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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe um ein Fluid auf Druck zu bringen und/oder zu befördern, insbesondere für HPLC Anwendungen.
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Die Durchmischung von Flüssigkeiten ist ein Erfordernis in vielen technischen Gebieten und Anwendungen. Hierzu werden Mischkammern in unterschiedlichsten Ausführungsformen und zu verschiedenen Zwecken eingesetzt, wie dies beispielsweise aus
US3934456A ,
JP11183457A ,
WO0151698A1 ,
WO02068954A1 ,
DE102008000112A1 ,
JP2009115056A oder
WO2011090188A1 bekannt ist.
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In der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (High Performance Liquid Chromatografie – HPLC) muss eine Flüssigkeit bei typischerweise sehr eng kontrollierten Flussraten (z.B. im Bereich von Nanoliter bis Milliliter pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20–100 MPa, 200–1000 bar und darüber hinaus bis derzeit etwa 200 MPa, 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar wird, gefördert werden. Zur Probentrennung in einem HPLC-System wird eine mobile Phase, die – in Betrieb – eine Probenflüssigkeit mit zu trennenden Komponenten aufweist, durch eine stationäre Phase (wie Packung bzw. Füllung einer chromatografischen Säule) getrieben, um auf diese Weise unterschiedliche Komponenten der Probe zu trennen. Die Zusammensetzung der mobilen Phase kann dabei über der Zeit konstant sein (isokratischer Modus) oder variieren (z.B. im so genannten Gradienten-Modus).
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Bei Chromatografie-Systemen, die mehrere Fluide (insbesondere Flüssigkeiten wie Lösungsmittel) kombinieren, auf Druck bringen und als mobile Phase ausgeben, können durch eine unzureichende Durchmischung der Eingangsfluide Artefakte in der Lösungsmittel-Zusammensetzung der mobilen Phase entstehen, die sich negativ auf die chromatografische Trennung auswirken können. Diese Artefakte können sowohl einen absoluten Charakter haben, d.h. die Mischung entspricht nicht akkurat der eingestellten Vorgabe, oder aber einen relativen Charakter, d.h. die Mischung schwankt, oszilliert mit der Pumpfrequenz oder wabert mit einer der Flüssigkeit eigenen Form. Moderne HPLC-Systeme sind für den schnellen und effizienten Betrieb unter extrem hohem Druck optimiert. Dies wiederum erfordert eine Volumenreduzierung, während gleichzeitig die Anforderungen an die Zusammensetzungsgenauigkeit steigen, so dass einfache passive Lösungen durch Vergrößerung von Mischvolumen für viele Anwendungen ausscheiden oder zumindest nachteilig sind, weil sie einen Kompromiss darstellen, der nur für eingegrenzte Anwendungen zulässig ist. Allerdings können kompositorische Störungen in der mobilen Phase, insbesondere bei kürzeren Trennvorgängen, zu so genanntem Retentionszeiten-Jitter führen, mehr noch als Flussschwankungen, wie z.B. Pumpen-Ripple. Ebenso können solche kompositorischen Störungen in der Basislinie eines nachgeschalteten Detektors "sichtbar" (z.B. in einem Chromatogramm) werden, und damit die Auswertung, wie z. B. Identifikation oder Quantifizierung, beeinträchtigen.
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Pumpen für die HPLC, die verschiedene Aspekte einer verbesserten Durchmischbarkeit adressieren, sind beispielsweise beschrieben in
US4595495A ,
US6997683B2 ,
US2012291531A1 ,
JPS61258975A , oder
US2013/0091935A1 .
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OFFENBARUNG
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Zusammensetzungsgenauigkeit der mobilen Phase zu verbessern, insbesondere für HPLC Anwendungen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Pumpe für die Hochleistungschromatografie dar. Die Pumpe ist dazu bestimmt und konfiguriert ein Fluid auf Druck zu bringen und/oder zu befördern. Die Pumpe weist eine Pumpkammer und ein reziprozierendes Element, das sich bei Betrieb der Pumpe in der Pumpkammer hin- und herbewegt, also reziproziert, auf. Ferner weist die Pumpe ein sich in der Pumpkammer befindliches aktives Mischelement zum Durchmischen zumindest eines Teils des sich in der Pumpkammer befindlichen Fluids auf. Durch die Integration des aktiven Mischelements direkt in die Pumpkammer ist ein wirkungsvolles Durchmischen des Fluids bereits innerhalb der Pumpkammer möglich, so dass die Pumpe ein gut durchmischtes Fluid fördern kann. Weitere, zur Pumpkammer externe Mischkammern können so vermieden oder verkleinert werden. Ein durch das Vorsehen des aktiven Mischelements eventuell in der Pumpkammer zusätzlich erforderliches Extravolumen, gegenüber einer Pumpkammer ohne aktives Mischelement, kann durch das Wegfallen anderer Mischvolumina flussauf oder -abwärts der Pumpkammer kompensiert oder zumindest relativiert werden. Auch kann ein solches aktives Mischelement in der Pumpkammer zumindest teilweise das Volumen nutzen, das durch das reziprozierende Element zumindest zeitweise „freigegeben“ wird. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass sich eine verbesserte Durchmischung des Fluids bereits in der Pumpkammer auch positiv entlang des weiteren Flusspfades flussabwärts zur Pumpkammer auswirken kann.
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Bei Anwendungen in der HPLC kommt es typischerweise auf eine sehr gute Durchmischung der mobilen Phase (des Fluids) an, da sich jegliche Abweichungen in der Zusammensetzung in dem Ergebnis der chromatografischen Trennung abbilden und so das Trenn- bzw. Messergebnis beeinträchtigen oder gar verfälschen können. Dies gilt insbesondere im so genannten Gradientenmodus, bei dem die Zusammensetzung der mobilen Phase über der Zeit verändert wird. Eine schlechte Durchmischung der mobilen Phase kann hier zu einer Verfälschung der chromatografischen Trennergebnisse führen, weil im Gradientenmodus typischerweise die Mischung in situ erfolgt und nicht mit vorgemischten Fluiden „aus der Flasche“ gearbeitet werden kann. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines aktiven Mischelements direkt in der Pumpkammer kann das Durchmischen des Fluids in der Pumpkammer signifikant verbessert werden, was eine deutliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit der chromatografischen Trennung und/oder der analytischen Auswertung ermöglichen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Pumpe ist das aktive Mischelement so konfiguriert, dass es bei Betrieb der Pumpe eine Rotationsbewegung in der Pumpkammer ausführt. Eine solche Rotationsbewegung des aktiven Mischelements kann die Durchmischung des Fluids deutlich verbessern. Dabei kann die Rotationsbewegung des aktiven Mischelements relativ zu dem reziprozierenden Element und/oder der Pumpkammer erfolgen, d.h., dass zum Beispiel das aktive Mischelement sich dreht, während das reziprozierende Element eine Longitudinalbewegung ausführt und/oder die Pumpkammer ruhig gehalten wird.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das aktive Mischelement so konfiguriert, dass es durch ein sich veränderndes, insbesondere rotierendes, Magnetfeld in Bewegung versetzt werden kann. Dies erlaubt insbesondere, dass die Bewegung des aktiven Mischelements von außerhalb der Pumpkammer auf das aktive Mischelement übertragen werden kann, insbesondere durch Ausnutzung der magnetischen oder elektromagnetischen Induktionswirkung oder magnetischer Kräfte. Dies ermöglicht auch ein berührungsloses Antreiben und/oder Steuern der Bewegung des aktiven Mischelements von außerhalb der Pumpkammer.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das aktive Mischelement mindestens teilweise aus einem magnetischen Material, vorzugsweise Eisen und/oder ein Permanentmagnet, ausgeführt und kann dadurch durch ein sich veränderndes Magnetfeld in Bewegung versetzt werden. Ausführungsformen des aktiven Mischelements können entsprechend der im Stand der Technik bekannten und hinreichend beschriebenen Magnetrührer ausgeführt werden, bei denen das Rührelement durch ein von außen angelegtes Magnetfeld in Bewegung gebracht wird. Solche Magnetrührer lassen sich entsprechend und an die speziellen Anforderungen in der HPLC angepasst anwenden.
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In einem Ausführungsbeispiel kann zumindest ein Teil des aktiven Mischelements aus einem leitfähigen Material, wie etwa Kupfer, Gold aber auch anderen Metalle ausgeführt, werden, so dass die im veränderlichen (vorzugsweise rotierenden) Magnetfeld entstehenden Induktionskräfte das aktive Mischelement antreiben.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das aktive Mischelement ein Flügelelement auf, das, in Bewegung, zu einer verstärkten Durchmischung des Fluids führen kann. Das Flügelelement kann insbesondere ein Propeller oder ein Impeller sein, wie dies im Stand der Technik hinreichend bekannt und beschrieben ist. Das Flügelelement kann insbesondere durch Aufspalten von Volumenpaketen und Deplatzieren derer („split and recombine“), durch Bewegung von Volumenpaketen, die dann per Trägheitskräften (Fliehkraft) zu Eigenbewegungen „animiert“ werden, und/oder durch Anregen von Sekundär-Strömungen, die dann größeren Raum einnehmen als den Bewegungsraum des Mischelementes selbst, zu einer verstärkten Durchmischung des Fluids führen. Das Flügelelement kann so ausgeführt sein, dass zumindest Teile seiner Oberfläche nicht parallel sondern normal oder schräg zu ihrer jeweiligen Bewegungsrichtung während der Rotation ausgerichtet sind. Dies kann eine Übertragung der kinetischen Energie an das Fluid begünstigen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Flügelelement ein oder mehrere Flügel auf, die aufklappbar sind. Der Begriff „aufklappbar“ kann dabei in dem Sinne verstanden werden, dass elastische oder dynamische Kräfte die Flügel aufstellen, sobald das reziprozierende Element (zum Beispiel ein Kolben innerhalb der Pumpkammer) einen hinreichenden Weg zurückgefahren hat. Dies kann ein sehr kleines „flüssiges“ Totvolumen, wenn das reziprozierende Element vorn, also z.B. dicht am rotierenden aktiven Mischelement, ist, erlauben. Die Flügel können sich aber für die Mischaufgaben aufstellen, sobald das reziprozierende Element ohnehin Hubvolumen freigibt. Dadurch stellt der „eigentliche Mischraum“ innerhalb der Pumpkammer nicht zwangsläufig ein zusätzliches Totvolumen dar, sondern nimmt das ohnehin notwendige (native) Hubvolumen des reziprozierenden Elements (z.B. des Kolbens) als Arbeitsraum. Durch das Zusammenklappen des aktiven Mischelements oder dessen Teile kann erreicht werden, dass im Aufenthaltsraum der zusammengeklappten aktiven Mischelements kaum bzw. kein Freiraum für das Fluid vorhanden ist. Dadurch kann vermieden werden, dass das aktive Mischelement z.B. durch Hohlräume, Vertiefungen, etc. zu einer Vergrößerung des Totvolumens in der Pumpkammer beiträgt. Beim Aufklappen der Teile des aktiven Mischelements wird sein Aufenthaltsraum und somit auch aktiver Arbeits- bzw. Mischraum größer sofern das vom reziprozierenden Element freigegebene Volumen es zulässt.
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Ebenso oder alternativ dazu kann das Flügelelement reversibel verformbar ausgeführt werden, damit es eine kompakte Form annehmen kann, so dass kein beträchtliches oder nur ein reduziertes Fluidvolumen im Aufenthaltsraum des Flügelelements vorhanden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das aktive Mischelement so konfiguriert, dass es durch eine Bewegung des reziprozierenden Elements in Bewegung versetzt wird. Bevorzugt ist diese Bewegung eine reziprozierende Bewegung, also eine Hin- und Herbewegung, des reziprozierenden Elements. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Bewegung des reziprozierenden Elements eine Drehbewegung sein. Hierdurch kann eine Bewegung des reziprozierenden Elements auf das aktive Mischelement übertragen werden. Durch die direkte Übertragung der Bewegung kann die Verwendung bestimmter Materialien, wie sie z.B. für eine magnetische oder induktive Bewegung des aktiven Mischelements erforderlich sind, vermieden werden. Zudem kann entsprechend auch die Verwendung eines Magnetfelds vermieden werden. Dies kann technische Vorteile haben, wenn z.B. das Material der Pumpkammer das Magnetfeld abschirmen kann oder wenn das Anbringen der Magnetfeldquellen in der Nähe der Pumpkammer technisch problematisch ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind/ist das reziprozierende Element und/oder die Pumpkammer so konfiguriert, dass im Betrieb eine zumindest punktuell hohe laterale Strömung erzeugt wird, die das aktive Mischelement in Bewegung versetzt. Das reziprozierende Element kann z.B. beim Ansaugen des Fluids durch solche punktuell hohen lateralen Strömungen das aktive Mischelement in Bewegung versetzen, welches dann wiederum in der Pumpkammer das Fluid durchmischt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das reziprozierende Element eine Aussparung auf, z.B. ein Innenloch, wobei die Aussparung als eine Spirale ausgeführt sein kann. Das aktive Mischelement weist einen Mitnehmer auf, der in die Aussparung eingreifen kann. Das aktive Mischelement selbst kann vorzugsweise in einer bestimmten Position gehalten werden, zum Beispiel magnetisch. Der Mitnehmer ist so konfiguriert, dass er in einem bestimmten Bereich entlang der Aussparung in diese eingreift, dann aber ab einer bestimmten Position sich von dieser löst, z.B. indem der Mitnehmer umklappt, beispielsweise wenn der Mitnehmer einen (z.B. äußersten) Punkt entlang der Aussparung erreicht hat. Während der Mitnehmer in die Aussparung eingreift, überträgt das reziprozierende Element Bewegungsenergie auf das aktive Mischelement. Mit dem Lösen des Mitnehmers von der Aussparung wird die Übertragung der Bewegungsenergie auf das aktive Mischelement beendet, und das aktive Mischelement führt die übertragene Bewegung dann weiter fort. So kann z.B. eine Drehbewegung auf das aktive Mischelement übertragen werden, mit Erreichen des Lösepunkts gibt der Mitnehmer die Drehung frei (Freilauf) und das reziprozierende Element ist zumindest in Bezug auf die Bewegungsübertragung nicht mehr mit dem aktiven Mischelement gekoppelt. Diese Entkopplung der Bewegungsübertragung kann vorzugsweise auch für einen Rückweg des reziprozierenden Elements beibehalten werden. Das aktive Mischelement bleibt in seiner Bewegungsrichtung, vorzugsweise seiner Drehrichtung, ungeändert. Entsprechend Ausführungsformen können eine relativ kurze „Anschubdauer“, der dann eine relativ lange Drehdauer des aktiven Mischelements folgt, ermöglichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das aktive Mischelement einen vibrierenden Schwinger, vorzugsweise einen vibrierenden Schallschwinger, auf. Solch ein Schwinger kann eine Oberflächenwelle erzeugen, die wiederum das Fluid „mitzieht“ und damit einen Rühreffekt verursacht.
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In bevorzugten Ausführungsformen besteht das aktive Mischelement zumindest an seiner Oberfläche aus zumindest einem der folgenden Materialien oder weist ein solches auf: Keramik, Polymer wie zum Beispiel ein Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetherketon (PEEK) etc., Metall wie zum Beispiel ein oberflächenbeschichtetes Metall, z.B. Diamond Like Carbon – DLC, Saphir, Rubin, etc. Bevorzugt können chemisch oder biologisch inerte oder lösungsmittelverträgliche Materialien verwendet werden,
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Bevorzugt ist die Pumpe dazu konfiguriert, das Fluid auf einen Druck zu bringen, bei dem die Kompressibilität des Fluids spürbar ist, vorzugsweise einen Druck größer als 500 bar oder noch weiter bevorzugt größer als 1000 bar. Insbesondere kann die Pumpe zusammen mit dem reziprozierenden Element so konfiguriert sein, dass das Fluid von im Wesentlichen Umgebungsdruck auf den Zieldruck gebracht wird.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist das reziprozierende Element ein Kolben oder weist einen Kolben auf. Alternativ oder in Kombination dazu kann das reziprozierende Element eine Membran sein oder eine Membran aufweisen. Der Kolben selbst oder auch die Pumpkammer kann als Faltenbalg ausgeführt sein.
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Das reziprozierende Element ist vorzugsweise dazu konfiguriert, das Fluid auf Druck zu bringen und/oder das Fluid zu fördern.
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Das aktive Mischelement kann so konfiguriert und in der Pumpkammer positioniert sein, dass solche Fluide, die in die Pumpkammer ein- und ausfließen (also quasi durchfließen), und/oder solche Fluide, die sich noch von einem vorhergehenden Zyklus des reziprozierenden Elements in der Pumpkammer befinden, erfasst und durchmischt werden.
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Die Pumpkammer weist bevorzugt einen Einlass und einen Auslass auf. Durch den Einlass können ein oder mehrere Fluide in die Pumpkammer eingeführt werden, und durch den Auslass verlässt das durchmischte Fluid die Pumpkammer. Die Pumpkammer kann so konfiguriert sein, dass sie an dem Einlass ein oder mehrere unterschiedliche Fluide erhält und an dem Auslass eine auf Druck gebrachte, möglichst homogene Mischung der erhaltenen Fluide liefert.
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Die Pumpkammer kann – gegenüber einer Pumpkammer ohne aktives Mischelement – innen geometrisch erweitert sein, damit Raum gegeben ist zumindest für das sich bewegende aktive Mischelement oder auch zusätzlich für einen Wirkraum, den das aktive Mischelement „mischt“. Optimiert für bestimmte Anwendungen kann der Bewegungsraum des reziprozierenden Elements versetzt (offset, oder auch „variable stroke“) werden, so dass methoden-spezifisch ein „gewünschter“ Wirkraum gegeben ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Hochleistungschromatografie-System mit einer Pumpvorrichtung zum Bewegen einer mobilen Phase und eine stationäre Phase zum Trennung von Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit. Dabei weist die Pumpvorrichtung die Pumpe nach zumindest einer der vorangegangenen Ausführungsformen auf. Das Hochleistungschromatografie-System kann ferner noch eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: ein Proportionierungsventil, das dazu konfiguriert ist ein oder mehrere unterschiedliche Fluide einem Einlass der Pumpkammer zuzuführen; einen Probeninjektor zum Einbringen einer Probenflüssigkeit in die mobile Phase; eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der der getrennten Komponenten; eine Fraktioniereinrichtung zum präparativen Sammeln getrennter Komponenten.
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Das Hochleistungschromatografie-System kann ein zweidimensionales Chromatografiesystem (2D-LC) sein, insbesondere für die so genannte „umfassende 2D-LC“, Englisch: Comprehensive Chromatography. Bei der 2D-LC kommt es in vielen Anwendungen im Besonderen darauf ankommt, den optimalen Kompromiss zu finden zwischen investiertem Totvolumen und erwirtschafteter Mischqualität.
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Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Durchmischung in einer Pumpe für die Hochleistungschromatografie. Dabei ist die Pumpe dazu konfiguriert ein Fluid auf Druck zu bringen. Die Pumpe weist eine Pumpkammer auf, in der sich ein reziprozierendes Element und ein aktives Mischelement befinden. Im Betriebszustand der Pumpe bewegt sich das reziprozierende Element in der Pumpkammer hin und her. Das Verfahren umfasst ein Durchmischen zumindest eines Teils des sich in der Pumpkammer befindlichen Fluids mittels des aktiven Mischelements. Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich insbesondere in einem Gradientenmodus als vorteilhaft, da hier mehrere in die Pumpe eingangsseitig einströmende Fluide zu mischen sind, wobei sich die Verhältnisse der einströmenden Fluide zueinander, d.h. deren relative Konzentrationen zueinander, über der Zeit ändert. Falls die Pumpe bauartbedingt eine serielle Verschaltung einzelner Pumpkammer aufweist, wobei zumindest eine der Pumpkammer flussabwärts von dem Mischpunkt der Eluentenanteile angeschlossen ist oder die Eluentenanteile erst in einer Pumpkammer zusammengebracht und vermischt werden, so erhält im Gradientenmodus die zumindest flussabwärts letzte Pumpkammer mit jedem Pumpzyklus eine geänderte Fluidzusammensetzung.“. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, diese neue Portion mit dem verbliebenen Inhalt (Mischung aus früheren Portionen) homogen zu durchmischen. Eine gute Durchmischung des von der Pumpe ausgangsseitig gelieferten Fluids wirkt sich dabei besonders gut auf die Reproduzierbarkeit sowie die Mess- und Trenngenauigkeit der chromatografischen Trennung aus.
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Ein Hochleistungschromatografie-System gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Pumpvorrichtung zum Bewegen einer mobilen Phase, eine stationäre Phase zum Trennung von Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit und ein Ventil, das sich in einem Flusspfad der mobilen Phase befindet, auf. Die Pumpvorrichtung kann dabei eine oder mehrere Pumpen entsprechend der genannten Ausführungsbeispiele aufweisen. Das Hochleistungschromatografie-System kann ferner einen Probeninjektor zum Einbringen der Probenflüssigkeit in die mobile Phase, einen Detektor zum Detektieren separierter Komponenten der Probenflüssigkeit und/oder einen Fraktionierungsgerät zur Ausgabe getrennter Komponenten der Probenflüssigkeit aufweisen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf Basis vieler der bekannten HPLC Systeme ausgeführt werden, wie z.B. den Agilent Infinity Serien 1290, 1260, 1220 und 1200 der Anmelderin Agilent Technologies, Inc., siehe www.agilent.com.
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Als mobile Phase (oder Eluent) kann ein reines Lösungsmittel oder eine Mischung verschiedener Lösungsmittel, welches in der Vorratsflasche vorgegeben oder auch aus verschiedenen Vorratsflaschen angesaugt wird, verwendet werden. Die mobile Phase kann so gewählt werden, um die Retention von interessierenden Komponenten und/oder die Menge der mobilen Phase zum Betreiben der Chromatografie zu optimieren oder für den Zweck zu minimieren. Die mobile Phase kann auch so gewählt werden, dass bestimmte Komponenten effektiv getrennt werden. Sie kann ein organisches Lösungsmittel, wie z.B. Methanol oder Acetonitril, aufweisen, das oft mit Wasser verdünnt wird. Für einen Gradientenbetrieb für den „reversed phase“-Modus werden oft Wasser und ein organisches Lösungsmittel (oder bzw. andere in der HPLC üblichen Lösungsmittel) in ihrem Mischverhältnis über der Zeit variiert. Gängig ist auch die IEC-Anwendung mit Salz- oder Puffer-Gradienten oder die kontrollierte Zugabe von Modifiern, wie z.B. geringe Mengen von Säuren.
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Das oder eines der vorab erläuterten Verfahren kann durch eine Software ganz oder teilweise unterstützt werden, wenn diese auf einem Datenverarbeitungssystem, wie einem Computer oder einer Workstation, abläuft. Die Software kann dabei oder dazu auf einem Datenträger gespeichert werden kann oder aus dem weltweiten Netz (z.B. dem Internet) gespeist werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird im Folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnungen erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen.
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1 zeigt ein Flüssigkeitsseparationssystem 10 entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie es z.B. in der HPLC verwendet wird.
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2 zeigt eine schematische Schnittzeichnung einer Ausführungsform einer Pumpe 200.
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Die 3A–3C stellen exemplarisch Ausführungsbeispiele für das Flügelelement 280 dar
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4 und 5 stellen Ausführungsformen des aktiven Mischelements 240 dar.
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Im Einzelnen zeigt 1 eine allgemeine Darstellung eines Flüssigkeitsseparationssystems 10. Eine Pumpvorrichtung 20 erhält eine mobile Phase von einer Lösungsmittelversorgung 25, typischerweise über einen Entgaser 27, der die mobile Phase entgast und auf diese Weise die Menge gelöster Gase in der mobilen Phase reduziert. Die Pumpvorrichtung 20 treibt die mobile Phase durch ein Separationsgerät 30 (wie eine chromatografische Säule), das eine stationäre Phase aufweist. Ein Probengerät (oder Probeninjektor) 40 kann zwischen der Pumpvorrichtung 20 und dem Separationsgerät 30 vorgesehen werden, um ein Probenfluid in die mobile Phase zu bringen. Die stationäre Phase des Separationsgerätes 30 ist dazu angepasst, um Komponenten des Probenfluids zu trennen. Ein Detektor 50 detektiert separierte Komponenten des Probenfluids, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann zur Ausgabe der getrennten Komponenten vorgesehen werden.
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Die mobile Phase kann aus nur einem Lösungsmittel bestehen oder aus einer Mischung unterschiedlicher Lösungsmittel. Das Mischen kann bei Niederdruck und vor der Pumpvorrichtung 20 erfolgen, so dass die Pumpvorrichtung 20 bereits das gemischte Lösungsmittel als mobile Phase befördert. Alternativ kann die Pumpe aus einzelnen Pumpeinheiten bestehen, wobei jede Pumpeinheit jeweils ein Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelmischung fördert, so dass die Mischung der mobilen Phase (wie sie dann das Separationsgerät 30 erfährt) unter hohem Druck und nach der Pumpvorrichtung 20 erfolgt. Die Zusammensetzung (gewünschte Mischung) der mobilen Phase kann über der Zeit konstant gehalten (isokratischer Modus) oder in einem sogenannten Gradienten-Modus über der Zeit variiert werden.
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Eine Datenverarbeitungseinheit 70, die ein konventioneller PC oder eine Workstation sein kann, kann – wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet – an eines oder mehrere der Geräte in dem Flüssigkeitsseparationssystem 10 gekoppelt werden, um Informationen zu erhalten und/oder den Betrieb des Systems oder einzelner Komponenten darin zu steuern.
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2 zeigt eine schematische Schnittzeichnung einer Ausführungsform einer Pumpe 200. Die in 1 dargestellte Pumpvorrichtung 20 kann ein oder mehrere dieser Pumpen 200, vorzugsweise seriell miteinander gekoppelt, aufweisen, wie dies im Stand der Technik im Bereich der Hochleistungschromatografie hinreichend bekannt und beschrieben ist. Die Pumpe 200 hat einen Einlass 210, der sich in eine Pumpkammer 220 hin öffnet. In der Pumpkammer 220 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel ein reziprozierendes Element 230, hier ein Kolben, der durch Reziprozieren (also Hin- und Herbewegen) innerhalb der Pumpkammer 220 die durch den Einlass 210 eingeströmten Fluide zum einen ansaugt und zum anderen auf Druck bringt. Anstelle des in 2 dargestellten Kolbens als reziprozierendes Element 230 kann entsprechend auch eine Membran verwendet werden, wie dies im Stand der Technik ebenfalls hinreichend bekannt ist.
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Die Pumpe 200 weist in ihrer Pumpkammer 220 ein aktives Mischelement 240 auf, das zum Durchmischen zumindest eines Teils des sich in der Pumpkammer 220 befindlichen Fluids konfiguriert ist.
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Die Pumpkammer 220 weist ferner einen Auslass 250 auf, um das auf Druck gebrachte Fluid aus der Pumpkammer 220 ausströmen zu lassen, d.h. um die Flüssigkeit zu fördern. In dem Ausführungsbeispiel nach 2 erhält der Einlass 210 ein oder mehrere Fluide über ein Proportionalisierungsventil 255. Das Proportionalisierungsventil 255 wiederum ist hier mit 4 Lösungsmitteln A, B, C und D gekoppelt und kann eines oder mehrere dieser Lösungsmittel an den Einlass 210 koppeln, so dass durch eine entsprechende Saugbewegung des Kolbens 230 (in dem Ausführungsbeispiel nach 2 eine Bewegung nach links) das oder die über das Proportionalisierungsventil 255 gekoppelten Lösungsmittel in den Pumpraum 220 eingesaugt werden. Es ist klar, dass das Proportionalisierungsventil 255 auch weniger oder mehr als die in 2 gezeigten Lösungsmittel mit der Pumpe 200 verbinden kann.
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In
2 sind schematisch entsprechende Ventile dargestellt, die jeweils an den Einlass
210 sowie den Auslass
250 fluidisch gekoppelt sind, um beispielsweise sowohl ein Einsaugen der Fluide in die Pumpkammer
220 (z.B. durch eine Bewegung des Kolbens
230 nach links in dem Ausführungsbeispiel nach
2) und/oder ein auf Druck Bringen und Ausstoßen des auf Druck gebrachten Fluids (z.B. durch eine Bewegung des Kolbens
230 nach rechts in
2) zu unterstützen oder überhaupt erst zu ermöglichen. Derartige Ventile sowie andere Details und Konfigurationen, zum Beispiel zum Mischen und Proportionieren von Lösungsmitteln, sind u.a. beschrieben in der zuvor erwähnten
WO2013/013717A2 derselben Anmelderin und derselben Erfinder, und der Inhalt dieses Dokuments wird durch Bezugnahme einbezogen.
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2 zeigt ferner eine Dichtung 260 zum Abdichten der Pumpkammer 220 zusammen mit dem entsprechenden Teil des Kolbens 230, der in die Pumpkammer 220 hinreicht und in Verbindung mit der Dichtung 260 steht. Die Pumpkammer 220 zusammen mit dem Einlass 210 und dem Auslass 250 können sich in einem (nicht dargestellten) Pumpenkopf befinden, der zum Beispiel als ein entsprechend bearbeiteter Metallblock, in den die Pumpkammer 220, der Einlass 210 und der Auslass 250 z.B. durch Bohrungen eingeformt wurden ausgeführt werden kann.
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Ein Rückholmechanismus 270, hier schematisch durch einen Pfeil dargestellt, ist vorgesehen um den Kolben 230 in eine ursprüngliche Position zurückzubewegen, nachdem dieser durch einen (in 2 nicht gezeigten) Antrieb ausgelenkt wurde.
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Das in 2 schematisch dargestellte aktive Mischelement 240 ist hier so ausgebildet, dass es in einem Betriebszustand der Pumpe 200, also wenn sich der Kolben 230 hin- und herbewegt, eine Rotationsbewegung ausführt und damit das oder die in der Pumpkammer 220 sich befindlichen Fluide, oder zumindest der Teil davon, der sich in Reichweite des aktiven Mischelements 240 befindet, durchmischt. Die Rotationsbewegung des aktiven Mischelements 240 erfolgt dabei in 2 relativ zu dem reziprozierenden Element 230 und ebenso zu der Pumpkammer 220.
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Durch das Anbringen bzw. Integrieren des aktiven Mischelements 240 direkt in der Pumpkammer 220 erfährt das zu mischende Fluid bereits beim Eintritt und dann auch innerhalb der Pumpkammer 220 eine zumindest verstärkte Durchmischung, so dass gegebenenfalls weitere Mischelemente, wie z.B. eine oder mehrere zur Pumpkammer 220 externe Mischkammern, nicht mehr erforderlich sind. Der Begriff „extern zur Pumpkammer 220“ soll dabei so verstanden werden, dass er sich auf den Raum entlang des Flusspfades bezieht, der flussabwärts in Flussrichtung zu dem Auslass 250 liegt. Die Pumpkammer 220 wiederum kann als der geometrische Raum zwischen dem Einlass 210 und dem Auslass 250 verstanden werden.
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Das Einbringen des aktiven Mischelements 240 kann in vielen Fällen eine Vergrößerung des Volumens der Pumpkammer 220 gegenüber einer Ausführungsform ohne ein aktives Mischelement 240 bedeuten. Dieses Mehr an Volumen kann jedoch durch eine dadurch resultierende verbesserte Durchmischung gerechtfertigt sein. In vielen Anwendungen wird dieses Mehr an Volumen jedoch auch eine Verringerung anderer, für eine verbesserte Vermischung vorgesehene Volumina ermöglichen, so dass insgesamt nicht zwingend ein erhöhtes Totvolumen durch das Einbringen des aktiven Mischelements 240 in die Pumpkammer 220 resultieren muss.
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In dem Ausführungsbeispiel nach 2 besteht das aktive Mischelement 240 aus einem Flügelelement 280 und einem extern zu der Pumpkammer 220 angebrachten Antriebselement 290. Das Flügelelement 280 weist in dieser Ausführungsform ein magnetisches Material auf, z.B. einen Eisenkern und/oder einen Permanentmagneten, das durch ein von dem Antriebselement 290 erzeugtes sich veränderndes Magnetfeld in Bewegung gebracht werden kann. Hierzu kann auf Ausführungsformen, wie sie im Stand der Technik in Bezug auf Rührelemente (wie sie z.B. in der chemischen Industrie verwendet werden) bekannt sind, zurückgegriffen werden.
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Das Flügelelement 280 weist in der in 2 dargestellten Ausführungsform drei Flügel auf, die so gestaltet sind, dass bei einer Bewegung des Flügelelements 280 eine verbesserte Durchmischung erfolgt. Allerdings muss das Flügelelement 280 nicht zwingend einzelne Flügel aufweisen und kann auch z.B. durch ein Stabelement, wie dies aus vielen Rührern bekannt ist, ausgeführt werden. Ein paar exemplarische Ausführungsbeispiele des Flügelelements 280 werden in den 3 dargestellt.
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Das Antriebselement 290 kann z.B. selbst ein Magnet sein oder beinhalten, der z.B. durch einen Antrieb gedreht wird. Das Antriebselement 290 kann zudem oder alternativ auch eine oder mehrere Magnetspulen aufweisen, die dann elektrisch so angesteuert werden, dass ein entsprechend veränderliches Magnetfeld erzeugt wird.
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Die 3A–3C stellen exemplarisch Ausführungsbeispiele für das Flügelelement 280 dar. 3A zeigt dabei eine Flügelscheibe, die so gestaltet ist, dass ein entsprechend geformter Kolben ins Zentrum eintauchen kann. Somit wirken eine Vielzahl an Flügel 284 auch „um den Kolben herum“. Sind die Flügel 284 in der Ausführungsform nach 3A selber elastisch oder beweglich (kipp- oder klappbar) an die Basisscheibe 285 angebracht, so dass sie in einem an die Scheibe 285 angepressten Zustand nicht über die Grundfläche der Scheibe 285 herausragen, und in einem aufgerichteten Zustand z.B. unter einem scharfen Winkel zur Scheibe 285 stehen, so stellt dieser Aufbau ein oben beschriebenes aufklappbares Mischelement 280 dar.
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3B zeigt ferner eine Ausführungsform, die, wenn sie in Drehung versetzt ist, einen radialen Fluss forciert. Dadurch wird im Zentrum „angesaugt“ und eine Strömung erzeugt, die wie eine Rolle an der Wand lang und wieder im Zentrum zurück läuft.
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3C stellt eine Ausführungsform des Flügelelements 280 als einen Strömungskegel dar. Hierdurch kann ein besonders kleines Totvolumen ermöglicht werden, weil die Flügel selbst nur einen sehr geringen Raum einnehmen. Ein entsprechend geformter Kolben, der an der Stirnseite einen Trichter (ein Loch) trägt, kann nun sehr nahe anfahren und das Volumen ausnutzen.
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4 stellt eine Ausführungsform des aktiven Mischelements 240 dar, die durch Bewegung des reziprozierenden Elements 230 in Bewegung versetzt wird. Das reziprozierende Element 230, hier ein Kolben, in Kombination mit der Pumpkammer 220 (die der Übersichtlichkeit halber in 4 nicht dargestellt ist) ist hierbei so konfiguriert, dass es im Betrieb eine zumindest punktuell hohe laterale Strömung 277 erzeugt, die das aktive Mischelement 240 in Bewegung versetzt. Der Kolben 230 kann beim Ansaugen oder Verdrängen durch punktuell hohe laterale Strömung das aktive Mischelement 240 in Bewegung setzen, welches dann wiederum in der Pumpkammer 220 das Fluid durchmischt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Mischelement 240 durch die Wirkung der lateralen Strömung 277 auf ein "Turbinenteil" 244 des Mischelements 240 angetrieben, wodurch ein damit verkoppeltes Rührerteil 266 eine Durchmischung in weiteren Teilen der Pumpkammer 220 bewirkt. Es versteht sich, dass die Ausführungen des Rührerteils 266 und des Turbinenteils 244 vielfältig sein können, wobei das Turbinenteil 244 jeweils im Bereich der hohen Strömungsgeschwindigkeiten platziert sein sollte (wie hier dargestellt in dem Spalt zwischen dem reziprozierenden Element 230 und der Wand der Pumpkammer 220 oder alternativ z.B. in der Nähe der Einlassbohrung der Pumpkammer) und durch seine Bewegung weitere Teile des Mischelements 240 im Bereich der langsamen Strömung oder unzureichender Durchmischung in Bewegung versetzt.
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In einer weiteren, in 5 gezeigten Ausführungsform des aktiven Mischelements 240 weist der Kolben 230 eine Aussparung 400 auf, z.B. ein Innenloch, die als eine Spirale ausgeführt ist. Das aktive Mischelement 240 weist einen Mitnehmer 410 auf, der in die Aussparung 400 eingreift. Zusätzlich kann das Mischelement 240 mittels einer Freilaufvorrichtung an den Mitnehmer 410 angekoppelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3934456 A [0002]
- JP 11183457 A [0002]
- WO 0151698 A1 [0002]
- WO 02068954 A1 [0002]
- DE 102008000112 A1 [0002]
- JP 2009115056 A [0002]
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- US 4595495 A [0005]
- US 6997683 B2 [0005]
- US 2012291531 A1 [0005]
- JP 61258975 A [0005]
- US 2013/0091935 A1 [0005]
- WO 2013/013717 A2 [0045]