目錄
一、綜述... 3
二、關(guān)鍵技術(shù)... 3
2.1 分離柱... 3
2.1.1 單分離柱... 3
2.1.2 雙分離柱... 4
2.1.3 三分離柱... 4
2.2 管路解繞... 5
2.2.1 解繞軸... 5
2.2.2 旋轉(zhuǎn)密封... 5
2.3 減震系統(tǒng)... 6
2.3.1 傳統(tǒng)減震... 6
2.3.2 彈簧減震... 6
2.4溫度控制系統(tǒng)... 7
2.4.1 循環(huán)水浴... 7
2.4.2 空調(diào)制冷... 7
三、演進(jìn)過程... 7
3.1單分離柱+解繞管... 7
3.2三分離柱+解繞管... 8
3.3多分離柱+旋轉(zhuǎn)密封... 8
四、發(fā)展趨勢... 9
4.1 大制備量... 9
4.2 產(chǎn)業(yè)化... 9
一、綜述
J型高速逆流色譜儀采用多層纏繞分離柱通過行星式公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及不同物質(zhì)在上下兩相溶劑中的溶解度差等因素實現(xiàn)物質(zhì)的分離。高速逆流色譜技術(shù)相比傳統(tǒng)的分離純化手段的優(yōu)點在于較高的分離效率和較大的制備量以及溶劑使用成本的降低。
J型高速逆流色譜儀內(nèi)部核心部件組成包括至少一個分離柱，一個公轉(zhuǎn)軸和一個自轉(zhuǎn)軸。運轉(zhuǎn)方式為分離柱在圍繞自轉(zhuǎn)軸高速自轉(zhuǎn)的同時，整體再圍繞公轉(zhuǎn)軸高速公轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)較大的制備量和較高的分離效率，業(yè)界對構(gòu)成高速逆流色譜儀設(shè)備的核心部件以及設(shè)備內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)，溫控方式等不斷的進(jìn)行探索。
從國內(nèi)第一臺高速逆流色譜儀誕生至今，國內(nèi)的高速逆流色譜儀技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個主要階段。
1. 采用單分離柱、解繞管的高速逆流色譜儀
2. 采用三分離柱、解繞管、循環(huán)水浴實現(xiàn)的高速逆流色譜儀
3. 采用旋轉(zhuǎn)密封解繞、多分離柱、壓縮機空調(diào)直冷實現(xiàn)的高速逆流色譜儀
在上述三個發(fā)展階段中，分離柱設(shè)計，解繞方式設(shè)計和溫控設(shè)計的變化起到了重要的作用。
二、關(guān)鍵技術(shù)
高速逆流色譜儀的關(guān)鍵技術(shù)包括分離柱的設(shè)計，解繞方式的設(shè)計，減震系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)的設(shè)計等。
2.1 分離柱
分離柱的自轉(zhuǎn)半徑比公轉(zhuǎn)半徑的比值即稱為β值。β值對分離效果有決定性影響，其大小直接影響分離效果，大β值可實現(xiàn)高效率的分配分離。另一方面，分離柱的大小和數(shù)目直接決定了制備量的大小，也決定了機械運行的穩(wěn)定性和可靠性。
2.1.1 單分離柱
單分離柱結(jié)構(gòu)如下圖所示，采用單分離柱，系統(tǒng)的β值可以達(dá)到最大，甚至越過中軸軸線形成β大于1。
這種單分離柱機型β值范圍雖然寬泛，但是需要配重塊才可以穩(wěn)定運行，對機械穩(wěn)定性要求較高。同時，如果要增大柱體積，提高制備量則需要增大分離柱體積，以及相應(yīng)的配重柱體積，從而使得機器整體的尺寸增大，降低系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。
2.1.2 雙分離柱
將單分離柱配重塊換成分離柱組成雙分離柱系統(tǒng)，這樣就解決了平衡問題，也擴展了機器容量，但是需要更多的管路來進(jìn)行連接，這種機型理論最大β值為1，在實際應(yīng)用中，因為分離柱加工纏繞以及機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等設(shè)計考慮，β值不可能實際到達(dá)1。
其結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：
2.1.3 三分離柱
三分離柱同雙分離柱相比，等同于增加了1個柱容積，連接管路也相應(yīng)增加，理論最大β值可達(dá)到0.866，其結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖如下所示：
保持公轉(zhuǎn)半徑不變的情況下，自轉(zhuǎn)半徑會隨著柱子數(shù)量增加而減小，柱體積也會隨之減小，理論最大β值也會相應(yīng)減少，四分離柱僅為0.707，已經(jīng)不能滿足最低β值需求（一般試驗需要β值至少達(dá)到0.8以上）。
綜上所述，因為每增加一個分離柱，自轉(zhuǎn)半徑隨之降低，導(dǎo)致柱容量也成持續(xù)減少趨勢，所以從合理的機械設(shè)計角度，為了滿足實驗所需基本β值需求，三分離柱即為在高速逆流色譜儀設(shè)計時所能采用的最高分離柱數(shù)。
2.2 管路解繞
由于高速逆流色譜儀是一種連續(xù)流的分離系統(tǒng)，管路從頭至尾貫穿始終，而其又需進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運動，所以要采取措施解決管路纏繞及在長期使用后容易出現(xiàn)的管路破損和斷裂等問題，這就是解繞技術(shù)。
2.2.1 解繞軸
傳統(tǒng)解繞方法是采用PTFE軟管加解繞軸進(jìn)行連接的，基本原理如下所示：
如圖,箭頭指示為分離柱旋轉(zhuǎn)方向，其搭配一個轉(zhuǎn)速相同但與其反向旋轉(zhuǎn)的解繞軸來完成紅色管路的解繞。在運行過程中，由于轉(zhuǎn)速相同但轉(zhuǎn)向相反，所以紅色管路不會因為轉(zhuǎn)動而纏繞折損，最后解繞軸與中心軸組成最后一個解繞管路，將管路通向機器外部。
因為柱子有出口和進(jìn)口兩個管路處需要實現(xiàn)解繞，即可以將他們組成一個管路從柱子的一頭完成解繞，又可以從柱子兩頭分別解繞，然后從相應(yīng)的中心軸的兩端通向機器外部。
2.2.2 旋轉(zhuǎn)密封
旋轉(zhuǎn)密封采用旋轉(zhuǎn)密封接頭連接分離柱和外部管路，其結(jié)構(gòu)圖如下所示：
采用旋轉(zhuǎn)密封的分離柱在高速旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)密封接頭固定不動，連接柱子進(jìn)口或出口的管路和外部管路，組成一套解繞系統(tǒng)。采用此系統(tǒng)的機器連接管路相對固定其接頭靜止不動，無需解繞軸，無任何損傷風(fēng)險，柱子之間直接用連接管相連并通向機器外部。
解繞管采用PTFE軟管雖然能夠經(jīng)受各種化學(xué)腐蝕，但是耐磨、抗拉等性能差，在機械轉(zhuǎn)動作用下，很容易滲漏甚至斷裂，旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)有效解決長期以來高速逆流色譜儀的管路滲漏和斷裂問題，進(jìn)而也為提高高速逆流色譜儀的分離性能創(chuàng)造了空間。
2.2.2.1 系統(tǒng)死體積
高速逆流色譜儀設(shè)備，除去有效柱容積部分，都可以稱之為死體積，這些管路不參與分離過程，只作為必要連接管路存在，所以死體積越少越好。通常最常見的方法可將機器外部連接管路在壓力允許的情況下通過選用更細(xì)更短的管路的簡單方法來盡量減少死體積的存在，而機器內(nèi)部的死體積除非在設(shè)計時加以處理，則很難在后期進(jìn)行避免。
傳統(tǒng)高速逆流色譜由于其解繞軸的存在，各個分離柱無法直線連接，必須通過解繞軸解繞連接，對解繞管的內(nèi)外徑也有范圍要求，無可避免的導(dǎo)致了較多的死體積的存在。
采用了旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)后，管路之間可以采取直線連接方式，可在最大范圍內(nèi)降低死體積的存在，還可以根據(jù)需要更換各種材質(zhì)的管路。由于此連接管路不參與解繞轉(zhuǎn)動，即使更換成PEEK、不銹鋼等高強度材料管路也可以輕松實現(xiàn)，大大提高機器使用壽命和操作便利性。
2.3 減震系統(tǒng)
由于高速逆流色譜儀在工作時需要高速旋轉(zhuǎn)，必然帶來一定的震動，為此，需要在儀器內(nèi)部應(yīng)用減震系統(tǒng)以減輕儀器運轉(zhuǎn)時的震動。
2.3.1 傳統(tǒng)減震
傳統(tǒng)的減震方案是在固定連接處加上彈簧墊等來減小震動產(chǎn)生的力。這種方案無法起到較好的實際效果。高速逆流色譜儀采用傳統(tǒng)減震方式，運行時間長后，由于激烈的震動，容易造成器件磨損，系統(tǒng)壽命降低，并可能影響分離效果。
2.3.2 彈簧減震
雖然簡化的機械設(shè)計可以大大降低機器產(chǎn)生的震動，但是由于是動態(tài)連續(xù)流液體系統(tǒng)，機器內(nèi)部在運轉(zhuǎn)過程中對稱平衡會被打破，從而產(chǎn)生震動以及額外噪音。為了降低這種問題，江陰逆流科技有限公司經(jīng)過大量實驗，獨創(chuàng)了一套適用于高速旋轉(zhuǎn)離心系統(tǒng)的減震結(jié)構(gòu)，大大降低了由于不對稱產(chǎn)生的動平衡問題，從而江陰逆流科技有限公司產(chǎn)品系列可以包含單分離柱、二分離柱、三分離柱，并且對于機器容量的大小無理論上的限制，都可以通過此系統(tǒng)達(dá)到最佳運行平穩(wěn)度。
2.4溫度控制系統(tǒng)
由于溫度對一些特定的化學(xué)物質(zhì)的溶解度及活性等會產(chǎn)生較大的影響，因此，精確高效的溫度控制系統(tǒng)對于高速逆流色譜儀也至關(guān)重要。應(yīng)用于高速逆流色譜儀系統(tǒng)的溫控控制系統(tǒng)主要有兩種，即循環(huán)水浴系統(tǒng)和壓縮機空調(diào)直冷系統(tǒng)。
2.4.1 循環(huán)水浴
循環(huán)水浴的工作模式是把主機部分通過中空的殼體包裹在一個密閉空間內(nèi)，然后通過外置水浴恒溫裝置將一定溫度的水注入中空殼體，改變殼體溫度，從而控制主機旋轉(zhuǎn)空間內(nèi)空氣溫度來影響分離柱內(nèi)溶劑溫度（請參考下面相關(guān)專利說明）。
2.4.2 壓縮機空調(diào)直冷
壓縮機空調(diào)直冷的方法是將主機部分更改為開放式結(jié)構(gòu)，完全與機器內(nèi)部連通；并在機器外殼掛裝工業(yè)級控溫空調(diào)系統(tǒng)，直接對機器內(nèi)部空間進(jìn)行控制，從而最終實現(xiàn)主機溫度恒定。
主機溫度的控制最后都需要空氣作為介質(zhì)作用于分離柱，壓縮機空調(diào)直冷無論從溫度改變速度上和能力上都要強于溫控水?。ㄋ》矫嬷茻崮芰?，但是逆流色譜所用試劑沸點都很低，所以工作溫度一般不超過45度）；開放式結(jié)構(gòu)對于檢查機器運行情況和日常維護(hù)都變得簡單快捷；水浴循環(huán)器作為外配部件額外增加成本和操作步驟，對日后機器移動搬運也造成不小麻煩；一體式壁掛空調(diào)與機器完全組成一個整體，并可通過機器控制系統(tǒng)集中控制。
三、演進(jìn)過程
隨著分離柱，解繞方式，減震系統(tǒng)，溫控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，高速逆流色譜儀的發(fā)展也經(jīng)歷了從單分離柱+解繞管，三分離柱+解繞管，多分離柱+旋轉(zhuǎn)密封模式的演變。
3.1單分離柱+解繞管
最初引進(jìn)逆流色譜技術(shù)時，國內(nèi)的高速逆流色譜儀生產(chǎn)廠家采用了單分離柱加解繞管的結(jié)構(gòu)設(shè)計逆流色譜儀，這種設(shè)備的共同特點是柱體總?cè)莘e較小，系統(tǒng)運行震動大，噪音高等。
3.2三分離柱+解繞管
隨著用戶對高速逆流色譜儀的柱體總?cè)莘e需求的增大，國內(nèi)的各個高速逆流色譜儀生產(chǎn)廠家在單分離柱系列機器后開始研究多個分離柱的逆流色譜儀。在2010年前，由于旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)尚未成熟，解繞管是唯一可行的解繞方式，在這種條件下，雙分離柱加解繞管或三分離柱加解繞管的逆流色譜儀成為業(yè)界廠商的研究目標(biāo)。
由于機械原理問題，解繞軸會得整個系統(tǒng)的動平衡破壞，此現(xiàn)象在雙分離柱條件下會尤為明顯。在未使用旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)的條件下，采用三分離柱加解繞軸的方案相對于雙分離柱加解繞軸的方案會帶來更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)運行時的震動。
為此，雖然采用雙分離柱加解繞軸相對于三分離柱加解繞軸可以一定程度上簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是由于帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題較為突出，業(yè)界普遍采用了三分離柱加解繞軸的實現(xiàn)方式。
采用三分離柱相應(yīng)的至少需要包括中軸在內(nèi)的7根旋轉(zhuǎn)軸和7個齒輪、至少8根連接管路連接單元，如下圖所示。這種設(shè)計使得機器的可靠性大大降低，另外，如同前文所述，采用三分離柱降低了系統(tǒng)能達(dá)到的最大β值，從而又降低了分離效率。
采用三分離柱由于需要的柱子較多，占用空間體積較大，因此，實際在市面銷售的三分離柱加解繞管的高速逆流色譜儀的柱體總?cè)莘e通常在300ml左右。
3.3多分離柱+旋轉(zhuǎn)密封
江陰逆流科技有限公司在2010年成功的研制獨特的旋轉(zhuǎn)密封解繞和彈簧減震技術(shù)，采用了旋轉(zhuǎn)密封解繞技術(shù)，因為無需解繞軸，不破壞機器整體動平衡，所以雙分離柱機型和三分離柱機型有同樣的穩(wěn)定性。
采用了旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)的雙分離柱設(shè)計一方面可以滿足系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和柱體總?cè)莘e需求，同時又提高了系統(tǒng)的β值，大大提高了分離效率。
四、發(fā)展趨勢
4.1 大制備量
由于旋轉(zhuǎn)密封解繞技術(shù)的出現(xiàn)和減震、溫控系統(tǒng)的進(jìn)步，除了常見的300ml,500ml,1L等常規(guī)柱體總?cè)莘e的逆流色譜儀外，更大的諸如10L以上的逆流色譜儀已經(jīng)成為可能。
4.2 產(chǎn)業(yè)化
傳統(tǒng)的逆流色譜儀由于受限于柱體總?cè)莘e和分離效率，大部分都是在實驗室內(nèi)部進(jìn)行使用，未來，隨著大制備量的高速逆流色譜儀的成熟，逆流色譜儀及相關(guān)技術(shù)必將走出實驗室，進(jìn)入大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中。
