CN101634646A - 色谱设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种色谱设备，包括壳体、壳体的入口、壳体的出口、可选的通气口以及壳体中的色谱填料床。流体入口和流体出口以及可选的通气口设置有连接器，该连接器连接其它这种色谱设备上的流体入口和流体出口。

Description

色谱设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年6月11日提交的美国临时专利申请No.61/131,640的优先权，该申请全部内容在此引为参考。
技术领域
本发明涉及色谱(chromatography)设备，并且具体涉及一种模块化色谱设备，其中，多个色谱模块可以彼此连接从而能够对并行或者串行的流动样式(flow format)中的色谱过程进行线性缩放(linearscaling)。
背景技术
流程色谱仪目前用在许多应用中，包括生物化学、临床、环境、食品和石油化学。在色谱过程中，流体中成分的混合物通常分离(resolve)在色谱介质中(下面称为树脂或者介质)，该介质具有活性吸附功能。分离(resolution)还可以基于成分的液力尺寸(hydrodynamical size)，如在体积排阻色谱中一样。这种分离发生在其中的色谱设备通常采用圆柱形柱体的形式。
在色谱法中，从相对小容量过程到相对大容量过程同时达到基本相同结果的可量测性(scalability)不是那么简单明了的。对于色谱设备的容量按比例放大的困难的其中一个原因在于：壁效应(walleffect)不会随着柱体尺寸而线性放大。与大直径的柱体相比，它在小直径柱体(＜10-20cm)中较大。壁效应是指柱体的壁处的摩擦力。这些力允许以给定压力下降的较高流速。然而，这些力仅在紧靠柱体壁附近的位置处才是相关的。在小柱体(＜10cm)的情况下，这些力的影响是很显著的，因为它们在其中相关的区域会是总横截面的相当大的比例，并且有助于抵消液压阻力。随着柱体尺寸增加，该力的相对影响以非线性方式下降。另外，这些力的相对影响取决于被装填的介质的类型。壁效应影响壁附近的流体流，导致非同形质(nonhomogenous)流动轮廓，并且另外，它为色谱树脂提供了另外的机械支撑，对于相同的压力下降允许较高的线性速度。
第二个问题是：随着柱体尺寸增加，流动分布器设计在填料床中均匀流动轮廓的实现上的影响变得越来越明显。这种影响不会与柱体尺寸一起线性放大。
第三个问题是色谱过程中床深度通常在比例放大上保持恒定。这主要是由于色谱树脂/介质的液压限制。因此，在比例放大上，纵横比(柱体长度/柱体直径)减小。这也不利地影响了比例放大的线性度。
第四个问题是：色谱负荷(体积或者质量)不能方便地与相对应需要的树脂体积匹配。目前，色谱柱以离散的尺寸提供。给定用于色谱柱的通常的交付(lead)时间(3-6个月)，对于柱体尺寸的决定必须基于对于制造能力的估算而做出。这降低了当药物需求或者工厂计划改变时增加或者减少介质体积的灵活性。
最后，将色谱介质装填在柱中是劳动密集的。这随着比例(scale)而非线性地变大。在制造规模上，需要用于辅助柱体填充(介质箱，浆料输送***，柱体液压装置等)的辅助设备提出了显著的资本投入和制造空间占用(footprint)。
因此，需要提供一种色谱设备，其能够方便和准确地缩放。另外，需要提供这样一种设备，其具有大范围的可利用的色谱介质/树脂的体积。另外，需要提供这样一种设备，其中按照需要的色谱设备的比例放大不再是劳动密集的。这种设备将为色谱能力(chromatographiccapacity)提供灵活性，并且当比例放大时提供结果的精度。
发明内容
本发明提供一种色谱设备，其由一个或多个相同的模块形成，这些模块可以连接在一起以实现流体流入模块中、流体流动穿过模块内的颗粒的色谱填料床以及流体留出模块外。模块包括壳体，壳体具有一个或多个流体入口和流体出口以及可选的通气口。入口和出口可以分别连接到一个或多个这种模块的入口和一个或多个这种模块的出口，从而模块可以以并行或者串行的方式工作。每个模块容纳基本相同体积的颗粒的色谱填料床。
通过将所需要的多个模块连接在一起实现了可量测形，以获得色谱填料床的所需要的有效体积。因为模块具有相同的尺寸和形状，每个模块内的壁效应与剩余模块内的壁效应相同。这提供了这样的优点，即使得可量测性是线性的。另外，这些模块的使用允许使用色谱介质的大范围的有效体积。这提供了这样的优点，即为大范围的色谱过程提供最优的操作。另外，本发明使得能够进行一次性的基于树脂的色谱操作。色谱模块优选在并行流动中工作。也可以实现串行流动。
附图说明
图1是本发明的模块的透视图，包括用于连接多个模块的装置。
图2是图1的模块的剖视图。
图3是连接在一起的图2的多个模块的分解图。
图4A和B示出了以串行流动格式连接在一起的多个模块的剖视图。
图5A-C示出了本发明的不同顶盖结构的剖视图。
图6是图2的模块的剖视图。
图7示出了实例的数据。
具体实施方式
色谱设备在满足各种色谱过程的需要方面提供了灵活性，其中，有效的色谱床体积可以被方便地设计处理(tailored)用于具体的色谱过程。人需要做的就是识别本发明的色谱模块的数目，它们是否用于串行或者并行流动结构，并且然后将它们连接以提供穿过模块中床的适合的流体流动，并且然后以本领域中公知的方式回收流出物(effluent)或者回收色谱床所保留的所需要的成分。因为多个色谱模块具有基本相同的结构，模块内的壁效应基本相同。另外，因为它们具有基本相同的体积，并且彼此基本相同地被装填，在模块之间几乎没有或者优选没有可检测到的性能差异。因此，当通过增加模块来成比例放大(scale up)色谱过程时，可量测性(scalability)基本是线性的。这比现有技术更容易预测被比例放大的过程的结果。
参考图1，示出了本发明的色谱设备10。色谱设备10的每个模块17(在这个实例中示出了两个模块)包括壳体12、可选的通气口(vent)9、一个或多个流体入口14，该入口在表面16处连接到基本相同的第二模块上的一个或多个第二流体入口14，或者如果使用了一个以上模块的话在端部模块处被罩住11，或者如果多个模块用在串行流动模式(format)中则在每个模块上被罩住。所述一个或多个模块设置在支撑机构上，该支撑机构包括端板19、螺栓23、和螺母21。模块17的连接以本领域公知的方式通过利用液压缸(未示出)向端板19施加压力例如1000-2000psi而实现，其中，在接触衬垫13处实现密封。可用于本发明中的一个这种支撑机构是billerica Massachusetts的millipore公司的POD过滤器保持器。在施加液压压力的过程中，螺母21拧紧在螺栓23上。流体通过入口14进入模块17，如箭头18所示。
每个模块17还设置有流体出口11。每个流体入口14和流体出口11被衬垫13围绕，衬垫13在每个模块的平坦外表面15上方延伸。壳体12容纳被装填的色谱床(未示出，见图2的元件32)，送料(feed)18穿过它，并且排出物20从它通过流体出口11被去除。从送料18获得的送料部分22被引导到第二模块。当没有第二模块时，送料终止，并且它的全部穿过色谱床。代表性的适合的连接器包括衬垫或者O形环等。小的导管，例如适当密封的塑料或者金属管，可以可替换地用在模块之间以实现模块连接。优选的是外侧壁15是平坦的，从而连接相邻模块17的导管的长度可以被最小化。典型的连接模式如下：图1中的入口14和出口11具有围绕它们的槽以接纳衬垫13。相邻装置的衬垫13配合，并且通过施加液压压力而形成密封。应当理解，用于将模块连接在一起的任何可获得的装置可以使用，只要在并行流动中实现从入口穿过色谱床排出出口外的流体流。
参考图2，示出了流体穿过图1模块横截面的流动路径。模块17容纳着色谱微粒32的填料床，其厚度可以根据所选择的模块设计而变化。模块17设置有流体入口34和流体出口36。床32通过流体可渗透(porous)的过滤器板(fluid porous frit，过滤器)38和40保持在壳体12内。顶盖(header)42下面的流体入口34的部分是流体可渗透的或者优选是开放空间35。位于底部顶盖44上方的流体出口36的部分同样是流体可透过的或者优选是开放空间37。送料46进入入口34，进入顶盖42下面的空间35中，穿过上部过滤器板38，穿过床32、下部过滤器板40，作为排出液41从出口36排出。所需要的产物在适合的洗提(elution)条件下在排出液41中或者从床32回收，如本领域中公知的。空间35和37设计成提供床32之前和之后的分别用于***中流体的分布和收集区域。如这个实施例所示，它是抛物线形状，从而最远端处的高度小于最靠近中间位置处的高度，入口34或出口36分别示出为位于中间处。入口和出口36可以以各种方式与空间35和37连通。在一个实施例中，这种连通可以通过槽/喷嘴来实现。槽/喷嘴的尺寸和数目将被选择成使得压力损失最小化。在另一个实例中，入口34的整个下半部和出口36的上半部可以是可渗透的。这使得装置能够以下面的方式操作，即使得在空间35和37附近穿过床32的表面的压力下降最小化，并且确保穿过床32存在均匀的流体分布，从而所有的色谱介质被有效和均匀地利用。优选的，空间35和37被最小化到这样的程度，即它们实现了良好的分布和压力下降特性。通常，空间35和37的高度和总体积越小越好。
如图3所示，多个图1和图2的模块连接在一起。模块50和51在流体入口54、55和流体出口60、61处连接在一起。并行流体流通过模块50和51实现。入口55可以被罩住或者与另一个模块配合。出口60可以被罩住或者从另一个模块接收流体。穿过每个模块的流动应当基本相同，也就是从入口穿过模块中的色谱床并且从出口排出。
图4A示出了串行流动模式中的两个模块的配置。第一模块80具有入口84，该入口向空间35送料。流体穿过上部过滤器板38并进入填料床32。它然后通过下部过滤器板40和空间37流出到出口86。流体然后流入第二模块82的入口88，通过空间35和过滤器38、40进入床32中，并且离开过滤器40、38和空间37排出到出口90。入口84的第二端被一个罩子或者固体壁92A罩住。与出口86的第一端相同，入口88的第二端和出口90的第一端类似地被罩子或者固体壁92B、92C和92D分别罩住，从而实现串行流动。如果需要，另外的模块可以以与所示相同的结构增加。图4A中的模块以分解视图示出以便于理解，但是在实际的组装和使用中，它们将彼此配合，如上参考图1-3所描述。人们可以简单地将第二模块相对于第一模块的定向翻转从而确保如图所示的直接串行流动。可替换的，如图4B所示，可以形成空(blanket)模块或者转向板(diverter plate)93，具有入口95和出口97，入口95与出口86相连，出口97与入口88相连，但是没有介质或者过滤器板或者顶盖，并且将它置于第一和第二模块之间，从而流体可以从出口86被带到入口88的第一端，从而所有入口设置在一端上。
每个色谱模块可以被制备用于使用，如下所述：每个模块将具有三个部件，如图2所示，顶部70，底部74和中间部分72。顶部和底部可以是相同的，并且将结合床支撑件38、40，例如过滤器板、不锈钢网或者亲水聚乙烯网或者滤网。顶部和底部的顶盖42、44可以被机加工，并且这三个部件可以利用螺母和螺栓或螺杆等与适合的密封机构例如O形环、衬垫等配合。可替换的，可以使用与塑料夹套的包覆成型(overmolding)，该夹套将全部三个部件保持在一起。可替换的，这三个部件可以通过热粘合或者利用粘结剂而连接。另一个实施例中，顶部70或者底部74可以与中间部分72模制为一体件，或者70或74可以被包覆成型到中间部分72。
图5A-C示出了顶盖的其它设计，其可用于本发明中，图5A示出了顶盖42A，其具有从入口34到外边缘76附近区域的线性锥度。图5B示出了顶盖42B具有双曲线(与图2的相反)。图5C示出了顶盖42C具有线性两级锥度，从入口34到外边缘76附近的区域。图5c示出了顶盖具有斜率不同的两个线性锥度。本领域技术人员可以构想出其它设计。优选的，顶盖的顶部结构和底部结构是相同的，从而如果需要，流动可以被反向，并且从底部进入并且从顶部离开。
图6示出了图2的产品的实施例，包括装置的外壳。这个实施例中的装置是三件式的设计，具有顶部70、中间部分72和底部74。这个实施例中，部件(70，72，74)通过一系列的螺杆100和在顶部70和中间部分72以及底部74和中间部分72之间的密封衬垫102保持在一起。
为了将色谱介质装填在装置中，振动可以被实现用于以最小的孔隙(void)来装填介质。色谱介质的适合实例包括
Figure G2009101508956D00071
树脂(可以从Billerica Massachusetts的Millipore公司购买到的介质)、离子交换介质、基于琼脂糖的介质氧化硅、受控的多孔玻璃(pore glass)、羟磷灰石等。
可以使用任何色谱介质，包括小珠(bead)，尤其是多孔小珠、整块(monoliths)或者纤维垫。待纯化的材料的实例包括蛋白质、重组体或者天然的抗体、酶类、DNA或者RNA片段、质体、或者其它生物分子、合成分子例如低(聚)核苷酸、其它选择的分子等。
用于模块的适合的聚合材料的实例包括但不限于：聚碳酸酯、聚酯、尼龙、PEFE树脂和其它含氟聚合物、丙烯酸或者甲基丙酸烯树脂和共聚物、聚砜、聚醚砜、聚芳砜、聚苯乙烯、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、ABS和它的合金以及混合物、聚烯烃(例如低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯及其共聚物)、聚丙烯及其共聚物、和茂合金属产生的聚烯烃以及热固树脂、橡胶和其它可凝固的聚合材料例如聚亚安酯、环氧树脂、玻璃纤维加强的环氧树脂、合成橡胶例如硅树脂等。
在使用中，一个或多个根据本发明并容纳所选择的介质的模块安装在支撑装置上。至少并且优选的，支撑机构的一个端板具有相对应的入口和出口以及可选的排气口，它们与所述一个或多个模块中紧靠端板定位的模块的那些对齐，其具有入口、出口和可选的通气口。液压机连接到一个或两个端板，用于将端板朝着彼此移动，并且紧靠所述一个或多个模块、以及它们在它们相应的入口、出口和可选的通气口上包括的衬垫，直到形成了不透液的密封。导管从液体供应装置(未加工的供送流，平衡缓冲器(equilibration buffer)，清洗缓冲器(wash buffer)，洗提缓冲器(elution buffer))到端板的入口被连接，导管例如不锈钢管或者软管，例如橡胶或者塑料软管或管。到滤液一侧的导管或者软管连接到出口。可选的，它可以然后被连接到下游组件例如存储箱或者下一件设备从而用在过滤过程中，例如另一个支撑机构，其包括类似设计模块中的不同介质，终端过滤器(polisher)、病毒过滤器或者切向流动过滤(TFF)装置。通气口可以连接到通气过滤器，例如
Figure G2009101508956D00081
气体过滤器，可以从billerica Massachusetts的millipore公司购买到。
液体通过入口被泵送到导管/软管中，并进入模块(多个)中。液体离开模块(多个)，并且通过出口离开。如果模块(多个)中的介质捕获了杂质，那么所需要的产品在第一滤液中。如果介质粘合到所需要的产品，那么杂质在第一滤液中。在这种情况中，一个或多个清洗然后可以被施加从而去除任何松散粘附的杂质，并且然后洗提缓冲液(例如具有不同PH、盐浓度导电性等的液体)，如本领域中公知的，被泵送通过床以洗提所需要的产品，其通过出口离开了***。
阀、泵和其它这种通常使用的装置也可以根据需要连接到***。
实例
本申请中描述的两种模型(prototype)的装置的形式与图2和6所示的类似。这些模型利用聚丙烯利用不锈钢过滤器板以三件式设计形成，这三件通过螺杆保持在一起。
在这个设计上执行CFD(计算流体动力学)模拟，从而预测根据该模型可以期望产生的正面曲线(frontal curves)的形状。所述原型均利用12升Millipore公司的蛋白质A色谱树脂装填。在一分钟振动、两分钟无振动的循环中使用OLI公司的OR65振动器利用50psi的空气压力(大约15000-2000振动/秒)使用振动装填，持续20-30个循环，以形成这种树脂的稳定的巩固的床。
随后，该模型利用净化水被平衡，并且利用净化水中1M氯化钠的阶梯状前部(step front)而被攻击(challenged)。氯化钠没有保留在树脂上，并且用作示踪分子以评估填料床的效率。图7将利用这些模型获得的正面曲线与利用传统的柱体并通过模拟预测而获得的曲线进行比较。对于模型执行两个不同的装填，并且这些在图中称为装填A和装填B。标为“柱体“的数据是在Millipore
Figure G2009101508956D00083
QS450(450mm dia)柱体上产生的。
如图7所示，利用模型获得的正面曲线比通过模拟预测的更加尖锐。优化顶盖体积和形状将使得滞留(hold up)体积最小，并且更进一步改进装置效率。

Claims (13)

1.一种色谱设备，包括：
模块，
通向模块中的流体入口，
离开模块的流体出口，
色谱填料床，位于模块内，在流体入口和流体出口之间，
所述填料床通过位于入口附近的第一流体可透过的过滤器板和位于出口附近的第二可透过的过滤器板保持在该模块内，
入口的一部分和出口的一部分是流体可透过的，并且与它们相应的过滤器板和填料床流体连通。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：位于流体入口上的第一连接装置，用于提供到第二模块上第二流体入口的流体连接，
和所述流体出口上的第二连接装置，用于提供到第二模块上第二流体出口的流体连接。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，多个模块在它们各自的流体入口和流体出口处连接在一起。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，具有两个相反的平坦外壁，流体入口和流体出口延伸穿过所述平坦外壁。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，多个模块在它们相应的流体入口和流体出口处连接在一起，每个模块具有两个相反的平坦外壁，流体入口和流体出口延伸穿过所述外壁。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述模块具有通气口。
7.一种色谱设备，包括：
支撑机构，具有第一端板和第二端板、以及将第一端板连接到第二端板的一个或多个螺栓和螺母，
一个或多个模块，
所述一个或多个模块具有位于每个模块内的色谱填料床，
通向模块中的流体入口，
离开模块的流体出口，
模块的入口和出口上的密封装置，用于与从包括端板和一个或多个另外模块的组中选择的装置建立不透液的密封。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，至少第一端板具有能够与模块的入口和出口对齐并且形成不透液密封的入口和出口。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，模块数目为两个或多个，并且每个模块具有位于模块流体入口上靠近下一个模块的第一连接装置，用于提供到相邻模块上流体入口的流体连通，并且具有位于模块流体出口上与下一个模块相邻的第二连接装置，用于提供到相邻模块的流体出口的流体连接。
10.一种色谱设备，包括：
支撑机构，具有第一端板和第二端板、以及将第一端板连接到第二端板的一个或多个螺栓和螺母，
一个或多个模块，
所述一个或多个模块中的每一个都具有流体入口和离开模块的流体出口，
色谱填料床，位于模块内，在流体入口和流体出口之间，
所述填料床通过位于入口附近的第一流体可透过的过滤器板和位于出口附近的第二可透过的过滤器板保持在模块内，
入口的一部分和出口的一部分是流体可透过的，并且与它们相应的过滤器板和填料床流体连通。
模块的入口和出口上的密封装置，用于与从包括端板和一个或多个另外模块的组中选择的装置建立不透液的密封。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，多个模块在它们各
自的流体入口和流体出口处连接在一起，每个模块具有两个相反的平坦外壁，流体入口和流体出口延伸穿过该平坦外壁，并且模块以并行的模式工作。
12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，多个模块在它们各自的流体入口和流体出口处连接在一起，每个模块具有两个相反的平坦外壁，流体入口和流体出口延伸穿过所述平坦外壁，并且模块以串行模式工作。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，多个模块在它们各自的流体入口和流体出口处连接在一起，转向板置于每对模块之间，从而流体可以从所述成对模块中的第一模块的出口被带到所述成对模块中第二模块的入口，从而所有入口设置在一端上，并且模块以并行模式工作。
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