KR101280731B1 - 크로마토그래피 컬럼의 자동화 충전에 사용되는 장치 및방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컬럼 충전 장치에 관한 것이다. 본 발명의 컬럼 충전 장치는 이동형 어댑터가 층 매체의 고정층과 접촉하게 되는 구분점을 계산하기 위한 소프트웨어를 구비한다. 계산된 구분점은 제어 유닛에 의해서 소정의 층 압축량을 달성하기 위해 상기 이동형 어댑터를 얼마나 더 상기 컬럼내로 이동시켜야 하는지를 결정하는 데 사용된다.

컬럼 충전, 크로마토그래피, 이동형 어댑터, 구분점, 자동화 소프트웨어

Description

크로마토그래피 컬럼의 자동화 충전에 사용되는 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR AUTOMATED PACKING OF CHROMATOGRAPHY COLUMNS}

본 발명은 컬럼용 매체 충전(packing) 장치 및 컬럼에 사용되는 매체 충전 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 크로마토그래피 매체를 크로마토그래피 컬럼내로 충전하기 위한 개선된 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.

액체 크로마토그래피에 사용되는 컬럼은 일반적으로 이동상(carrier) 액체가 흐르는 다공성 크로마토그래피 매체를 둘러싼 관형 몸체를 포함하며, 상기 이동상 액체와 상기 다공성 매체의 고체상 사이의 물질 누적에 의해서 분리가 일어난다. 전형적으로, 상기 다공성 매체는 보통 한쪽 단부로부터 컬럼내로 펌핑, 주입 또는 흡인되는 슬러리로 알려져 있는 불연속 입자들의 현탁액을 고화시킴으로써 통상 형성되는 충전층(packed bed)으로서 상기 컬럼내에 봉입된다. 상기 슬러리를 충전층으로서 고정시키는 작업은, 상기 슬러리가 중력의 영향만으로 침전되어 침전층(sedimented bed)을 형성할 경우에 차지하는 부피보다 작은 부피로 충전되도록 슬러리를 압축시킴으로써 이루어진다. 후속하는 크로마토그래피 작업의 효율은 상기 충전층의 유체 주입구와 배출구에서의 액체 분포 및 수집(collection) 장치에 크게 의존하며, 충전층의 압축 상태에도 크게 의존한다. 충전층의 압축이 미미할 경우에는, 당해 충전층에서 수행된 크로마토그래피 분리 작업은 "꼬리끌림(tailing)" 현상을 나타낸다. 충전층이 과도하게 압축된 경우에는, 당해 충전층에서 수행된 크로마토그래피 분리 작업은 "끌어당김(leading)" 현상을 나타낸다. 압축 정도가 최적화된 경우에, 크로마토그래피 사용시 형성되는 분리 피이크는 끌어당김 현상도 꼬리끌림 현상도 나타내지 않으며 거의 대칭형이다. 컬럼에 필요한 최적의 압축도는 각각의 컬럼 크기(폭 또는 직경), 층 높이 및 층 매체에 따라서 실험적으로 정해진다.

어떠한 분리 방법이라도 그것을 실시하기 전에, 컬럼내로 주입하여야 하는 입자들의 슬러리로부터 층을 제조하여야 한다. 층 제조 과정을 "충전 공정"으로 명명하며, 정확하게 충전된 층이야말로 충전층을 함유하는 컬럼의 성능에 영향을 미치는 매우 중요한 인자라 할 것이다. 충전 공정의 목표는 최적의 압축량, 즉, 최적의 압축 계수에 의해 압축된 층을 제공하는 것이다. 대형 컬럼은 중앙 슬러리 노즐을 통해서 특정 농도의 매체 입자들을 함유하는 정해진 용량의 슬러리를 컬럼 내로 주입함으로써 제조되는 것이 바람직하다. 일단 정해진 용량의 슬러리를 컬럼내로 주입한 후에는, 이동형 어댑터(adaptor)를 컬럼의 종축을 따라 아래로 컬럼의 바닥부를 향해, 대개는 일정한 속도, 예를 들면 1 cm/분의 속도로 이동시킴으로써 상기 슬러리를 압축시킬 수 있다. 이러한 절차를 수행하는 동안에 나오는 여분의 액체는 컬럼 배출구에서 제거되는 한편, 소위 '층 지지체'로 명명되는 여과재에 의해서 입자들은 컬럼내에 유지되는데, 상기 여과재의 소공 크기는 너무 작아서 입자들을 통과시킬 수가 없다. 충전층이 최적량으로 압축되었으면, 이와 같은 충전 공 정은 완결된 것이다. 상기 충전 공정은, 충전층이 당해 층을 통한 체류 시간 분포로 정량하였을 때 우수하고 확고한 크로마토그래피 성능을 제공하는 한 성공적인 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 실제로 이와 같이 최적으로 압축된 층을 제조하기란 결코 쉽지 않다. 지금까지 층의 충전은 과학이라기보다는 오히려 예술이라 여겨질 정도였으며, 최종 충전층의 성능은 층의 충전을 조절하는 작업자의 기술에 좌우되는 실정이다. 그 까닭중 하나는 컬럼내에 공급되는 실제 슬러리 농도가 컬럼내로 공급해야 하는 슬러리의 양이 얼마나 되는지 계산하는 데 사용된 특정한 농도와 정확히 동일하도록 보장하기가 어렵다는 것이다. 컬럼을 채우고 이후 충전하는 동안에, 작업자는 유속, 어댑터 전진 속도 및 층 압축률과 같은 충전 파라미터들을 수동으로 선택하고 조정하고, 어댑터가 층의 압축을 개시할 시점을 판단하여야 한다. 이 시점은 필요한 압축량을 얻기 위해서 어댑터를 얼마나 더 이동시켜야 하는지 계산하는 데 사용된다. 이러한 충전 파라미터들 중 어느 것이라도 선택할 때에 실수가 있다면 성능이 불량한 컬럼이 제조될 수 있다. 층의 압축을 실제로 개시할 시점을 육안으로 판단하기란 매우 어려우며, 이 시점에서 뚜렷한 실수가 있다면 최적으로 압축된 층을 얻기는 불가능하다.

본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에서 사용한 용어 "유체 장치"는 액체가 셀(cell)을 통해 흐르는 방향에 대하여 대략 횡방향인 영역에서 셀로 주입되거나 그 셀로부터 회수되는 장치를 언급하고자 사용한 용어이다. 용어 "셀"은 "관" 및 "컬럼" 뿐만 아니라 분리 기술 분야의 기술자들이 혼합물을 충전층으로 알려진 고체 또는 액체 교환 매체와 접촉시킴으로써 그 혼합물로부터 성분들의 분리 및/또는 반응 및/또는 촉매 작용, 및/또는 추출을 수행하기 위해서 사용하는 다른 구조물도 포함하는 의미를 갖는다. "횡단면 구역(또는 영역 또는 부분)"은 셀을 통한 흐름의 종방향에 대하여 셀의 방향에서 보아 횡방향인 (전형적으로 대략 법선 방향인) 횡단면들에 의해 경계지어지는 셀 내부의 영역을 말한다. "흐름의 종방향"은 셀 내부에서 주입구로부터 배출구를 향하는 흐름의 방향을 언급한 것이다. 용어 "종방향"은 방향에 무관하게 셀을 통한 유체의 주된 흐름 경로를 나타내고자 사용한 용어이다. "흐름 연결 장치"는 유체 회로에서 두 지점을 연결하는 채널 또는 경로들의 장치를 언급한 것이다. "분포 장치"는 그것을 통해 유체들이 셀에 주입되는 구조물을 말하며, "수집 장치"는 셀로부터, 각각의 경우에 횡단면 구역으로부터, 유체를 모으는 데 사용되는 구조물을 말한다.

"침전층 높이"는, 매체 입자들의 슬러리를 중력의 영향하에서만 침전하도록 방치한 후에 매체 입자들의 층이 형성된 경우에 (이와 같은 층을 "침전층"이라 함) 얻어지는 매체 입자층의 층 높이를 말한다. "고정층(settled bed) 높이"는, 매체 입자들의 슬러리를 중력 및 층 입자들에 발휘되는 추가의 하향 작용력하에서, 예를 들면 층을 향해 이동형 어댑터를 하강시킴으로써 유발되는 층을 통한 유체의 흐름 및/또는 층을 통해 펌핑된 액체의 흐름에 의해서 강제로 침전시킨 후에 매체 입자들의 층이 형성된 경우에 (이와 같은 층을 "고정층"이라 함) 얻어지는 매체 입자층의 층 높이를 말한다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 전술한 바와 같은 종래 기술의 장치의 단점들을 극복한, 컬럼내에 매체를 충전하기 위한 컬럼 충전 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 구체적인 실시양태들은 종속항에서 정의한 바와 같다.

본 발명의 다른 개선된 특징들도 종속항에서 언급하였다.

본 발명에 의한 장치 및 방법에 의해 얻을 수 있는 한가지 장점은 본 발명의 장치 및 방법이 최적의 압축 계수로 충전된 층을 제공한다는 것이다. 본 발명의 장치 및 방법의 또 다른 장점은 본 발명의 장치 및 방법에 의해 크로마토그래피 컬럼을 재현 가능하고 제어 가능한 방식으로 충전할 수 있다는 점이다.

도 1은 본 발명에 의한 매체 충전 장치의 측면 개요도이다.

도 2는 매체 고정층의 충전 과정에서 이동형 어댑터를 이동시키는 데 필요한 힘과 거리의 전형적인 관계를 예시한 그래프이다.

발명의 상세한 설명

도 1은 본 발명의 한 실시양태에 의한 자동화 컬럼 충전 장치(1)를 개략적으로 도시한 도면으로서, 본 발명의 원리를 용이하게 파악할 수 있도록 본 발명과 무관한 구성 요소들은 도면에 도시하지 않았다. 장치(1)는 원통형 컬럼 벽(7)에 의해 둘러싸인 상부 뚜껑 또는 플랜지(5a) 및 하단 플레이트(5b)를 포함하는 컬럼(3)을 포함한다. 상기 컬럼(3)에서 뚜껑 또는 플랜지(5a)와 하단 플레이트(5b) 사이에는 이동형 어댑터(9) (유입되는 액체를 컬럼(3)의 횡단면에 걸쳐 거의 균일하게 분포시키기 위한 샘플 분포 장치(도시 생략), 및 층 입자들이 빠져 나가지 못할 정도로 충분히 미세한 메쉬를 갖고 컬럼의 횡단면에 걸쳐 연장하는 층 지지체(도시 생략)를 구비할 수 있음)가 위치하고, 상기 이동형 어댑터는 샘플 혼합물, 용출제, 완충제 등과 같은 액체 공급원들(도시 생략)에 연결될 수 있는 컬럼 주입구(11)에 연결된다. 상기 이동형 어댑터(9)는 상기 컬럼 벽(7)의 상단을 지나는 프레임(14)상에 지지된 액츄에이터(13) (또는 액츄에이터들), 예를 들면 전기, 유압 또는 공기압 모터 또는 피스톤/실린더 액츄에이터에 의해서 컬럼의 종방향으로 이동가능하다. 고정된 높이, 예를 들면 상기 하단 플레이트(5b)의 윗면에 대한 상기 이동형 어댑터의 상대적인 위치("x")를 측정하기 위해서 이동형 어댑터 위치 감지 수단(16)이 구비되며, 상기 거리(x)에 상응하는 신호가 제어 유닛(15)로 송신된다. 상기 액츄에이터(13)의 작동 및 이에 따른 이동형 어댑터(9)의 상향 또는 하향 이동은 자동화 제어 유닛(15)에 의해서 제어 가능하다. 상기 제어 유닛(15)은 컬럼(3)의 작동을 제어하기 위한 하드웨어와 소프트웨어를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제어 유닛(15)은 밸브의 개폐, 이동형 어댑터 이동 속도 및 이동형 어댑터 이동량을 제어한다. 또한, 제어 유닛(15)은 이동형 어댑터(9)를 이동시키는 데 필요한 힘을 측정, 기록 및 분석하기 위한 수단을 구비한다. 이러한 힘은, 예컨대 모터 토크를 측정함으로써, 모터 전류를 측정함으로써, 또는 액츄에이터 작동 압력 또는 전류를 측정함으로써 직접적으로 측정하거나, 또는 예컨대 컬럼 내부 압력 또는 용기 벽, 프레임, 뚜껑, 이동형 어댑터 또는 하단 플레이트의 변형률, 또는 이들의 조합을 측정함으로써 간접적으로 측정할 수 있다.

하단 플레이트(5b)는 환형 덕트(19)로 통하는 유체 수집 장치(17)를 지지한다. 상기 수집 장치(17)는 층 지지체(21)와 환형 덕트(19) 사이에 배치되는데, 유체를 컬럼의 횡단면에 걸쳐 고르게 수집하여 그것을 환형 덕트(19)로 운반하기 위한 것이다. 상기 환형 덕트(19)는 이동상을 컬럼으로부터 멀리 운반하여 후처리하기 위한 이동상 배출구(20)에 연결된다. 상기 층 지지체(21)는 컬럼내의 층의 중량을 지지하고 층 매체가 컬럼으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위한 것이다. 상기 층 지지체(21)는, 예를 들면 층 매체가 층 지지체를 통과하지 못할 정도로 충분히 작은 개구부들을 갖는 메쉬 또는 네트일 수 있다. 상기 하단 플레이트(5b)는 중앙 개구(23)를 더 포함하며, 이 중앙 개구내에 이동형 노즐 설비(25)가 장착될 수 있다. 상기 노즐 설비는 도관(29)를 통해 연결된 동일계상 세정용(cleaning-in-place, CIP) 노즐(27) 및 장치내에서 세정 유체를 재순환시키기 위한 원격 제어형 밸브(31)를 포함한다. 상기 재순환 밸브(31)는 제어 유닛(15)에 의해서 제어 가능하다. 상기 노즐(27)은 상기 층 지지체(21)와 누출 방지 가능하게 결합되어 있고 중앙 개구(23)을 막는 밀폐 위치로부터 개방 위치, 즉, 상기 층 지지체(21)를 통과하여 층 지지체(21)과 이동형 어댑터(9) 사이에 형성된 컬럼의 공동(35)내로 돌출된 위치까지 연장할 수 있다. 상기 중앙 개구(23)는 환형 덕트(19)로 둘러 싸여 있고, 상기 환형 덕트는 매체 덕트(39)에 연결되며, 상기 매체 덕트는 도관(43)에 연결될 수 있고, 상기 도관은 슬러리 탱크 밸브(45)를 통해 슬러리 탱크(47)에, 그리고 배수 밸브(49)를 통해 배수구(51)에 연결될 수 있다. 상기 환형 덕트(19)는 상기 노즐(27)이 개방 위치에 있을 때 컬럼의 공동(35)과 유체의 이동이 가능한 관계로 존재하며, 상기 노즐(27)이 밀폐 위치로 후퇴한 경우에는 상기 공동(35)과의 유체 이동이 방지된다.

상기 컬럼을 층 매체로 충전하기 위해서, 상기 제어 유닛은 관련 매체 정보, 예를 들면 바람직한 충전 층 높이(실제 얻어지는 충전 층 높이와는 상이할 수 있음) 및 가정된 슬러리 농도, 또는 컬럼내로 공급하고자 하는 슬러리 용량(특정한 입자 농도를 가지며, 실제 얻어지는 것으로 가정되는 용량) 및 필요한 고정층 높이를 제공하는 데 필요한 어댑터 하강 속도, 및 최적의 성능을 제공하는 데 필요한 층의 압축 필요량, 즉, "압축 계수"와 같은 정보들에 의해 프로그래밍된다. 상기 압축 필요량은 고정층 높이의 백분율로서 주어질 수 있는데, 예를 들면 컬럼내로 공급되는 슬러리의 양이 1 cm/분의 어댑터 하강 속도에서 1 m의 고정층 높이를 제공하는 데 충분하고 압축 필요량이 15%라면, 목표 층 높이는 85 cm가 될 것이다. 일반적으로, 압축 필요량은 1% 내지 50% 범위일 수 있으며, 무엇보다도 컬럼 크기, 유형 및 층 매체의 입자 크기와 고정층 높이에 좌우된다. 층 매체 입자들을 함유하는 정해진 용량의 슬러리를, 예를 들면 슬러리 탱크 밸브(45)를 개방하고 노즐(27)을 돌출 개방 위치에 두고 재순환 밸브(31)을 폐쇄한 상태로 제어 유닛(15)의 제어하에 이동형 어댑터(9)를 상승시켜서 흡인하는 방식으로 컬럼내로 도입시키며, 이로 말미암아 슬러리는 슬러리 탱크(47)로부터 슬러리 밸브(45)를 통해 도관(43)을 따라 덕트(39)를 지나 환형 덕트(19)를 통해 공동(35)내로 흡인된다. 이동형 어댑터(9)는 필요한 용량의 슬러리를 컬럼내로 흡인시키는 데 필요한 거리(x)에 도달하였을 때 제어 유닛(15)에 의해서 정지된다.

충전 모드에서, 노즐(27)을 후퇴시키고 슬러리 탱크 밸브(45)를 폐쇄함으로써 매체 밸브의 매체 개구(37)을 폐쇄한다. 이동상 배출구(20)을 개방하여 잉여 유체가 컬럼으로부터 배출되도록 한다. 이동형 어댑터(9)를 일정한 속도(예를 들면 0.5 내지 10 cm/분)로 하향 이동시키며, 이동형 어댑터가 하강함에 따라서 이동형 어댑터는 고정층과 접촉하고 고정층을 축방향으로 압축하기 시작한다- 이 위치를 소위 "구분점(breakpoint)"이라 한다. 이동형 어댑터에 의한 컬럼내의 입자 층의 압축은, 이동형 어댑터가 이동해 접근해가는 컬럼의 단부와 어댑터 사이의 컬럼의 횡단면 구역 거의 전체에 걸쳐서 연속적인 입자들의 경로가 최초로 존재하게 되는 이동형 어댑터의 위치에서 시작하는 것으로 정의할 수 있다. 컬럼의 하단을 향해서 어댑터가 일정한 속도로 하강할 때 어댑터를 이동시키는 데 필요한 힘이 거의 일정함을 특징으로 하는 장치의 경우에, 상기 위치는 어댑터를 이동시키는 데 필요한 힘이 상승하는 것으로 확인된다. 컬럼의 하단을 향해서 어댑터가 일정한 속도로 하강할 때 어댑터를 이동시키는 데 필요한 힘이 연속적으로 증가함을 특징으로 하는 장치의 경우에, 상기 위치는 어댑터를 이동시키는 데 필요한 힘의 증가 속도가 상승하는 것으로 확인된다. 따라서, 구분점에서, 이동형 어댑터(9)를 일정한 속도로 이동시키는 데 필요한 힘은 증가하게 되는데, 그 이유는 층내의 빈 공간들을 채우기 위해서 액체를 단순히 밀어내는 것과 달리 층 입자들이 서로 더 가깝게 접근하도록 힘을 받을 때 유발되는 어댑터의 이동에 대한 저항이 증가하기 때문이다. 이동형 어댑터(9)는 소정의 층 압축을 달성할 때까지 층을 압축시키는 데 필요한 거리만큼 하향 이동한다.

정확한 층 압축량을 얻기 위해서는, 구분점을 결정할 필요가 있다. 수동으로 작동되는 장치에서, 구분점은 작업자에 의해서 결정된다. 자동화된 장치는 구분점을 결정하기 위한 자동화된 수단을 구비하여야 한다. 자동화된 수단을 구비하기는 쉽지 않은데, 컬럼 벽과 이동형 어댑터 사이의 마찰 변화, 고정층내의 불균일성, 측정 오차 등의 인자에 기인하여 힘(f)에 대한 어댑터 위치(x)의 실시간 그래프가 이론적인 곡선을 따르지 않기 때문이다. 이것은 도 2에 도시되어 있다. 점선은 어댑터가 컬럼 아래로 이동함에 따라서 이동형 어댑터 위치에 대하여 액츄에이터 힘을 어떻게 변화시켜야 하는지를 보여주는 이론적인 그래프이다. 이론적인 그래프의 제 1 부분(A)은 어댑터가 이동하여 액체를 컬럼밖으로 밀어냄에 따라서 힘이 상승함을 보여준다. 부분(B)는 편평한 곡선을 나타내는데, 이는 어댑터가 일정한 속도로 하강하면서 컬럼밖으로 액체를 밀어내는 것을 나타낸다. 이때 어댑터는 층을 고정시킨다. 부분(C)은 층내의 매체가 함께 충전되어 압축됨에 따라서 거의 꾸준히 힘이 증가하는 것을 보여준다. 부분(B)와 (C)의 교차점이 구분점으로서, 고정층 압축의 개시점을 나타낸다. 이 시점에서 어댑터의 위치는 고정층 높이에 상응한다. 이러한 높이는 최적으로 압축된 충전층 높이를 얻기 위해서 어댑터를 얼마나 더 이동시킬 필요가 있는지를 계산하기 위한 출발점으로 사용된다. 부분(C)의 다른쪽 단부에서 어댑터의 위치는 최적으로 압축된 충전층에 상응한다.

도 2의 실선은 어댑터가 컬럼 아래로 이동함에 따라서 이동형 어댑터의 위치에 대한 액츄에이터 힘의 변화 양상을 도시한 실제 그래프이다. 부분(B)에서, 힘은 상하 변화를 보이며 부분(B)와 부분(C) 사이의 전이는 예리한 구분점이 아니라 곡선으로 나타난다. 이러한 이유 때문에 층 압축을 어느 지점에서 개시할지 정확히 결정하기가 곤란하다.

정확한 결정을 위해서, 상기 제어 유닛(15)은 고정층과 접촉하는 어댑터에 의해 층 압축을 언제 개시할 것인가 (즉, 구분점 결정), 그리고 층 압축을 언제 종료할 것인가(즉, 층이 구분점으로부터 필요한 양만큼 압축되는 시점)를 계산하는 층 압축 알고리듬(algorithm)을 실행하는 소프트웨어를 구비한다.

본 발명의 한 실시양태에서, 상기 알고리듬은 상기 이동형 어댑터가 층과 접촉하지 않은 상태로 이동하는 시간 (즉, 상기 위치 대비 힘 곡선의 부분 B)의 전체 또는 일부분 동안에 기록된 이동형 어댑터를 이동시키는 데 필요한 힘에 상응하는 신호들의 평균치 및 상기 층이 압축되는 시간 (즉, 상기 위치 대비 힘 곡선의 부분 C)의 일부분 동안에 기록된 곡선 기울기의 평균치를 취하여, 상기 두 부분 사이의 교차점을 계산할 수 있다. 이러한 계산에는 신호값이 곡선의 부분 B에 있는지 부분 C에 있는지를 확인할 수 있는 소프트웨어가 필요하다. 이를 확인하는 한가지 방법은 고정층의 예상 높이인 위치 (X1)을 추정하여 이동형 어댑터의 이동중 출발 위치(X=0인 경우)로부터 위치 (X1)까지의 이동에 해당하는 부분에 걸쳐서 힘의 평균치 (Fav)를 계산하는 것이다. 예를 들면, 상기 평균치는 X=0.1 x X1으로부터 X= 0.9 x X1까지, 또는 X=0.2 x X1으로부터 X= 0.75 x X1까지의 기간 등에 걸친 것일 수 있다. 상기 범위에서 기록된 힘의 최대치 (Fmax)를 저장할 수도 있다. 일단 이동형 어댑터가 고정층에 도달하면, 어댑터를 이동시키는 데 필요한 힘은 상승하기 시작할 것이다. 소프트웨어는, 일단 힘이 사전에 기록된 힘의 최대치 (Fmax)의 배수 (예: 2배, 2.5배, 3배 등)에 도달하면 거리 대비 힘 곡선의 기울기를 계산하기 시작하도록 프로그래밍될 수 있다. 이는 하나 이상의 선행하는 힘 및 위치 기록값에 대하여 실제 힘 및 위치 값을 비교함으로써 이루어질 수 있다. 이어서, 계산된 기울기를 사용해서 평균치 (Fav)에 상응하는 선과의 교차점을 계산한다. 이 교차점에서의 거리 (Xcal)를 이동형 어댑터가 고정층과 접촉하여 고정층을 압축하기 시작하는 위치, 즉, 계산된 구분점으로서 가정한다. 이러한 과정을 반복하여 계산된 구분점 위치 (Xcal)의 평균치를 계산할 수 있다. 이동형 어댑터가 이동함에 따라서 (Xcal)으로부터의 이동형 어댑터의 위치를 계산하고, 계산치가 소정의 층 압축률, 예를 들면 현재값 (Xcal)을 기준으로 하여 소정의 층 압축률 75%에 사응하는 거리를 초과할 경우에는 최종 현재값 (Xcal)을 고정층 높이의 참값으로 가정하고, 필요한 층 압축률을 제공하는 데 필요한 이동형 어댑터의 최종 요구 위치를 계산해서 이동형 어댑터가 그 최종 요구 위치에 도달할 때까지 이동형 어댑터를 계속 이동시킨다.

본 발명의 다른 실시양태에서는, 이동형 어댑터를 모터에 의해 이동시키는 것이 아니라 물과 같은 액체를 상기 어댑터와 뚜껑(5a) 사이의 밀폐 공간 내외로 펌핑함으로써 이동시킨다. 층 압축 알고리듬은 상기 공간내의 압력을 탐지한다. 상기 어댑터가 층에 도달할 때 상기 공간내의 압력이 상승하기 시작하며 (또는, 탐지된 압력이 거의 일정한 증가 속도를 나타낼 경우에는, 압력 증가 속도가 상승하기 시작함), 알고리듬은 압력 상승의 개시 위치를 계산한다. 압력 신호는 노이즈(noise)가 많고 상승 기울기도 선형이 아닐 수 있으며, 이 경우에는 후술하는 바 와 같은 필터(filter)를 사용해서 노이즈를 제거하고 상승 기울기를 거의 선형으로 만든다.

압력 상승의 개시점은 필터링된 압력 신호(dp)를 관찰하고 입력 신호가 특정한 수준 이상으로 상승할 때 압력 신호와 현 위치(x)를 포착함으로써 계산된다. 이와 같은 특정 신호로서 2가지, 즉, dp1과 dp2가 있는데, 여기서 dp2는 dp1보다 크다. 수준 dp2에 도달했을 때 포착된 지점들(x1,d1)(x2,dp2)을 통해 직선 구간에 대한 파라미터들을 계산한다. 이러한 직선은 신호의 상승 기울기에 가까운 것으로 추정된다. 이어서, 상기 직선이 x축과 교차하는 지점을 층의 압축이 개시되는 위치로 가정하고 구분점으로 지정한다. 이 지점을 이용해서 소정의 층 압축률을 제공하는 데 필요한 차후의 컬럼 이동 여부를 결정할 수 있다.

필터 설계

상기 필터는 압력 신호를 입력 신호가 상승될 때를 제외하고는 편평하고 0에 가까운 신호로 전환시킨다: 입력 신호가 상승하면 이 신호도 상승된다.

여기서 다루는 것은 하기 차분 방정식을 따르는 IIR-필터이다:

실제 데이터를 사용한 테스트에 의해서 다음과 같은 파라미터들을 선택하였다: a= 1.9495, b=-0.95, c=0.005.

상기 필터의 배경 이론은 다음과 같다:

스프링에 연결되고 내부 전체가 점성 매체인 질량 m을 갖는 기계적인 시스템을 상상해 보자. 이완된 스프링 단부 위치로서 입력 신호를 대입시키면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다: my" + ry' + k(y-x) = 0 (y= 질량의 위치, x= 스프링 타단의 위치, r= 점성, k= 스프링 계수). 이 식은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다: y" + (r/m)y' + (k/m)y = (k/m)x 또는 y" + Ay' + By = Cx.

차분과 미분을 근사식으로 나타내면 하기 수학식 2 및 3과 같다:

안정성을 고려하여 y 및 x에 대해 (n-1) 샘플을 선택한다.

이와 같이 하면, 하기 수학식 4가 얻어진다:

재배열한 식은 하기 수학식 5 또는 6으로 나타낼 수 있다:

따라서, a = (2-(h²k/m)-(hr/m)), b = ((hr/m)-1), c = (h²k/m)이 되고 상기 수학식 (1)을 구할 수 있다.

m, r, k를 사용하여 실험을 수행하면 최선의 값들을 얻을 수 있을 것이다. 이것이 쉬운 방법인데, 왜냐하면 m을 "무게", r을 "유성', 그리고 k를 "탄성"으로해석할 수 있기 때문이다.

계산된 차이를 합산하여 저주파수 성분들을 제거하고 상승 압력을 선형화시킨다.

이상에서는 이동형 어댑터를 이동시킴으로써 슬러리를 컬럼내로 흡인시키는 구체예에 관하여 상세히 설명하였지만, 슬러리를 컬럼내로 직접 펌핑하는 것도 생각할 수 있다. 또한, 층이 고정되는 동안과 고정층을 압축하는 동안에 일정하지 않은 속도로 어댑터를 이동시키는 것도 생각할 수 있는데, 예를 들면 10 cm/분의 어댑터 속도하에 층 고정을 개시하고 어댑터가 추정된 고정층 높이에 접근함에 따라 어댑터 속도를 저하시킨 후에 어댑터를 보다 더 느린 속도, 예를 들면 0.5 cm/분으로 계속 저하시키는 것이다. 상기 어댑터 속도는 예시적인 것일 뿐이며, 어떤적당한 어댑터 속도라도, 예컨대 0.5 cm/분 미만의 속도(예: 0.1 cm/분) 내지 10 cm/분을 초과하는 속도(예: 12.5 cm/분)라도 사용할 수 있다.

나아가, 본 발명에 의한 충전 장치는, 작업자가 충전 절차의 전 기간 또는 일부 기간 동안에 어댑터 속도를 제어하고 소프트웨어를 사용해서 어댑터의 이동을 탐지하여 구분점을 계산할 수 있도록, 수동 제어부를 구비할 수도 있다. 계산된 구분점의 위치와, 임의로 소정의 압축 계수를 달성하는 데 필요한 어댑터의 계산된 위치에 관한 정보가 작업자에게 제공되어, 이후 작업자는 어댑터가 소정의 층 압축률에 상응하는 위치에 도달할 때까지 어댑터의 이동을 제어하게 된다.

또한, 이상에서는 컬럼이 원통형이고 일정한 직경을 가짐으로써 원통 부피와 층 높이 사이에 선형 관계가 성립하는 실시양태에 관하여 구체적으로 예시하였지만, 본 발명은 선형이 아닌 관계를 갖는 다른 형태의 컬럼에도 적용가능한 것으로 생각된다.

당업자라면 전술한 바와 같은 본 발명의 기술 사상 및 요지를 명확히 파악할 수 있을 것이며, 본 발명에 대한 다수의 변형예들도 실시할 수 있을 것이다. 이러한 변형예들 역시 첨부된 청구의 범위에 의해 정하여지는 바와 같은 본 발명의 보호 범위내에 포함되는 것으로 파악하여야 한다.

Claims (10)

1. 종축 및 이동형 어댑터(9)를 갖는 컬럼(3)을 포함하는 컬럼 충전 장치로서, 상기 이동형 어댑터(9)는 제어 유닛(15)에 의해 탐지되는 상태에서 이동가능하고, 상기 장치는 상기 컬럼내의 층 매체의 고정층을 상기 컬럼의 종축을 따라 압축하여 정해진 양만큼 압축된 압축 충전층을 형성하기 위한 자동화 소프트웨어 및 하드웨어를 구비하는 압축 수단을 포함하고,

   상기 제어 유닛은 상기 이동형 어댑터가 고정층과 접촉하고 고정층을 축방향으로 압축하기 시작하는 위치인 구분점을 결정하기 위한 소프트웨어를 구비하고,

   상기 제어 유닛(15)은 바람직한 충전 층 높이, 특정 입자 농도를 갖는 슬러리 용량, 필요한 고정층 높이를 제공하는데 필요한 이동형 어뎁터에 대한 하강 속도 및 매체의 고정층의 필요한 압축량의 관련 매체 정보에 의해 프로그래밍되고,

   상기 소프트웨어는 정해진 층 압축량을 달성하기 위해 상기 이동형 어댑터(9)가 상기 구분점으로부터 이동해야 하는 거리를 계산할 수 있고, 상기 이동형 어댑터를 상기 거리에 대응하는 위치로 이동시키는 컬럼 충전 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 소프트웨어는 상기 구분점의 위치에 상응하는 작업자가 판독할 수 있는 신호를 생성할 수 있는 것인 컬럼 충전 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 소프트웨어는 정해진 층 압축량을 달성하기 위해 상기 이동형 어댑터가 상기 구분점으로부터 이동해야 하는 거리를 계산할 수 있고, 상기 거리에 상응하는 작업자가 판독할 수 있는 신호를 생성할 수 있는 것인 컬럼 충전 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 컬럼은 크로마토그래피 컬럼이고, 상기 고정층은 크로마토그래피 매체를 포함하는 것인 컬럼 충전 장치.
6. 컬럼 충전 장치에 자동화 소프트웨어 및 하드웨어를 포함하는 자동화된 제어 유닛을 제공하는 단계;

   상기 제어 유닛을 사용하여 층 매체의 고정층을 함유하는 컬럼내에서 이동형 어댑터의 이동을 탐지하는 단계; 및

   상기 제어 유닛을 사용하여, 상기 이동형 어댑터가 상기 고정층과 접촉하고 고정층을 축방향으로 압축하기 시작하는 위치인 구분점을 결정하는 단계를 포함하는, 컬럼 충전 방법이며,

   상기 제어 유닛(15)은 바람직한 충전 층 높이, 특정 입자 농도를 갖는 슬러리 용량, 필요한 고정층 높이를 제공하는데 필요한 이동형 어댑터에 대한 하강 속도 및 매체의 고정층의 필요한 압축량의 관련 매체 정보에 의해 프로그래밍되고,

   상기 소프트웨어는 정해진 층 압축량을 달성하기 위해 상기 이동형 어댑터(9)가 상기 구분점으로부터 이동해야하는 거리를 계산할 수 있고, 상기 이동형 어댑터를 상기 거리에 대응하는 위치로 이동시키는 컬럼 충전 방법.
7. 삭제
8. 제 6 항에 있어서, 상기 구분점의 위치에 상응하는 작업자가 판독할 수 있는 신호를 생성하는 단계를 포함하는 컬럼 충전 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 정해진 층 압축량을 달성하기 위해 상기 이동형 어댑터가 상기 구분점으로부터 이동해야 하는 거리를 계산하고, 상기 거리에 상응하는 작업자가 판독할 수 있는 신호를 생성하는 단계를 포함하는 컬럼 충전 방법.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 방법은 크로마토그래피 컬럼에 대해 실시되며, 상기 고정층이 크로마토그래피 매체를 포함하는 것인 컬럼 충전 방법.

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