CN105854723A - 耦合泵型便捷式梯度混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合泵型便捷式梯度混合器，包括容器A、容器B以及耦合蠕动泵，容器B内设有磁力搅拌子；耦合蠕动泵包括电机、主动蠕动头、从动蠕动头以及相互啮合的从动齿轮和主动齿轮；主动蠕动头与主动齿轮相连，从动蠕动头与从动齿轮相连；主动蠕动头由电机带动；在容器A、容器B的底部分别对应的设置容器A出口阀、容器B出口阀，在容器B的侧壁上设有容器B进口阀；与容器A出口阀相连的连接管Ⅰ通过从动蠕动头后与容器B进口阀相连；与容器B出口阀相连的连接管Ⅱ与主动蠕动头相连。采用本发明的梯度混合器可以准确控制梯度的线性，避免了传统梯度混合器的线性控制不完善、有效线性区段短等问题。

Description

耦合泵型便捷式梯度混合器

技术领域

本发明属于分离纯化领域，尤其涉及分离纯化设备中用于产生梯度溶液的梯度混合器。

背景技术

梯度混合器是一种使输出溶液的组份按设定的方式逐步变化的装置，一般指利用连通器原理的涡旋梯度混合器，其成本较低，操作方便，在分离纯化各种有机物和天然物方面具有广泛的用途。

举例来说，在普遍使用的柱色谱分离中，需要用到洗脱强度逐步变强的梯度洗脱液，逐步洗脱被吸附在填料上的样品，实现样品组成的分离。其中，为获得洗脱强度梯度变化的液体，往往使用两种不同洗脱强度的溶液按一定比例进行混合，比例动态连续变化，通过逐步提高高强度洗脱溶液在混合溶液中的比例，以此逐步提高混合液的洗脱能力，而该规律性的混合过程就需要梯度混合器来实现。当然这里只是举个梯度混合器在柱色谱中应用的例子，其可用在任何需要获得梯度溶液的其他场合。

目前市面上能买到的、普遍使用的涡旋梯度混合器，其特征如下：一个由两个杯体(左杯、右杯)组成的一个整体式梯度杯系统，两个杯体底部有管路相连构成连通器，管路中间装有阀门可控制连通与否，右杯配有磁力搅拌系统和搅拌子，右杯装有出口阀输出梯度液。以产生梯度洗脱液为例说明，使用时，左杯放置高强度洗脱液，右杯放置低强度洗脱液，保证初始时刻加入左右杯的液体液面具有一样的高度，再打开中间连通管的阀，打开磁力搅拌系统以使右杯的溶液始终保持均匀，蠕动泵从右杯出口阀泵取总输出液，随着右杯输出液的流出，右杯液面下降，因为连通器原理，左杯会立马向右杯补充液体以重新使两个容器液高一致，从左杯向右杯补充的一点点高强度洗脱液在右杯中被混合均匀并稀释，使右杯的输出液的洗脱强度提高一点点，如此下去，直至两杯液体流干，流干瞬间输出的梯度液达到最高洗脱强度，其值即为左杯装入的初始溶液的洗脱强度。这样就基本实现了输出液洗脱能力梯度变化的过程，其洗脱能力起始值和终值分别为右杯初始溶液洗脱强度和左杯初始溶液的洗脱强度。

但经实践，此传统梯度混合器具有以下不可避免的缺点，阻碍其用于需精确梯度输出的场合：1.右杯加入搅拌子后，搅拌引起漩涡，使右杯外圈液面变高，且变高的量随搅拌速度、杯内液体量随时变化，不能定量。如保证不开启磁力搅拌时两杯液面等高，则开启后右杯液体因连通器作用反而会部分反流至左杯，导致开始阶段梯度线出现一段平台区而不是线性递增，而且左杯高强度洗脱液被右杯反流过来的低强度洗脱液稀释，使梯度液终浓度达不到预设值。如保证磁力搅拌开启后的两杯液面等高，而随时间变化漩涡会变小或变大，也同样会出现左右杯液体的不规则窜动，影响输出的梯度状况。2.根据液体压强公式P＝ρgh，一般的连通器两边应是一样的液体(密度ρ相同)，从而实现连通器两边液体平衡的唯一条件就是液高h相同。而这里梯度混合器的左右杯必然盛放不同的液体(密度不同)，靠调节两杯的液高(不是等高)以使两杯液体平衡非常困难。3.两杯溶液会因不同渗透压而通过连通管自动扩散，而梯度混合器往往工作十多小时，其扩散不可忽略，因此使用中除了左杯向右杯因液差宏观流动外，两杯溶液还进行着不可定量的扩散，不完全按连通器的原理控制梯度。4.主要由于以上几点缺陷，可观察到梯度液在最后阶段，梯度混和效果不明显，因为两杯溶液在最后阶段已基本平衡为一样的洗脱强度，导致最后输出梯度液有一段洗脱强度不变的平台期，且最终洗脱强度低于预设值(左杯液体的初始洗脱强度)。

但目前这种传统梯度混合器依然普遍使用，其缺陷也未得到重视和挖掘。发明专利“一种二维液相色谱装置”(申请公布号：CN 102590396 A)依然采用这种传统梯度混合器作为其配件，目前多糖蛋白等分离纯化也基本是使用传统的梯度混合器实现，现有市售的、用于自搭装置制备纯化物的梯度混合器也几乎只有这一种工作形式。当然也有报道专用于制备聚合物梯度功能材料的梯度混合器(申请公布号：CN 103496149 A)，但其是利用聚合物流动性差不会进行上下混合，在水平搅拌下只进行水平混合的特点来实现，如用于溶液的梯度混合无可行性。另外，高效液相色谱中的梯度混合效果精确，但其需利用电脑控制系统、高压泵、单向阀、混合器或电脑控制系统、高压泵、单向阀、低压梯度混合器，其中智能的电脑控制系统起关键作用，同时其他的电脑可控性配件也是整个系统能有效工作的关键组成。这些配件均结构精密、成本高昂，用于纯化物的制备在成本上没有优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的耦合泵型便捷式梯度混合器，采用本发明的梯度混合器可以准确控制梯度的线性，避免了传统梯度混合器的线性控制不完善、有效线性区段短等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种耦合泵型便捷式梯度混合器，包括容器A、容器B以及耦合蠕动泵，容器B内设有磁力搅拌子；

耦合蠕动泵包括电机、主动蠕动头、从动蠕动头以及相互啮合的从动齿轮和主动齿轮；主动蠕动头与主动齿轮相连，从动蠕动头与从动齿轮相连；主动蠕动头由电机带动；

在容器A、容器B的底部分别对应的设置容器A出口阀、容器B出口阀，在容器B的侧壁上设有容器B进口阀；

与容器A出口阀相连的连接管Ⅰ通过从动蠕动头后与容器B进口阀相连；

与容器B出口阀相连的连接管Ⅱ与主动蠕动头相连。

作为本发明的耦合泵型便捷式梯度混合器的改进：主动蠕动头、从动蠕动头为相同型号的蠕动头；所述连接管Ⅰ、连接管Ⅱ为同型号的连接管。

作为本发明的耦合泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：主动齿轮与从动齿轮的齿数比为1:2。

作为本发明的耦合泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：容器B被搁置于磁力搅拌器上，由磁力搅拌器带动磁力搅拌子进行搅拌；

所述磁力搅拌器上设置带有水平泡的水平调节器。

作为本发明的耦合泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：容器B进口阀靠近容器B的顶部。

作为本发明的耦合泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：容器B进口阀的中心轴线距离容器B的顶部为2～3cm。

作为本发明的耦合泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：容器B进口阀的端部向容器B内伸入1～2cm。

在本发明中，电机直接驱动主动蠕动头工作；而对于从动蠕动头的工作，可描述为由电机驱动主动蠕动头的同时也驱动与其相连的主动齿轮，主动齿轮再啮合从动齿轮传递动力，最后从动齿轮带动与其相连的从动蠕动头，其是由电机间接驱动的过程。

本发明的梯度混合器，不属于复杂的智能化控制，原理上完全不同于高效液相色谱仪，其梯度混合过程利用新型耦合泵设计，在一种溶剂母液的容器中进行，不需要复杂昂贵的电脑控制系统和额外的混合器或低压梯度混合器等配件，在成本上与传统梯度混合器类似，但摒弃了传统的连通器原理，从而避免了传统梯度混合器的缺陷。

在本发明中，设置耦合蠕动泵的流速为V(即，主动蠕动头的流速为V)，由于主动齿轮与从动齿轮的齿数比为1:2，因此容器A中溶液在从动蠕动头作用下以V/2的流速滴入容器B中，在容器B中，2种液体经过磁力搅拌混合，再以流速V在主动蠕动头的作用下通过皮管输出线性梯度液。线性梯度液初始状态的瞬间值就是容器B中的初始溶液的状态，梯度液最终状态瞬间值就是容器A中溶液的状态。

本发明使用同型号的蠕动头和同型号连接管，使两蠕动头的流速关系只受主动齿轮和从动齿轮的齿数比控制。容器A和容器B的出口阀均设置于容器的最底端，低于液面的最低水平，保证所有液体能顺利输出，以控制梯度液的状态符合预先计算。

在本发明中，由于磁力搅拌器上设置了带有水平泡的水平调节器，可以方便调节磁力搅拌器使容器B处于水平或向容器B出口阀端稍倾斜的状态，保证容器B内的溶液可以彻底输出，以保证梯度液终状态为容器A中溶液的初始状态，方便梯度液最终状态的精确控制。

在本发明中，设定容器B进口阀靠近容器B的顶部(例如，容器B进口阀的中心轴线距离容器B的顶部2～3cm)，可以避免容器B内的液体浸没容器B进口阀而产生一定的渗透作用。

在本发明中，设定容器B进口阀的端部向容器B内伸入1～2cm；这有利于容器A内的液体(简称A液)滴入容器B时不会沿壁滴入，更好地避免可能发生的A液流入滞后或A液粘壁损失的问题。

本发明具有以下优点：

1、本发明的梯度混合器避免了两种溶液的不理想化流动和互相渗透问题，可精确控制梯度线性，避免初始状态平台区和终状态平台区过长，以及梯度终状态未达到A液初始状态等现象，使梯度斜率遵循预先计算与设置值。

2、本发明的梯度混合器不需要电脑控制系统、高压泵、单向阀、混合器等昂贵复杂的配件；结构简单，成本低。

3、本发明的梯度混合器因为不使用连通器原理，不需要关注、控制容器A中加入的液体液面与容器B中液体液面的高度关系，避免了容器B液面因磁力搅拌产生涡旋而改变液面高度，或两溶液密度不同所带来的尴尬。只需做到A液比B液晚流干即可，就可使梯度最终值达到A液的初始状态。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是实施例1的梯度混合器的结构示意图；

图2是实施例2的梯度混合器的结构示意图。

图中：

1、容器A；2、从动蠕动头；3、连接管Ⅰ；4、容器A出口阀；5、耦合蠕动泵；6、从动齿轮；7、主动齿轮；8、容器B进口阀；9、容器B；10、磁力搅拌子；11、容器B出口阀；12、磁力搅拌器；13、连接管Ⅱ；14、主动蠕动头；15、水平泡。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、一种耦合泵型便捷式梯度混合器，如图1所示，包括容器A1、容器B9以及耦合蠕动泵5。容器A1、容器B9内分别装不同浓度的洗脱液。

备注说明：容器A1内装的洗脱液必须保证足量，即，容器A1中洗脱液体积大于容器B9中的洗脱液体积，使在设定的洗脱时间(容器B9洗脱液从初始到流尽的时间段)内能确保提供容器A1的洗脱液。

容器B9被放在磁力搅拌器12上，位于容器B9内的磁力搅拌子10与磁力搅拌器12配套，即，由磁力搅拌器12控制磁力搅拌子10进行搅拌工作。

耦合蠕动泵5包括电机、主动蠕动头14、从动蠕动头2以及相互啮合的从动齿轮6和主动齿轮7；主动蠕动头14与主动齿轮7相连，从动蠕动头2与从动齿轮6相连；电机直接驱动主动蠕动头14工作。而对于从动蠕动头2的工作，可描述为由电机驱动主动蠕动头14的同时也驱动与其相连的主动齿轮7，主动齿轮7再啮合从动齿轮6传递动力，最后从动齿轮6带动与其相连的从动蠕动头2，其是由电机间接驱动的过程。

在容器A1的底部设置容器A出口阀4，在容器B9的底部设置容器B出口阀11，在容器B9的靠近顶部的侧壁上设有容器B进口阀8。与容器A出口阀4相连的连接管Ⅰ3通过从动蠕动头2后与容器B进口阀8相连；与容器B出口阀11相连的连接管Ⅱ13经过主动蠕动头14后作为梯度液的输出管。

主动齿轮7与从动齿轮6的齿数比为1:2。

主动蠕动头14、从动蠕动头2为相同型号的蠕动头；

连接管Ⅰ3、连接管Ⅱ13为同型号的连接管。

实际使用时，耦合蠕动泵5根据实际需要设置合理的流速。

本发明的工作过程如下：

开启磁力搅拌器12、使容器B进口阀8、容器A出口阀4和容器B出口阀11均处于打开状态，在从动蠕动头2的作用下，容器A1内的液体通过连接管Ⅰ3被输送至容器B进口阀8，最终逐滴流入容器B9内；在磁力搅拌器12控制下，磁力搅拌子10对容器B9内的混合液体进行均匀搅拌混合，在主动蠕动头14的作用下，上述均匀混合后的混合液通过连接管Ⅱ13被输出，形成梯度液。

实施例2、一种梯度混合器，如图2所示，其为在实施例1的基础上作了如下改进：

在磁力搅拌器12上设置有水平泡15，通过调节磁力搅拌器12的底部脚(作为水平调节器)的高低，同时观察水平泡12的情况，可对容器B9调平或调节至使容器B进口阀8端稍低的状态。容器B进口阀8靠近容器B9的顶部，具体为：容器B进口阀8的中心轴线距离容器B9的顶部2cm。容器B进口阀8的端部向容器B9内伸入1cm。

其余同实施例1。

实验1、

使用实施例2中的装置，在容器A1中盛放1250ml的3mol/L NaCl水溶液，在容器B9中盛放蒸馏水600ml，设置耦合蠕动泵5的流速为1ml/min(即，主动蠕动头14的流速为1ml/min)，从而使梯度混合器运行，输出线性梯度NaCl水溶液，NaCl浓度从0mol/L到3mol/L。

经检测，其梯度液浓度随时间变化的结果见下表1：

表1

可见，其梯度液浓度变化的线性较好，不存在开始和结束阶段的平台区，终浓度符合预设值。

实验2、在容器A1中盛放700ml的体积分数80％甲醇水溶液，在容器B9中盛放600ml体积分数30％甲醇水溶液；设置耦合蠕动泵5的流速为0.8ml/min(即，主动蠕动头14的流速为0.8ml/min)，其余等同于实验1。

从而使梯度混合器运行，输出线性梯度甲醇水溶液，甲醇的体积分数从30％到80％。

经检测，其梯度液浓度随时间变化的结果见下表2：

表2

可见，其梯度液浓度变化的线性较好，不存在开始和结束阶段的平台区，终浓度符合预设值。

实验3、在容器A1中盛放1100ml蒸馏水，在容器B 9中盛放1000ml的2mol/L葡萄糖水溶液；设置耦合蠕动泵5的流速为2ml/min(即，主动蠕动头14的流速为2ml/min)，其余等同于实验1。从而使梯度混合器运行，输出线性梯度葡萄糖水溶液，葡萄糖浓度从2mol/L到0mol/L。

经检测，其梯度液浓度随时间变化的结果见下表3：

表3

时间(min)	0	20	50	500	950	1000
							葡萄糖浓度(mol/L)	2.00	1.96	1.89	1.02	0.11	0

可见，其梯度液浓度变化的线性较好，不存在开始和结束阶段的平台区，终浓度符合预设值。

对比例1-1、将实施例2中的主动齿轮7与从动齿轮6的齿数比由1:2改成1:3；其余等同于实施例2。

对比例1-2、将实施例2中的主动齿轮7与从动齿轮6的齿数比由1:2改成1:1.5；其余等同于实施例2。

对比例2-1、将实施例2中的主动蠕动头14、从动蠕动头2改成为不同型号的蠕动头，主动蠕动头14比从动蠕动头2尺寸大，而相对应的连接管Ⅱ13与连接管I 3仍为相同型号；其余等同于实施例2。

对比例2-2、将实施例2中的主动蠕动头14、从动蠕动头2改成为不同型号的蠕动头，主动蠕动头14比从动蠕动头2尺寸小，而相对应的连接管Ⅱ13与连接管I 3仍为相同型号；其余等同于实施例2。

对比例2-3、将实施例2中的连接管Ⅱ13和连接管I 3改成为不同型号的连接管，连接管Ⅱ13比连接管I 3内径大，而相对应主动蠕动头14与从动蠕动头2仍为相同型号；其余等同于实施例2。

对比例2-4、将实施例2中的连接管Ⅱ13和连接管I 3改成为不同型号的连接管，连接管Ⅱ13比连接管I 3内径小，而相对应主动蠕动头14与从动蠕动头2仍为相同型号；其余等同于实施例2。

对比试验1、以上述所有对比例所得的梯度混合器、实施例1所得的梯度混合器，分别替代实验1中所用的实施例2所得的梯度混合器，其余等同于实验1。

所得结果对比如表4所述。

表4、不同对比例中的梯度混合液浓度变化结果

无：表示容器B9中已经无梯度液输出，即该次梯度混合运行已经结束。

根据上表数据可知，实施例1的梯度线性和梯度终值不如实施例2中的实验1，对比例1系列因为更换了齿数比而产生曲线梯度，其不如线性梯度常用，内部齿轮作为固定配件一般不易更换，所以对于对比例1系列的装置，其只能提供特定的一种不常用的梯度类型，不如实验1中的有优势；而对比例2系列因为蠕动泵头和连接管用的型号不一致等原因，也产生曲线梯度，且该曲线梯度受蠕动泵和连接管型号控制，不可人为定量地设定。因此相比于实验1，表4的结果均不如实验1。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.耦合泵型便捷式梯度混合器，其特征是：包括容器A(1)、容器B(9)以及耦合蠕动泵(5)，容器B(9)内设有磁力搅拌子(10)；

耦合蠕动泵(5)包括电机、主动蠕动头(14)、从动蠕动头(2)以及相互啮合的从动齿轮(6)和主动齿轮(7)；主动蠕动头(14)与主动齿轮(7)相连，从动蠕动头(2)与从动齿轮(6)相连；主动蠕动头(14)由电机带动；

在容器A(1)、容器B(9)的底部分别对应的设置容器A出口阀(4)、容器B出口阀(11)，在容器B(9)的侧壁上设有容器B进口阀(8)；

与容器A出口阀(4)相连的连接管Ⅰ(3)通过从动蠕动头(2)后与容器B进口阀(8)相连；

与容器B出口阀(11)相连的连接管Ⅱ(13)与主动蠕动头(14)相连。

2.根据权利要求1所述的耦合泵型便捷式梯度混合器，其特征是：

所述主动蠕动头(14)、从动蠕动头(2)为相同型号的蠕动头；

所述连接管Ⅰ(3)、连接管Ⅱ(13)为同型号的连接管。

3.根据权利要求2所述的耦合泵型便捷式梯度混合器，其特征是：主动齿轮(7)与从动齿轮(6)的齿数比为1:2。

4.根据权利要求1～3任一所述的耦合泵型便捷式梯度混合器，其特征是：容器B(9)被搁置于磁力搅拌器(12)上，由磁力搅拌器(12)带动磁力搅拌子(10)进行搅拌；

所述磁力搅拌器(12)上设置带有水平泡(15)的水平调节器。

5.根据权利要求1～3任一所述的耦合泵型便捷式梯度混合器，其特征是：容器B进口阀(8)靠近容器B(9)的顶部。

6.根据权利要求5所述的耦合泵型便捷式梯度混合器，其特征是：所述容器B进口阀(8)的中心轴线距离容器B(9)的顶部为2～3cm。

7.根据权利要求1～3任一所述的耦合泵型便捷式梯度混合器，其特征是：容器B进口阀(8)的端部向容器B(9)内伸入1～2cm。