CN102933961B - 流体分配器单元 - Google Patents

Abstract

用于以成本有效的方式将进料流均匀分配到色谱柱上的流体分配器在实体背板与柱中的填充床之间限定大体上锥形形状的分配通道，其中该流体分配器包括基本上装填该分配通道的容积的至少两个圆形和/或环形流体能渗透多孔盘。

Description

流体分配器单元

技术领域

本发明涉及用于将流体流均匀地分配到柱中的多孔床上的分配器。更具体地，它涉及用于色谱柱的流体分配器。

背景技术

一般地，在液体色谱和吸附分离中，流体分配系统对总性能是最重要的，特别对于具有相比床高度大的横截面的柱。

用于液体色谱的柱通常包括用多孔床装填（流体流过该多孔床）的导管，其中通过在该多孔床的固相与液体之间的材料分配而发生分离。该多孔床通常是填充床，典型地通过使离散微粒的悬浮固定而形成，但它也可以是单块多孔体或一堆多孔板（膜片）。柱通常具有圆柱体几何形状，其中流轴向地从一端传递到另一端，但具有径向流的柱也是众所周知的并且已经描述非圆柱体几何形状。在所有这些构造中，液体流必须自进料管而很好地分布在整个床表面上。因为色谱柱的标度参数通常是柱直径，其中床高度保持恒定，对于具有相对低的高径比的大型柱，分配的难度要高很多。

均匀流分配是必不可少的，以便获得柱的良好效率。相应地，均匀流分配是用于实现经过填充床和柱的所有流体要素的均匀停留时间的前提。与均匀性的任何偏离将显示为过早的击穿、低的板数量或峰不对称性，因为它们产生不利的柱上停留时间分布加宽。分配系统的两个特征对于实现均匀流分配是必不可少的：第一特征是分配系统将流体从基本上是单管进料液输送到填充床表面上的柱使得所有流体要素同时地施加于填充床表面上的能力。相同的流体同时回收和收集适用于在柱出口处的流体去除。第二关键特征是跨填充床的表面保持均匀压力的能力，这在床和柱上产生均匀的流体速度。

用于轴向柱的经典的流体分配系统简单地由对于移动相的中心入口结合承托过滤器（编织网或烧结器，用于限制床的入口端）后面的具有恒定高度的细分配通道（间隙）而组成。随着柱直径增加，该类型的系统将必然在性能上强烈恶化。这是由于从入口移动到外部柱壁的流体要素与可能直接进入入口下方的承托网和床区域的那些流体要素之间的停留时间差。此外，需要的整个分配通道中液体向柱壁的流体输送将导致跨分配通道的压力降。因此，将影响填充床上的压力降并且从而影响流体速度场的均匀性。

更好的流体分配将提供有锥形形状的流通道，其在最高流体速度的位置处具有最大的通道高度来平衡通路中的容积流量。这样的锥形流通道已经在例如US 5,137,628中描述为一个或两个网下方的开放通道或在US 6,936,166中描述为承托网和穿孔板下方的肋板中的通道样式。该肋板具有高的生产成本以及复杂的设计工程的劣势。在开放通道的情况下，当承托网遭受a）在操作期间对抗多孔床上的压力损失的水动力和b）来自由于填充过程和床的重量造成的填充床机械压缩的力时，存在承托网胀形的高风险。任何这样的胀形将负面地影响柱的性能。对柱性能的该不利影响是由于填充床几何形状的容积变化（由胀形产生）引起。这些容积变化将造成不稳定以及填充床结构中的多孔性和不均匀压缩。此外，承托网的胀形将通过降低和更改分配通道的总容积和尺寸而对柱性能产生不利影响，由此导致沿分配通道的流体速度和压力损失的变化，其可以强烈地恶化柱的总停留时间分布和性能。

在许多情况下，在分配器中只使用塑性材料，这是可取的。这适用于与将侵蚀不锈钢的液体一起使用的柱和计划用于一次性或短期使用的较低成本的柱两者。塑料具有比钢低的弹性模数，其对承托网支承设置提出更高的要求以便防止胀形。在需要柱和分配器设计用于生产一次性使用的柱以及工艺流程或作业后要扔掉的分配系统时在塑料的情况下保持低的制造成本，这将同样更重要。

从而需要有在柱操作期间给出均匀流分配并且没有承托网胀形的低成本分配器。

发明内容

本发明的一个方面是以成本有效的方式提供到色谱柱上的均匀分布的进料流。这用如在实施例中限定的流体分配器实现。

这样的流体分配器的一个优势是其提供高的流动均匀性并且易于用容易获得的材料制造。

本发明的另外适合的实施例在优选实施例中描述。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的具有流体分配器的柱的一部分。

图2示出根据本发明的一个实施例的流体分配器。

图3示出根据本发明的一个实施例的具有流体分配器的柱的一部分。

图4示出根据本发明的一个实施例的流体分配器。

图5示出根据本发明的一个实施例的流体分配器。

图6示出根据本发明的一个实施例的流体分配器。

图7示出根据本发明的一个实施例的流体分配器。

图8示出根据本发明的一个实施例的流体分配器。

图9示出根据本发明的一个实施例的流体分配器。

图10示出根据本发明的一个实施例的具有填充/去填充喷嘴的流体分配器。

图11示出根据本发明的一个实施例的流体分配器。

定义

术语“大体上锥形的”在本文中意指平滑地逐渐变窄和/或逐步地从较大的圆形或非圆形底部区域到较小的区域或点的三维形状。该底部区域可以是平坦的或备选地可以具有大体上锥形形状。大体上锥形形状的示例包括截顶和未截顶圆锥体、抛物体、双曲线体等，以及例如椎体或截顶椎体的阶梯近似等这些形状的阶梯近似。

具体实施方式

在由图1图示的一个方面中，本发明公开了柱12的流体分配器11，其在实体背板14和柱12中的填充床15之间限定大体上锥形形状的分配通道13，其中所述流体分配器11包括基本上装填所述分配通道13的容积的至少两个圆形和/或环形流体能渗透的多孔盘（未单独示出）。这些多孔盘中的一个可以是直接与填充床15接触的承托盘18，用于防止微粒从填充床迁移。适宜地，所有多孔盘设置成提供通过盘组件的畅通的流体流动，即在盘之间或盘的表面上没有障碍物。流体分配器可以放置在柱12的底端中，其中底部区域17向上（面对填充床15）并且其中入口/出口管16向下。流体分配器还可以放置在柱12的顶端中，其中底部区域17向下（面对填充床15）并且其中入口/出口管16向上。适宜地，一个流体分配器放置在柱的底端中并且一个放置在顶端中并且流体可以向上或向下地移动通过柱。具有基本上装填分配通道容积的多孔盘的优势是承托盘或承托网胀形被有效地阻止（甚至对于低模数的塑性材料），同时孔隙容积和孔隙结构允许流体通过多孔盘均匀地分布。具有至少两个多孔盘的一个优势是更易于装填具有容易制造的简单形状的盘的分配通道的容积。另一个优势是具有不同的孔隙大小、孔隙结构和/或材料的盘可以组合来提高流体分配器的功能。多孔盘的流体可渗透性可以通过在所有盘中具有开孔结构（与例如不能渗透流体的闭孔泡沫等相对）而实现。在一个实施例中，盘（例如所有的盘）具有三维连接的孔隙结构，即，它们在轴向和径向方向上都能渗透流体。这具有这样的优势，盘的全部孔隙容积可用于流体的径向分布。承托盘18可具有三维连接的孔隙结构，但它还可以具有平行的孔隙结构，特别是如果承托盘非常薄并且由分配器盘提供充分的径向分布。

在一个实施例（由图10图示的）中，流体分配器101包括喷嘴102，用于经由填充/去填充管103填充和去填充柱。该喷嘴可与填充床直接接触地集中放置并且用于适应填充床，一个或多个中心流体能渗透多孔盘或多个盘可具有环形形状-例如具有对于喷嘴的中心孔。利用该喷嘴，填充以及去填充床而不拆分柱（拆分柱是繁琐的程序），这是可能的。

在一个实施例中，圆形和/或环形流体能渗透多孔盘的总包络容积装填了分配通道容积的至少90%，例如至少95或99%。其一个优势是防止承托盘或承托网胀形。另一个优势是多孔盘之间的偏流（channelling）被最小化或完全被阻止。

在一个实施例中，流体分配器的直径是至少20cm，例如40cm以上。在较大的柱中更难以获得均匀流分布，而本发明的流体分配器特别适合于计划在例如生物处理（例如蛋白质或其他生物药物的分离）中使用的大型柱。

在一个实施例（由图2图示）中，流体分配器21包括至少两个圆形和/或环形流体能渗透多孔盘，其中的一个是直接面对填充床的多孔承托盘22。至少一个圆形和/或环形流体能渗透多孔分配器盘23装填多孔承托盘22与实体背板25之间的分配通道容积24的部分。多孔承托盘22可以具有适于防止微粒自填充床进入分配通道内的任何迁移的孔隙大小，例如具有小于填充材料的数目平均微粒大小的平均孔隙大小。它可以具有适合用于容纳微粒的孔隙结构，例如烧结微粒结构、编织或非编织织物结构或多孔膜片结构。它还可以是薄的（例如低于5或3mm厚度）并且由低厚度造成的柔韧性不是问题，因为它由多孔分配器盘/多个盘有力地支承。多孔分配器盘/多个盘23可以具有适合用于均匀地分配流体的孔隙大小和孔隙结构，例如0.05-2mm范围内的孔隙大小和例如烧结微粒结构或开放单元硬质泡沫结构。在一个实施例中，流体分配器包括至少两个（例如至少三个或以上的）多孔分配器盘23。在另外的实施例中，每个多孔分配器盘23具有三维连接的孔隙结构，来允许流体同时轴向和径向地流过分配器。

在一个实施例（由图3和4图示的）中，第一圆形或环形流体能渗透多孔盘31、41同心地装配在第二环形流体能渗透多孔盘32、42内部。此优势是可以在盘之间获得紧配合。在特定的实施例中，所述第一和第二多孔盘是平面的。此优势是平板容易获得并且只需要切成合适的形状。采用许多直径（对于每个直径具有非常短的系列）制成大的色谱柱并且不需要在用于制备非平面形的盘的特定加工上投入，这可是有利的。在另一个实施例中，所述第二多孔盘32、42具有比所述第一多孔盘31、41更低的厚度。此优势是内部较厚盘与外部较薄盘的组合适合大体上锥形分配通道。在一个实施例中，所述第二环形多孔盘32、42同心地装备在第三环形流体能渗透多孔盘33、43内部。该第三环形多孔盘33、43可以具有低于第二环形多孔盘的厚度以适合大体上锥形的分配通道。甚至第四和第五环形多孔盘可装备在第三环形多孔盘外部。同心装配的盘组件可与多孔承托盘34、44一起使用，从而盖住正对填充床35的整个区域。

在一个实施例（由图4、5和6图示的）中，流体分配器40、50、60包括圆形实体背板49、59、69，其具有阶梯样式的至少两个（例如至少三个、四个或五个）内部同心的环形凹槽46-48、56-58、66-68以及安装在所述环形凹槽中的至少两个（例如至少三个、四个或五个）圆形和/或环形流体能渗透多孔盘41-43、61-63（未单独在图5中示出）。此优势是大体上锥形形状基本上可以用平面盘的稳固组件装填。在一个实施例（由图4 图示的）中，第一圆形或环形多孔盘41安装在内部环形凹槽46中并且第二环形多孔盘42安装在外部环形凹槽47中并且同心地装配在所述第一圆形或环形多孔盘41的外部。在特定实施例中，所述第二环形多孔盘42具有比所述第一圆形或环形多孔盘41更低的厚度。

在一个实施例（由图6图示的）中，第一圆形或环形流体能渗透多孔盘61安装在内部环形凹槽66中并且第二圆形或环形流体能渗透多孔盘62与所述第一圆形或环形多孔板61平面邻接地安装在外部环形凹槽67中。第三圆形或环形流体能渗透多孔盘63可以与所述第二圆形或环形多孔盘62平面邻接地安装在另外的外部环形凹槽68中。甚至第四和第五多孔盘可安装在外部凹槽中。在一个实施例中，盘是平面的并且形成堆叠。此优势是如果盘之间的配合不紧密，空隙空间将处于与柱轴垂直的方向上并且将不造成任何偏流效应。另一个优势是容易获得的标准厚度板可以用于制成期望厚度的堆叠。适宜地，盘安装在实体背板79上的环形凹槽中。

在一个实施例（由图7图示的）中，流体分配器70包括：第一圆形或环形流体能渗透多孔盘71，其同心地装配在第二环形流体能渗透多孔板72内部；和第三环形流体能渗透多孔盘73，其与所述第一和第二多孔盘71、72中的一个或两个平面邻接地安装在环形凹槽78中。另外的流体能渗透多孔盘也可同心地装配在盘72或73内部或与盘73或任何另外的盘平面邻接地装备。此优势是利用数量有限的可获得的板厚度得到与锥形形状更好的近似，这可是可能的。

在一个实施例（由图8和9图示的）中，多孔盘81、91中的至少一个（例如至少两个、三个或甚至所有的多孔盘）固定到实体背板82、92。这些盘可以焊接（例如，点焊）在一起和焊接到实体背板。它们还可以用其他固定元件固定，例如卡扣装配元件、螺钉或本领域内已知的其他元件。在流体分配器80的一个特定实施例（如由图8图示的）中，多孔盘81和实体背板82由相同类型的聚合物制造并且焊接在一起。焊接可以是穿过若干盘的点焊83。在另一个实施例（由图9图示的）中，实体背板92上的环形凹槽94的边缘93与每个凹槽的平面成锐角。此优势是凹槽边缘可以用作对多孔盘边缘的卡扣装配。

在一个实施例（由图11图示的）中，流体分配器110中的分配通道的底部区域111具有大体上锥形形状。对于特定应用，以优化柱上的总停留时间分布为目的，该形状可以选择成按半径的函数调制填充床的标称高度。该床高度调制典型地需要在所述大体上锥形形状的底部区域应用非常小且精确的角度。在该配置中，最重要的是避免承托网或盘的任何胀形，因为这将对柱功能产生强烈的负面影响。实现大体上锥形形状的底部区域111的一个方法是使具有倾斜凹槽113和环形或圆形多孔盘114的实体背板112形状适合装配至凹槽113（例如，通过热形成）。

在一个实施例中，多孔盘中的至少一个（例如每个多孔盘）包括塑料。使用塑料的优势是塑料不被对不锈钢有害的例如含氯溶液、酸、次氯酸盐等侵蚀。另一个优势是塑料是低密度材料，其由于低的重量而易于操纵。在特定实施例中，多孔盘中的至少一个（例如每个多孔盘）包括聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯等。这些材料容易以低成本获得并且可以例如通过焊接而固定。如果期望对强腐蚀性流体有高的耐抗性，多孔盘可以由例如聚四氟乙烯（PTFE）等含氟聚合物或由聚醚醚酮（PEEK）制造。这些材料还具有非常低量的可提取物，从而允许流体的低或零污染。当使用聚烯烃时，在操作或测试条件期间，在流体中专门选择释放低量可滤去物的特质，例如低于1mg/l，这是可能的。根据美国药典（USP）<88>VI级，在柱用于生物药物分离的地方，只使用在生物学上有惰性的材料，这也可能是有利的。

在一个实施例中，多孔盘中的至少一个（例如每个多孔盘）包括多孔烧结塑性材料。这些材料通过塑料粉末的压缩模塑而制备并且既采用平板形式可获得又可获得为在专门设计的模具中制备的成形体。这样的材料的两个示例是POREX^®（Porex Technologies, Fairburn GA, USA）和Vyon^®（Porvair plc, King's Lynn, UK）。它们在例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物、PTFE、聚偏二氟乙烯、乙烯-乙烯乙酸酯共聚物、尼龙和聚氨酯等材料中以从大约5微米至大约100微米的孔隙大小可容易获得。对于多孔承托盘，可以设想在10-30微米范围内的孔隙大小，而对于多孔分配器盘，可以使用多达100微米或甚至更大的孔隙大小。

在一个实施例中，实体背板包括塑料。此一些优势是耐抗腐蚀性水流体、低密度以及通过加工或模塑而便于制造。如果需要对侵蚀性化学物质有高的耐抗性，背板可以由例如聚乙烯或聚丙烯等聚烯烃或由PTFE或PEEK制成。实体背板可以由与多孔盘相同的塑性材料制成。这便于多孔盘焊接到板并且最小化使用的材料的数量，这从监管的角度来看可以有利。

该书面说明使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种用于柱的流体分配器，其在实体背板与所述柱中的填充床之间限定大体上锥形形状的分配通道，其中所述流体分配器包括基本上装填所述分配通道的容积的至少两个圆形和/或环形流体能渗透多孔盘，其中所述大体上锥形形状指的是平滑地逐渐变窄和/或逐步地从较大的圆形或非圆形底部区域到较小的区域或点的三维形状。

2.如权利要求1所述的流体分配器，其中所述多孔盘装填分配通道容积的至少90%。

3.如权利要求1所述的流体分配器，其中所述多孔盘装填分配通道容积的至少95%。

4.如权利要求1所述的流体分配器，其中所述多孔盘装填分配通道容积的至少99%。

5.如权利要求1或2所述的流体分配器，其中所述流体分配器包括：多孔承托盘，其正对所述填充床；和至少一个多孔分配器盘，其装填所述多孔承托盘与所述实体背板之间的所述分配通道容积的部分。

6.如权利要求5所述的流体分配器，其中每个多孔分配器盘具有三维连接的孔隙结构。

7.如权利要求1，2和6中任一项所述的流体分配器，其中第一圆形或环形多孔盘同心地装配在第二环形多孔盘内部。

8.如权利要求7所述的流体分配器，其中所述第一圆形或环形多孔盘和第二环形多孔盘是平面的。

9.如权利要求7所述的流体分配器，其中所述第二环形多孔盘具有比所述第一圆形或环形多孔盘低的厚度。

10.如权利要求7所述的流体分配器，其中所述第二环形多孔盘同心地装配在第三环形多孔盘内部。

11.如权利要求1，2和6中任一项所述的流体分配器，其包括圆形实体背板，其具有阶梯样式的至少两个内部同心环形凹槽以及安装在所述环形凹槽中的至少两个圆形和/或环形多孔盘。

12.如权利要求11所述的流体分配器，其中第一圆形或环形多孔盘安装在内部环形凹槽中并且第二环形多孔盘安装在外部环形凹槽中并且同心地装配在所述第一圆形或环形多孔盘的外部。

13.如权利要求12所述的流体分配器，其中所述第二环形多孔盘具有比所述第一圆形或环形多孔盘低的厚度。

14.如权利要求11所述的流体分配器，其中第一圆形或环形多孔盘安装在内部环形凹槽中并且第二圆形或环形多孔盘与所述第一圆形或环形多孔盘平面邻接地安装在外部环形凹槽中。

15.如权利要求1，2和6中任一项所述的流体分配器，其中所述多孔盘中的至少一个焊接到所述实体背板。

16.如权利要求11所述的流体分配器，其中所述实体背板上的环形凹槽的边缘与每个凹槽的平面成锐角。

17.如权利要求1，2和6中任一项所述的流体分配器，其中所述多孔盘中的至少一个，或每个多孔盘，包括塑料。

18.如权利要求1，2和6中任一项所述的流体分配器，其中所述多孔盘中的至少一个，或每个多孔盘，包括多孔烧结塑性材料。

19.如权利要求1，2和6中任一项所述的流体分配器，其中所述实体背板包括塑料。