УСТРОЙСТВО И СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ КОЛОНОК
DEVICE AND METHOD OF AUTOMATIC SEALING FOR CHROMATOGRAPHIC COLUMNS

Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к системе уплотнения рабочего материала для колонок и способу уплотнения рабочего материала, применяемому в колонках. Если быть точнее, изобретение относится к устройствам для уплотнения и способам усовершенствования процесса уплотнения рабочего материала в хроматографических колонках.
Предпосылки изобретения
Используемые в жидкостной хроматографии колонки, как правило, представляют собой трубу, в которой расположен пористый хроматографический материал и через которую протекает жидкость-носитель, при этом разделение происходит благодаря улавливанию вещества между жидкостью-носителем и твердой фазой пористого материала. Как правило, пористый материал помещен в колонку в виде уплотненного слоя, обычно получаемого путем уплотнения суспензии отдельных частиц материала, известной как пульпа, которая закачивается, заливается или всасывается внутрь, как правило, с одного конца колонки. Уплотнение пульпы в плотный слой достигается посредством сжатия ее таким образом, что после этого ее объем становится меньше того объема, который она занимала бы в случае осаждения под действием одной лишь силы тяжести для получения осажденного слоя. Эффективность последующего хроматографического разделения в большой степени зависит от системы распределения и приема жидкости при ее входе и выходе из уплотненного слоя, а также от сжатия последнего. В случае слишком слабого сжатия уплотненного слоя производимые на нем хроматографические разделения подвержены "запаздыванию". Если же сжатие слишком сильное, хроматографические разделения подвержены "опережению". При оптимальном сжатии формируемые в процессе работы пики разделения не проявляют опережения и запаздывания и, по существу, симметричны. Оптимальная степень сжатия, необходимая для колонки, определяется экспериментально для каждой колонки с учетом ее размера (ширины или диаметра), высоты уплотненного слоя и его материала.
Перед каждым процессом разделения необходимо подготовить слой сорбента, начиная с суспензии мелкозернистого вещества, которую требуется загрузить в колонку. Процесс формирования слоя сорбента называется "процедурой уплотнения", и правильно уплотненный слой является ключевым фактором для работы колонки, содержащей уплотненный слой. Целью процедуры уплотнения является получение слоя сорбента с оптимальной степенью сжатия - оптимальным показателем сжатия. Высота слоя, когда он сжат на оптимальную величину, называется целевой высотой сжатого слоя. Колонки большого размера предпочтительно подготавливать посредством введения в колонку через центральное сопло для суспензии заданного объема суспензии с заданной концентрацией частиц материала. Когда этот объем суспензии введен в колонку, он может быть подвергнут сжатию путем перемещения подвижного адаптера вниз вдоль продольной оси колонки в направлении дна последней, как правило, с постоянной скоростью, например 1 см в минуту. Во время данной операции избыточная жидкость удаляется через выход колонки, при этом частицы удерживаются с помощью фильтрующего материала, так называемой "опоры слоя сорбента", поры которого слишком малы, чтобы пропускать частицы сорбента. Процесс уплотнения завершается, когда уплотненный слой сорбента подвергся оптимальному сжатию. Операция уплотнения считается успешной, если сжатый слой позволяет обеспечить качественную хроматографию, что оценивается на основе характерного временного распределения на слое сорбента. Однако получить на практике такой слой сорбента с оптимальной степенью сжатия достаточно сложно. Процесс уплотнения слоя сорбента до сих пор считается больше искусством, чем наукой, и качество готового уплотненного слоя зависит от навыков оператора, управляющего наполнением колонки. Одной из причин такого положения является трудность обеспечения точного соответствия фактической концентрации суспензии сорбента, заправленного в колонку, и заданной концентрации, используемой при расчете требуемого количества суспензии для заправки в колонку. Любая разница между фактической концентрацией суспензии и заданной концентрацией суспензии приведет к тому, что фактическая высота слоя будет отличаться от целевой высоты слоя и/или фактическая величина сжатия слоя будет отличаться от установленной величины сжатия. Во время наполнения и последующего уплотнения сорбента в колонке оператор вручную выбирает и устанавливает параметры процесса уплотнения, такие как скорости потоков, скорость адаптера при движении и сжатии слоя сорбента; оператор также должен определять точку начала сжатия адаптером слоя сорбента. Указанная точка используется для расчета того, насколько еще адаптер должен продвинуться для получения требуемой степени сжатия. Ошибки в выборе любого из вышеперечисленных параметров могут привести к плохой работе колонки. В особенности трудно определять на глаз момент фактического начала сжатия слоя сорбента, при этом значительная ошибка на этом этапе делает невозможным получение слоя сорбента с оптимальной степенью сжатия.
Описаны автоматические системы для осуществления процесса сжатия при уплотнении. Соответственно, Европейский патентный документ ЕР 1698895 («Millipore Corporation») описывает способ для осуществления сжатия на слое материала, который включает использование одновременно датчика нагрузки и датчика давления для вычисления силы сжатия на слое материала; эту величину затем сравнивают с оптимальной требуемой величиной силы сжатия и, в соответствии с этим, изменяют положение привода либо адаптера внутри колонки.
Здесь и далее в прилагаемой формуле изобретения термин "жидкостная система" обозначает аппарат, в котором жидкость поступает в камеру или выходит из нее в области, примерно перпендикулярной направлению потока жидкости через камеру. Термин "камера" включает термины "сосуд" и "колонка", а также любые другие устройства, используемые практиками хроматографического разделения при осуществлении разделения и/или реакции, и/или катализации, и/или экстракции компонентов смеси посредством ее контакта с твердой или жидкой обменной средой, известной как уплотненный слой сорбента. Термин "зона поперечного сечения" (или область или часть) относится к области внутри камеры, ограниченной поперечными сечениями последней, поперечными (как правило, примерно перпендикулярными) продольному направлению потока через камеру. Термин "продольное направление потока" относится к направлению потока внутри камеры от входа к выходу последней. Термин "продольный" используется соответственно для обозначения основной траектории потока жидкости через камеру безотносительно направления. Термин "система соединения потока" относится к системе каналов или проходов, соединяющих две точки контура распространения жидкости. Термин "распределительная система" относится к устройствам, через которые жидкости поступают в камеру, а "приемная система" - к устройствам, которые используются для сбора жидкостей, выходящих из камеры, из зоны поперечного сечения камеры.
Термин "высота осадочного слоя" относится к высоте слоя частиц материала, который получается, когда слой из частиц материала образован после того, как частицы слоя материала в растворе жидкости и частицы материала в колонке смогли осесть только под воздействием силы тяжести - такой слой называется "осадочным слоем". Термин "высота затвердевшего слоя" относится к высоте слоя частиц материала, который получается, когда слой из частиц материала образован в колонке, в то время когда раствор частиц материала вытесняется, чтобы осесть под воздействием как силы тяжести, так и дополнительной силы, воздействующей на частицы материала, например за счет прохождения жидкости через слой материала, вызванного перемещением (например опусканием) подвижного адаптера в направлении этого слоя, и/или прокачивания или всасывания жидкости через последний - такой слой называется "затвердевшим слоем".
«Высота сжатого слоя» относится к высоте слоя из частиц материала в колонке, который получается, когда затвердевший слой сжат, например, за счет соприкосновения с подвижным адаптером или подобным приспособлением и дальнейшего перемещения этого адаптера или приспособления или путем прокачивания жидкости через колонку при большем расходе, чем тот, который использовался во время затвердевания слоя - такой слой называется «сжатым слоем».
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание системы уплотнения для колонок и способа уплотнения рабочего материала, в которых устранены недостатки, присущие существующим системам.
Варианты конструкции изобретения описаны в прилагаемой формуле изобретения.
Дополнительные усовершенствования приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Одним из преимуществ предложенных устройства и способа является то, что они обеспечивают получение слоя сорбента с оптимальным показателем сжатия. Другим преимуществом является возможность осуществления воспроизводимого и управляемого наполнения хроматографических колонок.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает схематический вид сбоку вариантов выполнения систем уплотнения материала в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 изображает график зависимости внутреннего давления колонки от времени уплотнения слоя материала при постоянной скорости адаптера.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения
Фиг.1 схематично изображает один из вариантов конструкции предложенной автоматической системы уплотнения для колонок, при этом не относящиеся к настоящему изобретению компоненты опущены для простоты пояснения принципов изобретения. Система 1 содержит колонку 3, имеющую верхнюю крышку или фланец 5а и донную пластину 5b, вокруг которых расположена цилиндрическая стенка 7 колонки. Между крышкой или фланцем 5а и пластиной 5b в колонке 3 расположен подвижный адаптер 9 (который может быть выполнен вместе с системой распределения проб (не показана), служащей для, по существу, равномерного распределения поступающей жидкости по площади поперечного сечения колонки 3, а также с опорой слоя сорбента (не показана), перекрывающей поперечное сечение колонки сеткой с ячейками, достаточно мелкими для предотвращения проникания через нее частиц материала слоя сорбента), соединенный с входной трубой 11 колонки, которая может быть соединена с источниками жидкостей (не показаны), таких как смеси, элюенты, разделительные среды и т.д. Подвижный адаптер 9 выполнен с возможностью перемещения в продольном направлении колонки посредством привода 13 (или приводов), например двигателя или исполнительного механизма, содержащего поршень и цилиндр, установленного на раме 14, которая охватывает верхний торец стенки 5 колонки. Подвижный адаптер имеет средство 16 определения положения, служащее для определения положения ("х") подвижного адаптера относительно некоторого фиксированного уровня, например верхней стороны донной пластины 5b; сигнал, соответствующий перемещению х, поступает в блок 15 управления. Работой привода 13 и, соответственно, перемещением адаптера 9 вверх или вниз управляет автоматический блок 15 управления. Блок 15 предпочтительно содержит программное и аппаратное обеспечение для управления работой колонки 3. Указанный блок управляет открыванием и закрыванием вентилей, скоростью и величиной перемещения подвижного адаптера. Блок 15 соединен с датчиком 18 давления и выполнен с возможностью приема и записи поступающих от него сигналов; этот датчик способен измерять значение давления жидкости внутри колонки, которое в дальнейшем для краткости называется внутренним давлением колонки.
На пластине 5b установлена приемная система 17, из которой жидкость поступает в кольцевой канал 19. Система 17 расположена между опорой 21 слоя сорбента и каналом 19 и служит для сбора жидкости равномерно со всей площади поперечного сечения колонки и доставки ее в канал 19. Канал 19 соединен с выходом 20 подвижной фазы, через который последняя отводится от колонки для дальнейшей обработки. Опора 21 предназначена для поддержки веса слоя сорбента в колонке и предотвращения выхода материала слоя за ее пределы. Опорой 21 может служить, например, сетка с ячейками, достаточно мелкими для предотвращения прохождения через нее материала слоя сорбента. Донная пластина 5b также имеет центральное отверстие 23, в которое может быть вмонтировано подвижное сопловое устройство 25. Это устройство 25 содержит сопло 27 с очисткой-на-месте (CIP), соединенное через трубопровод 29 и дистанционно управляемый вентиль 31 для рециркуляции чистящей жидкости в системе. Рециркуляционным вентилем 31 управляет блок 15. Сопло 27 выполнено с возможностью выдвижения из закрытого положения, в котором оно находится в герметичном контакте с опорой 21 и блокирует центральное отверстие 23, в открытое положение, в котором оно сквозь опору 21 выступает в пустое пространство 35 внутри колонки, образованное между опорой 21 и адаптером 9. Вокруг отверстия 23 расположен канал 19, соединенный с трубой 39 для рабочего материала, которая может соединяться с трубопроводом 43, который в свою очередь может соединяться с резервуаром 47 для суспензии через вентиль 45 этого резервуара, а через сливной вентиль 49 - со сливом 51. Канал 19 сообщается с пустым пространством 35 колонки при нахождении сопла 27 в открытом положении и заблокирован, когда сопло 27 задвинуто назад в закрытое положение.
Для наполнения колонки рабочим материалом слоя сорбента блок управления запрограммирован в соответствии с текущими параметрами рабочего материала, такими как заданная высота уплотненного слоя (которая может отличаться от фактически полученной), предполагаемая концентрация суспензии сорбента или объем последней (имеющей заданную концентрацию частиц, которую предполагается получить на практике), который требуется загрузить в колонку, скорость опускания адаптера для создания затвердевшего слоя и величина, отражающая «фактор сжатия», т.е. требуемое значение сжатия затвердевшего слоя, которое необходимо для оптимального функционирования системы. Целевая высота сжатого слоя может быть рассчитана с использованием следующей зависимости: целевая высота сжатого слоя равняется высоте затвердевшего слоя в момент времени, когда адаптер начинает сжимать затвердевший слой, деленной на фактор сжатия. Например, если высота затвердевшего слоя составляет 1 м, когда его начинают сжимать адаптером, и фактор сжатия равен 1,15, то тогда целевая высота сжатого слоя будет равна: 1/1,15=86,96 см. Обычно фактор сжатия будет находиться в диапазоне 1,01-2 и зависит, среди прочего, от размера колонки, типа и размера частиц материала слоя сорбента и высоты затвердевшего слоя. Заданный объем суспензии сорбента с частицами рабочего материала подают в колонку, например, путем всасывания с помощью подъема подвижного адаптера 9 под управлением блока 15 при открытом вентиле 45, выдвинутого в открытое положение сопла 27, и закрытом рециркуляционном вентиле 31 - при этом суспензия сорбента всасывается из резервуара 47 через вентиль 45, трубопровод 43, вход 39 и кольцевой канал 19 в пустое пространство 35 колонки. Блок 15 останавливает подвижный адаптер 9, когда последний переместится на расстояние х, необходимое для всасывания требуемого объема суспензии сорбента в колонку.
В режиме уплотнения клапанное отверстие 37 для материала закрыто за счет того, что сопло 37 задвинуто назад, а вентиль 45 закрыт. Выход 20 подвижной фазы открыт для обеспечения выхода избытка жидкости из колонки. Подвижный адаптер 9 перемещается вниз с постоянной скоростью (например, в диапазоне 0,5-10 см/мин), и по мере его опускания он встречает затвердевший слой и начинает сжимать его в осевом направлении - такое положение адаптера называется "контрольной точкой". На фиг.2 показан график зависимости внутреннего давления колонки от времени для колонки, входящей в состав системы, в которой опускание адаптера по направлению к концу колонки происходит с постоянной скоростью. На фиг.2 показано, что опускание адаптера характеризуется областью А монотонного возрастания внутреннего давления колонки (которое соответствует затвердеванию слоя сорбента), за которой следует область В, в которой внутреннее давление колонки возрастает менее быстро или сохраняется постоянным (возрастание, соответствующее продолжающемуся затвердеванию слоя, и участок постоянного давления, иллюстрирующий, что не происходит дальнейшего затвердевания слоя с текущими значениями скорости адаптера и течения через колонку), за которым следует внезапное уменьшение внутреннего давления колонки в точке С. Это положение адаптера в начале данного внезапного уменьшения внутреннего давления колонки соответствует тому, что адаптер начинает сжимать затвердевший слой и определяется как «контрольная точка». Затем за внезапным уменьшением следует увеличение внутреннего давления колонки, и это увеличение происходит с большей скоростью, чем в течение затвердевания слоя. Блок 15 регистрирует и отслеживает сигнал от датчика 18 давления и регистрирует положение подвижного адаптера, при котором происходит начало уменьшения давления, соответствующее указанной контрольной точке. Блок 15 вычисляет расстояние, на которое необходимо переместить подвижный адаптер от контрольной точки для достижения необходимого сжатия слоя. Затем блок 15 управляет перемещением подвижного адаптера 9 таким образом, что он перемещается вниз на расстояние, необходимое для сжатия слоя с тем, чтобы достигнуть целевой высоты сжатого слоя и необходимого сжатия слоя.
Во втором варианте выполнения предложенной системы автоматического уплотнения колонки эта система содержит устройство измерения расхода, предназначенное для измерения расхода жидкости на выходе из колонки. Эта система, по существу, такая же, как и система, описанная в отношении первого варианта выполнения настоящего изобретения, за исключением того, что датчик 18 давления заменен устройством измерения расхода, таким как расходомер 53 (показанный на фиг.1 пунктирными линиями), расположенный в месте, где он может точно измерить расход жидкости на выходе из колонки, например в выходе 20 подвижной фазы. Эта система работает сходным образом с системой, соответствующей первому варианту выполнения изобретения, за исключением того, что блок 15 регистрирует и отслеживает сигнал от датчика 53 расхода. Блок 15 регистрирует положение подвижного адаптера, в котором происходит начало резкого уменьшения расхода. Это уменьшение происходит в контрольной точке. Блок 15 вычисляет расстояние, на которое необходимо переместить подвижный адаптер от контрольной точки для достижения необходимого сжатия слоя сорбента. Затем блок 15 управляет перемещением подвижного адаптера 9 таким образом, что он перемещается вниз на расстояние, необходимое для сжатия слоя сорбента для достижения необходимого сжатия слоя.
В третьем варианте выполнения настоящего изобретения система автоматического уплотнения колонки выполнена и с датчиком 18 давления, и с устройством 53 измерения расхода. В этом варианте выполнения блок 15 регистрирует и отслеживает как внутреннее давление колонки, так и расход жидкости на выходе из колонки. Обычно начало уменьшения внутреннего давления колонки и уменьшения расхода жидкости на выходе из колонки, обусловленные началом сжатия слоя, должны происходить в одно и то же время, и блок управления будет регистрировать положение адаптера в это время как соответствующее контрольной точке. Тем не менее, вероятно, что может произойти задержка в каком-либо из сигналов, либо от датчика давления, либо от устройства измерения расхода, так что уменьшение какого-либо из этих параметров (давления или расхода) будет зарегистрировано раньше другого. В таких случаях блок управления может быть запрограммирован с обеспечением регистрации первого обнаруженного сигнала, показывающего уменьшение, как соответствующего контрольной точке, или он может быть запрограммирован с обеспечением регистрации второго обнаруженного сигнала, показывающего уменьшение, как соответствующего контрольной точке. В качестве еще одного альтернативного варианта, он может быть запрограммирован с обеспечением взятия, например, срединного положения адаптера между моментами поступления двух сигналов, показывающих уменьшение, как соответствующего контрольной точке.
При том, что настоящее изобретение поясняется примерами вариантов конструкции, в которых суспензия сорбента всасывается в колонку посредством перемещения подвижного адаптера, также существует возможность напрямую закачивать суспензию в колонку. Кроме того, возможно перемещение адаптера с переменной скоростью во время затвердевания слоя сорбента и сжатия осажденного слоя, например, начиная осаждение при скорости адаптера, например, 10 см/мин и уменьшая последнюю по мере приближения адаптера к расчетной высоте осажденного слоя, затем продолжая опускание адаптера с более низкой скоростью, например 0,5 см/мин. Указанные значения скорости адаптера приведены только в качестве поясняющих примеров - можно устанавливать любые подходящие значения скорости адаптера, например от менее 0,5 см/мин (например 0,1 см/мин) до более 10 см/мин (например 12,5 см/мин). Такие уменьшения скорости адаптера сами по себе вызывают уменьшения давления в колонке или уменьшение расхода через нее.
Кроме того, сжатие слоя сорбента может быть достигнуто путем прокачивания через него жидкости во время перемещения адаптера по направлению к указанному слою. Уменьшение расхода жидкости, прокачиваемой через слой сорбента, будет само по себе приводить к уменьшению давления в колонке и/или расхода через нее. Следовательно, программное обеспечение должно быть запрограммировано так, чтобы можно было определять различие между ожидаемыми и непрерывными уменьшениями расхода и/или давления, вызываемыми уменьшением скорости адаптера, и кратковременным уменьшением расхода и/или давления, которые указывают на контрольную точку, вызванную началом сжатия слоя сорбента.
Более того, возможно оснащение предложенной системы наполнения органами ручного управления, при этом оператор может управлять скоростью адаптера в течение части или всей процедуры уплотнения, а программное обеспечение использоваться для мониторинга перемещения адаптера и расчета контрольной точки. Положение расчетной контрольной точки и, возможно, информация о расчетном положении адаптера, требующемся для получения заданного показателя сжатия, может передаваться оператору, управляющему перемещением адаптера, до достижения последним положения, соответствующего заданной степени сжатия слоя сорбента.
Настоящее изобретение проиллюстрировано примерами вариантов конструкции с цилиндрической колонкой с постоянным диаметром, что делает возможной линейную корреляцию объема цилиндра и высоты слоя сорбента, при этом существует возможность адаптации настоящего изобретения для применения с колонками иной формы с нелинейной корреляцией указанных параметров.
Специалисты в данной области на основе изложенного описания настоящего изобретения могут создать множество модификаций последнего. Такие модификации должны признаваться как входящие в объем настоящего изобретения, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.