DE10012293A1

DE10012293A1 - Verfahren zur chromatographischen Trennung und Reinigung von Stoffgemischen bei gleichzeitiger Beschallung mit Druckwellen

Info

Publication number: DE10012293A1
Application number: DE2000112293
Authority: DE
Inventors: Dieter Bathen; Marc Breitbach; Achim Epping; Andreas Jupke; Henner Schmidt-Traub
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2001-10-04

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Trennung und Reinigung von Stoffgemischen durch chromatographische Verfahren. Der Trenn- bzw. Reinigungsvorgang und/oder die Regeneration des Adsorbens erfolgen bei gleichzeitiger Beschallung mit Druckwellen. Hierdurch werden nachteilige Effekte druckverlust- und stofftransportlimitierter Chromatographieprozesse vermieden. Insbesondere können durch Beschallung von Chromoatographiesäulen mit Druckwellen Verfahren, die ohne Beschallung nur durch Lösungsmittelwechsel oder -gradienten funktionieren, isokratisch gefahren werden.

Description

I. Chromatographische Trennungen

Unter chromatographischen Trennverfahren versteht man Unit Operations, die eine Trennung in Lösung befindlicher Soluten durch differentielle Migration der Komponenten in einem System von zwei Phasen ermöglichen. Dabei wird eine stationäre feste Phase in Form eines in einer Säule gepackten Festbettes von einer mobilen, flüssigen Phase durchströmt. Aus der unterschiedlichen Affinität der einzelnen Komponenten zum statio nären Adsorbens resultiert eine unterschiedliche mittlere Verweilzeit der Soluten an der festen Phase, die wiederum eine unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeit der Komponenten durch die chromatographische Trennsäule zur Folge hat. Im Fall einer diskontinuierlichen Verfahrensausführung erfolgt die Aufgabe des zu trennenden Ge misches am Säuleneingang pulsweise und der Reinstoffabzug der gelösten Komponenten am Säulenende absatzweise (Siehe Fig. 1). Eine umfassende und aktuelle Darstellung der gegenwärtigen Forschung und Entwicklung findet sich in [P. E. Barker, G. Ganetsos; "Preparative and Production Scale Chromatography"; Marcel Dekker Inc.; N. Y.; 1993] und [G. Guiochin, S. Golshan-Shirazi, A. M. Katti; "Fundamentals of Preparative and Production Nonlinear Chromatography"; Academic Press Inc.; Boston; 1994].

Die Effizienz der Trennung wird im Wesentlichen durch zwei Aspekte bestimmt:

1. Die verschiedenen Affinitäten der Soluten zur stationären Phase (Adsorbierbar keiten), die Verhältnisse der Affinitäten (Selektivitäten) der Soluten untereinander und die gesamte Beladbarkeit des Adsorbens, also das Adsorptionsgleichgewicht, haben einen großen Einfluss auf die Trenneffizienz.
2. Dispersionseffekte und Stoffaustauschhemmungen führen beim Transport der in der mobilen Phase gelösten Komponenten an die Partikeloberfläche des Adsorbens und im Adsorbenskorn zu einer Verbreiterung der durch die Säulen laufenden Adsorptionsbanden. Dadurch verschlechtert sich die Auflösung, was eine Verringe rung der Trenneffizienz zur Folge hat.

Die Gleichgewichtslage (Adsorbierbarkeit) und Selektivität der Trennung wird bisher durch die Wahl des Adsorbens und des Lösungsmittels, bzw. der Lösungsmittelzusammenset zung, beeinflusst und optimiert. Bei chromatographischen Trennungen haben die zu trennenden Komponenten unterschiedliche Affinitäten zum Adsorbens. Dabei eluieren stark adsorbierte Komponenten häufig nach einem Vielfachen der Zeit der schwächer adsorbierbaren Komponenten. Bei konstanter Lösungsmittelzusammensetzung werden auch die nach der/den Zielkomponente(n) eluierenden Substanzen auf Grund der vorhan denen Selektivität und Retention aufgetrennt. Oft haften stark adsorbierende Verunreini gungen noch lange nach der Elution der Zielkomponenten auf der Säule, die dann in einer Spülphase desorbiert werden müssen. Dadurch wird die Zeitspanne bis zur Injektion des nächsten Feedpulses (Zykluszeit) auf die Trennsäule sehr lang, was zu einer geringen Raum-Zeit-Ausbeute und somit zu einer Verteuerung der Trennung führt. Diese Probleme versucht man, durch eine Variation der Lösungsmittelzusammmensetzung während der Trennung zu lösen. Diese Arbeitsweise mit nicht konstanter Lösungsmittelzusammenset zung während der Elutionsphase wird als Gradientenelution oder nichtisokratische Elution bezeichnet. In der Literatur sind verschiedene Arten von nichtisokratischem Gradienten betrieb beschrieben. Man differenziert zwischen kontinuierlicher und stufenweiser Variationen der Lösungsmittelzusammensetzung sowie Kombinationen aus beidem. Der bei diesen Betriebsweisen ausgenutzte Effekt ist die Änderung (Verringerung) der Adsor bierbarkeit der einzelnen enthaltenen Komponenten an der stationären Phase durch Erhöhung der Affinität des Lösungsmittels oder von Lösungsmittelkomponenten zur stationären Phase. Dies ist häufig mit einer gleichzeitigen Erhöhung der Affinität der gelösten Komponenten zur mobilen Phase, d. h. dem Lösungsmittel bzw. Lösungsmittel gemisch, verbunden. Die Variation der Lösungsmittelzusammensetzung kann sehr unter schiedlich sein, so ändert sich die Zusammensetzung im Falle der Umkehrphasenchroma tographie von unpolaren organischen Lösungsmitteln zu Wasser oder bei der Norm alphasenchromatographie von polaren zu unpolaren organischen Lösungsmitteln. Auch die Variation des pH-Wertes oder einer Salzkonzentration ist dokumentiert.

Man kann damit zwei die Trennkosten verringernde Effekte erzielen:

1. Die Verringerung der Retention (Zurückhaltung in der Chromatographiesäule) nach der letzten eluierenden Zielkomponente verursacht eine starke Desorption dieser Komponenten. Dies führt zu einer Verringerung oder zum Verlust der Selektivität der Trennung zwischen den noch in der Trennsäule befindlichen Substanzen und verkürzt dadurch deren Elutionszeitraum zum Teil erheblich. So wird eine starke Verkürzung der Zykluszeit verbunden mit einer erhöhten Raum-Zeit-Ausbeute und Effizienz der Trennung ermöglicht.
2. Die Elution stark adsorbierender Verunreinigungen wird häufig erst durch eine Variation der Lösungsmittelzusammensetzung und damit der Lösungsmittelstärke möglich.

Der Verringerung der Trenneffizienz durch Stofftransporthemmungen bei der Adsorption und Dispersionseffekte hat eine zunehmende Bandenverbreiterung der durch die Trenn säule wandernden Adsorptionsbanden und somit eine Abnahme der effektiven Trenn stufenzahl der Säule zur Folge. Die daraus resultierende Verringerung der Auflösung limitiert den zulässigen maximalen Volumenstrom und damit den Durchsatz durch die Säule. Diese Limitierung der Raum-Zeit-Ausbeute der Trennung versucht man durch Verringerung des mittleren Partikeldurchmessers des Adsorbens zu umgehen. Der Stoff transport wird dabei einerseits durch Erhöhung der zur Verfügung stehende Austauschflä che zwischen mobiler und stationärer Phase und andererseits durch eine Verkürzung der Transportwege zu den Adsorptionszentren im Partikel verbessert. Auch verringern sich dispersive Rückvermischungseffekte beim Einsatz von Adsorbenzien mit geringerem Partikeldurchmesser und engerer Partikelgrößenverteilung. Die dadurch vergrößerte Trennstufenzahl einer Säule hat eine bessere Auflösung zur Folge, die einen größeren Durchsatz und damit eine erhöhte Raum-Zeit-Ausbeute der Trennung erlaubt.

II. Probleme bei chromatographischen Trennungen

Die Variation der Lösungsmittelzusammensetzung bei Gradientenfahrweise hat zur Folge, dass am Säulenende ein Lösungsmittelgemisch anfällt, das nicht direkt nach Abtrennung der gelösten Komponenten wieder zur Trennung weiteren Gemisches verwendet werden kann, sondern aufwendig aufgearbeitet werden muss. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich die Lösungsmittelvariation am Säuleneingang nicht sofort im gesamten Bereich der Säule auswirkt, sondern erst wenn das aufgegebene neue Lösungsmittelgemisch den ent sprechenden Ort in der Säule passiert. Die noch im vorderen Bereich der Säule befindli chen Adsorptionsbanden mit stärker adsorbierten Komponenten beginnen nun zeitlich vor den schon weiter durch die Säule gewanderten schwächer adsorbierten Komponenten verstärkt zu desorbieren und vermischen sich im ungünstigsten Falle mit den schon partiell getrennten Komponenten der vorausgewanderten Adsorptionsbanden. Der Einsatz von Gradientenbetrieb hat also in der Regel einen Verlust an Selektivität zur Folge. Dieser kann nur durch den Einsatz sehr geringer Gradientensteigungen im Fall kontinuierlicher Lösungsmittelvariationen oder kleiner Sprünge der Lösungsmittelzusammensetzung im Fall von Stufengradienten weitgehen vermieden werden. Dies hat aber wiederum einen Anstieg der für die Trennung benötigten Zykluszeit zur Folge.

Der Einsatz immer kleinerer Partikel führt zu einem erheblichen Anstieg des Druckverlustes bei gleichem Durchsatz durch die Trennsäule. Dadurch wird die Raum-Zeit-Ausbeute der Trennung nicht mehr durch die Stofftransporthemmung sondern der Durchsatz durch den zulässigen Druckverlust limitiert.

III. Ultraschalltechnik in Sorptionsprozessen

Die Anwendung von Ultraschall hat durch die Entwicklung neuer leistungsfähiger Ul traschallquellen in den letzten Jahren große Beachtung zur Verbesserung von chemischen und verfahrenstechnischen Prozessen erlangt. So wird vor allem im Bereich der Sono chemie intensiv daran geforscht, chemische Reaktionen gezielt unter Ultraschalleinfluss zu induzieren, zu verändern oder zu verbessern. Eine aktuelle und sehr ausführliche Übersicht über den Stand der Forschung und Entwicklung ist in [l. H. Thompson und L. K. Dorais wamy, Sonochemistry: Science and Engineering, Ind. Eng. Chem. Res., 1999, 38, S. 1215-1249] zusammengetragen.

Es ist bekannt, dass Ultraschall die Entfernung an Oberflächen gebundener oder adsorbier ter Stoffe verbessert. Verschiedene Untersuchungen zur Bodensanierung zeigen, dass organische und anorganische Stoffe, die an Sedimentpartikeln adsorbiert sind, durch Ultraschall in Lösung gehen. Weitere Untersuchungen befassen sich mit der Regenerierung von Ionenaustauscherharzen ohne Chemikalien durch Anwendung von Ultraschall.

Ein weiterer Effekt des Ultraschalls ist die Beschleunigung stofftransportlimitierter Prozes se. Dies zeigen Untersuchungen zum Ionenaustausch und zur Sono-ASV (Adsorptiv Stripping Voltammetry).

Im Zuge der verstärkten Forschungsarbeiten im Bereich der Sonochemie wurde in den letzten Jahren untersucht, ob Adsorbenzien mit Ultraschall und Wasser zu regenerieren sind. So beschreibt [C. Bäßler, J. K. Reichert, K. Fischwasser; "Einfluß von Ultraschall auf das Adsorptions- und Desorptionsverhalten von Adsorberpolymeren in wässriger Phase"; Vom Wasser; 87; (1996); S. 15-27] die grundlegenden Effekte bei der Ultraschall-De sorption verschiedener Stoffe, die an Polymerharzen adsorbiert wurden. Des Weiteren existiert ein Patent DE 43 12 445 C2, in dem ein Verfahren zur Regeneration durch Ultraschall beschrieben wird, bei dem zusätzlich belüftetes Wasser verwendet wird. Die genannten Untersuchungen finden in Bechergläsern, in die ein Ultraschallhorn einge bracht wird, bzw. in handelsüblichen Ultraschallbädern statt.

IV. Anwendung von Ultraschall in chromatographischen Trennungen

Die Verschiebung der Adsorptionsgleichgewichte durch Ultraschall zu kleineren Beladun gen, d. h. die Erniedrigung der Affinitäten der Soluten zur stationären Phase, kann genutzt werden, um eine Gradientenelution zu umgehen. Durch gezielte Einstellung und Variation der Ultraschallleistung bzw. -intensität können die Adsorptionsgleichgewichte in der Chromatographiesäule beeinflusst und eingestellt werden. Somit können mit Ultraschall die Zielkomponente(n) nacheinander und anschließend stark adsorbierende Verunreinigun gen ungetrennt voneinander desorbiert werden. Ein weiterer Vorteil der Verfahrensführung mit Ultraschall ist, dass der in Abschnitt II beschriebene Nachteil des Selektivitätsverlustes der Gradientenelution umgangen wird, da der Ultraschall entlang der gesamten Säule mit gleicher Intensität eingebracht wird und somit in der ganzen Säule das Gleichgewicht gleich beeinflusst wird. Dadurch werden die für die Trennung benötigten Zykluszeiten verringert, was zu einer besseren Raum-Zeit-Ausbeute führt. Gleichzeitig werden durch Ultraschall induzierten verbesserten Stofftransport die Konzentrationspeaks in der Säule nicht so stark aufgeweitet, was die Auflösung verbessert. Dies verbessert wiederum die erzielbare Raum-Zeit-Ausbeute und somit die Effizienz der Trennung.

Auch isokratisch geführte Chromatographieverfahren werden durch den Einsatz von Ultraschall verbessert. So können durch den erhöhten Stofftransport stofftransportli mitierte Prozesse mit größeren Durchsätzen und druckverlustlimitierte Prozesse mit größeren Partikeln und somit kleineren Druckverlusten gefahren werden.

Claims

1. Verfahren zur chromatographischen Trennung und Reinigung von Stoffgemischen, dadurch gekennzeichnet, dass während des Trenn- bzw. Reinigungsvorgangs und/oder während der Regenerati on des Adsorbens eine Beschallung mit Druckwellen erfolgt.

2. Verfahren zur chromatographischen Trennung und Reinigung von Stoffgemischen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber herkömmlichen nichtisokratisch geführten chromatographischen Trenn- und Reinigungsstufen ohne oder mit einem geringeren Lösungsmittelgradienten gearbeitet wird.

3. Verfahren zur chromatographischen Trennung und Reinigung von Stoffgemischen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallung mit einem von unten aufgesetzten Schallsender erfolgt.

4. Verfahren zur chromatographischen Trennung und Reinigung von Stoffgemischen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallung des Adsorbens durch in die Chromatographiesäule eingetauchte Schallsender durchgeführt wird.

5. Verfahren zur chromatographischen Trennung und Reinigung von Stoffgemischen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallung des Adsorbens durch einen das Adsorbensbett in Strömungs richtung durchdringenden Stab, der durch einen oder mehrere an den Enden angebrachte Schallwandler in Radialschwingungen versetzt wird, durchgeführt wird.

6. Verfahren zur chromatographischen Trennung und Reinigung von Stoffgemischen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallung des Adsorbens durch an die Säulenwand angebrachte Schallsender von der Seite durchgeführt wird.

7. Verfahren zur chromatographischen Trennung und Reinigung von Stoffgemischen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallung des Adsorbens durch eine Kopplungsflüssigkeit, die sich in einem beschallten Behälter befindet und die die Säule von außen umströmt, durchgeführt wird.