峰的偏斜的不对称性。可例如通过UV或传导性来探测的小脉冲(体积常常等于柱体积的1％)的物质被注射到柱中。然后通过使该小脉冲的物质沿着柱移动直到其离开柱的物质来对其进行洗提。所产生的峰的宽度确定柱的分离效率。宽度越宽，柱中就会发生更多的混合，而且效率越低。

过渡测试：过渡测试类似于脉冲测试。差别在于不是喷射脉冲，而是具有不同传导性的新溶液被持续地泵送入柱中。在出口处，从溶液A到溶液B的过渡看作阶梯状形状。该阶梯的一阶导数与脉冲基本相同，并且可根据相同的原理来评价该一阶导数。

压力/流量：可进行压力/流量测试，以确定是否达到了最优压缩。在某个流速处的压降对床压缩非常敏感，并且(偏离)标准值的偏差可表明床没有被最优地压缩。

稳定性：稳定性测试基本上是两个脉冲测试的比较，第一个脉冲测试紧接在填充之后，另一个在床的广泛流动(例如一整夜)之后。如果两个测试之间的结果相差太多，则这表明床的性能将随着使用时间而变化。这一般是不合需要的。

空隙测量：填充床的空隙率(即颗粒之间的体积)很大程度上由压缩来确定。空隙率测量可揭示是实现了最优的压缩还是没有实现。在脉冲测试时执行该测试，但是该测试使用示踪分子，示踪分子太大以至于不能进入颗粒的任何孔，并且因此仅在床的空隙体积中运动。

如果测试结果与预定规格一致，则柱就准备好在层析分离中使用——步骤14(可能在另一个清洁步骤13之后)。在预定规格之外的结果的情况下，系统可自动启动卸料程序——步骤15。测试结果的这个分析是自动执行的，并且决定是基于预定义的接受标准的。

步骤13：测试结果与预定规格一致，并且可能执行另一个清洁步骤。还可能将柱转移到存储溶液中。因此柱可在存储期间保持其属性和清洁。

步骤14：实现了可接受的填充床，并且完成了根据本发明的过程。

步骤15：卸料。如果测试结果落在预定规格之外，即如果填充床没有满足接受标准，则可根据本发明对柱进行自动卸料(以便在略微变化的状况下再次对柱进行填充)。可以以许多方式对柱进行卸料：通过泵系统藉由任何一种运动相将液体流输送进去、适配器的向上或向下移动的联合作用，以及通过使用阀-浆料或缓冲剂可通过该阀泵送或喷射到柱中以及从柱中泵送或喷射出来。可通过测量关键参数(例如柱压力、适配器位置和速度以及流率和方向)来监测和控制整个过程。如果柱配备有用于将液体或浆料喷射到柱中的机构，则这些泵也可为自动化的。在这种情况下，床结构被喷射动作打破，并且适配器可从柱中泵送出或推出产生的浆料。或者，可通过在输送液体通过底部运动相的同时使适配器向上移动来使床膨胀。这将使床从底部筛升起，并且允许床膨胀到和/或膨胀超过未压缩的床的点。用下面的液体层来向上推动床将使床分裂，并且落到底部上。从顶部柱入口推动液体可帮助加速床的破裂。在这一点上，底部阀打开，并且起动通过底部筛的缓慢液体流，以保持介质不被再次抵靠底部筛而填充。适配器向下移动，从而强制浆料通过底部介质阀离开。适配器速度和通过底部筛的液体速度两者在整个过程中可有所改变，以产生最好的卸料条件，并且达到某个最终的浆料浓度。适配器一直向下移动到其底部位置，并且可冲洗出剩余介质。柱现在准备好进行另一个循环。以下参数的任何组合均可用来在一个或多个步骤中对柱进行卸料；可控制膨胀高度、在不同步骤中的泵流率、适配器速度、冲洗速度等，以产生特别的卸料程序。对柱进行卸料的另一个选择是将来回地从柱拉回浆料和将浆料推向柱，以使床破碎。又一个选项是关闭所有的柱入口，并且在柱中产生会把床拉开的负压。由于系统可计算介质体积和增加的液体体积，所以可朝着规定的目标浓度来进行卸料，规定的目标浓度可尽可能地高(如果意在存储或处置介质或者使介质有任何适当的浓度以便于下一次填充尝试的话)。

卸料和重新填充的一个备选方案可为通过使任何液体(例如水或填充缓冲剂)以高流率流过床来调节填充床。因此，可强制床中的颗粒到处移位，以获得更适合的填充几何，并且消除对床进行卸料的需要。在这种情况下，过程返回到步骤12，在调节之后进行测试，以观察床属性是否已经得到改善。

步骤17：基于测试结果，计算新的装填高度，即如果测试结果显示介质床没有得到足够好的填充，则可修改装填到柱中的浆料体积或浆料浓度，以便实现改进的填充床。改变填充条件以便改善填充床属性的另外的可能性将是在填充期间改变适配器速度。也许还可执行浆料浓度的新的自动测量，以便计算新的装填高度。之后，程序从步骤7(将浆料装填到柱中)开始重复。

因此，根据本发明，控制单元15包括软件，使得可自动地控制这些步骤(其中的一些是可选的)的开始和停止，而无需任何人工交互作用。操作员优选将输入数据提供给控制单元15，或者在填充过程开始之前从预先编程的列表中选择数据。所述数据可为关于待执行的实际填充的信息，诸如，例如介质类型、目标床高度、柱直径、测试条件(测试的类型、样本、溶剂、样本体积、测试速度)、填充系数，以及例如由处理系统控制的流量和压力。因此，包括测试、卸料和重新填充的整个填充过程可为完全自动化的。

控制单元15还可包括用于引导用户经过填充程序的软件。软件可包括图形用户界面，其中用户可遵从填充程序，而且也许还可中断程序，以及人工地控制过程的一个或多个部分。

在本发明的一个实施例中，可包括安全特征，例如用于监测例如柱的过度加压或介质的过度压缩的机构，以确保安全和防故障的操作。这些监测机构可为例如与柱的内部液体连接的压力计、用以控制流量的流量计、用以降低将空气应用于柱中的风险的空气传感器，而且还可为用以探测在床上施加的力的量的机构。

虽然本发明已经由实施例的实例说明-其中，柱是圆柱形的，并且具有恒定的直径，这使得圆柱体积和床高度之间能够是线性相关的，但是还可想到修改本发明，以应用于其中相关性是非线性的其它柱形状。柱例如可为辐射状柱或其它形状。

虽然在上面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那样，可作出本发明的许多修改和变化，而不偏离所附的权利要求书中阐述的本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于由浆料来自动地而无需任何必需的人工交互作用地填充柱(3)中的介质床的方法，所述浆料是该介质的颗粒和液体的悬浮液，所述方法包括全部自动执行的步骤(a)-(f)：

a)用一定体积的浆料装填所述柱(3)；

b)用所述浆料将介质床填充到预定义的目标床高度或预定义的目标床压缩状态；

c)测试填充床的分离效率；

d）如果测试结果不可接受，则对所述填充床进行流动调节，并且返回到c)，或者如果测试结果不可接受，则对所述床进行自动卸料，并且前进到步骤e)和f)；

e)基于所述测试结果来计算待装填到所述柱中的浆料的新的体积；

f)从a)开始重复。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：在用浆料装填所述柱之前，自动准备和／或清洁所述柱。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：在给定由用户输入的数据和／或在线测量的数据的情况下，自动计算待装填到所述柱中的浆料的体积。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：在用浆料装填所述柱之后且在开始填充之前，自动漂洗软管。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述测试为脉冲测试、过渡测试、压力／流量测试、稳定性测试或空隙测量。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：如果步骤d)中的测试结果是可接受的，则自动清洁所述填充柱，以及／或者将所述填充柱提供于存储溶液中。

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