CN105903397A - 双元泵型便捷式梯度混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双元泵型便捷式梯度混合器，包括第一容器、第一蠕动泵、第二容器及第二蠕动泵，在第二容器内设有磁力搅拌子；所述第一容器的底部设置有第一容器出口阀，所述第二容器的底部设置有第二容器出口阀，在第二容器的侧壁上设有第二容器进口阀；与第一容器出口阀相连的连接管通过第一蠕动泵后与第二容器进口阀连接；与第二容器出口阀相连的出液管与第二蠕动泵相连。采用本发明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，并实现一台系统可提供不同的梯度类型，扩展了传统常规梯度混合器的功能。

Description

双元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，通过逐步提高那种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，右杯配有的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。有专利“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。因此，需要对现有技术进行改进。

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双元泵型便捷式梯度混合器，采用本发明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，并实现一台系统可提供不同的梯度类型，扩展了传统常规梯度混合器的功能。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种双元泵型便捷式梯度混合器，包括第一容器、第一蠕动泵、第二容器及第二蠕动泵，在第二容器内设有磁力搅拌子；所述第一容器的底部设置有第一容器出口阀，所述第二容器的底部设置有第二容器出口阀，在第二容器的侧壁上设有第二容器进口阀；与第一容器出口阀相连的连接管通过第一蠕动泵后与第二容器进口阀连接；与第二容器出口阀相连的出液管与第二蠕动泵相连。

作为本发明的双元泵型便捷式梯度混合器的改进：第二容器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。

作为本发明的双元泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：

第一蠕动泵、第二蠕动泵为相同型号的蠕动泵；

连接管、出液管为同型号的管路。

作为本发明的双元泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：第二容器进口阀靠近第二容器的顶部。

作为本发明的双元泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：第二容器进口阀的中心轴线距离第二容器的顶部2～3cm。

作为本发明的双元泵型便捷式梯度混合器的进一步改进：第二容器进口阀的端部向第二容器内伸入1～2cm。

本发明提供的梯度混合器，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，本发明的混合过程就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，配件主要包括第一容器(A容器)、第二容器(B容器)，设置第一蠕动泵的流速为V1，第一容器中的溶液在第一蠕动泵作用下以一定流速V1滴入第二容器，同时，在第二容器中，经过磁力搅拌混合，第二容器中的混合液再以流速V2(V2>V1)在第二蠕动泵的作用下通过管路输出。在第一容器中液体足量时，即在第二容器液体流尽前第一容器液体可持续提供的情况下，输出的流体梯度类型可以通过设定不同的V2与V1来产生不同的梯度液，当V2＝2×V1时，输出线性梯度，且线性梯度液初始状态的瞬间值就是第二容器中的初始溶液的状态，梯度液最终状态瞬间值就是第一容器中溶液的状态。当V2>2×V1时，将输出梯度液为凹曲线梯度类型，即梯度液中A容器液体(简称A液)所占比例的变化速度为单调递增的；当V1<V2<2×V1时，将输出梯度液为凸曲线梯度类型，即梯度液中A液所占比例的变化速度为单调递减的，梯度液初始和最终状态的含义与V2＝2×V1时的情况相同。

在本发明中使用同型号的蠕动泵和同型号连接皮管，方便设置的流速具有相比性。第一容器和第二容器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带有水平泡的水平调节器；可以通过水平调节器使第二容器处于水平状态或向第二容器出口阀处稍倾斜的状态，从而保证第二容器的溶液可以彻底输出，以保证梯度液终状态为第一容器中溶液的初始状态，方便梯度液最终状态的精确控制。

在本发明中，第二容器进口阀设置在第二容器的侧壁上端(例如第二容器进口阀的中心轴线距离第二容器的顶部2～3cm)，可避免第二容器内的液体浸没第二容器进口阀而产生一定的渗透作用；第二容器进口阀的端部向第二容器内伸入1～2cm，这有利于第一容器内液体滴入第二容器时不会沿壁滴入，更好地避免可能发生的第一容器内液体流入滞后和第一容器内液体粘壁损失的问题。

本发明具有以下优点：

1、本发明的梯度混合器使用双泵动力，对目前现有的连通器原理的梯度混合器进行本质的改进。避免了两种溶液的不理想化流动和互相渗透问题，从而避免了背景技术中提到的常规梯度混合器的所有缺陷(例如线性梯度不准确，开始和结束阶段有平台区，梯度终值不准确等)，使梯度斜率遵循预先计算与设置值。

2、因为引入双泵调节流速，可对便捷式梯度混合器的功能进行补充，实现一台系统可选择地提供不同的梯度类型(而不是传统的一台系统只能提供一种梯度类型)，包括线性梯度和曲线梯度。即，本梯度混合器可以选择性地输出多种梯度曲线。

3、本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。

4、本新型梯度混合器因为不使用连通器原理，不需要关注、控制第一容器中加入的液体液面与第二容器液体液面的高度关系，避免了第二容器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。只需做到第一容器内液体比第二容器内液体晚流干即可，就可使梯度最终值达到第一容器内液体的初始状态。

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的双元泵型便捷式梯度混合器的结构示意图。

图2是实施例2的双元泵型便捷式梯度混合器的结构示意图。

图中：

1、第一容器；2、第一容器出口阀；3、第一蠕动泵；4、第二容器进口阀；5、连接管；6、第二容器；7、磁力搅拌子；8、第二容器出口阀；9、磁力搅拌器；10、第二蠕动泵；11、出液管；12、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、一种双元泵型便捷式梯度混合器，如图1所示，包括第一容器1、第一蠕动泵3、第二容器6、磁力搅拌器9及第二蠕动泵10等；第一容器1、第二容器6内分别装不同浓度的洗脱液。

备注说明：第一容器1内装的洗脱液必须保证足量，即，在设定的工作洗脱时间内(第二容器6中洗脱液从初始到流尽的时间段)，能确保持续提供第一容器1的洗脱液。

在第二容器6内设有磁力搅拌子7，第二容器6被搁置于磁力搅拌器9上，由磁力搅拌器9带动磁力搅拌子7进行搅拌工作。

第一容器1的底部设置有第一容器出口阀2，第二容器6的底部设置有第二容器出口阀8，在第二容器6的侧壁上端设置有第二容器进口阀4。

与第一容器出口阀2相连的连接管5通过第一蠕动泵3后与第二容器进口阀4连接，从而实现与第二容器6相连；与第二容器出口阀8相连的出液管11通过第二蠕动泵10后成为梯度混合器的最后的出液口，负责输出梯度液。

第一蠕动泵3、第二蠕动泵10为相同型号的蠕动泵；

连接管5、出液管11为同型号的管路。

本发明的工作过程如下：

开启磁力搅拌器9，使第一容器出口阀2、第二容器出口阀8、第二容器进口阀4均处于打开状态，分别设置第一蠕动泵3和第二蠕动泵10的流速(其中第一蠕动泵3的流速小于第二蠕动泵10的流速)。

在第一蠕动泵3的作用下，第一容器1内的液体通过连接管5被输送至第二容器进口阀4，最终逐滴流入第二容器6内。

在磁力搅拌器9的控制下，磁力搅拌子7对第二容器6内液体进行均匀搅拌混合；同时在第二蠕动泵10的作用下，上述均匀混合后的混合液通过出液管11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9上设置有水平泡12，通过调节磁力搅拌器9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，可对第二容器6调平或调节至使第二容器出口阀8端稍低的状态。第二容器进口阀4靠近第二容器6的顶部，具体为：第二容器进口阀4的中心轴线距离第二容器6的顶部2cm。第二容器进口阀4向第二容器6内部伸入1cm。

其余同实施例1。

实验1、

使用实施例2中的梯度混合器，在第一容器1中盛放1300ml的3mol/L NaCl水溶液，在第二容器6中盛放蒸馏水600ml。

设定V2＝2×V1，本实验设定第二蠕动泵10的流速为1ml/min，第一蠕动泵3的流速为0.5ml/min；从而使梯度混合器运行，直至第二容器6中的液体流干，输出线性梯度的NaCl水溶液，NaCl浓度从0mol/L到3mol/L。

备注说明：V2是指第二蠕动泵10的流速，V1是指第一蠕动泵3的流速；以下同。

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、将实验1中第二容器6中盛放蒸馏水的量由600ml改成700ml，设置V2＞2×V1，本实验为第二蠕动泵10的流速为1ml/min，第一蠕动泵3的流速为0.3ml/min；其余等同于实验1。

运行梯度混合器，直至第二容器6中的液体流干，输出凹曲线(曲线连续可导，其二阶导数大于零)梯度型的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2：

表2

可见，其结果为凹曲线梯度，同样不存在开始和结束阶段的平台区，适用于梯度需要“先缓后急”变化的特殊场合，其终值为第一容器1中液体的浓度，且该梯度过程受设定的V1、V2流速控制。

实验3、使用实施例2中的装置，在第一容器1中盛放800ml的甲醇体积分数80％的甲醇水溶液，在第二容器6中盛放甲醇体积分数10％的甲醇水溶液500ml，设置V1<V2<2×V1，本实验为第二蠕动泵10的流速为1ml/min，第一蠕动泵3的流速为0.6ml/min；从而使梯度混合器运行，直至第二容器6中的液体流干，输出凸曲线(曲线连续可导，其二阶导数小于零)梯度型的甲醇梯度水溶液，甲醇所占体积分数从10％到80％。

经检测，其梯度液浓度随时间变化的结果见下表3：

表3

可见，其结果为凸曲线梯度，同样不存在开始和结束阶段的平台区，适用于梯度需要“先急后缓”变化的特殊场合，其终值为第一容器1中液体的浓度，且该梯度过程受设定的V1、V2流速控制。

实验4、

使用实施例2中的装置，在第一容器1中盛放1100ml的蒸馏水，在第二容器6中盛放1000ml的1mol/L葡萄糖水溶液，设置V2＝2×V1，本实验设置第二蠕动泵10的流速为2ml/min，第一蠕动泵3的流速为1ml/min；从而使梯度混合器运行，直至第二容器6中的液体流干，输出线性梯度葡萄糖水溶液，葡萄糖浓度从1mol/L到0mol/L。

经检测，其梯度液浓度随时间变化的结果见下表4：

表4

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。

对比实验1、以“常规梯度混合器”(连通器原理运行，其左杯截面积：右杯截面积＝3:7)替代实施例2的梯度混合器，左杯、右杯分别盛放实验2中第一容器1和第二容器6的液体，右杯盛放的液体量同实验2，左杯盛放的液体量以左杯液面与右杯液面等高来控制，设置“常规梯度混合器”输出液流速为1ml/min，其余同实验2进行。

经检测，其梯度液浓度随时间变化的结果见下表5：

表5

可见，其结果也大致为凹曲线梯度，但与实验2相比，其存在开始和结束阶段的平台区，且梯度终值未达到左杯中液体的浓度。且本实验的梯度受该梯度杯截面积构造固定，不能随意更换梯度类型。

对比实验2、

以“常规梯度混合器”(连通器原理运行，其左杯截面积：右杯截面积＝6:4)替代实施例2的梯度混合器，左杯、右杯分别盛放实验3中第一容器1和第二容器6的液体，右杯盛放的液体量同实验3，左杯盛放的液体量以左杯液面与右杯液面等高来控制，设置“常规梯度混合器”输出液流速为1ml/min，其余同实验3进行。经检测，其梯度液浓度随时间变化的结果见下表6：

表6

可见，其结果也大致为凸曲线梯度，但与实验3相比，其存在开始和结束阶段的平台区，且梯度终值未达到左杯中液体的浓度。且本实验的梯度受该梯度杯截面积构造固定，不能随意更换梯度类型。

对比实验3-1、将实施例2中的“第一蠕动泵3、第二蠕动泵10”由“相同型号的蠕动泵”改成不同型号的蠕动泵，其中第一蠕动泵3的泵头大于第二蠕动泵10的泵头；以此所得的梯度混合器替代实施例2所得的梯度混合器进行实验1。

对比实验3-2、将实施例2中的“第一蠕动泵3、第二蠕动泵10”由“相同型号的蠕动泵”改成不同型号的蠕动泵，其中第一蠕动泵3的泵头小于第二蠕动泵10的泵头；以此所得的梯度混合器替代实施例2所得的梯度混合器进行实验1。

经检测，对比实验3-1和3-2的梯度液浓度随时间变化的结果见下表7：

表7

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。

由上表可见，不同泵的型号会影响流速设置的可比性，流速关系控制不好，不能按预设目标输出梯度液类型。

对比实验4、以实施例1所得的梯度混合器替代实施例2所得的梯度混合器进行实验1。经检测，其梯度液浓度随时间变化的结果见下表8：

表8

可见，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。

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 (6)

1.双元泵型便捷式梯度混合器，其特征在于：包括第一容器(1)、第一蠕动泵(3)、第二容器(6)及第二蠕动泵(10)，在第二容器(6)内设有磁力搅拌子(7)；所述第一容器(1)的底部设置有第一容器出口阀(2)，所述第二容器(6)的底部设置有第二容器出口阀(8)，在第二容器(6)的侧壁上设有第二容器进口阀(4)；与第一容器出口阀(2)相连的连接管(5)通过第一蠕动泵(3)后与第二容器进口阀(4)连接；与第二容器出口阀(8)相连的出液管(11)与第二蠕动泵(10)相连。

2.根据权利要求1所述的双元泵型便捷式梯度混合器，其特征在于：第二容器(6)被搁置于磁力搅拌器(9)上，由磁力搅拌器(9)带动磁力搅拌子(7)进行搅拌；

所述磁力搅拌器(9)上设置带有水平泡(12)的水平调节器。

3.根据权利要求1或2所述的双元泵型便捷式梯度混合器，其特征在于：

第一蠕动泵(3)、第二蠕动泵(10)为相同型号的蠕动泵；

连接管(5)、出液管(11)为同型号的管路。

4.根据权利要求3所述的双元泵型便捷式梯度混合器，其特征在于：第二容器进口阀(4)靠近第二容器(6)的顶部。

5.根据权利要求4所述的双元泵型便捷式梯度混合器，其特征在于：

第二容器进口阀(4)的中心轴线距离第二容器(6)的顶部2～3cm。

6.根据权利要求3所述的双元泵型便捷式梯度混合器，其特征在于：

第二容器进口阀(4)的端部向第二容器(6)内伸入1～2cm。