СИСТЕМА И СПОСОБ АВТОМАТИЗАЦИИ НАБИВКИ КОЛОНКИ СРЕДОЙ
SYSTEM AND METHOD FOR COLUMN AUTOMATED PACKING

Перекрестная ссылка на родственные заявки
По данной заявке испрашивается приоритет от 6 марта 2007 г. согласно предварительной заявке США №60/893202, полное описание которой включено в этот документ путем ссылки.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к системе набивки средой колонок и способам набивки средой для применения их на колонках. Более подробно данное изобретение относится к устройствам для набивки и способам улучшения качества и консистенции набивных хроматографических сред в хроматографических колонках.
Уровень техники
Используемые в жидкостной хроматографии колонки обычно включают трубчатый корпус, содержащий пористую хроматографическую среду, через которую протекает жидкость-носитель, где разделение происходит посредством накопления материала между жидкостью-носителем и твердой фазой пористой среды. Обычно среда находится в колонке в виде слоя набивки, образованного путем уплотнения взвеси из отдельных частиц, известной как суспензия, которую закачивают, наливают или всасывают в колонку. Уплотнения суспензии в слой набивки достигают посредством сжатия суспензии так, что она уплотняется до объема, который меньше, чем объем, который она могла бы занимать, если бы оседала под действием силы тяжести с формированием седиментационного слоя. Эффективность последующего хроматографического разделения сильно зависит от (1) системы распределения и сбора жидкости на входе текучей среды и выходе слоя набивки, (2) специальной ориентации частиц среды в слое набивки (также известной, как геометрия набивки) и (3) сжатия слоя набивки. Если сжатие слоя набивки слишком мало, то хроматографическое разделение, выполняемое на этом слое, имеет недостаток, заключающийся в образовании размытых задних фонов и обычно такие недостаточно сжатые слои являются нестабильными. Если сжатие слоя набивки слишком большое, тогда хроматографическое разделение, выполняемое на этом слое, имеет недостаток, заключающийся в образовании растянутого переднего края пика, и такие чрезмерно сжатые слои могут влиять на пропускную способность и связывающую способность и, в общем, давать намного более высокие рабочие давления. Если сжатие оптимально, то разделенные пики, образующиеся при эксплуатации, показывают намного меньше размытых задних фонов или растянутых передних краев и по существу являются симметричными. Оптимальную степень сжатия, требуемую для колонки, определяют экспериментально для каждого размера колонки (ширины или диаметра), высоты слоя и типа среды.
До начала любого процесса разделения слой приготавливают, начиная с приготовления суспензии частиц, предназначенной для введения в колонку. Процесс образования слоя называют «операцией набивки» и правильно набитый слой является определяющим фактором, влияющим на рабочие характеристики колонки, содержащей слой набивки. Одна из основных задач операции набивки является обеспечение слоя, который сжат с оптимальной величиной сжатия, т.е. с оптимальным коэффициентом сжатия. Высоту слоя при оптимальном сжатии называют целевой высотой сжатого слоя.
Крупномасштабные колонки, такие как CHROMAFLOW™ (зарегистрированная торговая марка GE Healthcare, колонки, выпускаемые GE Healthcare в Пискатавей, Нью-Джерси), подобные CHROMAFLOW™ колонки и другие колонки, используемые в настоящее время в промышленности, предпочтительно набивают посредством подачи в колонку, через центральный сопло для суспензии, клапан для среды или другое отверстие, предварительно определенного объема суспензии, имеющего точно определенную концентрацию частиц среды. После подачи предварительно определенного объема суспензии в колонку, хроматографическая среда в колонке может быть либо (1) полностью набитой или (2) не набитой и требовать дальнейшего уплотнения и сжатия посредством перемещения выполненного с возможностью перемещения адаптера вниз вдоль продольной оси колонки по направлению к дну колонки, обычно с постоянной скоростью. Избыточная жидкость в течение этой операции вытесняется на выходе колонки в то время, как частицы среды удерживаются посредством фильтрующего материала, так называемой «подложки слоя», с порами слишком малыми, чтобы допускать прохождение через него частиц. Операцию набивки завершают тогда, когда слой набивки сжимают до оптимальной величины или степени сжатия. Операция набивки считается успешной, если сжатый слой обеспечивает выполнение хорошей и надежной хроматографии. Однако набивку такого оптимально сжатого слоя хроматографической среды в хроматографическую колонку вручную нелегко осуществить на практике в силу того факта, что качество конечного слоя набивки зависит в большой степени от мастерства оператора. В течение заполнения и последующей набивки колонки оператор вручную выбирает и настраивает все параметры набивки, такие как положения клапанов, скорость закачки, расходы, скорость перемещения адаптера и т.д. Более важно, что во всех случаях оператор должен произвольно решать, когда нужно завершить набивку колонки, визуально определяя, что либо 1) подано достаточное количество суспензии в колонку, либо 2) адаптер достаточно сжал слой. Ошибки в выборе любого из параметров набивки и/или ошибки в определении, когда закончить набивку, обычно приводят к плохим рабочим характеристикам колонки. Более того, в колонках, снабженных прозрачной трубкой, это особенно трудно, а в колонках, оборудованных непрозрачной трубкой, такой как трубка из нержавеющей стали, невозможно судить на глаз, когда сжатие слоя действительно начинается, и значительная ошибка в этом пункте делает невозможным получение оптимально сжатого слоя. В общем, набивку колонки до сих пор рассматривали скорее как искусство, чем как науку.
Поэтому существует потребность в системе и способе точной и воспроизводимой набивки хроматографическими средами хроматографических колонок.
Сущность изобретения
Целью данного изобретения является обеспечение системы набивки колонки и способа набивки сред в колонки, чтобы преодолеть недостатки систем предшествующего уровня техники.
Это изобретение обеспечивает полностью автоматизированную, без применения ручного труда, набивку хроматографических колонок посредством подачи предварительно рассчитанного объема суспензии и с использованием двух различных способов набивки для прекращения набивки, когда либо (1) этот объем подан в колонку, что является предпочтительным способом для колонок, снабженных неподвижными адаптерами, либо (2) когда после подачи предварительно рассчитанного объема суспензии адаптер перемещают для достижения высоты слоя, соответствующей требуемой высоте сжатого слоя, что является предпочтительным способом для колонок, снабженных адаптерами, выполненными с возможностью перемещения. Таким образом, хроматографическую колонку можно набивать полностью автоматически и такая колонка является (1) стабильной и 2) обладает требуемыми рабочими характеристиками.
Краткое описание чертежей
Эти и другие преимущества настоящего изобретения станут более очевидны после прочтения следующего описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, где:
на Фиг.1 изображена блок-схема первой последовательности операций автоматизированной набивки колонки средой в соответствии с изобретением;
на Фиг.2A и 2В изображена блок-схема второй последовательности операций автоматизированной набивки колонки средой в соответствии с изобретением;
Фиг.3 представляет собой схематический чертеж первой автоматизированной системы набивки колонки средой, в связи с Фиг.1, в соответствии с изобретением;
Фиг.4 представляет собой схематический чертеж второй автоматизированной системы набивки колонки средой, в связи с Фиг.2A и 2В, в соответствии с изобретением;
Фиг.5 представляет собой графическое изображение кривой напорного потока и кривой сжатия в соответствии с изобретением.
Подробное описание изобретения
Предпочтительные в настоящий момент воплощения изобретения описаны со ссылкой на чертежи. Описания предпочтительных воплощений приведены в качестве примера и не подразумевают ограничение области защиты изобретения.
Используемые в описании и приложенной формуле изобретения термины означают следующее.
Термин «ячейка» включает термины «сосуд» и «колонка», так же как любую другую конструкцию, используемую специалистами-практиками отдельных областей техники, для выполнения разделения и/или взаимодействия, и/или катализа, и/или экстрагирования компонентов из смеси путем приведения смеси в контакт с твердыми или жидкими обменными средами, известными как слой набивки.
Термин «продольное направление потока» относится к направлению потока из входного отверстия по направлению к выходному отверстию внутри ячейки. «Продольный» используют всякий раз для обозначения преимущественного пути потока текучей среды через ячейку, независимо от направления.
Термин «система соединения потока» относится к системе каналов или путей, которые связывают две точки в замкнутом потоке текучей среды.
Термин «система распределения» относится к конструкциям, через которые текучие среды вводят в ячейку, и термин «система сбора» относится к конструкциям, используемым для сбора текучих сред из ячейки.
Термин «высота седиментационного слоя» относится к высоте слоя частиц среды, который получают, когда жидкость и частицы среды в колонке оседают под действием только силы тяжести - такой слой называют «седиментационным слоем».
Термин «высота уплотненного слоя» относится к высоте слоя частиц среды, который получают, когда слой частиц среды образуется в колонке по мере того как частицы в суспензии оседают принудительно, когда через суспензию направляют поток текучей среды путем либо (1) закачивания жидкости в колонку, или (2) выкачивания жидкости из колонки, или (3) перемещения (например, опускания), выполненного с возможностью перемещения адаптера, который вынуждает жидкость выходить из колонки - такой слой называют «уплотненным слоем».
Термин «высота сжатого слоя» относится к высоте слоя частиц среды в колонке, которую получают, когда сжимают уплотненный слой, например, путем контакта с выполненным с возможностью перемещения адаптером или подобным устройством и его дополнительным перемещения, или путем прокачки текучей среды через колонку с более высокой скоростью, чем скорость, используемая при уплотнении слоя - такой слой называют «сжатым слоем».
Первая система и способ автоматизированной набивки средой колонки
На Фиг.1 показана блок-схема первой последовательности операций набивки автоматизированной колонки средой. В блоке 101 происходит приготовление хроматографической среды, где любую типичную хроматографическую среду приводят во взвешенное состояние. К хроматографической среде также можно отнести гель, гранулы или смолы. Эту взвесь хроматографической среды получают в транспортном контейнере для хроматографической среды (не показан) путем обычных способов, таких как ручное перемешивание, механизированное перемешивание, аэрация, встряхивание или вибрация, или применение MEDIA WAND™ (торговая марка устройства GE, выпускаемого GE Healthcare в Пискатавей, Нью-Джерси). MEDIA WAND™ является надежным, легким в применении устройством, сконструированным для удаления надосадочной жидкости, добавления воды или буферного вещества, создания однородных суспензий сред в транспортных контейнерах и переноса сред в суспензионные баки. MEDIA WAND™ представляет собой устройство, описанное в заявке на патент Соединенных Штатов №11/669347, поданной 31 января 2007 и озаглавленной «Способ и установка для образования однородной смеси хроматографических сред в сосуде», которая включена в этот документ путем ссылки.
gs
gs
Далее, в блоке 101, находящуюся в состоянии суспензии хроматографическую среду откачивают из транспортного контейнера для хроматографической среды в суспензионный бак 301 (Фиг.3). Суспензию можно откачивать, используя типовые насосы, которые не повреждают гранулы, такие как диафрагменные насосы или коловратные насосы. Эти типовые насосы обычно располагают между контейнером с хроматографической средой и суспензионным баком(ами) 301, или они могут быть встроены в участок набивки, таком как 303 (Фиг.3), или некоторые другие устройства по обработке суспензии, такие как Media Handling Unit, которое представляет собой устройство, изготавливаемое GE Healthcare в Пискатавей, Нью-Джерси. MEDIA WAND™ и Media Handling Unit сконструированы для упрощения транспортировки сыпучих сред, таким образом уменьшая время транспортировки и трудозатраты. Альтернативно, суспензию можно физически вылить из транспортного контейнера для хроматографической среды в суспензионный бак 301 (Фиг.3) через отверстие в верхней части бака. Количество хроматографической среды, содержащейся в суспензии, обычно называют % суспензии, а также суспензионной концентрацией. Как процент суспензии, так и суспензионная концентрация отражают объем осаждаемого под действием силы тяжести материала (V) или твердых веществ (т.е. геля, хроматографических сред, сфер, смол) в общем объеме суспензии. Суспензионную концентрацию можно регулировать, однако обычно она составляет от 25% до 75% V в общем объеме суспензии. Когда суспензия находится в суспензионном баке 301, ее поддерживают во взвешенном состоянии стандартным средством перемешивания, чтобы обеспечивать однородную взвесь, суспензию или дисперсию.
По завершению описанного выше приготовления суспензии небольшой образец суспензии можно отобрать из суспензионного бака 301 (Фиг.3), используя обычное отверстие для отбора проб, которое обычно имеется в суспензионных баках. Альтернативно, небольшой образец суспензии можно отобрать путем простого зачерпывания или путем использования обычной пипетки. Действительный объем образца, отбираемого из суспензионного бака 301, обычно составляет менее 1 литра, однако предпочтительно может составлять менее 0,1% от объема колонки 304 (Фиг.3).
Далее, в блоке 103 (Фиг.1) определяют суспензионную концентрацию (СК) любым из следующих способов:
1. Седиментация: в соответствии с этим способом обеспечивают возможность полного отстаивания суспензии под действием силы тяжести в течение интервала времени, достаточного для того, чтобы происходило полное оседание. Этот интервал времени зависит от типа используемой хроматографической среды и, в общем, может составлять от 2 до 72 часов. Например, образец емкостью 100 мл отбирают из суспензионного бака 301 (Фиг.3), помещают в градуированный цилиндр емкостью 100 мл и обеспечивают возможность полного отстаивания образца или седиментации под действием силы тяжести. Если полностью осевший слой затем занимает объем 53 мл согласно делениям шкалы на градуированном цилиндре, то суспензионная концентрация составляет 53%.
2. Цетрифугирование: в соответствии с этим способом суспензия принудительно оседает под действием центробежных сил. Например, образец емкостью 100 мл отбирают из суспензионного бака 301 (Фиг.3), помещают в градуированную пробирку для центрифуги, емкостью 100 мл. Пробирку затем помещают в центрифугу и центрифугу эксплуатируют при скорости 3000 об/мин в течение 15 минут. Пробирку затем вынимают из центрифуги и объем седиментационного слоя определяют по делениям шкалы пробирки для центрифуги, и если эти показания составляют 53 мл, то суспензионная концентрация составляет 53%.
3. Фильтрование: в соответствии с этим способом суспензию наливают в градуированный цилиндр или в какой-либо другой градуированный сосуд, который снабжен фильтром, который позволяет стекать жидкости из суспензии, однако удерживает частицы среды. Например, образец емкостью 100 мл отбирают из суспензионного бака 301 (Фиг.3), помещают в градуированный цилиндр емкостью 100 мл, снабженный фильтром или спеченным материалом в нижней части, и позволяют полностью стекать. Если седиментационный слой занимает объем 53 мл, когда снимают показания по делениям шкалы модифицированного градуированного цилиндра, то суспензионная концентрация составляет 53%.
4. Другие средства или способы, в которых используют такие принципы или устройства, как рассеяние света, ультразвук, счетчики частиц и т.д. Например, таким другим способом может быть способ фильтрования, однако жидкость не сливают из нижней части колонки. В этом случае расчетное количество суспензии наливают в колонку и среды осаждают потоком с низким расходом, пропускаемым через колонку. Когда слой осел, обеспечивают возможность релаксации слоя в течение расчетного периода времени. Высоту слоя измеряют и соотносят с высотой первоначально налитой суспензии. Этот вышеупомянутый способ фильтрования дополнительно описан в заявке на патент Швеции №0701671-0, поданной 6 июля 2007 в патентное ведомство Швеции и озаглавленной «Определение суспензионной концентрации», которая включена в этот документ путем ссылки.
c
c
c
2
Далее, в блоке 105 (Фиг.1) определяют объем (V) колонки 304 (Фиг.3). В предпочтительном воплощении изобретения объем колонки определяют эмпирически, путем заполнения колонки 304 (Фиг.3) водой с последующим сливанием, сбором и взвешиванием воды. В другом воплощении изобретения V колонки 304 (Фиг.3) определяют путем следующего вычисления: V равно площади поперечного сечения колонки πr, умноженной на высоту колонки L:
c
2
V=πrL
Высота, на которую слой хроматографической среды необходимо набить в колонку, является четко определенным, зависящим от применения и регулируемым параметром, который обычно оговорен в лицензии на производство и от которого нельзя отклоняться. Обычно она выражена в виде установленного числа внутри определенного диапазона. Например, высота слоя колонки для конкретного применения может быть указана как 20+/-2 см.
gs
Далее, в блоке 107 определяют коэффициент сжатия (КС). На Фиг.5 показана зависимость давление-скорость потока и кривая сжатия, используемые для получения коэффициента сжатия, до которого слой хроматографической среды необходимо набить в колонку. Сжимаемость хроматографической среды и максимальный расход (скорость потока), которого можно достичь при прокачке жидкости через эту среду, когда она набита в колонку до конкретной высоты слоя (т.е. расстояния между основанием и верхом слоя), можно определить следующим образом. Объем суспензии (смеси воды или другой жидкости и хроматографической среды, геля, смолы и т.д.) наливают или закачивают в хроматографическую колонку, нижнее выходное отверстие которой закрыто, и обеспечивают возможность полного отстаивания под действием силы тяжести. Объем, занятый этой отстоявшейся хроматографической средой, определяют как объем, полученный при отстаивании под действием силы тяжести и обозначают символом V. Затем записывают высоту этого отстоявшегося гелевого слоя. В этом примере эту высоту слоя можно назвать «начальной высотой слоя». Используя насос или другое устройство или оборудование для подачи жидкости, жидкость прокачивают через колонку при постепенно возрастающих расходах. Это продолжается до тех пор, пока не достигают максимальной (также называемой критической) скорости потока, при которой нельзя достичь никакого увеличения скорости потока через слой геля, независимо от усилия. Давление (сопротивление слоя геля вводимому потоку) и высоту слоя записывают для каждой величины расхода. Вообще, чем выше расход, применяемый в колонке, тем выше давление и тем ниже высота слоя. Используя записанные значения расхода, давления и высоты слоя, можно построить две кривые:
КРИВУЮ 1, обозначенную кружками на линии, которая показывает соотношение между давлением и скоростью потока; и
КРИВУЮ 2, обозначенную треугольниками на линии, которая показывает соотношение между давлением и высотой слоя.
Как можно видеть из схемы на Фиг.5, для каждой скорости потока существует соответствующее давление и высота слоя. Таким образом, коэффициент сжатия (КС) можно вывести, используя формулу
КС=(начальная высота слоя)/(высота слоя в потоке).
Например, сжимаемость или коэффициент сжатия (КС) этой хроматографической среды при максимальной скорости потока можно определить путем деления «начальной высоты слоя» 34 см на «конечную высоту слоя» 27,7 см, то есть 34/27,7=1,23. График на Фиг.5 показывает коэффициент сжатия 1,14 для этого конкретного геля при скорости потока 55 см/ч.
gs
Также коэффициент сжатия можно рассматривать как уменьшение высоты хроматографической среды в колонке от начального значения, когда хроматографическая среда или гель оседает под действием силы тяжести (V), до конечного значения, когда хроматографическая среда сжата потоком, имеющим скорость, близкую к максимальной скорости потока. Величину коэффициента сжатия не нужно понимать как установленную величину, отклонение от которой является нежелательным, а скорее, как диапазон, в котором еще можно достичь оптимальных рабочих характеристик колонки. Например, если хроматографическая среда сжата с коэффициентом 1,15, то оптимальных рабочих характеристик колонки можно достичь в диапазоне от 1,12 до 1,18. Согласно другому примеру, если хроматографическая среда сжата с коэффициентом 1,20, то оптимальных рабочих характеристик можно достичь в диапазоне от 1,16 до 1,24 и т.д.
s
gs
s
s
Далее, в блоке 109 рассчитывают объем суспензии (V), необходимый для набивки колонки 304 (Фиг.3). Это объем суспензии, требующийся для того, чтобы надлежащий V был подан в колонку 304 и сжат до определенного коэффициента сжатия или требуемого коэффициента сжатия в пределах требуемого диапазона коэффициента сжатия, и этот V можно вычислить вручную. В другом воплощении объем суспензии, необходимый для набивки, можно вычислить посредством управляющего устройства 305 или посредством отдельного компьютера (не показан). Управляющее устройство 305 (Фиг.3) обычно представляет собой компьютер, который включает процессор, способный рассчитывать объем суспензии (V) на основе уравнения.
Управляющее устройство 305, как обычный компьютер, включает стандартные компоненты: процессор, контроллер ввода-вывода, запоминающее устройство большой емкости, оперативную память, видеоадаптер, интерфейс средства связи и системную шину. Запоминающее устройство большой емкости включает: 1) жесткий дисковод (не показан) для чтения и записи на жесткий диск и интерфейс жесткого дисковода (не показан), 2) дисковод магнитного диска (не показан) и интерфейс жесткого дисковода (не показан) и 3) дисковод оптического диска (не показан) для чтения и записи на съемный оптический диск, такой как CD-ROM или другие оптические носители информации, и интерфейс дисковода оптического диска (не показан). Вышеупомянутые дисководы и связанные с ними читаемые компьютером носители информации обеспечивают сохраняющее информацию при выключении питания хранение читаемых компьютером команд, массивов данных, программных модулей и других данных для управляющего устройства 305. Также вышеупомянутые дисководы включают технический эффект, заключающийся в обладании алгоритмом для первой последовательности операций автоматизированной набивки колонки средой, которая описана на Фиг.1. Данный алгоритм также может быть программным обеспечением или уравнением последовательности операций, проиллюстрированной на Фиг.1. На Фиг.4 управляющее устройство 405 (Фиг.4) эквивалентно управляющему устройству 305, которое обладает вышеупомянутыми дисководами, которые включают технический эффект обладания алгоритмом для второй последовательности операций автоматизированной набивки колонки средой, которая описана на Фиг.2. Этот алгоритм для второй последовательности операций автоматизированной набивки колонки средой также может быть программным обеспечением или уравнением последовательности операций, проиллюстрированной на Фиг.2.
s
На Фиг.3 управляющее устройство 305 включает аппаратное обеспечение и программное обеспечение для управления работой колонки 304. Более того, управляющее устройство 305 регулирует и обеспечивает связь со всеми единицами оборудования, используемыми в автоматизированной набивке колонки, такими как клапаны, насосы, пневмодатчик, датчик давления, расходомер и т.д. Для того чтобы вычислить объем суспензии (V) используют следующее уравнение:
s
c
s
V=(V×KC)/C.
c
s
Объем суспензии равен объему колонки (V), умноженному на коэффициент сжатия (КС) и деленному на суспензионную концентрацию C. Требуемый объем суспензии приготавливают в суспензионном баке 301 и дополнительный объем суспензии можно добавить, чтобы сделать поправку внешний объем между суспензионным баком 301 и колонкой 304, включая участок 303 набивки и шланги. Участок 303 набивки представляет собой обычный участок набивки, который включает насосы 306 и 307 и клапаны 308 и 309, необходимые для подачи суспензии.
Далее, в блоке 111 (Фиг.1) на участке 303 набивки (Фиг.3) вводят жидкость из бака 302 в колонку 304 (Фиг.3) посредством насоса 306 (Фиг.3) и через сопло 311 (Фиг.3), которое вставлено в место набивки. По мере того, как колонку 304 наполняют жидкостью, содержащийся внутри воздух прокачивают через сопло 312 и он проходит через пневмодатчик 313 (Фиг.3). Пневмодатчик 313 представляет собой обычный пневмодатчик, который соединен и находится в сообщении с управляющим устройством 305. Пневмодатчик 313 определяет, существует ли движение воздуха через него, и эту способность используют для определения, когда колонка заполняется водой, в этот момент управляющее устройство 305 может автоматически переходить к следующему блоку.
В блоке 113 (Фиг.1) управляющее устройство 305 (Фиг.3) управляет участком 303 набивки, где управляющее устройство 305 автоматически запускает участок 303 набивки, трубопроводы суспензии, шланги и сопло 312 с суспензией путем рециркуляции суспензии из суспензионного бака 301 через участок 303 набивки, сопло 312 и трубопроводы суспензии назад в суспензионный бак 301. Это запускающее действие осуществляют посредством сопла 312, находящегося в суженном или закрытом положении, посредством чего образуют отводную линию между входным отверстием 312а для суспензии (ВОС) и отверстием 312b для отработанной суспензии (ООС), где суспензию направляют через входное отверстие 312а (ВОС) и распыляют через отверстие 312b для отработанной суспензии (ООС) и связанные с ним шланги назад в суспензионный бак 301. Если это запускающее действие выполнено, управляющее устройство 305 переходит автоматически к следующему блоку.
В блоке 115 (Фиг.1) управляющее устройство 305 (Фиг.3), которое соединено и находится в сообщении со всеми ключевыми компонентами, выполняет следующее: 1) обнуляет расходомер 314, 2) устанавливает сопло 312 в положение набивки или открытое положение, которое обеспечивает возможность подачи суспензии в колонку 304, которая изначально заполнена водой, 3) открывает нижнее выходное отверстие колонки 304 путем оперирования клапаном 310 и 4) приводит в действие насос 306 для набивки (Фиг.3), который подает хроматографическую среду в колонку 304. Таким образом, начинают набивку колонки.
В блоке 117 (Фиг.1) управляющее устройство 305 (Фиг.3), которое соединено и находится в сообщении с расходометром 314, контролирует расходомер 314 для отслеживания объема, закачиваемого в колонку 304, где расходомер 314 сообщает управляющему устройству 305 наблюдаемый объем суспензии, закачиваемой в колонку 304.
c
Далее, в блоке 119 (Фиг.1) процессор в управляющем устройстве 305 (Фиг.3) автоматически прекращает набивку колонки 304, когда результат измерения наблюдаемого объема суспензии, закаченной в колонку 304, эквивалентно предварительно рассчитанному объему суспензии (V), который определяли в блоке 105 (Фиг.1). Управляющее устройство 305 затем выполняет следующее: 1) останавливает насос 306 для набивки, 2) возвращает к исходному состоянию или закрывает сопло 312 и 3) закрывает входное/выходное отверстие для подвижной фазы колонки 304 путем оперирования клапаном 310. В другом предпочтительном воплощении изобретения объем суспензии, закачиваемой в колонку 304, можно отслеживать посредством соединения и сообщения между управляющим устройством 305 и суспензионным баком 301, который как таковой можно оборудовать устройством измерения объема, либо внешним, либо внутренним. В еще одном предпочтительном воплощении изобретения объем суспензии, закачиваемой в колонку 304, можно отслеживать посредством соединения и сообщения между управляющим устройством 305 и весами, на которые установлен суспензионный бак 301.
Вторая система и способ автоматизированной набивки средой колонки
На Фиг.2A и 2В показана блок-схема второй последовательности операций автоматизированной набивки колонки средой. Эта блок-схема включает блоки 201-211 (Фиг.2A), где операции эквивалентны описанным в блоках 101-111, так что описание этих блоков ниже не приводится.
В блоке 213 управляющее устройство 405 (Фиг.4), которое соединено и находится в сообщении со всеми ключевыми компонентами, перемещает адаптер 407 (Фиг.4) вниз посредством либо механического, электрического, либо гидравлического средства к точке, в которой адаптер находится в самом нижнем положении, в котором либо известный объем жидкости, используемый для запуска, остается в колонке 404, либо никакой жидкости вообще не остается в колонке 404.
s
s
В блоке 215 (Фиг.2) управляющее устройство 405 (Фиг.4), которое соединено и находится в сообщении со всеми ключевыми компонентами, выполняет следующее: 1) устанавливает или открывает клапан 406 для среды (также называемый соплом, клапаном для суспензии или отверстием для суспензии), который обеспечивает возможность подачи суспензии в колонку 404 (Фиг.4), которая изначально заполнена водой и 2) перемещает адаптер 407 (Фиг.4) вверх посредством либо механического, электрического, либо гидравлического средства. Управляющее устройство 405 эквивалентно описанному выше управляющему устройству 305, так что оно здесь не описано. По мере того, как адаптер 407 перемещается, суспензия всасывается из суспензионного бака 401 (Фиг.4) в колонку 404 через сопло 406. Этому способу всасывания суспензии в колонку 404, который работает в основном, подобным шприцу образом, можно содействовать, если это необходимо, путем создания избыточного давления в баке 401. Управляющее устройство 405 отслеживает высоту адаптера посредством либо обычного механического, электронного, либо гидравлического средства (не показано) и останавливает адаптер 407, когда адаптер 407 перемещен на высоту, соответствующую предварительно рассчитанному объему суспензии (V), необходимому для набивки, в точке, в которой объем суспензии, равный V, подан в колонку.
Далее, в блоке 217 (Фиг.2A) управляющее устройство 405 (Фиг.4) посредством либо внутреннего, либо внешнего насоса (не показан) закачивает воду или буферное вещество из емкости 402 в колонку 404 (Фиг.4) с предварительно определенным расходом через отверстия 408 и 409 для подвижной фазы в колонке (Фиг.4). Хроматографическую среду, которая в этой точке находится в форме суспензии внутри колонки 404, уплотняется этим потоком и управляющее устройство 405 продолжает вводить поток через колонку 404 до тех пор, пока уплотняется слой, и создается и стабилизируется слой воды (зазор) между выполненным с возможностью перемещения адаптером 407 и слоем хроматографической среды.
Далее, в блоке 219 (Фиг.2A) выполненный с возможностью перемещения адаптер 407 (Фиг.4) автоматически опускается посредством управляющего устройства 405 до верха слоя хроматографической среды после либо 1) отслеживания объема жидкости, удаляемой из колонки 404 через любое из отверстий 408 и 409 для подвижной фазы в колонке, когда выполненный с возможностью перемещения адаптер 407 опускается подобно шприцу, либо 2) посредством отслеживания высоты выполненного с возможностью перемещения адаптера 407.
Далее, в блоке 221 (Фиг.2B) выполненный с возможностью перемещения адаптер 407 (Фиг.4) автоматически опускается посредством управляющего устройства 405, чтобы сжать хроматографическую среду до предварительно определенного и требуемого коэффициента сжатия после либо 1) отслеживания объема жидкости, удаляемого из колонки 404 через любое из отверстий 408 или 409 для подвижной фазы, когда выполненный с возможностью перемещения адаптер 407 опускают подобно шприцу, либо 2) посредством отслеживания высоты выполненного с возможностью перемещения адаптера 407.
Далее, в блоке 223 (Фиг.2B) управляющее устройство 405 (Фиг.4) автоматически прекращает набивку колонки 404, когда достигают оптимальной высоты. Оптимальной высоты достигают, когда выполненный с возможностью перемещения адаптер 407 вытесняет объем жидкости, равный разности объемов при начальной высоте адаптера 407 (высота по окончании операций блока 215) и конечной высоте адаптера, из колонки 404, величина которого известна управляющему устройству 405 и отслеживается расходомером (не показан), похожим или идентичным уже описанному способом. В другом воплощении изобретения управляющее устройство 405 автоматически прекращает набивку колонки 404, когда устройство определения высоты слоя или другое устройство, способное определить положение адаптера (не показано), которое соединено и находится в сообщении с управляющим устройством 405, достигает значения, равного требуемой конечной высоте набивки колонки, которая имеет значение, известное управляющему устройству 405.
В другом воплощении изобретения, начинающемся в блоке 217 и заканчивающемся в блоке 223, уплотнение хроматографической среды в колонке 404 можно выполнять посредством выполненного с возможностью перемещения адаптера 407 либо механически, электрически, либо гидравлически путем обычных операций и путем открывания либо отверстия 408 для подвижной фазы, либо отверстия 409 для подвижной фазы до тех пор, пока не достигнут требуемого уплотнения. Если это воплощение становится выбранным режимом выполнения способа автоматической набивки, тогда блок 219 можно пропустить и способ автоматической набивки можно продолжать через блок 221 и автоматически прекращать в блоке 223, именно так, как описано выше.
В еще одном предпочтительном воплощении изобретения, начинающемся в блоке 217 и заканчивающемся в блоке 223, уплотнение и последующее сжатие можно выполнять в одну стадию посредством выполненного с возможностью перемещения адаптера 407 либо механически, электрически, либо гидравлически путем обычных действий и путем открывания либо отверстия 408 для подвижной фазы, либо отверстия 409 для подвижной фазы до тех пор, пока не достигнут требуемого уплотнения и сжатия. Если это воплощение становится выбранным режимом выполнения способа автоматической набивки, тогда блок 219 и блок 221 можно пропустить и способ автоматической набивки можно продолжать непосредственно до блока 223 и автоматически прекращать в этом блоке, именно так, как описано выше.
Данное изобретение обеспечивает систему и способ полностью автоматизированной набивки хроматографических колонок посредством подачи предварительно рассчитанного объема суспензии. Пользователь имеет возможность осуществлять набивку хроматографических колонок на основе определения суспензионной концентрации, определения объема колонки и определения коэффициента сжатия. Определение этих величин дает пользователю возможность рассчитать объем суспензии, необходимый для набивки отдельной хроматографической колонки до конкретной высоты слоя. После того, как эти величины определены и введены в управляющее устройство, компьютер или подобный компьютеру процессор, который управляет всеми ключевыми компонентами системы набивки колонки, управляющее устройство может затем выполнять процедуру набивки колонки полностью автоматическим образом без любого вмешательства или содействия пользователя. Отсутствие вмешательства и/или содействия человека в течение процедуры набивки колонки обеспечивает уменьшение всех ошибок, связанных с таким вмешательством и/или содействием и обусловливает точность и воспроизводимость набивки хроматографических колонок. Таким образом, это изобретение предоставляет пользователю автоматизированное средство для набивки хроматографических сред в хроматографические колонки, которое предотвращает плохую набивку хроматографических колонок.
Хотя изобретение проиллюстрировано примерами воплощений, в которых колонка является цилиндрической и имеет постоянный диаметр, что делает возможным линейную корреляцию между объемом цилиндра и высотой слоя, также можно приспособить данное изобретение для применения к другим формам колонок, в которых корреляция не является линейной.
Хотя настоящее изобретение было описано выше в терминах отдельных воплощений, можно осуществить множество модификаций и изменений этого изобретения, как это очевидно специалисту в данной области техники, без отклонения от сущности и области защиты изобретения, изложенной в прилагаемой формуле изобретения.