一种填充流体在其中流过的色谱柱的介质床的方法和系统

摘要

本发明提供一种用于填充色谱柱的自动系统和方法。在一个实施例中，系统首先确定柱内存在的介质类型，并且使用该信息以便形成填充特定介质类型的自动过程。在第二实施例中，例如通过操作者输入，使得系统得知介质类型，其方式与第一实施例相同，以便形成填充特定介质类型的自动过程。最后，在第三实施例中，例如通过操作者输入，使得系统得知例如柱高度和压缩比例的参数。该系统接着按照这些提供的参数填充柱。

说明书

本申请是原案申请日为2006年4月4日、申请号为 200610074090.4、发明名称为《用于自动填充色谱柱的智能系统和方法》 的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及色谱柱，并且特别涉及一种用于填充色谱柱的色谱柱 系统和方法。

背景技术

从包含其它可能是没有用的或是价值较小的成分的流体混合物分 离出一个或多个有用的成分，这常常是合乎人们意愿的。为了实现这 件事情，对该流体混合物进行分馏，以分离出有用的或想要的成分， 这经常是必需的或是合乎人们意愿的。通过使用液相色谱系统，这件 事情可以被进行。液相色谱可以描述为基于成分的物理或化学性质的 不同而对混合物的成分进行分馏。各种液相色谱系统用分馏基质对成 分进行分馏。一些液相色谱基质系统基于像分子量那样的物理参数， 对混合物的成分进行分馏。其它液相色谱系统基于像离子电荷、疏水 性那样的化学标准和某些像在成分上的抗原定子或外源凝集素结合位 点那样的化学半部分的存在，对混合物的成分进行分馏。

在实验室分析操作和工业规模的生产操作中，多种尺寸的色谱系 统被使用，在这些操作中，像从人血液分离出馏分或从药物分离出杂 质那样的分离步骤可以在批量过程中被大规模地进行。

使用填充了色谱介质的色谱柱的分离手段已经被进行了很多年。 色谱介质典型地包括直径在5和100μm之间的微粒。为了使柱的效能 最大化，尽可能紧密地并且尽可能均匀地布置介质，这是希望的。已 知为填充的该过程去除了在介质内的空间和通道。然而，特别是在牵 涉了大柱的情况下，色谱柱填充是高度可变的，并且可以显著地影响 分离的效率。为了获得均质的填充柱，许多设置过程参数必须被平滑 地协调起来。基于柱的尺寸，填充过程可能花费范围为若干小时的大 量时间。根据本说明书，不论填充柱所投入的时间有多少，在这些填 充柱中，发挥功能的填充柱的比例经常小于50％。在色谱填充和操作 期间，色谱介质的压紧对柱的性能和重现性具有显著的影响。典型地， 在填充柱时，通过使液体流动经过柱以填充介质，然后尽量使调节器 组件降低以机械地压缩介质的交替过程，介质被压缩。

因此，需要一种填充柱的改进方法，该方法减小所需时间并且改 善过程的可重复性和产量。由于结合了控制装置，以便自动进行涉及 柱填充的一个或多个过程，柱结构的改善可减小操作者填充错误并且 造成更好的性能、复制性和色谱床的稳定性。

发明内容

通过本发明，现有技术的问题已经被克服，本发明提供用于填充 色谱柱的自动系统和方法。在一个实施例中，该系统首先确定柱内存 在的介质的类型，并且结合自动过程使用此信息以便填充特定介质类 型。在第二实施例中，例如经由操作者输入，使得该系统得知介质类 型。结合自动过程，该系统接着使用该信息，其方式类似于第一实施 例，以便填充特定介质类型。最后，在第三实施例中，经由操作者输 入，使得该系统得知例如柱高度和压缩速度的参数。该系统接着按照 这些供应的参数填充柱。

附图说明

图1表示本发明的优选实施例；

图2表示说明对于不同介质类型来说应力和应变之间的关系的图 表；

图3表示说明按照本发明在恒定速度填充过程中的力的图表；

图4表示说明按照本发明在恒定速度填充过程中所进行步骤的流 程图；

图5表示说明按照本发明在恒定压力填充过程中的调节器的速度 的图表；以及

图6表示说明按照本发明在恒定压力填充过程中所进行步骤的流 程图。

具体实施方式

现在，大多数色谱柱通过手动填充，这是很长的烦琐过程。填充 柱的工人必须特别进行训练，并且需要时间和经验来改善其熟练程度。 不管如此，手动填充柱的产量很少能超过50％。因此，一半以上的被 填充的柱不能满足其需要，由此需要再次进行填充。这造成效率低， 并且特别是损失时间和介质。可使用自动化来显著地改善产量，并且 减小填充柱所需的时间。

本发明采用结合多个另外的部件使用的色谱柱。第一种这样的部 件是致动器，该致动器能够运动可调节的床支承装置，或定位在柱内 的调节器。该致动器可通过例如气动、电动或液压驱动装置的任何适 当的装置驱动。这种可调节的床支承装置可通过致动器运动，以便增 加或减小施加在介质床上的压力。第二种这样的部件是用于测量施加 在介质床上的总压力或力的装置。这可以通过例如压力传感器、负荷 测量单元的许多形式或者使用校正液压缸来实现。一种这样的应用在 共同审查的应用11/072081中描述。通过这种装置产生的输出可具有不 同的形式，包括(但不局限于)模拟电压、模拟电流和数字信号。第 三部件是用于测量进入该柱的流体的压力的装置。这可通过例如气泡 收集器或压力传感器的许多形式来实现。第四部件是能够接收来自于 压力测量装置的这些测量值并且使用这些测量值来控制致动器的控制 器。本领域普通技术人员将理解到该控制器具有多种类型，包括(但 不局限于)比例、比例导数(PD)、比例积分(PI)或比例积分导数 (PID)，并且将理解到本发明不被控制器的选择限制。类似地，从控 制器到致动器的输出可以具有不同形式，包括(不局限于)模拟电压、 电流、数字信号或脉冲。还设置用于测量可调节柱内的床支承装置的 位置的装置。可使用光学传感器、声音传感器、使用例如由玻璃或塑 料制成的柱的透明柱以及最好施加在壁表面上的标记的梯度或刻度来 测量床支承装置的位置，或者根据致动器的动作来确定。例如，床支 承装置的位置可根据由蜗轮进行的转动次数或者施加到步进马达上的 脉冲数量来确定。

图1表示本发明的优选实施例。可调节床支承装置112连接到轴 130上，轴最好制成螺纹。轴130穿过轭架140内的开口141，开口同 样最好制成螺纹。轭架140通过支柱150保持就位，支柱安装在底座 160上，柱110最好静置在底座上。在优选实施例中，支柱150通过使 用紧固装置161保持与底座接触，紧固装置例如是延伸通过底座内的 开口并且经由形成在支柱内并且同样形成螺纹的细槽151与支柱接合 的螺栓。紧固装置具有直径给定的优选地带有螺纹的杆162和直径大 于杆直径的头163。在底座160内的开口164优选地大于紧固装置的杆 162的直径，但小于紧固装置的头163的直径，以允许紧固装置的杆自 由地移动经过开口164。从底座160的下侧，经过开口164，紧固装置 161被插入，从而使紧固装置的杆162与支柱150内的细槽151接合。

轭架140固定在多个支柱150上。典型地，两个支柱提供了直径 较小的柱所需要的结构稳定性，而对于直径大的柱，额外的支柱可以 被使用。优选地，围绕与柱110同中心但大于柱110的圆形的圆周， 这些支柱150优选彼此等距地放置。支柱150具有等同于柱110高度或 优选地大于柱110高度的高度。

在一个实施例中，轭架140被连接到两个或多个支柱，并且它跨 越了柱110的宽度和中心线。通过例如细槽152、环或其它可以肯定将 轭架140保持就位的设备，轭架140被保持到支柱150。轭架40可以 被永久性地接附到支柱150，或更优选地，通过螺栓、U形销、开口销、 夹子和类似的东西，轭架40可以被可拆卸地连接到支柱150。在一个 优选实施例中，轭架40通过螺栓被接附到一个支柱50，而通过U形销 被接附到另一个支柱，从而当可调节的床支承装置112从柱被撤回的 时候，使轭架140可以围绕包含螺栓的支柱150垂直地枢转，并且被 向上移动而不对柱有所妨碍，以允许容易地接近柱内部。

在轭架140顶部的是独立于轭架140的适合于使杆在垂直方向上 移动的致动器170。该致动器可以气动、电或液压控制。在优选实施例 中，优选地是用电提供动力的马达配备了接触带有螺纹的杆130的齿 轮。马达的运转使得齿轮发生转动，这接下来使得带有螺纹的杆130 发生转动。带有螺纹的杆130经过在轭架140内的带有螺纹的开口141 所得到的转动，使得杆130相对于轭架140在垂直方向上移动。

可调节的床支承装置112、杆130和致动器170包括调节器组件。 这些构件协调地运行起来，以调节可调节的床支承装置112在柱110 内的位置，由此也控制了施加在介质床上的压力。

轭架140和支柱150包括支承结构155。该结构被刚性地连接到杆 130和底座160并且被固定到杆130和底座160，从而使任何施加在可 调节的床支承装置112上的力经过杆130并且经过支承结构155，被转 移到在支承结构155和底座160之间的连接点。

尽管该实施例包括使用带有两个支柱的单一的杆的优选实施例， 但本发明不局限于此。本领域的普通技术人员将要意识到的是，使用 多个杆和更多数量的支柱，这是在本发明的范围内的。例如，直径很 大的柱可能需要更多数量的杆和支柱，以保证可调节的床支承装置均 一地并且均匀地下降到介质床上。

在优选实施例中，负荷测量单元180定位在紧固装置的头163和 底座160的下侧之间。然而，负荷测量单元180可以定位在负荷测量 单元180可以测量施加在介质床上的力的任何位置。负荷测量单元是 将施加在它上的负荷转化成像电压或电流那样的模拟电输出的设备。 在所施加的负荷和电输出之间的关系被很好地建立，并且被紧密地控 制，从而通过监测负荷测量单元的电输出，使由负荷测量单元承受的 确切负荷可以被确定。在这里，术语“负荷测量单元”用于包括执行 该功能的任何设备。

负荷测量单元180优选地是圆形的，带有位于中间的同中心开口， 使开口的直径足够大，以允许杆162滑动经过开口。然而，开口的直 径优选地是小于紧固装置的头163的直径的，从而使头不能通过开口， 由此使得负荷测量单元与紧固装置以类似传统垫圈的方式相互连接起 来。这样，紧固装置插入经过在负荷测量单元180内的同中心开口， 经过在底座160内的开口，且进入到支柱150的细槽内。优选地，不 管支柱的数量有多少，一个负荷测量单元被使用，然而，多个负荷测 量单元或每个支柱使用一个负荷测量单元也被设想成本发明的实施 例。

本领域的普通技术人员将要意识到的是，虽然优选实施例包括可 调节的顶部床支承装置和固定的下部床支承装置，但本发明不局限于 此。设备也可以被构建为使顶部支承装置被固定，而下部床支承装置 是可调节的。

在优选实施例中，要被柱110处理的流体行进在管道内，经过在 杆130内的中空腔隙而到达可调节的床支承装置112。可选择地，流体 也可以行进在平行于杆的管道内，然后在形成在杆的底座的中空拱形 物之下，进入可调节的床支承装置。可调节的床支承装置112还包括 对流体进行相等地分配的流动单元，从而使流体均匀地进入介质床。 然后，经过底部流动端口113，处理过的流体从柱流出来。本领域的普 通技术人员将要意识到的是，流体行进的方向不被局限在顶部到底部； 流体也可以被推进到柱的底部内，且从顶部表面被抽取出来。类似地， 不需要流体进口和可移动的支承装置被定位在柱的相同端部。

进入柱的流体的压力被监测。在本领域中，有许多已知的用于进 行该监测的方法。例如，气泡捕捉装置可以插入在流体的源和杆130 的入口之间。与气泡捕捉装置关联的压力传感器可以用于提供测量的 流体压力。在优选实施例中，通过邻近杆130使用T连接装置，压力 传感器190，优选地是换能器，与流体流连通。压力换能器用于将压力 测量结果转换成像电压或电流那样的模拟电信号或数字电信号。在这 种情况下，换能器190测量被推动经过管道并且进到柱110内的流体 的压力。

最后，提供用于在柱110内测量可调节床支承装置112的位置的 装置195。该位置可通过检测致动器的动作来间接测量。作为选择，可 调节床支承装置的位置可经由使用多种类型的传感器来监测。

使用以上所述的设备，将描述本发明的三个实施例的每个实施例。 在第一实施例中，该系统首先确定柱内存在的介质的类型，并且结合 自动过程使用此信息以便填充特定介质类型。

介质类型按照下面的流程确定。该柱填充未知类型的浆体介质。 致动器接着朝着介质以恒定速度运动最好是可调节床支承装置112的 调节器。当床支承装置112运动时，例如通过负载测量单元180测量 施加在可调节床支承装置112上的力。同样例如通过光学传感器测量 柱110内的上部床支承装置112的位置。通过所测量的力除以可调节 床支承装置的表面面积而计算的由可调节床支承装置施加的压力接着 与可调节床支承装置运动的距离进行比较。

这种关系可在图2中表示。在此附图中，标示为“应力”的垂直 轴线如下限定：

应力＝力_测量/面积_{可调节床支承装置}。

标示为“应变”的水平轴线如下限定：

应变＝柱高度_过程开始/柱高度_当前。

图2表示不同介质类型之间的相对差别。软介质200在可调节床 支承装置朝其运动时提供最低的阻力。相反，刚性介质220在可调节 床支承装置朝其运动时提供大量阻力。根据所得图表，可以确定介质 类型。作为选择，图2所示的每种介质类型在应力和应变之间表示几 乎线性的关系。因此，不是绘制一系列许多的连续点，可以通过只计 算两个柱高度处的应变和应力来计算所得直线的斜率。另外作为选择， 由于应变限定为开始柱高度除以当前柱高度，通过将施加在可调节床 支承装置上的压力与当前柱高度比较可以确定介质类型。由于应力-应 变图表几乎是线性的，并且当前柱高度与应变成反比，如果开始柱高 度和可调节床支承面积是固定值，对于给定介质类型来说，压力和当 前柱高度的乘积大致是恒定的。一旦确定，此恒定值可用来确定所使 用的介质类型。最后，当前柱高度还与可调节床支承装置112运动的 距离相关。因此，在另一实施例种，可调节床支承装置的运动可与施 加在床支承装置上的力(或压力)比较，以便确定介质类型。

一旦确定介质类型，柱可按照本发明进行填充。在第一实施例中， 该系统如上所述确定介质类型。在第二实施例种，例如通过键盘输入 使得该系统得知该介质类型。这种输入可以多种方式提供，包括(但 不局限于)从例举可能的介质类型的菜单选择，并且经由键盘输入与 介质类型相关的名称或符号。

一旦输入，该系统可按照本发明填充该柱。描述填充色谱柱的两 种方法。第一实施例在恒定速度下运动可调节床支承装置112，并且测 量施加在床支承装置上的所得压力。第二实施例将液压保持在恒定大 小上，并且监测所得速度。

表示恒速填充过程流程的一个实施例的流程图表示在图4中。在 方框410中，使得流程得知介质类型。这种确定可使用前面所述的技 术按照经验进行，或者可例如经由键盘或菜单选择输入到系统中。介 质类型使得控制器限定流程所需的多个参数，例如可调节床支承装置 运行的速度以及系统的灵敏度(如下面描述那样)。一旦形成这些参 数，开始该过程。该系统(即控制器)致动调节器，最好是致动可调 节床支承装置，使其在恒定速度下朝着介质运动，如方框430所示。 在方框440中，测量作为由进入柱的流体所施加的力的柱入口力。在 优选实施例中，测量通过压力传感器190来进行，并且结果传递到控 制器。在判断方框450，表示为从压力传感器190读取的压力与可调节 床支承装置的面积乘积的此入口力与负载测量单元180处测量的力比 较。

图3是表示作为时间函数施加在可调节床支承装置的力的视图。 线300表示通过负载测量单元180测量的总力。除了液压背压力之外， 此力包括介质压缩力。线310表示与入口压力相关的力，入口压力是 液压背压力。因此，这些线之间的差别是由介质压缩造成的力。当填 充过程开始时，柱入口力310表示负载测量单元180经受的总力的大 部分，如线300所示。这是由于介质在很小或没有压缩的情况下，因 此此力最小。但是，当该柱进行填充时，介质压缩力分量开始占据总 力的大部分，造成线300以一定斜率大幅增加。在此点转换，入口压 力变为占据总力的较小的百分比。

判断方框450将入口压力与总测量力进行比较。方框450内所示 的变量C表示入口力与总力的所需比例，并且是介质类型的函数。只 要入口力与总测量力的比例大于C的数值，控制器将使得可调节床支 承装置继续以预定速度运行。但是，一旦入口力降低到总测量力的所 需百分比之下，该过程在方框460处终止。例如，如果C设置成0.9 的数值，一旦入口力小于总测量力的90％，该过程将终止。此时，控 制器不再使得致动器运动可调节床支承装置，并且该柱进行填充。

总测量力300增加的速度是介质类型的函数。例如，在刚性介质 中，当介质接近压缩时，这种增加十分显著。但是，在较软的介质中， 这种变化不太明显。为了使用不同的介质类型，根据介质类型，可以 改变控制系统的灵敏度。在填充刚性介质时，由于力的增加清楚明显， 可以增加系统的噪音抑止。但是，在较软的介质中，由于在总力中缺 乏明显的增加，噪音抑止不是很大。

除了使用恒定速度填充柱的优选方法之外，也可使用多种其它的 可选择方法。例如，在一个可选择的模式中，可以只通过监测总测量 力来确定终端点，如图3所示。这可以通过将总测量力和绝对值比较， 或者通过监测线300的斜率(导数)来实现。参考图3，可以看到直到 填充过程完成为止，总测量力相对于时间大致是线性的。在点320处， 线300的斜率显著变化。因此，线的导数将在此时此点处改变数值和 连续性。通过评价此线的导数，控制器可确定此点，而不需要预定终 端力，或者使用入口力和总测量力之间的预定比例。由于与介质类型 相关的介质压缩力便于进行观察，在使用刚性介质时，该方法最为有 效。

作为选择，不是如判断方框450所示那样将入口力和总测量力比 较，控制器可评价只与介质压缩相关的力。参考图3，此力表示成线 300，而不是线310。此线可接着按照所述的任何方法来评价，即与总 测量力比较、与预定值比较或者通过测量其导数。

作为选择，色谱柱可自动填充，其中不是如上所述在恒定速度下 预定调节器，在柱入口处测量的压力保持恒定。表示恒定速度填充过 程流程的一个实施例的流程图表示在图6中。方框600、610和620类 似于恒定速度流程下的方框400、410和420，其中根据介质类型，在 这些步骤中控制器限定流程所使用的恒定参数。在判断方框630中， 流程增加最好是可调节床支承装置的调节器的速度，直到其到达所需 压力值为止。只要测量压力小于所需数值，控制器将继续增加可调节 床支承装置的速度，如方框640所示。图5表示在恒定压力填充过程 中作为时间函数的可调节床支承装置的速度的视图。线500表示作为 时间函数的调节器的速度。线段510与图6内的方框640和判断方框 630相对应，这正是其中可调节床支承装置的速度增加的时间部分。在 判断方框660中测量压力介质与所需数值比较。此所需数值是取决于 介质类型的参数之一。如果测量压力大于所需压力，在方框667中可 调节床支承装置的速度通过控制器减小。这些步骤在调节器速度如图5 的线段530所示减小时重复进行。由于介质床高度增加，因此产生增 加的流动阻力，速度必须连续减小。这持续到整个床形成为止。一旦 形成整个床，压力和速度将到达稳定状态值长达短时间，如图5的点 540所示。此时，入口压力将等于所需压力。此时，流程进行到方框 665，其中测量可调节床支承装置的当前速度，并且进行存储以随后进 行参考。在达到此稳定状态之后，在介质中不再留有足够的流体来保 持所需的液压。因此，速度需要增加，以便保持所需压力。这表示在 方框670中，在液压变得小于所需数值时进行方框670。速度增加，并 且新速度与存储在方框665内的参考速度比较。如果新速度大于参考 速度预定量，流程完成，并且该过程在方框690结束。如果速度不再 大于参考数值预定量，流程返回到判断方框660，并且重复循环，直到 该过程完成为止。

还可以存在测量入口压力从小于所需数值过渡到大于所需数值而 不在准确在所需数值处测量的情况。换言之，不进行方框665。在这种 情况下，除了增加调节器速度之外，方框670还将检查是否已经存储 参考数值。如果没有存储参考数值，流程将以参考以上方框665描述 的相同方式测量并存储当前速度。

用于两种流程图的测量值最好通过控制器计算，其中首先从适当 测量装置读取实际数值，并且接着使用例如PID的流程处理该结果， 使得可以从分析中过滤微小的波动。因此流程图所使用的数值不容易 受到噪音和错误读取的影响。

在本发明的第三实施例中，该柱在将特定参数输入系统之后进行 填充。例如，可以存在使用计算控制回路来确定最佳填充点是否有利 的情况。例如，使用者希望进行多个测试，其中柱准确地在同一时间 进行填充。使用所述的流程产生最佳的结果，但是由于小的流程和测 量误差，不能保证以相同方式将相同的柱填充到相同的高度。例如， 使用所述恒定速度流程填充的两个相同的柱可在略微不同的柱高度处 终止。

因此，本发明包括第三实施例，第三实施例设计成对于多个柱重 复相同的填充过程。在此实施例中，使得例如通过菜单或键盘输入， 系统得知例如(但不局限于)介质类型、调节器速度和终端柱高度的 多种参数。系统接着利用所提供的所需速度在优选应用中进行恒定速 度填充过程。该过程在柱高度与输入到系统内的终端柱高度相符时结 束。可以设想到在前面的实施例中所使用的速度可以是介质类型的函 数。最佳终端柱高度可以通过经验确定。例如，多个柱可使用本发明 的第二实施例进行填充，其中系统使用恒定速度或恒定压力填充流程 来确定最佳柱高度。来自于这些填充过程的终端柱高度可接着用来确 定最佳终端柱高度。接着使得系统得知这种最佳数值以及介质特定速 度或压力。接着，按照本发明的第三实施例，填充该柱。