BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Vorrichtung zur Durch führung dieses Verfahrens.
Bei Trennung der Komponenten von Stoffgemischen in flüssig-flüssig-Systemen wird, je nach Gemischmenge, entweder die Chromatographie oder die Extraktion angewendet. Eines der ersten Trennungssysteme dieser Art wurde von Craig (1956) beschrieben. Dabei wurde ein Stoffgemisch zwischen zwei nicht mischbaren Phasen verteilt, indem diese Phasen durch starkes Schütteln miteinander in innige Berührung gebracht wurden. Daraufhin wurden die zwei Phasen getrennt und der Vorgang wurde mehrfach wiederholt. Im Laufe der Zeit wurde die flüssig-flüssig Trennung mittels zwei Phasen derart weiterentwickelt, dass eine der Flüssigkeiten die stationäre Phase und die andere die durch letztere meistens in Tropfenform bewegte flüssige Phase darstellte.
Verschiedene Ausführungsformen dieser Zweiphasenmethode sind von Hostettmann, K; Hostettmann, N.; Marston, A.: Preparative Chromatography-Techniques, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1986 zusammenfassend beschrieben.
Nach einem der dort beschriebenen Verfahren (als DCCC-Verfahren bezeichnet) werden 200 bis 600 dünne Rohre, die ein zusammenhängendes Gefäss-System bilden, mit einer stationären Phase gefüllt, in die die mobile Phase in Tropfenform kontinuierlich eingeführt und mittels einer Pumpe durchgezwungen wird. Das zu trennende Stoffgemisch wird in der mobilen Phase gelöst aufgegeben, worauf im Zweiphasensystem eine Verteilung der Komponenten der Stoffmischung nach bekannten physikalischen Prinzipien zwischen der mobilen und der stationären Phase stattfindet.
Dieses bekannte Verfahren erlaubt die Trennung von Stoffgemischen im allgemeinen ohne Materialverlust. Nachteilig ist es jedoch, dass das Verfahren viel Zeit, z. B. mehrere Tage, beansprucht. Ausserdem verteilt sich die mobile Phase nicht immer ausreichend tropfenförmig in der stationären Phase, was dazu führen kann, dass die eingeführte mobile Phase die stationäre Phase vor sich schiebt und aus dem Gefäss hinausdrückt. Die mehrere hundert Einzelrohre in den bekannten Vorrichtungen verursachen apparative Probleme, insbesondere Dichtungsprobleme.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Verfahrens zu vermeiden. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, das eine schnellere, d. h. weniger Zeit beanspruchende Trennung in einer kleinen Anzahl von Gefässen ermöglicht. Weiterhin soll durch das erfindungsgemässe Verfahren die tropfenförmige Verteilung der mobilen Phase in der stationären Phase gesichert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 9 beansprucht.
Der erfindungsgemässe Einsatz von drei oder mehr flüssigen Phasen weicht grundsätzlich von den seit Jahrzehnten angewendeten und fortlaufend weiterentwickelten zweiphasigen flüssig-flüssig-Systemen ab. Durch die Anwendung eines Drei- oder Mehrphasensystems wird erfindungsgemäss eine unerwartet verbesserte und schnellere Trennung von Komponenten des Stoffgemisches mit einer kleineren Anzahl von Gefässen, d. h. mit einem kleineren apparativen Aufwand, erreicht. Dies wird einerseits erzielt indem der Stoffaustausch nicht wie bisher zwischen zwei, sondern zwischen mindestens drei flüssigen Phasen stattfindet, so dass anstelle eines einzigen Stoffaustauschvorganges mindestens drei Stoffaustausch-, d. h. Verteilungsvorgänge stattfinden.
Ausserdem entstehen im Drei- oder Mehrphasensystem starke Turbulenzen, wodurch der Weg der mobilen durch die stationäre Phase stark, bis auf das Mehrfache der Gefässlänge verlängert wird. Die infolge der Turbulenzen aufeinander oder auf die Grenzfläche zwischen zwei stationären Phasen auftreffenden Tropfen erfahren nicht nur eine intensive Berührung, sondern werden in eine Anzahl kleinere Tropfen aufgelöst, wodurch die gesamte austauschwirksame Oberfläche stark vergrössert wird. Gleichzeitig wird durch die Tur bulenz innerhalb der stationären Phase eine Durchmischung bewirkt, was wiederum zu einer besseren Verteilung und Trennung führt.
Ausserdem erlaubt die turbulente Bewegung der Tropfen die Verwendung von Gefässen mit grösseren Durchmessern, was wiederum eine Verringerung der Gefässzahl und die Trennung von grösseren Mengen eines Stoffgemisches erlaubt.
Durch den unerwartet intensiven und schnellen Verteilungsvorgang wird es möglich, die Anzahl der Einzelrohre oder Gefässe anstelle von mehreren hundert auf eine bedeutend niedrigere Zahl, z. B. auf 10 bis 50 einzuschränken, was die Überblickbarkeit und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens stark erhöht und gleichzeitig den apparativen Aufwand vermindert. Die gute Reproduzierbarkeit im Zusammenhang mit der verhältnismässig kurzen Trennzeit erlaubt es, das erfindungsgemässe Verfahren nicht nur im präparativen oder analytischen Labor, sondern auch in verfahrenstechnischem Massstab in der Produktion, insbesondere zur Grobfraktionierung von Extrakten, einzusetzen. Mit anderen Worten, das erfindungsgemässe Verfahren kann für Stoffgemische von Bruchteilen von ml bis für solche im hl Bereich eingesetzt werden.
Mithin ist es sowohl als Chromatographie- als auch als Extraktionsverfahren einsetzbar.
Nachfolgend wird der Einfachheit halber von drei Phasen gesprochen, obwohl dies nur die niedrigst mögliche Phasenzahl ist und höhere Phasenzahlen auch möglich sind.
Von den drei Phasen können entweder zwei Phasen im selben Gefäss aneinander anschliessend als stationäre Phasen angeordnet sein, die dann von einer mobilen Phase durchlaufen werden oder in einem Gefäss kann eine stationäre Phase angeordnet sein, die von zwei parallel oder im
Gegenstrom geführten mobilen Phasen durchlaufen wird.
Wenn die mobile Phase am Ende des Gefässes gesammelt wird, kann sie als zusätzliche stationäre Phase für eine weite re mobile Phase wirken. Dadurch kann die Verteilung/Tren nung weiter verbessert werden.
Zusätzlich zu den mindestens drei flüssigen Phasen kann noch eine Gasphase verwendet werden, die die Tropfenbildung und die Durchmischung der Phasen und die Verteilung der Komponenten des Stoffgemisches in den einzelnen Phasen zeitlich und quantitativ verbessert. Gleichzeitig beschleunigt sie die Trennung der flüssigen Phasen vor Verlassen des Gefässes. Hierfür eignen sich vor allem innerte Gase, die weder mit den Lösungsmitteln noch mit dem Stoffgemisch oder deren Komponenten eine Reaktion eingehen, wie z. B. Stickstoff.
Das Volumenverhältnis der stationären zu den mobilen Phasen kann im erfindungsgemässen Verfahren nach Bedarf auch von Einzelgefäss zu Einzelgefäss geändert werden.
Das mindestens aus drei flüssigen Phasen bestehende Sy stem ermöglicht ausserdem das Einführen des zu trennenden
Stoffgemisches in eine beliebige Phase des Phasensystems.
Dieses Stoffgemisch kann auch als Feststoff oder an eine
Matrix gebunden vorzugsweise in die stationäre Phase einge führt werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge mässen Verfahrens weist ein oder mehrere miteinander ver bundene, an ihren Enden Einlass- und Auslassmittel aufwei sende längliche Gefässe auf. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassmittel von veränderbaren Düsen gebildet werden. Diese Düsen sind derart ausgebildet, dass sie in ih rem Durchmesser, in ihrer Form und/oder in ihrer Anzahl variiert werden können.
Nach einer besonderen Ausführungsform ist am Ende des Einzelgefässes der erfindungsgemässen Vorrichtung ein
Auffangbereich für eine mobile Phase angeordnet. Dadurch wird eine Ansammlung der abzuführenden mobilen Phase an dieser Stelle erzielt. Der Auffangbereich kann ein Teil des Gefässes oder ein besonderer Behälter, der eine Fortsetzung des Gefässes bildet, sein. Bei zwei parallel geführten Phasen können am Ausgangsende des Gefässes zwei Auffangbereiche vorhanden sein. Bei zwei im Gegenstrom geführten mobilen Phasen kann an beiden Enden des Gefässes ein Auffangbereich angeordnet sein. Die Zuführung der einen mobilen Phase kann so angeordnet sein, dass letztere direkt in die stationäre Phase oder zuerst durch die angesammelte andere mobile Phase geführt wird.
Die einzelnen Gefässe könne die herkömmliche Rohrform, die auch spiralförmig gebogen sein kann oder eine geeignete andere längliche Form aufweisen.
Die Erfindung wird weiter anhand der Figuren einzeln veranschaulicht. Es zeigen rein schematisch
Fig. 1 ein Einzelgefäss zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;
Fig. 2 ein Gefäss-System mit zwei stationären und einer von unten nach oben geführten mobilen Phase;
Fig. 3 ein Gefäss-System mit zwei stationären und einer von oben nach unten geführten mobilen Phase;
Fig. 4 ein Gefäss-System mit einer stationären und zwei von unten nach oben geführten mobilen Phasen;
Fig. 5 ein Gefäss-System mit einer stationären und zwei von oben nach unten geführten mobilen Phase;
Fig. 6 ein Gefäss-System mit einer stationären und einer von oben nach unten und einer von unten nach oben geführten mobilen Phase, wobei die beiden mobilen Phasen in dasselbe Rohr eingeführt werden;
und
Fig. 7 ein Gefäss-System mit ebenfalls einer stationären und einer von unten nach oben und einer von oben nach unten geführten mobilen Phase, wobei die mobile Phasen an den entgegengesetzten Enden des Systems eingeführt werden.
Das rohrförmige Gefäss 11 in Figur 1 enthält eine erste durch die Leitung 12 im oberen Teil des Gefässes eingeführte und durch die Leitung 13 unten aus dem Gefäss weggeführte mobile Phase A und eine zweite durch die Leitung 14 von unten in das Gefäss eingeführte und oben durch die Leitung 15 aus dem Gefäss abgeführte zweite mobile Phase C. Im mittleren Bereich des Gefässes 11 ist eine schraffiert dargestellte stationäre Phase B angeordnet. Am unteren Ende des Gefässes befindet sich ein Auffangbereich 16 für die mobile Phase A und am oberen Ende des Gefässes ein Auffangbereich 17 für die mobile Phase C. Die in den Auffangbereichen vorliegenden mobilen Phasen A und C, durch die die in Tropfenform eingeführten mobilen Phasen C und A durchfliessen müssen, wirken als zusätzliche stationäre Phasen.
Die die jeweiligen gesammelten mobilen Phasen durchfliessenden Tropfen zerplatzen oder zerfallen an der Phasengrenze X und Y zur stationären Phase B in viele kleinere Tröpfchen und werden in Zickzack- und Raumkurvenform durch die stationäre Phase B gezwungen.
Das Trennen des z. B. mit der einen mobilen Phase eingeführten Stoffgemisches erfolgt zwischen den jeweiligen mobilen und stationären Phasen durch Stoffaustausch an den Grenzflächen.
Wie aus den Fig. 2 bis 7 hervorgeht, besteht das die Vorrichtung bildende Gefäss-System aus fünf Gefässen, die in der dargestellten Ausführung lange, geradlinige Rohre 1 sind, die vertikal zueinander parallel angeordnet sind. Die Rohre 1 sind durch Leitungen 2 miteinander verbunden, deren Durchmesser d wesentlich kleiner ist als der Durchmesser D der Rohre 1. Am einen Ende der Rohre 1 sind Einlassmittel 3, am anderen Ende der Rohre 1 Auslassmittel 4 ange- ordnet oder es können an beiden Enden der Rohre 1 Einlassmittel 3 und Auslassmittel 4 angeordnet werden. Eines der Rohre 1 ist zum Einführen des zu trennenden Mehrkompo nenten-Stoffsystems mit einem zusätzlichen Einlass 5 versehen. Dieser Einlass 5 ist zweckmässig an dem mittleren Rohr 1 oder an einem äussersten Rohre angebracht, zweckmässig im mittleren Bereich des Rohres.
Im folgenden werden die verschiedenen möglichen Betriebsarten in Verbindung mit den Fig. 2 bis 7 näher erläutert.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Betrieb sind die Gefässe, d. h. die Rohre 1, mit zwei stationären Phasen A und B und mit einer mobilen Phase C gefüllt. Das zu trennende Stoffgemisch wird auf einmal durch den Einlass 5 in die stationäre Phase A eingeführt. Das Stoffgemisch kann auch in die andere stationäre Phase B oder in die mobile Phase eingeführt werden. Die mobile Phase C wird kontinuierlich von unten immer in das erste Rohr la des Systems eingeführt. Die mobile Phase C bewegt sich in Form von Tropfen durch die zwei stationären Phasen A und B nach oben, wird im Auffangbereich 17 gesammelt und verlässt das erste Rohr la oben durch das Auslassmittel 4 und strömt durch die Leitung 2 in das zweite Rohr lb des Systems wieder von unten hinein. Dieser Vorgang wird in den übrigen Rohren lb, lc, ld, le wiederholt, bis die mobile Phase C das letzte Rohr le verlässt.
Die Vorrichtung der Fig. 1 arbeitet demnach in aufsteigendem Modus.
Die mobilen Phasen werden in allen Ausführungsformen zwangsweise auf bekannte Weise, z. B. mittels Pumpen, durch die stationären Phasen gefördert.
Im Gefäss-System in Fig. 3 sind die untere Phase B und die obere Phase C die stationären Phasen und die Phase A die mobile Phase, die sich, oben eingeführt, durch die stationären Phasen B und C nach unten bewegt, d. h. diese Vorrichtung arbeitet in absteigendem Modus.
Im Gefäss-System in Fig. 4 liegen zwei mobile Phasen B und C und eine stationäre Phase A vor. Das zu trennende Stoffgemisch wird durch den Einlass 5 in die stationäre Phase A eingeführt. Die mobilen Phasen B, C werden beide von unten in das erste Rohr eingeführt, an dessen oberen Ende abgeführt und am unteren Ende des folgenden Rohres eingeführt. Die mobilen Phasen C und B werden in den Auffangbereichen 16, 17 gesammelt. Die Folge der Schichten der mobilen Phasen in den Auffangbereichen wird durch das spezifische Gewicht der beiden Phasenflüssigkeiten bestimmt.
Im Gefäss-System in Fig. 5 sind eine stationäre Phase C und zwei mobile Phasen B, A vorhanden. Die Vorrichtung arbeitet in absteigendem Modus, wobei sich die zwei mobilen Phasen A und B in Form von Tropfen durch die stationäre Phase C nach unten bewegen.
Die Betriebsart der Fig. 1 bis 5 kann auch als relativer Gegenstrombetrieb bezeichnet werden, da hier die mobile Phase bzw. mobilen Phasen durch die stationäre Phase oder stationären Phasen geleitet werden. Die Ausführungsformen gemäss Fig. 6 und 7 können auch als absoluter Gegenstrombetrieb bezeichnet werden, da hier die zwei mobilen Phasen in entgegengesetzten Richtungen geführt werden.
Im Gefäss-System in Fig. 6 liegt eine stationäre Phase B und zwei in Gegenstrom geführte mobile Phasen A, C vor.
Letztere werden in Gegenstrom zueinander geführt, wobei beide in das erste Rohr la eingeführt werden. Die Einführung der Phase C erfolgt von unten und der Phase A von oben. Jede Phase wird vor dem Verlassen des Rohres la am auslassseitigen Ende gesammelt, so dass sie zusätzlich als stationäre Phase für die andere in Gegenstrom geführte mobile Phase dient. Das zu trennende Stoffgemisch wird am Einlass 5 in die stationäre Phase des ersten Rohres la eingeführt. Der Austauschvorgang im Rohr la wird in den nachfolgenden Rohren lb. Ic, ld und le wiederholt, bis die mobilen Phasen das letzte Rohr le an dem mit je einem Doppelpfeil bezeichneten Ort verlassen. Nachdem das Konzentrationsgefälle zwischen den mobilen Phasen A und C von Rohr zu Rohr abnimmt, nimmt auch die entsprechende Austauschgeschwindigkeit von Rohr zu Rohr ab.
Bis zum letzten Rohr le kann sich sogar ein Gleichgewichtszustand einstellen.
Dieser Gleichgewichtszustand kann für bestimmte Vorgänge vorteilhaft und erwünscht sein.
Im Gefäss-System gemäss Fig. 7 ist eine stationäre Phase B B vorhanden und es werden zwei mobile Phasen A und C eingesetzt. Die mobile Phase A wird von oben in das erste Rohr la eingeführt und unten in diesem Rohr gesammelt und dann weiter durch die übrigen Rohre Ib bis le geleitet.
Die zweite mobile Phase C wird von unten in der letzte Rohr le geleitet und, nachdem sie die stationäre Phase in diesem Rohr passiert hat, am oberen Ende dieses Rohres gesammelt und weiter durch die Rohre ld, lc, lb und la geführt. Das zu trennende Stoffgemisch wird im mittleren Rohr lc durch den Einlass 5 in die stationäre Phase in dieses Rohr eingeführt. Hier handelt es sich um ein vollständiges oder vollkommenes Gegenstromverfahren, da die mobilen Phasen nicht wie in Fig. 6 nur im einzelnen Rohr in Gegenstrom geführt werden, sondern in der ganzen Vorrichtung. Demzufolge ist das Konzentrationsgefälle überall so gross, dass ein optimaler Austausch und eine optimale Verteilung gewährleistet ist. Diese Verfahrensvariante wird im Anspruch 9 beansprucht.
Es versteht sich von selbst, dass die mobilen Phasen in die jeweiligen stationären Phasen in allen Figuren, wie be züglich Fig. 1 im einzelnen erläutert, in Tropfenform verteilt werden und an den Phasengrenzflächen bzw. beim Zusammenstossen zweier Tropfen in kleinere Tropfen aufgelöst werden.
Das zu trennende Stoffgemisch kann in ein beliebiges Rohr, vorzugsweise etwa in die Mitte, der erfindungsgemässen Vorrichtung eingeführt werden. Zweckmässig erfolgt die Einführung des Stoffgemisches in das mittlere oder in eines der äusseren Rohre. Wenn ein an einen Träger gebundenes Stoffgemisch eingeführt wird, können im Anschluss an den Einlass 5 Auffangmittel, z. B. Siebe, für den Träger angeordnet sein.
Das zu trennende Stoffgemisch kann aber auch in eine der mobilen Phasen oder zusammen mit einer der mobilen Phasen in die Vorrichtung eingeführt werden.
Es versteht sich von selbst, dass die Rohre des Gefäss Systems, d. h. der erfindungsgemässen Vorrichtung, nicht nur wie in den Figuren dargestellt in einer Reihe, sondern auch in Kreisform oder in einer beliebigen anderen Konfiguration angeordnet sein können. Die Zahl der Rohre oder beliebiger geeigneter Gefässe in der Vorrichtung beträgt zweckmässig 10 bis 50. Die Abmessung der einzelnen Rohre ist nicht kritisch, jedoch ist die Länge L (Fig. 6) des Rohres um Grössenordnungen grösser als ihr Durchmesser D. Geeignete Verhältnisse L: D sind 1 : 100 oder 1000 oder 10 000.
Da die Trennstrecke einer der wesentlichen Bestimmungsfaktoren für die Verteilung und mithin für die Trennung ist, wird eine möglichst grosse Rohrlänge L angestrebt.
Die Rohre oder andere Gefässe können vertikal oder horizontal angeordnet werden. Sie können stationär sein oder können um ihre oder eine beliebige andere, äussere Achse gedreht werden. Die Drehbarkeit ist besonders nützlich bei spiral- und wendelförmigen Gefässen.
Die Gefässe können aus beliebigen innerten Materialien, z. B. Glas, Quarzglas. Quarz oder Metallen, bestehen.
Selbstverständlich darf das Gefässmaterial nicht mit den verwendeten Phasen oder dem zu trennenden Stoffgemisch reagieren. Die Einlassmittel, die vorzugsweise als veränderbare Düsen ausgebildet sind, sind vorzugsweise derart bemessen, dass sie möglichst kleine Flüssigkeitstropfen erzeugen.
Die mobile Phase wird auf bekannte Weise, z. B. mit Hilfe einer Pumpe, durch die stationäre Phase gezwungen.
Gleichzeitig wirkt auf die Phasen, je nach Anordnung der Gefässe und apparativer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung, die Gravitationskraft, die Fliehkraft, ein zusätzlicher Druck oder Vakuum. Diese Kräfte bewirken auch die Trennung der mobilen Phasen nach dem Durchlaufen der stationären Phase.
Die Vorbereitung der einzelnen Phasen erfolgt nach bekannten Verfahren zweckmässig indem die die Phasen bildenden Flüssigkeiten innig, z. B. durch Schütteln, vermischt werden, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, worauf durch Stehenlassen sich die einzelnen Phasen trennen, die dann als stationäre bzw. mobile Phasen verwendet werden.
Die einzelnen Phasen können aus einem einzigen Lösungsmittel oder aus einer Anzahl von Lösungsmitteln bestehen.
Die Phasen können ausser den eingesetzten Lösungsmitteln noch weitere Stoffe enthalten, die ihre physikalischen oder chemischen Eigenschaften beeinflussen, wie z. B. solche, die die Einstellung einer bestimmten Viskosität bewirken. Die Zusammensetzung einzelner oder mehrerer Phasen kann während des laufenden Trennverfahrens durch Zugabe von einem Lösungsmittel und/oder von Additiven oder deren Mischungen geändert werden.
Die Temperatur in den Gefässen kann durch geeignete Vorrichtungen geregelt und den jeweiligen Wünschen angepasst werden. Die Zusammensetzung der einzelnen Phasen kann ebenfalls kontinuierlich oder periodisch geändert werden. Das Verhältnis der einzelnen Phasen zueinander in den einzelnen Gefässen kann auch nach Wunsch verändert werden.
Zusätzlich zu den mindestens verwendeten drei flüssigen Phasen kann ein Gas in das System mit eingeführt werden, das den Stoffaustausch und damit die Trennung begünstigt und gleichzeitig Schutzfunktion, z. B. gegen unerwünschte Oxidation, besitzt.
Der Vorrichtung kann eine herkömmliche Trennungssäule und/oder eine Detektiervorrichtung nachgeschaltet werden.
Nachfolgend werden verschiedene für das erfindungsgemässe Verfahren geeignete Lösungsmittelzusammensetzungen angegeben, die nach dem intensiven Vermischen und Stehenlassen drei im Gleichgewicht befindliche Phasen ergeben.
Beispiele 1 bis 8 Lösungsmittel Volumenteile
1) Nitromethan 1
Wasser 1
Hexan 1 2) 2,2,2 Trichlorethylen 1
Wasser 1
Hexan 1 3) Nitromethan 1
Wasser 1
Oktanol 1 4) Petrolether 1
Wasser 1
Nitromethan 1 5) Acetonitril 2
Hexan 2 Wasser
Chloroform 1 6) Acetonitril 2
Hexan 2
Wasser 1
Benzol 1 7) Äther 1
Wasser 1
Acetonitril 2
Hexan 2 8) Hexan 1
Butanol 1
Wasser 1
Nitromethan 1
DESCRIPTION
The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device for carrying out this method.
When separating the components from substance mixtures in liquid-liquid systems, depending on the quantity of mixture, either chromatography or extraction is used. One of the first separation systems of this kind was described by Craig (1956). A mixture of substances was distributed between two immiscible phases by bringing these phases into intimate contact by shaking them vigorously. The two phases were then separated and the process was repeated several times. In the course of time, the liquid-liquid separation was further developed by means of two phases in such a way that one of the liquids represented the stationary phase and the other the liquid phase which was mostly moved in droplet form by the latter.
Various embodiments of this two-phase method are from Hostettmann, K; Hostettmann, N .; Marston, A .: Preparative Chromatography-Techniques, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, summarized in 1986.
According to one of the processes described there (referred to as the DCCC process), 200 to 600 thin tubes, which form a coherent vessel system, are filled with a stationary phase, into which the mobile phase is continuously introduced in drop form and forced through by means of a pump. The mixture of substances to be separated is released in solution in the mobile phase, whereupon the components of the mixture of substances are distributed between the mobile and the stationary phase in accordance with known physical principles in the two-phase system.
This known method allows the separation of mixtures in general without loss of material. However, it is disadvantageous that the method takes a lot of time, e.g. B. claimed several days. In addition, the mobile phase is not always distributed sufficiently in the form of drops in the stationary phase, which can lead to the introduced mobile phase pushing the stationary phase in front of it and pushing it out of the vessel. The several hundred individual tubes in the known devices cause equipment problems, in particular sealing problems.
The object of the invention is to avoid the disadvantages of the known method. In particular, a method is to be proposed that a faster, ie. H. allows less time consuming separation in a small number of vessels. Furthermore, the drop-shaped distribution of the mobile phase in the stationary phase is to be ensured by the method according to the invention.
This object is solved by the features of the characterizing part of claim 1. Particularly preferred embodiments of the invention are claimed in claims 2 to 9.
The use of three or more liquid phases according to the invention differs fundamentally from the two-phase liquid-liquid systems that have been used for decades and are continuously being developed. By using a three-phase or multi-phase system, according to the invention, an unexpectedly improved and faster separation of components of the substance mixture with a smaller number of vessels, ie. H. with a smaller expenditure on equipment. This is achieved on the one hand by the fact that the mass transfer does not take place between two, but rather between at least three liquid phases, so that instead of a single mass transfer process, at least three mass transfer, ie. H. Distribution operations take place.
In addition, strong turbulence occurs in the three- or multi-phase system, which greatly extends the path of the mobile through the stationary phase, up to a multiple of the vessel length. The droplets that hit each other or on the interface between two stationary phases as a result of the turbulence not only experience intensive contact, but are also broken down into a number of smaller droplets, as a result of which the entire exchange-effective surface is greatly increased. At the same time, the turbulence causes mixing within the stationary phase, which in turn leads to better distribution and separation.
In addition, the turbulent movement of the drops allows the use of vessels with larger diameters, which in turn allows a reduction in the number of vessels and the separation of larger amounts of a mixture of substances.
The unexpectedly intense and rapid distribution process makes it possible to reduce the number of individual tubes or vessels to a significantly lower number, e.g. B. to 10 to 50, which greatly increases the clarity and reproducibility of the method and at the same time reduces the outlay on equipment. The good reproducibility in connection with the relatively short separation time makes it possible to use the method according to the invention not only in the preparative or analytical laboratory, but also on a procedural scale in production, in particular for the coarse fractionation of extracts. In other words, the method according to the invention can be used for substance mixtures from fractions of ml to those in the hl range.
It can therefore be used both as a chromatography and as an extraction process.
For the sake of simplicity, three phases are referred to below, although this is only the lowest possible number of phases and higher numbers of phases are also possible.
Of the three phases, either two phases can be arranged next to each other in the same vessel as stationary phases, which are then traversed by a mobile phase, or a stationary phase can be arranged in one vessel, that of two in parallel or in
Countercurrent mobile phases is run.
If the mobile phase is collected at the end of the vessel, it can act as an additional stationary phase for a further re mobile phase. This can further improve the distribution / separation.
In addition to the at least three liquid phases, a gas phase can also be used which improves the drop formation and the mixing of the phases and the distribution of the components of the substance mixture in the individual phases in terms of time and quantity. At the same time, it speeds up the separation of the liquid phases before leaving the vessel. For this purpose, especially internal gases are suitable that do not react with the solvents or with the mixture of substances or their components, such as. B. nitrogen.
The volume ratio of the stationary to the mobile phases can also be changed from individual vessel to individual vessel as required in the method according to the invention.
The system consisting of at least three liquid phases also allows the introduction of the one to be separated
Mixture of substances in any phase of the phase system.
This mixture of substances can also be in the form of a solid or a
Matrix bound are preferably introduced into the stationary phase.
The device for carrying out the method according to the invention has one or more elongated vessels connected to one another and having inlet and outlet means at their ends. It is characterized in that the inlet means are formed by changeable nozzles. These nozzles are designed such that their diameter, shape and / or number can be varied.
According to a special embodiment, the device according to the invention is at the end of the individual vessel
Collection area arranged for a mobile phase. As a result, the mobile phase to be discharged is accumulated at this point. The collecting area can be part of the vessel or a special container that forms a continuation of the vessel. If there are two phases in parallel, there may be two collecting areas at the outlet end of the vessel. In the case of two mobile phases running in counterflow, a collecting area can be arranged at both ends of the vessel. The supply of the one mobile phase can be arranged such that the latter is led directly into the stationary phase or first through the accumulated other mobile phase.
The individual vessels can be of the conventional tubular shape, which can also be bent spirally, or have a suitable other elongated shape.
The invention is further illustrated individually with the aid of the figures. It shows purely schematically
1 shows a single vessel for carrying out the method according to the invention;
2 shows a vessel system with two stationary and one mobile phase guided from bottom to top;
3 shows a vessel system with two stationary and one mobile phase guided from top to bottom;
4 shows a vessel system with a stationary and two mobile phases guided from bottom to top;
5 shows a vessel system with a stationary and two mobile phases guided from top to bottom;
6 shows a vessel system with a stationary and a top-to-bottom and a bottom-to-top mobile phase, the two mobile phases being introduced into the same tube;
and
7 shows a vascular system with a stationary and a bottom-up and a top-down mobile phase, the mobile phases being introduced at the opposite ends of the system.
The tubular vessel 11 in FIG. 1 contains a first mobile phase A introduced through line 12 in the upper part of the vessel and led out of the vessel through line 13 below, and a second mobile phase A introduced through line 14 into the vessel from below and through the top of the vessel Line 15, second mobile phase C discharged from the vessel. A stationary phase B, shown hatched, is arranged in the central region of the vessel 11. At the lower end of the vessel there is a collecting area 16 for the mobile phase A and at the upper end of the vessel there is a collecting area 17 for the mobile phase C. The mobile phases A and C present in the collecting areas, through which the mobile phases C introduced in the form of drops and A must flow through, act as additional stationary phases.
The drops flowing through the respective collected mobile phases burst or disintegrate at the phase boundary X and Y to the stationary phase B into many smaller droplets and are forced through the stationary phase B in zigzag and space curve form.
The separation of the z. B. with a mobile phase introduced mixture of substances takes place between the respective mobile and stationary phases by mass transfer at the interfaces.
As can be seen from FIGS. 2 to 7, the vessel system forming the device consists of five vessels, which in the embodiment shown are long, straight pipes 1, which are arranged vertically parallel to one another. The tubes 1 are connected to one another by lines 2, the diameter d of which is substantially smaller than the diameter D of the tubes 1. At one end of the tubes 1 there are inlet means 3, at the other end of the tubes 1 outlet means 4 or both can be arranged Ends of the tubes 1 inlet means 3 and outlet means 4 are arranged. One of the tubes 1 is provided with an additional inlet 5 for introducing the multi-component system to be separated. This inlet 5 is expediently attached to the middle tube 1 or to an outermost tube, expediently in the middle region of the tube.
The various possible operating modes are explained in more detail below in connection with FIGS. 2 to 7.
In the operation shown in Fig. 2, the vessels, i. H. the tubes 1, filled with two stationary phases A and B and with a mobile phase C. The mixture of substances to be separated is introduced into the stationary phase A through the inlet 5 at once. The mixture of substances can also be introduced into the other stationary phase B or into the mobile phase. The mobile phase C is continuously introduced from below into the first tube la of the system. The mobile phase C moves in the form of drops through the two stationary phases A and B, is collected in the collecting area 17 and leaves the first tube 1 a above through the outlet means 4 and flows through the line 2 into the second tube 1 b of the system back in from below. This process is repeated in the other tubes lb, lc, ld, le until the mobile phase C leaves the last tube le.
The device of FIG. 1 therefore works in ascending mode.
The mobile phases are forcibly in all embodiments in a known manner, e.g. B. promoted by pumps through the stationary phases.
In the vessel system in Fig. 3, lower phase B and upper phase C are the stationary phases and phase A is the mobile phase which, introduced above, moves down through the stationary phases B and C, i.e. H. this device works in descending mode.
4 there are two mobile phases B and C and a stationary phase A. The mixture of substances to be separated is introduced into the stationary phase A through the inlet 5. The mobile phases B, C are both introduced from below into the first tube, discharged at the upper end and introduced at the lower end of the following tube. The mobile phases C and B are collected in the collecting areas 16, 17. The sequence of the layers of the mobile phases in the collecting areas is determined by the specific weight of the two phase liquids.
A stationary phase C and two mobile phases B, A are present in the vessel system in FIG. 5. The device operates in descending mode, with the two mobile phases A and B in the form of drops moving downward through the stationary phase C.
1 to 5 can also be referred to as relative countercurrent operation, since here the mobile phase or mobile phases are guided through the stationary phase or stationary phases. The embodiments according to FIGS. 6 and 7 can also be referred to as absolute countercurrent operation, since here the two mobile phases are carried out in opposite directions.
In the vessel system in FIG. 6, there is a stationary phase B and two mobile phases A, C which run in countercurrent.
The latter are guided in countercurrent to one another, both being introduced into the first tube 1 a. Phase C is introduced from below and phase A from above. Each phase is collected at the outlet end before leaving the pipe la, so that it additionally serves as a stationary phase for the other mobile phase which is conducted in countercurrent. The mixture of substances to be separated is introduced into the stationary phase of the first tube 1 a at the inlet 5. The exchange process in tube la is in the subsequent tubes lb. Ic, ld and le are repeated until the mobile phases leave the last tube le at the location indicated by a double arrow. As the concentration gradient between the mobile phases A and C decreases from tube to tube, the corresponding exchange rate from tube to tube also decreases.
A state of equilibrium can even arise up to the last tube le.
This state of equilibrium can be advantageous and desirable for certain processes.
7 there is a stationary phase B B and two mobile phases A and C are used. The mobile phase A is introduced into the first tube la from above and collected in the bottom of this tube and then passed on through the remaining tubes Ib to le.
The second mobile phase C is passed from below into the last tube le and, after having passed the stationary phase in this tube, collected at the upper end of this tube and passed further through the tubes ld, lc, lb and la. The mixture of substances to be separated is introduced into the middle phase lc through the inlet 5 into the stationary phase in this tube. This is a complete or complete countercurrent process since the mobile phases are not countercurrently carried out only in the individual tube, as in FIG. 6, but in the entire device. As a result, the concentration gradient is so great everywhere that an optimal exchange and an optimal distribution is guaranteed. This method variant is claimed in claim 9.
It goes without saying that the mobile phases in the respective stationary phases in all the figures, as explained with reference to FIG. 1 in detail, are distributed in drop form and are broken down into smaller drops at the phase interfaces or when two drops collide.
The mixture of substances to be separated can be introduced into any tube, preferably approximately in the middle, of the device according to the invention. The mixture of substances is expediently introduced into the middle tube or into one of the outer tubes. If a substance mixture bound to a carrier is introduced, 5 collecting agents, e.g. B. sieves can be arranged for the carrier.
However, the mixture of substances to be separated can also be introduced into one of the mobile phases or together with one of the mobile phases in the device.
It goes without saying that the tubes of the vessel system, i.e. H. of the device according to the invention, not only in a row as shown in the figures, but also in a circular shape or in any other configuration. The number of tubes or any suitable vessels in the device is expediently 10 to 50. The dimension of the individual tubes is not critical, but the length L (FIG. 6) of the tube is orders of magnitude greater than its diameter D. Suitable ratios L: D are 1: 100 or 1000 or 10,000.
Since the separation distance is one of the essential determining factors for the distribution and therefore for the separation, the greatest possible pipe length L is aimed for.
The pipes or other vessels can be arranged vertically or horizontally. They can be stationary or can be rotated about their or any other external axis. The rotatability is particularly useful for spiral and helical vessels.
The vessels can be made of any internal materials, e.g. B. glass, quartz glass. Quartz or metals.
Of course, the vessel material must not react with the phases used or the mixture of substances to be separated. The inlet means, which are preferably designed as changeable nozzles, are preferably dimensioned in such a way that they generate the smallest possible liquid drops.
The mobile phase is carried out in a known manner, e.g. B. with the help of a pump, forced through the stationary phase.
At the same time, the phases, depending on the arrangement of the vessels and the apparatus configuration of the device according to the invention, are affected by the gravitational force, the centrifugal force, an additional pressure or vacuum. These forces also cause the mobile phases to separate after they have passed through the stationary phase.
The preparation of the individual phases is expediently carried out by known methods in that the liquids forming the phases are intimate, e.g. B. by shaking, mixed until an equilibrium is reached, whereupon the individual phases separate by standing, which are then used as stationary or mobile phases.
The individual phases can consist of a single solvent or of a number of solvents.
In addition to the solvents used, the phases can also contain other substances that affect their physical or chemical properties, such as. B. those that cause the setting of a certain viscosity. The composition of individual or multiple phases can be changed during the ongoing separation process by adding a solvent and / or additives or mixtures thereof.
The temperature in the vessels can be regulated by suitable devices and adapted to the respective requirements. The composition of the individual phases can also be changed continuously or periodically. The ratio of the individual phases to each other in the individual vessels can also be changed as desired.
In addition to the at least three liquid phases used, a gas can be introduced into the system, which favors the mass transfer and thus the separation and at the same time protective function, e.g. B. against unwanted oxidation.
A conventional separation column and / or a detection device can be connected downstream of the device.
Various solvent compositions suitable for the process according to the invention are given below which, after intensive mixing and standing, give rise to three phases which are in equilibrium.
Examples 1 to 8 parts by volume of solvent
1) Nitromethane 1
Water 1
Hexane 1 2) 2,2,2 trichlorethylene 1
Water 1
Hexane 1 3) Nitromethane 1
Water 1
Octanol 1 4) petroleum ether 1
Water 1
Nitromethane 1 5) acetonitrile 2
Hexane 2 water
Chloroform 1 6) acetonitrile 2
Hexane 2
Water 1
Benzene 1 7) ether 1
Water 1
Acetonitrile 2
Hexane 2 8) Hexane 1
Butanol 1
Water 1
Nitromethane 1