DE10034076C1 - Anschlußsystem für Kunststoffsäulen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kartuschensystem aus Kunststoff im wesentlichen umfassend eine Kartusche, bestehend aus einer Kunststoff-ummantelten Säule mit monolithischem Sorbens und mindestens einer Verschlußklappe, die auf die Enden der Säule aufgebracht wird, und einem Anschlußsystem mit mindestens einer geteilten Stützschraube, die von einer Verschlußkappe oder einem Distanzring in Position gehalten wird und mindestens einem Endstück, das zum Anschluß von Elutionsmittelzu- und ablauf auf eine Stützschraube aufgeschraubt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kartuschensystem, das speziell auf die Eigenschaften von Kunststoff-ummantelten monolithischen Chromatographiesäulen abgestimmt ist.

Säulen für die Chromatographie, insbesondere für die HPLC, besitzen üblicherweise eine Ummantelung aus Metall oder Kunststoff, in die das Sorbens eingebracht ist. Neben den herkömmlichen partikulären Sorbentien gewinnen nun auch monolithische Sorbenzien, wie sie beispielsweise in WO 94/19 687 und in WO 95/03 256 offenbart sind, immer größere Bedeutung.

Zur Herstellung von Säulen mit partikulären Sorbenzien werden Säulenrohre, typischerweise aus Metall oder Kunststoff, an einem Ende mit einem Filtersystem abgedichtet und unter Druck mit dem Sorbens befüllt. Dabei wird sichergestellt, daß die Sorbenspartikel das gesamte Rohr ausfüllen, damit kein Totvolumen entsteht, das die Trennleistung verschlechtern könnte. Nach dem Befüllen wird die Säule an beiden Enden mit integrierten oder aufgesetzten Filtersystemen verschlossen, damit beim Gebrauch kein Sorbens austreten kann. Der Anschluß an Elutionsmittelzu- und ablauf erfolgt durch Verschraubungen, die direkt auf die Säule aufgeschraubt werden (für Kunststoff- oder Metallsäulen), oder über wiederverwendbare Kartuschensysteme, in die Säulen eingesetzt werden (für Metallsäulen).

Im Gegensatz zu partikulären Sorbenzien, die in vorgefertigte Metallsäulen gefüllt werden können, müssen bei der Ummantelung und dem Anschluß von monolithischen Sorbenzien einige Besonderheiten berücksichtigt werden:
Monolithischen Sorbenzien werden in der Regel nach der Herstellung aus der Form entfernt und zum Einsatz erneut ummantelt. Da monolithische Sorbenzien eine starre Form besitzen und bei der Ummantelung entstehende Totvolumina nicht ausgleichen können, muß die Ummantelung der Monolithen totvolumenfrei und druckstabil erfolgen. Es hat sich gezeigt, daß Ummantelungen aus Kunststoff besonders gut geeignet sind, da sie ausreichend druckstabil sind und totvolumenfrei auf das monolithische Sorbens aufgebracht werden können. Das Sorbens schließt dabei in der Regel an den Enden plan mit der Ummantelung ab.

Bislang erfolgt der Anschluß von monolithischen Säulen an den Elutionsmittelzu- oder -ablauf über Verschraubungen, die direkt auf ein in die Kunststoffummantelung eingefrästes Gewinde geschraubt werden. Wird die Verschraubung entfernt, so ist das monolithische Sorbens direkt zugänglich und kann leicht beschädigt werden.

In DE 199 05 117 wird ein Endstück mit einem Verteiler- und Filterelement für eine kunststoffummantelte Säule mit einem monolithischen Sorbens offenbart. Das Anschlußstück für Elutionsmittelzu- oder -ablauf wird durch eine Überwurfmutter an der Kunststoffummantelung der Säule befestigt.

Ein Anschlußsystem für monolithische Kunststoff-ummantelte Sorbenzien in Form eines Kartuschensystems ist bislang nicht bekannt. Aufgrund der Materialeigenschaften von Sorbens und Ummantelung können die für partikuläre Sorbenzien bekannten Metall-Kartuschensysteme nicht auf monolithische Kunststoff-ummantelte Sorbenzien übertragen werden. Insbesondere werden an Säulenabschlußelemente, wie z. B. Filterelemente andere Anforderungen gestellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Anschlußsystem für Kunststoff-ummantelte monolithische Sorbenzien zu entwickeln, das den Einsatz als Kartuschensystem ermöglicht.

Es wurde gefunden, daß ein Kartuschensystem bestehend aus einer Säule mit Verschlußkappe, die direkt auf die Enden der Ummantelung aufgebracht wird, einem Distanzring für die Integration einer Vorsäule, einer geteilten Stützschraube und einem Endstück, das zum Anschluß von Elutionsmittelzu- und ablauf auf die Stützschraube aufgeschraubt werden kann, alle Anforderungen an ein Anschlußsystem für Säulen aus Kunststoff-ummantelten monolithischen Sorbenzien erfüllt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Kartuschensystem zumindest umfassend

• - eine Kartusche bestehend aus einer Kunststoff-ummantelten Säule mit monolithischem Sorbens, auf die mindestens an einem Ende eine Verschlußkappe aufgebracht ist,
• - und ein Anschlußsystem aus Kunststoff, bestehend aus mindestens einer geteilten Stützschraube und mindestens einem Endstück, das zum Anschluß von Elutionsmittelzu- und -ablauf auf besagte Stützschraube aufgeschraubt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Vorrichtung vorhanden, so daß die Stützschraube an mindestens zwei verschiedenen definierten Stellen an die Kartusche angelegt werden kann. Diese Vorrichtung kann z. B. mindestens ein Distanzring sein oder eine dafür vorgesehene Form (z. B. Aussparung oder Wulst) in der Verschlußkappe.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung mindestens ein Distanzring.

In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Verschlußkappe der Kartusche ein Innengewinde zum Aufschrauben auf die Säule.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kartuschensystems zur chromatographischen Auftrennung mindestens zweier Substanzen.

Abb. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kartuschensystem mit einer Kartusche und dem Anschlußsystem.

Das erfindungsgemäße Kartuschensystem besteht aus einer Kartusche, die wiederum zumindest aus einer Säule mit Verschlußkappe besteht und einem Anschlußsystem. Das Kartuschensystem ist für Kunststoffummantelte Säulen mit monolithischen Sorbenzien geeignet, unabhängig von der Art des Sorbens oder des Kunststoffes. Bevorzugt handelt es sich um Säulen mit anorganischen monolithischen Sorbenzien, die mit thermoplastischen Kunststoffen, wie z. B. Polyarylen, Polyetherketonen, Polyestern, aromatischen Polyamiden, Polyimiden, Polybenzimidazolen, bevorzugt Fluorpolymeren, Polyphenylensulfiden, Polyethersulfonen oder Flüssigkristallinen Polymeren (LCP's) sowie Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Materialien ummantelt sind. Falls die Kunststoffe keine ausreichende Druckstabilität zeigen oder schlecht zu verarbeiten sind, können sie mit Stabilisatoren, wie Fasermaterialien, anorganischen Materialien oder Pigmenten, z. B. Kreide, Talkum, Glimmer oder anorganischen Oxiden, wie Siliziumdioxid, versetzt sein. Das erfindungsgemäße Kartuschensystem ist insbesondere für Säulen aus faserverstärkten Kunststoffen, vor allem aus Glas- oder insbesondere Kohlefaser verstärktem PEEK (Polyetheretherketon) geeignet. Die anderen Bestandteile des Kartuschensystems, wie Verschlußkappe, Stützschraube und Endstücke, bestehen bevorzugt ebenso aus Kunststoff, wobei in der Regel die gleichen Materialien einsetzbar sind, wie sie auch für die Ummantelung verwendet werden. Auch für diese Teile können faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt werden, da sie eine höhere mechanische Stabilität aufweisen. Allerdings sind für Teile, wie Verschlußkappe, Distanzring, Stützschraube und Endstück, zumeist auch nicht faserverstärkte Kunststoffe ausreichend stabil.

Zum Schutz des monolithischen Sorbens und zur homogenen Verteilung des Elutionsmittels auf dem Sorbens wird die Säule erfindungsgemäß zunächst mit einer Verschlußkappe versehen. Diese Verschlußkappe kann fest oder reversibel mit der Säule verbunden sein, d. h. ihre Befestigung kann z. B. durch Anschrauben, Ankleben, Klemmen oder Schweißen erfolgen. Es wurde gefunden, daß die für Metallsäulen bekannte Befestigung über eine Nut, in die zwei Halbschalen eingelegt werden können (z. B. offenbart in EP 0 268 185), bei Kunststoffsäulen nicht anwendbar ist. Das Kunststoffmaterial wird durch das Einfräsen einer Nut sehr stark destabilisiert und verliert so die notwendige Druckstabilität. Bevorzugt erfolgt die Befestigung der Verschlußkappe durch Aufschrauben auf ein direkt auf der Ummantelung befindliches Gewinde. Dies bietet die Möglichkeit, auch Säulen, die mit einem herkömmlichen aufgeschraubten Anschlußsystem versehen sind, in das erfindungsgemäße Kartuschensystem zu integrieren.

Bevorzugt schließt bei Säulen für das erfindungsgemäße Kartuschen­ system das monolithische Sorbens plan mit der Ummantelung ab. In diesem Fall dient die Verschlußkappe als Schutz des Sorbens. Sie beinhaltet weiterhin einen Durchlaß, durch den Elutionsmittel auf die Säule gelangen kann. Typischerweise besteht dieser Durchlaß aus einem Verteilersystem, wie einer Lochplatte, einer Fritte oder einem Filter, das für eine gleichmäßige Verteilung des Elutionsmittels auf dem Sorbens sorgt, und einem Dichtelement, das das Auftreten von Totvolumina oder das seitliche Austreten von Elutionsmittel verhindert.

Falls das Sorbens nicht plan mit der Ummantelung abschließt, sondern bereits an den Enden ein Verteilerelement in die Ummantelung der Säule integriert ist, muß in die Verschlußkappe kein zweites Verteilerelement integriert sein. In diesem Fall ist ein Flüssigkeitsdurchlaß ausreichend. Weiterhin muß sichergestellt werden, daß eventuelle Totvolumina durch entsprechend geformte Dichtelemente ausgeglichen werden.

Die Verschlußkappe kann aus einem Werkstück mit integriertem Durchlaß etc. bestehen oder auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann die Verschlußkappe einen Durchlaß besitzen, in den eine Verteilereinheit eingesetzt wird.

Auf die erfindungsgemäße Verschlußkappe wird eine geteilte Stützschraube aufgesetzt. Die Position der Stützschraube wird durch die Form und Dimension der Verschlußkappe und gegebenenfalls einer dafür vorgesehenen Vorrichtung vorgegeben. Auf das Gewinde der geteilten Stützschraube wird dann ein Endstück mit Anschluß für Elutionsmittelzu- und ablauf aufgeschraubt. Das Endstück kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen. Der Aufbau von Endstücken ist dem Fachmann aus anderen Anschlußsystemen bekannt. Im Allgemeinen besitzt es zum Anschluß von Elutionsmittelzu- und -ablauf ein Innengewinde, in das eine Kapillare oder Leitung eingeschraubt werden kann.

Um die Integration einer Vorsäule zu ermöglichen, muß die Position des Endstücks so verändert werden können, daß in einem Fall zwischen Verschlußkappe und Endstück eine Vorsäule eingesetzt werden kann und im anderen Fall das Endstück direkt paßgenau an die Verschlußkappe angefügt werden kann. Da die Position der Verschlußkappe nicht verändert werden kann, wird dies erfindungsgemäß durch ein Verschieben der Stützschraube erreicht.

In einer Ausführungsform ist die Verschlußkappe derart geformt, daß die Stützschraube in zwei verschiedenen Positionen angelegt werden kann. Beispielsweise kann die Verschlußkappe eine dafür vorgesehene Vorrichtung in Form von ein oder zwei Nuten aufweisen. Die entsprechende Stützschraube weist auf der Innenseite z. B. einen erhabenen Ring auf, der ans Ende der Verschlußkappe oder an eine Nut angelegt werden kann. Falls eine Vorsäule integriert werden soll, wählt man die näher am Säulenende befindliche Nut, so daß die Stützschraube über das Säulenende übersteht und eine Vorsäule eingebaut werden kann. Falls keine Vorsäule vorgesehen ist, wird die Stützschraube an der hinteren Nut oder ans Ende der Verschlußkappe angelegt, so daß das Endstück paßgenau aufgeschraubt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Verschlußkappe keine Nuten. Vielmehr befindet sich unterhalb der Verschlußkappe als Vorrichtung zur Positionierung der Stützschraube mindestens ein loser Distanzring, der den Säulenmantel umschließt und auf diesem zwischen den Verschlußkappen an den Enden der Säule frei bewegt werden kann. Falls keine Vorsäule integriert werden soll, wird er dicht an die Verschlußkappe herangeführt. Die Stützschraube weist auf der Innenseite einen erhabenen Ring, einen Absatz oder eine andere Arretierungsmöglichkeit auf. Diese wird an den Distanzring angelegt, so daß die Stützschraube derart positioniert ist, daß das Endstück paßgenau an die Verschlußkappe anschließt. Zur Integration einer Vorsäule wird der Distanzring von der Verschlußkappe weggeschoben, so daß die Stützschraube direkt an der Verschlußkappe ansetzt. Dadurch entsteht Platz zum Einbau einer Vorsäule. Erfindungsgemäß kann ein Distanzring vorgesehen sein, der jeweils an die Verschlußkappe angesetzt wird, an die eine Vorsäule angeschlossen werden soll, zwei Distanzringe, d. h. einen für jede Seite, oder aber mehrere Distanzringe unterschiedlicher Dicke zum Einbau verschieden langer Vorsäulen.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Distanzring derart geformt, daß er auf zwei Arten an die Verschlußkappe angefügt werden kann. Wird keine Vorsäule benötigt, so wird der Distanzring derart an die Verschlußkappe angefügt, daß beim Aufsetzen der Stützschraube kein Hohlraum zwischen Verschlußkappe und Endstück entsteht. Zum Einbau einer Vorsäule wird die Lage des Distanzrings verändert, so daß ein Hohlraum entsteht. Beispielsweise ist der Distanzring in dieser Ausführungsform derart ausgebildet, daß er an der zur Verschlußkappe gerichteten Seite mindestens zwei Aussparungen in der Länge der Vorsäule, d. h. z. B. ein gezahntes Ende, aufweist. Die Verschlußkappe ist entsprechend so geformt, daß der Distanzring entweder mit dem äußeren Rand angelegt werden kann oder durch Verdrehen in die Aussparungen einrastet und so näher an die Verschlußkappe herangeführt werden kann.

Abb. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kartuschensystem mit einer Kartusche in einem Anschlußsystem. Am oberen Ende sind alle Teile des Systems an der Säule bzw. Kartusche befestigt, im unteren Teil sind sie zur besseren Übersicht lose zur der Säule koordiniert dargestellt. Die Verschlußkappe (3) besteht aus zwei Teilen, einem Gewindeteil (3a) mit Durchlaß, das auf die Säule, bestehend aus Sorbens (1) und Ummantelung (2), aufgeschraubt wird. Daran wird ein Verteilerelement (3b) angesetzt. Der Distanzring (4) ist über einen Arretierungsmechanismus, wie beispielsweise einen Einschnappmechanismus, mit der Verschlußkappe (3) verbunden. Wird er nicht benötigt, kann die Arretierung gelöst werden und der Distanzring zur Säulenmitte hin weggeschoben werden. Zum Einsatz ohne Vorsäule, wie in Abb. 1 dargestellt, wird die geteilte Stützschraube (5a, 5b) an den Distanzring (4) angesetzt. Dies erfolgt über einen Absatz, der in den unteren Teil der Stützschraube eingearbeitet ist. Zum Anschluß von Elutionsmittelzu- und ableitung wird das Endstück (6) auf die Stützschraube (5a, 5b) aufgeschraubt. Das Endstück (6) besteht aus zwei Teilen, dem Anschlußstück (6a) und einer Überwurfmutter (6b).

Somit bietet das erfindungsgemäße Kartuschensystem ein einfaches System zum Anschluß von Kunststoffsäulen mit monolithischen Sorbenzien. Durch die Verschlußkappe ist es nicht notwendig, eine Filtereinheit direkt in die Säule zu integrieren. Der Schutz des monolithischen Sorbens vor Beschädigung und die gleichmäßige Zuleitung des Elutionsmittels auf das Sorbens wird von der Verschlußkappe übernommen. Die Befestigung der Verschlußkappe ist auf die Kunststoff- Ummantelung angepaßt.

Die Verbindung zwischen Endstück und Verschlußkappe wird über eine geteilte Stützschraube hergestellt. Gefräste und später geteilte Metallschrauben werfen das Problem auf, daß das Gewinde nur dann zuverlässig funktionsfähig ist, wenn die ursprünglichen zusammen­ gehörenden Schraubenteile zusammen verwendet werden. Dies ist für die Massenproduktion ungeeignet. Bei geteilten Schrauben aus Kunststoff besteht dieses Problem nicht, wenn sie erfindungsgemäß als zwei definierte Teile, bevorzugt mittels Spritzgußverfahren, hergestellt werden. Auf diese Weise ist die Austauschbarkeit der Gewindehälften sichergestellt.

Da die Verschlußkappe bevorzugt an die Säule angeschraubt wird, muß zur Integration einer Vorsäule die Möglichkeit geschaffen werden, die Stützschraube an mindestens zwei möglichen Positionen anzulegen. Dies wird erfindungsgemäß durch eine dafür vorgesehene Vorrichtung, bevorzugt durch einen Distanzring, ermöglicht.

Das erfindungsgemäße System kann als Kartuschensystem genutzt werden, indem z. B. die Säule mit Verschlußkappen und gegebenenfalls mit Distanzring als austauschbare Kartusche verwendet wird. In der Regel wird eine Säule für den chromatographischen Betrieb an beiden Enden mit der Verschlußkappe und den erfindungsgemäßen Anschlüssen versehen.

Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fach­ mann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offen­ barung aufzufassen.

Claims (5)

1. Kartuschensystem zumindest umfassend
eine Kartusche bestehend aus einer Kunststoff-ummantelten Säle mit monolithischem Sorbens, auf die mindestens an einem Ende eine Verschlußkappe aufgebracht ist,
und ein Anschlußsystem aus Kunststoff, bestehend aus mindestens einer geteilten Stützschraube und mindestens einem Endstück, das zum Anschluß von Elutionsmittelzu- und -ablauf auf besagte Stützschraube aufgeschraubt wird.

2. Kartuschensystem nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorhanden ist, die es ermöglicht, dass die Stützschraube an mindestens zwei verschiedenen Stellen an die Kartusche anlegbar ist.

3. Kartuschensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens ein Distanzring ist.

4. Kartuschensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußkappe der Kartusche ein Innengewinde zum Aufschrauben auf die Säule besitzt.

5. Verwendung eines Kartuschensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur chromatographischen Auftrennung mindestens zweier Substanzen.