用于离心分配色谱仪的萃取池、包括这种萃取池的离心分配
色谱仪以及用于制造这样的萃取池的方法
技术领域
[0001] 本
发明的目的涉及用于离心分配色谱仪的萃取池，所述萃取池包含由池壁限定的萃取室，并且具有液体入口开口以及液体出口开口。
[0002] 本发明的目的还涉及包括有这样的萃取池的离心分配色谱仪。
[0003] 本发明的目的还涉及用于制造这样的萃取池的方法。
背景技术
[0004] 色谱法是基于多级、高效率、准平衡过程的混合分离方法的统称，如今在分离技术过程中，色谱法已经成为最频繁使用的分析方法之一。应用领域包括药物分析、食品行业、毒理学以及环境分析测试。
发明内容
[0005] 本工艺的
基础为将待被分离的混合物中的成分在静相以及沿特定的方向流过静相的动相(洗脱液)之间以不同的比例分布。通过使用这种方法，各成分的分子、离子可以从具有复杂组成的溶液彼此选择性地分离。由于当动相流动时，各个成分以不同的速度移动，因此可以实现分离。所述速度取决于成分以及静相之间的相互作用的程度。因此，由于各成分在静相和动相之间分布，所以混合物的成分以不同的速度移动，换言之，它们的分离系数不同。
[0006] 在离心分配色谱法期间，通过强离心场将液体的静相保持在适当
位置。在该技术中，如图1a中的模
块流程中所示，色谱仪包括用于供应动相30m的液体
泵送系统102、用于供应待被分离的混合物材料106的样品供应单元、绕轴线旋转的
转子24、检测器110以及
分馏收集系统112。作为分离过程的最终结果，产品114离开系统，所述产品114优选地包括混合物106的单一成分。在转子24中，
串联连接的萃取池10的网络通过连接管18彼此相连，这确保了液体连接绕转子24的轴线旋转。分离过程发生在具有入口和出口开口的一连串的串联连接的萃取池中，所述萃取池以给定的速度绕公共轴线旋转。由于泵送作用，动相通过入口开口进入包含静相的池并且
破碎成微小液滴。离心
力和
浮力的合力将施加在动相的微小液滴上，因此微小液滴将流过静相。所述两相在池内的大的表面区域上彼此
接触。在出口开口附近，所述两相彼此分离并且动相离开萃取池。
[0007] 由于旋转在池的
坐标系中产生克里奥利力，由此动相的路径偏转。使用液
体模拟方法可以证实，因为偏转的液滴沿
侧壁落下，所以克里奥利力降低所述两相混合的效率，从而减小了接触界面。克里奥利力导致了池中的环流以及再混合，这从分离的
角度来说为强烈的降级因素(见图1b)。
[0008] 可在文献中找到用于萃取池制造的各种不同方法。由注册号为US6913692的
专利保护的Partitron离心分配色谱仪由
钛缸体组成，在所述钛缸体中通过
铣削制造萃取池和连接它们的通道。由于该装置由单个钛
合金缸体内外铣削，因此需要特殊的数控
铣床。所使用的钛合金非常昂贵，并且在加工过程中，大部分缸体会浪费。因此，该设备的制造成本很高，并导致大量浪费。铣槽和池通过盖板连接，在它们之间使用平面
密封件。根据
说明书的平面密封件的材料是含氟弹性体(氟
橡胶)，然而，其不能很好地承受用于清洁设备的
有机溶剂。当所述平面密封件的材料与
有机溶剂接触时，它们膨胀、
软化并且其密封能力减弱。
[0009] 注册号为US4968428的专利文献提出了一种叠板色谱仪，其中将池和通道的网络加工在不锈
钢板中。在
不锈钢板之间可以设置聚四氟乙烯密封板，在板之间将发生流动的位置处穿孔。这种布置的最大缺点是与设备的总
质量相比，有用体积的比例非常低，并且加工很昂贵，因为在加工过程中产生大量浪费。该板布置的另一个缺点是由于所使用的聚四氟乙烯密封件其耐压性低，并且此后聚四氟乙烯板
变形，从而降低了压力
密封性。为了完全清洁设备，必须将其完全拆卸，这是复杂的，并且只能通过压机才能完成。
[0010] 本发明的目的是提供一种萃取池，一种包含所述萃取池的离心分配色谱仪以及用于制造这种萃取池的方法，其不存在根据
现有技术的解决方案的缺点，换言之，能够以低成本提供萃取池，其中发生的
科里奥利力的影响可以被有效地降低。本发明的目的还在于提供一种萃取池，其可以制造成与根据现有技术的解决方案相比，造成更少的浪费。
[0011] 本发明基于这样的认识：萃取池可以借助于管状体形萃取室以及连接到其端部的液体入口塞和液体出口塞制造，在其
制造过程中产生更少的浪费并且与根据现有技术的解决方案相比，有用的内部体积/质量的比率大得多。
[0012] 还认识到，液体可以流过的插入件可以放置在萃取池中，这有效地减少了由科里奥利力引起的萃取池中不期望的环流，并且更加有效地进入萃取池的动相的液体射流一旦撞击插入件，就分裂成液滴，由此两相之间的界面增加。
[0013] 本发明通过根据
权利要求1所述的萃取池来解决上述问题。
[0014] 本发明还通过根据权利要求X的离心分配色谱仪解决上述问题。
[0015] 本发明的各个优选
实施例在
从属权利要求中说明。
附图说明
[0016] 结合实施例，借助附图给出本发明的细节。在附图中：
[0017] 图1a示出了离心分配色谱仪的示例性实施例的示意性
框图；
[0018] 图1b示出了在不含插入件的萃取池中的液体流的模拟图，其示出了萃取池中科里奥利力的破坏性再混合效应；
[0019] 图2a描绘了示出根据本发明的萃取池的管状萃取室的优选实施例的示意性纵向截面图；
[0020] 图2b描绘了根据图2a的萃取池的管状萃取室的示意性横向截面图；
[0021] 图3是含有根据本发明的插入件的萃取池中的液体流动的模拟图；
[0022] 图4a描绘了根据本发明的液体入口塞的优选实施例的纵向截面；
[0023] 图4b描绘了根据图4a的液体入口塞的优选实施例的横向截面；
[0024] 图5a描绘了根据本发明的液体出口塞的优选实施例的纵向截面；
[0025] 图5b描绘了根据图5a的液体出口塞的横向截面；
[0026] 图6a描绘了根据本发明的液体入口塞的另一个优选实施例的纵向截面；
[0027] 图6b描绘了根据图6a的截头锥部件的优选实施例的横向截面；
[0028] 图7描绘了根据本发明的液体出口塞的另一个优选实施例的纵向截面；
[0029] 图8描绘了含有根据本发明的萃取池的模块的示意图；
[0030] 图9描绘了包含图9中展示的模块的转子的示意图。
具体实施方式
[0031] 图2a和图2b示出了根据本发明的萃取池10的管状萃取室12的优选实施方式的示意性纵向截面和横向截面。
[0032] 萃取池10包含萃取室12，萃取室12由池壁12c限定并容纳液体静相30á，并且在萃取室12的相对两侧上具有液体入口开口13b和液体出口开口13k，用于使待流动通过萃取室10的液体动相30m流进和流出。限定萃取室12的池壁12c的材料优选为不锈钢，但也可以设想其他材料，例如钛合金、
铝、PEEK(聚醚醚
酮)、聚四氟乙烯等。
[0033] 在优选实施例的情况中，萃取室12构造成管状体。萃取室12的这个实施例优选地使用诸如3D打印或注塑或金属
铸造的无废料生产技术来制造。PEEK优选用于3D打印，但是当然也可以使用其他材料，如本领域技术人员已知的。
[0034] 液体可以通过的插入件14在液体入口开口13b和液体出口开口13k之间设置在根据本发明的萃取室12中。在本发明的上下文中，液体可以通过的插入件14意味着具有内部通道的插入件，借助该内部通道液体能够流过插入件14。插入件14的内部通道的平均直径，换句话说，其横截面的平均直径是当使动相30m在静相30á中流动时产生的动相30m的液滴的平均直径的1-30倍、更优选1-20倍并且甚至更优选4-10倍。内部通道的横截面不一定是圆形的。它们可以是正方形、长方形、三角形或任何其他不规则的平面图形。在这种情况中，平均直径可以看作是面积等于平面图形的面积的圆的直径。
[0035] 在优选实施例的情况中，插入件14包含液体可以穿过的一个或多个选自以下组的部件：由金属丝制成的卷绕网、
纤维织物、玻璃
棉、钢丝绒，尽管其他材料也可以使用，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。在给定的情况中，插入件14可以例如通过胶粘、钎焊(soldering)、熔接(welding)或通过其他机械固定工艺固定到池壁12c。在另一个示例性实施例的情况中，液体入口开口13b和液体出口开口13k的尺寸设计成使得插入件不能穿过，并且由此不需要将插入件14固定在萃取室12内。
[0036] 关于其结构，插入件14可以具有不规则结构(
玻璃棉、钢丝绒)、规则结构(金属丝、金属网格)、或者可以是散装插入件(bulk insert)。后者可以通过使用颗粒、球体和/或其他颗粒材料来实现。
[0037] 在特别优选的实施例的情况中，在萃取池10处于离心分配色谱仪20中的位置时，选择插入件14以减少在操作中在萃取池10中发生的科里奥利力的影响。
[0038] 在提供液体可以通过的插入件14的同时，萃取池10填充有液体静相30á，然后使液体动相30m流过静相30á，使得动相30m在穿透静相30á时分裂成液滴。此后，确定穿透静相30á并分裂成液滴的动相30m的液滴的平均直径。例如，根据萃取池内部记录的图像通过实验或理论上借助公式来确定。在给定的情况中，液滴也可以具有不规则的形状，在这种情况中，液滴的直径可以被定义为具有的直径与和液滴相同体积的球体的直径相同。在优选实施方案的情况中，基于斯托克斯定律确定动相的液滴的平均直径。在此期间，萃取池10内的液滴被认为是球形的，其平均直径d可以使用以下公式以良好地近似计算：
[0039]
[0040] 其中v是与静相30á相比动相30m穿透静相30á的速度，η是静相30á的
粘度，Δρ是静相30á与动相30m之间的
密度差的绝对值，ω是萃取池10的旋转
角速度，并且R是萃取池10距离旋
转轴线的距离。对于本领域技术人员而言显而易见的是，除了上面的公式外，其他关系当然也可以用于计算液滴的平均直径。
[0041] 通过使用获得的关于液滴的平均直径的信息，提供了具有内部通道的液体可以通过的插入件14，并且通道的平均直径是液滴平均直径的1-30倍、优选1-20倍、甚至更优选4-10倍。
[0042] 在优选实施例的情况中，插入件14的尺寸被设置为使得其体积为萃取池10的体积的1-30％、优选为1-20％、甚至更优选为2-20％。本发明的上下文中插入件14填充的体积是插入件14的净体积与萃取池10的内部体积的比率，其中插入件14的净体积等于完全浸没的插入件14将从完全填充的容器中推出的液体的体积。
[0043] 上述插入件14可以例如由金属丝的(卷绕的)网、纤维织物、玻璃棉、钢丝绒和类似产品或者它们的组合制成。
[0044] 由于插入件14的作用，进入萃取室12的液体动相30m的环流减小，因为由于其粘度，需要大量的力来使其通过插入件14的内部通道，所述内部通道代表了
对流的
制动阻力。该制动阻力总是与液体的运动方向相反，并且其大小(extent)与在萃取池10中发生的科里奥利力的大小相当或者在给定的情况中大于科里奥利力的大小，并且以这种方式减小或完全消除其影响。由于动相30m由
离心力和浮力之间的差驱动，该合力大于科里奥利力，进入液体入口开口13b的动相30m可以继续流过萃取室12一直流到液体出口开口13k，动相通过所述出口开口13k离开萃取室12(见图3)。
[0045] 插入件14的进一步优选特点在于，进入填充有静相30á的萃取室12的动相30m的液体射流在撞击插入件14时更有效地分解成液滴，并且在穿过插入件14之后显著
波动。由于这种效果，动相30m和静相30á之间的混合提升，并且两种液体之间的转移表面(transfer surface)增加。
[0046] 在优选实施例的情况中，在萃取室12的池壁12c的外表面上形成一个或多个确保将萃取池10固定到外部
支撑结构22(见图8)的凹坑15。
[0047] 在特别优选的实施例中，萃取池10可以附接到萃取室12，其包括根据图4a和4b的液体入口塞16b(在液体入口塞中包括液体入口开口13b)以及根据图5a和5b的液体出口塞16k(在液体出口塞中包括液体出口开口13k)。在这种情况中，液体入口开口13b形成在入口塞16b中，并且液体出口开口13k形成在液体出口塞16k中。液体入口塞16b和/或液体出口塞
16k优选地通过诸如
螺纹的可释放连接固定到萃取室12的池壁12c。当然，如本领域技术人员已知的，可以使用其他可释放的固定方法(例如扣紧固定)或不可释放的固定方法(例如熔接、钎焊、粘合、
铆接等)。
[0048] 在给定的情况中，可以设想一种实施例，其中液体入口开口13b形成在液体入口塞16b中并且液体出口开口13k形成在池壁12c中，反之亦然，换言之，液体出口开口13k形成在液体出口塞16k中并且液体入口开口13b形成在池壁12c中。液体入口塞16b和液体出口塞
16k优选地由以下材料列表中的一个或多个制成：不锈钢、钛合金、铝、PEEK、聚四氟乙烯。液体入口塞16b和液体出口塞16k也可以使用先前提出的无废料生产技术之一和/或使用其他材料加工技术(例如铣削、磨削、钻孔等)来制造。
[0049] 在图4a和4b中可以看到由单个部件构成的液体入口塞16b的纵向和横向截面。在优选实施例的情况中，将动相30m引入萃取室12的入口塞16b形成为圆柱体，在其面向萃取室12的内部空间的一侧的外部上形成有螺纹28，例如外部NPT(F)3/8”螺纹。在该实施例的情况中，萃取室12以管状体的形式形成，并且至少在管的一端的内表面上还形成了螺纹28'，例如NPT(F)3/8”螺纹，入口塞16b的NPT(F)3/8”螺纹28可以拧入螺纹28'中。在入口塞
16b的另一端形成
外螺纹29，例如5/16-20UN螺纹。优选在NPT(F)3/8”和5/16-20UN螺纹28、
29之间可以设置六角
螺母结构，当用标准叉式
扳手保持时，入口塞16b的螺纹28可容易地被拧入萃取室12的螺纹28’中。
[0050] 在优选实施例的情况中，入口塞16b的液体入口开口13b包含一个或多个倾斜孔17f，所述倾斜孔17f将流过其的液体分成若干液体射流(见图4a和4b)。在示例性实施例的情况中，孔17f的直径在0.1mm和1mm之间，但是当然也可以设想不同的直径。孔17f的作用是将动相30m的液体射流分成若干部分并将其均匀地喷射到萃取室12中。分配可以发生在任意可选数量的分支中，但是当制造孔时，如果考虑到以下方面则更为可取：
[0051] -分配时，流动液体应按相同的比例分配；
[0052] -在各个孔中流动的液体应采用同样长的路径。
[0053] 根据液体模拟测试，将动相30m分成几个液体射流对流动模式有
正面影响，因为雾化得到改善，或者换言之，两相之间的界面增加，这从色谱法角度来说是特别期望的。
[0054] 在示例性实施例的情况中，出口塞16k也是管状的，然而其优选地包括单个分支的液体出口开口13k，并且锥形加工部17k形成在其朝向萃取室12的内部空间的一侧上(见图5a和5b)。
[0055] 类似于入口塞16b，在出口塞16k的面向萃取室12的内部空间的一侧的外部形成有诸如NPT(F)3/8”螺纹的外螺纹28，在另一侧的外部形成外螺纹29，例如5/16-20UN螺纹。出口塞16k也可以使用外部NPT(F)3/8”螺纹28而固定到萃取室12的螺纹28’中。图9中可见的连接管18可以连接到入口塞16b和出口塞16k的外部5/16-20UN螺纹29，借助于该连接管，液体连接可以在萃取池10的液体出口开口13k和与其串联连接的另一萃取池10的液体入口开口13b之间实现。
[0056] 锥形加工部17k的目的是使通过萃取室12的分裂成液滴的动相液滴容易地结合，并且由此只有动相30m通过液体出口开口13k离开。
[0057] 在萃取室12具有较大的管直径的情况中，液体入口塞16b和/或液体出口塞16k由可以彼此分开的若干部分构成，如可以在图6a和7中看到的那样。在该实施例的情况中，液体入口塞16b包括负责分配动相30m的液体射流并用于密封的入口截头锥部件19b、装配到入口截头锥部件19b上的圆柱形本体19h、以及将圆柱形本体19h固定到萃取室12的螺纹盖19m。入口截头锥部件19b的材料优选为PEEK，但除此之外，其可以由聚四氟乙烯、HDPE或易于加工的其他材料制成。圆柱形本体19h优选由ANSI316不锈钢制成，但其也可以由钛合金、铝、PEEK、聚四氟乙烯等制成，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。
[0058] 在优选实施例的情况中，通过在入口截头锥部件19b中铣削而形成四个分支，并且从每个分支分出三个孔17f，如图6b所示。因此，总共有十二个孔17f位于入口截头锥部件19b中，动相30m在均匀划分后通过孔17f进入萃取室12。在朝向液体入口开口13b的一侧处的池壁12c的内表面的一部分被蚀刻，随后是锥形加工部，入口截头锥部件19b装配到锥形加工部中，以形成密封。
[0059] 如图6a所示，圆柱形本体19h包括基部19t，该基部19t在中心被钻穿并装配到萃取室12的内部加工部中，并且中空杆19sz固定到基部19t。杆19sz的内部包括45度锥形部119和6.45mm凹陷，螺纹27优选地形成在其外表面上，例如7/16-20UNC螺纹，借助于所述
螺纹连接管18可固定到杆19sz。
[0060] 在该实施例的情况中，在圆柱体形萃取室12的两端处在池壁12c的外表面上形成精细的M60x3米制螺纹，螺纹盖19m可拧在该两端上。拧到萃取室12上的螺纹盖19m的边缘固定了位于萃取室12中的入口截头锥部件19b和圆柱形本体19h。螺纹盖19m的材料优选为强钢。
[0061] 也可以设想到一种实施例，在该实施例中，入口截头锥部件19b和圆柱形本体19h通过在圆柱形本体19h的外表面上形成的螺纹和在池壁12c的内表面上形成的螺纹而被固定在萃取室12。在这种情况中，不需要使用螺纹盖19m。圆柱形本体19h的拧入优选使用在圆柱形本体上形成的
六角螺母结构进行。
[0062] 根据图7的液体出口塞16k的结构与上面提出的结构的不同之处在于，代替入口截头锥体19b，其包括出口截头锥体19k，单个分支液体出口开口13k和朝向萃取室12的内部空间的锥形加工部17k形成在所述出口截头锥体19k上。
[0063] 图8示出了根据本发明的转子24的模块40，其包括与连接管18串联连接的多个萃取池10。在该实施例的情况中，模块40本身还包括支撑结构22，所述支撑结构22将萃取池10固定到模块40。模块40优选以可释放的方式(例如通过使用螺钉)固定到转子24。支撑结构22优选具有高强度并且具有轻的网格状或网状结构。如本领域技术人员显而易见的，支撑结构22可以由例如金属、金属合金、塑料、其他
复合材料等构成。萃取室12利用形成在池壁
12c的外表面中的一个或多个凹坑15优选以可释放的方式固定到支撑结构22。当然，除了利用凹坑15进行固定之外，萃取池10可以以其他可释放或不可释放的方式固定到支撑结构
22。
[0064] 图9示出了使用图8中展示的模块40构造的具有环形横截面的盘形转子24。离心分配色谱仪20的该实施例具有由基本上相同的模块组成的模块结构，在该模块结构中，模块40中的每一个都包括与连接管18连接的一个或多个萃取池10，连接管确保了萃取池之间的液体连接。
[0065] 围绕转子24的圆周，模块40利用连接管18串联连接，使得所选模块40的液体输入部优选地通过供给管26连接到在转子24的
主轴线处的液体输入部，而相邻模块40的液体输出部优选地通过排放管26'连接到在转子24的主轴线处的液体输出部。
[0066] 在下文中，展示了根据本发明的萃取池和包含萃取池10的离心分配色谱仪20的操作。
[0067] 在分离之前，萃取池10至少部分地填充有液体静相30á，随后转子24与萃取池10一起开始旋转。在此之后，开始通过串联连接的萃取池10泵送动相30m，并且由于旋转在其中产生离心力。所述离心力使静相30á保持不动，换言之，它将静相30á保持在萃取池中。随后，待分离的混合物利用样品输入单元加入动相30m中，优选地以脉冲状剂量的方式加入。
[0068] 取决于静相30á和动相30m的密度之间的关系，按照如下选择泵送的方向：
[0069] -如果静相30á是较密相(上升模式)，则使动相30m沿着转子24的
旋转轴线的方向流动；
[0070] -如果静相30á是较不密集的相(下降模式)，则使动相30m从旋转中心沿旋转圆周的方向流动。
[0071] 由于泵送，动相30m经由液体入口开口13b进入萃取池10，然后在静相30á中分解成微小液滴。在理想情况中，液滴的分布在萃取室12内是均匀的。放置在萃取室12中的插入件14进一步改善了均质化。
[0072] 由于旋转而在旋转的转子24的萃取池10中产生科里奥利力，其努力使进入萃取室12的动相30m的流在侧向方向上发生位移。插入件14针对该流动施加阻力，该阻力与科里奥利力的大小相当，从而显着地降低了其影响。当离心力和浮力之差施加在动相30m上时，合力大于科里奥利力，通过液体入口开口13b进入的动相30m能够流过含有插入件14的萃取室
12。在理想情况下，两相从液体入口开口13b一直到液体出口开口13k相互接触。由于锥形加工部17k以及两相之间的密度差异的影响，动相30m和静相30á在液体出口开口13k附近分离。具有较低密度的相由浮力朝向液体入口开口13b驱动，而较稠密的相由于施加在其上的较大的离心力而继续朝液体出口开口13k移动。在理想情况中，只有动相离开萃取池10。上述过程在每个串联连接的池10中进行并重复。如果要分离的混合物(优选间歇地)加入到动相30m中，则具有不同分配系数特点的成分在萃取池10中彼此分离。
[0073] 在优选实施例的情况中，几个串联连接的萃取池10形成可从离心分配色谱仪20单独移除的模块40。模块化构造的最大优点之一是，在单个萃取池10发生故障(例如阻塞)的情况中，萃取池10可容易地修理或更换，此外，萃取池10的定期清洁也更容易执行。在液体入口塞16b和液体出口塞16k中形成液体入口开口13b和液体出口开口13k的那些实施例的情况下，萃取池的清洁可以通过拧松塞子来简单地进行，这与必须拆除整个装置来完成的根据现有技术的解决方案相反。
[0074] 清楚的是，与本文所展示的实施例相比，替代的解决方案对于本领域技术人员将是显而易见的，然而，它们都落在由权利要求确定的保护范围内。
