DE10137613A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Schüttschichten in einer Säule - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Schüttschichten in einer Säule, umfassend ein Mittel zum Einbau einer Säule in die Vorrichtung, ein Vorratsgefäß, ein verschließbares Beschickungsgefäß, eine Pumpe sowie einen Druckregler, wobei das Vorratsgefäß mit dem unteren Teil der Säule, das Beschickungsgefäß mit dem oberen Teil der Säule und das Vorratsgefäß mit dem Beschickungsgefäß jeweils durch eine Leitung verbunden sind. DOLLAR A Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, homogene Schüttschichten in einer Säule herzustellen. Dazu werden in einem ersten Schritt (Vorbereitungsphase) die Säule und die damit verbundenen Leitungen zunächst vollständig mit einem flüssigen Medium gefüllt (offener Kreislauf). Anschließend durchströmt in einem zweiten Schritt (Beschickungsphase) eine gasblasenfreie Suspension aus dem flüssigen Medium und dem Trennbettmaterial die Säule von oben nach unten, wobei das Trennbettmaterial eine homogen verteilte Schüttschicht in der Säule ausbildet.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schüttschichten in Trennsäulen, insbesondere solcher Schüttschichten, die in chromatographischen Verfahren eingesetzt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Stand der Technik
• Trennsäulen werden in der chemischen und biologischen Analytik für die schnelle Trennung anorganischer oder organischer Ionen, Moleküle oder Verbindungen, wie z. B. Proteinen, eingesetzt. Inzwischen werden verschiedene Analysenverfahren, die sich durch die eingesetzten Säulentypen und Verfahrensbedingungen unterscheiden, standardmäßig eingesetzt, insbesondere die pressure (oder performance) liquid chromatography (HPLC), die Gaschromatographie (GC), die Gelpermationschromatographie (GPC) oder auch die Ionenchromathographie (IP).
• Säulen im präparativen Maßstab finden auch Anwendung in der Probenvorbereitung, beispielsweise zur Reinigung und zur Aufkonzentrierung der Proben.
• Die Güte einer Trennung mit Hilfe einer Trennsäule hängt unter anderem auch von der Verteilung des Trennbettmaterials in der Säule ab. Eine möglichst homogene, reproduzierbar herstellbare Schüttung innerhalb einer Trennsäule ist daher von großer Bedeutung.
Aufgabe und Lösung
• Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer homogenen Schüttschicht in einer Trennsäule zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es die Aufgabe ein entsprechendes einfaches Verfahren zur Herstellung von homogenen Schüttschichten in einer Säule zu schaffen.
• Die Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung finden sich in den jeweils davon abhängigen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
• Die Vorrichtung zur Herstellung von homogenen Schüttschichten in einer Trennsäule umfaßt ein Vorratsgefäß, ein verschließbares Beschickungsgefäß und Mittel zum Einbau der Säule, beispielsweise in Form einer oberen und unteren Säulenhalterung. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung eine erste Leitung, die von dem Vorratsgefäß zu einem Dreiwegeventil führt, und in der eine Pumpe angeordnet ist. Vom Dreiwegeventil führt eine zweite Leitung zum Beschickungsgefäß und eine dritte Leitung zur unteren Säulenhalterung. In dieser dritten Leitung kann vorteilhaft ein weiteres Dreiwegeventil enthalten sein, welches eine Rückführung zum Vorratsgefäß erlaubt. Eine weitere Leitung ist zwischen dem Beschickungsgefäß und der oberen Säulenhalterung angeordnet. Die Leitung, die vom unteren Ende der Säule abgeht umfaßt ein Druckregelventil.
• Die Vorrichtung ist so konzipiert, daß verschiedene Säulen zur Befüllung eingebracht werden können. Die zu füllende Säule weist regelmäßig die folgenden Komponenten auf. Einen Säulenkopf, eine obere Fritte, einen Säulenkörper, eine untere Fritte, einen Säulenboden sowie ein Absperrventil. Vor der Montage der Säule werden Säulenkopf und obere Fritte entfernt und durch die obere Säulenhalterung (z. B., Beschickungskopf mit dem gleichen Schließmechanismus wie der Säulenkopf) ersetzt. Ein Absperrventil am Säulenboden wird mit der unteren Säulenhalterung (z. B., hier ein T-Stück) verbunden.
• Mit montierter Säule bildet die Vorrichtung zwei Kreisläufe:
  
• 1. den offenen Vorbereitungskreislauf bestehend aus:
  Vorratsgefäß-Pumpe-Pumpenventil-Säulenventil-untere Säulenhalterung-Säule-Beschickungskopf- Beschickungsgefäß
  Der Einfüllstutzen des Beschickungsgefäß ist dabei offen.
• 2. den geschlossenen Beschickungskreislauf:
  Vorratsgefäß-Pumpe-Pumpenventil-Beschickungsgefäß- Beschickungskopf-Säule-untere Säulenhalterung- Säulenventil-Vorratsgefäß.
  Der Einfüllstutzen des Beschickungsgefäß ist dabei geschlossen.
• Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß bei der Herstellung der Schüttschicht vorteilhaft nur das flüssige Medium durch die Pumpe und nicht die Suspension geleitet wird. Damit können geringere Anforderungen an die einzusetzende Pumpe gestellt werden, und es ergeben sich keine Probleme mit Abrieb oder einer Verstopfung der Pumpe.
• Das Beschickungsgefäß weist weiterhin Mittel zum Homogenisieren einer darin befindlichen Suspension auf. Geeignete Mittel sind beispielsweise ein Magnetrührer oder auch ein innen liegendes Rührwerk. Aber auch zusätzliche Pumpen können zur Homogenisierung einer Suspension beitragen.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die untere Säulenhalterung auf einem Vibrator montiert. Dieser kann ständig oder auch nur partiell währen eines Beschickungsvorganges eingesetzt werden, um beispielsweise die Packungsdichte der Schüttung zu erhöhen.
• Das Verfahren zur Herstellung einer homogenen Schüttschicht in einer Säule mit Hilfe eines flüssigen Mediums, welches vorteilhaft mit der vorab beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden kann, umfaßt die folgenden Schritte.
• Die Säule, die in der Vorrichtung eingebaut ist, wird über den ersten Kreislauf vollständig und blasenfrei mit einem flüssigen Medium gefüllt. Anschließend wird eine gasblasenfreie Suspension aus dem flüssigen Medium und dem Trennbettmaterial durch den Beschickungskreislauf in die Säule gefördert. Das Trennbettmaterial bildet dann oberhalb der Fritte in der Säule eine homogen verteilte Schüttschicht aus.
• Die Säule wird im Vorbereitungsschritt zunächst vollständig mit einem flüssigen Medium gefüllt. Beispiele für geeignete flüssige Medien sind Wasser oder auch polare oder unpolare organische Lösungsmittel. Die Säule kann sowohl aus Glas, als auch aus Metall oder einem anderen geeigneten Werkstoff sein, der vorteilhaft weder mit dem flüssigen Medium, noch mit dem Trennbettmaterial reagiert. Weiterhin sollte das Material der Säule an die spätere Aufgabe angepaßt sein (Druck, Temperatur, chemische Beständigkeit etc.).
• Am unteren Ende weist die Säule eine poröse Fritte auf. Dazu gehören insbesondere Glas-, Keramik- oder auch Metallfritten, die Poren mit einem Durchmesser aufweisen, der geringer ist, als der Durchmesser der Partikel des Trennbettmaterials. Die Fritte wird derart gewählt, daß die Partikel des Trennbettmaterials der durch die Säule strömenden Suspension nicht hindurch gelangen, während das reine flüssige Medium der Suspension durch die Fritte hindurch die Säule verlassen kann. Vorteilhaft sind die Poren der Fritte nur wenig kleiner als der Durchmesser der Trennbettpartikel, um einen Druckaufbau allein durch die Fritte zu verhindern. Vorteilhaft ist die Fritte daher auch nur dünn ausgebildet.
• Die Füllung erfolgt über das Vorratsgefäß, aus welchem das flüssige Medium über die Pumpe zum unteren Ende der Säule geleitet wird und diese am oberen Ende in Richtung Beschickungsgefäß verläßt. Das Beschickungsgefäß ist offen, so daß sich kein Druck aufbauen kann.
• Im Beschickungsschritt wird eine Suspension aus dem flüssigen Medium und dem Trennbettmaterial, welches die Schüttschicht ausbildet, im Beschickungsgefäß vorgelegt. Unter Trennbettmaterial ist das Material zu verstehen, welches für die spätere analytische oder chromatographische Aufgabe eingesetzt werden soll. Dazu können beispielsweise verschiedene polare oder unpolare Harze, Aktivkohlen oder auch Silikate oder Polymere gezählt werden. Das Trennbettmaterial besteht aus einzelnen Partikeln, die vorteilhaft eine möglichst homogene Größenverteilung aufweisen.
• Anschließend wird das Beschickungsgefäß geschlossen. Über die Pumpe wird flüssiges Medium aus dem Vorratsgefäß in das Beschickungsgefäß gepumpt. Dadurch baut sich im geschlossenen Beschickungsgefäß ein Druck auf, der die darin befindliche Suspension zum oberen Ende der Säule leitet. Das Mittel zum Homogenisieren der Suspension stellt sicher, daß das Trennbettmaterial homogen in der im Beschickungsgefäß vorliegenden Suspension verteilt wird. Die Suspension durchströmt die Säule von oben nach unten und wird direkt in das Vorratsgefäß geleitet. Da das Trennbettmaterial vollständig an der Fritte zurückgehalten wird, strömt nur noch das flüssige Medium in das Vorratsgefäß zurück.
• Das Verfahren zur Herstellung einer homogenen Schüttschicht für eine Trennsäule sieht vorteilhaft einen geschlossenen Beschickungskreislauf vor. Darunter ist zu verstehen, daß zwischen Beschickungsgefäß und Säule nur komplett mit Flüssigkeit gefüllte Leitungen bestehen, so daß der Eintritt von Luft in die Säule regelmäßig vermieden wird. Einströmende Luft-, bzw. Gasblasen innerhalb der Säule würden nachteilig zu einer inhomogenen Schüttung des Trennbettmaterials führen.
• Zur weiteren Verbesserung der Schüttung innerhalb der Säule ist vorteilhaft eine Vibration der Säule vorgesehen. Diese kann während der gesamten Beschickung oder auch nur in Abständen erfolgen. Ein Vibrator verteilt die durch die Suspension in die Säule eintretenden und als Packung abgelagerten Trennbettpartikel horizontal gleichmäßig über den Säulenquerschnitt.
• Für eine effektive Homogenisierung der Suspension ist vorteilhaft eine Rührvorrichtung in oder unterhalb des Beschickungsgefäßes vorgesehen. Durch ständiges oder auch nur partielles Rühren wird das Trennbettmaterial im Beschickungsgefäß gleichmäßig in dem flüssigen Medium suspendiert und gelangt so direkt in die Säule.
• Während der Beschickung der Säule mit dem Trennbettmaterial baut sich ein ständig steigender Druck durch die Schüttung innerhalb der Säule auf. Daher ist eine Zuführung der Suspension unter Druck in die Säule vorgesehen. Für eine homogene Schüttung ist ein konstanter Druck vor, bzw. innerhalb der Säule von Vorteil. Da sich der Druck mit zunehmender Schüttung erhöht, ist in diesem Fall ein vorgegebener Gegendruck, der beispielsweise durch einen Druckregler am Ende der Säule vorgesehen ist, zu empfehlen. Dieser Druck sollte so hoch gewählt werden, wie der Arbeitsdruck der fertig beschickten Säule, damit eine Beschickung bis zur vorgegebenen Schüttung möglich ist. Am Anfang der Beschickung wird daher der Druckregler vollständig für den nötigen Gegendruck sorgen. In dem Maße, wie der Druck durch die Schüttung zunimmt, kann der angelegte Gegendruck durch den Druckregler reduziert werden, so daß der Druck vor der Säule während der gesamten Befüllung nahezu konstant gehalten werden kann.
• Das Ende der Beschickung ist erreicht, wenn eine vorgegebene Menge an Trennbettmaterial in die Säule überführt wurde. Dies kann beispielsweise durch eine Markierung an einer gläsernen Säule detektiert werden. Weiter Möglichkeiten sind eine Überprüfung der noch im Beschickungsgefäß vorhandenen Menge an Trennbettmaterial durch z. B. Trübungsmessungen oder Dichtemessungen.
• Spezieller Beschreibungsteil
• Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand einer Figur und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne daß der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.
• Die Vorrichtung besteht aus einem Vorratsgefäss 1, welches beispielsweise mit einem flüssigen Medium, z. B. Wasser, gefüllt sein kann, einer Pumpe 3, einem Beschickungsgefäss 2, Mittel 5a, 5b zum Einbau einer Trennsäule 4, und einem Druckregler 8. Diese Komponenten sind über Schlauchverbindungen und vorteilhaft über zwei Dreiwegeventile 10a, 10b miteinander in zwei alternativ schaltbaren, geschlossenen Kreisläufen verbunden. Vorteilhaft steht das Beschickungsgefäss 2 auf einem Magnetrührer 6 und die Trennsäule ist auf einem Vibrator 7 montiert.
• Die Figur markiert in dem Apparatefließbild den Vorbereitungskreislauf vor dem eigentlichen Befüllungsprozeß der Säule durch offene (dünne) Pfeile. Das Puffergefäss wird mit Wasser gefüllt. Das Wasser wird mit Hilfe der Pumpe 3 aus dem Vorratsgefäß 1 so lange von unten in die Säule 4 und weiter in das Beschickungsgefäß 2 gefördert, bis sowohl Säule und Beschickungsleitung (Verbindung zwischen Säule und Beschickungsgefäss) vollständig und blasenfrei mit Wasser gefüllt sind. Der Einfüllstutzen des Beschickungsgefässes 2 bleibt dabei geöffnet, um einen Überdruck zu vermeiden.
• Im eigentlichen Beschickungsprozeß (durch dicke Pfeile markiert) wird das Beschickungsgefäß 2 mit Wasser gefüllt. Über den Einfüllstutzen wird nun das Trennbettmaterial (z. B. Harz), das aus kleinen, homogenen festen Partikeln besteht, in das Beschickungsgefäß 2 gegeben und im Wasser suspendiert. Die Suspension wird beispielsweise mit Hilfe des Magnetrührers 6 homogenisiert. Der Einfüllstutzen wird geschlossen.
• Anschließend wird der Beschickungskreislauf in Betrieb genommen. Aus dem Vorratsgefäß 1 wird Wasser von der Pumpe 3 in das geschlossene Beschickungsgefäß 2 gefördert. Von dort wird die Suspension im Beschickungsgefäss durch die Beschickungsleitung in die Säule 4 gedrückt. Die festen Partikel werden durch eine Fritte am unteren Säulenende zurückgehalten, während die Flüssigkeit durch das offene Absperrventil über einen Druckregler 8 zurück in das Vorratsgefäss 1 fliesst. Die Suspension im Beschickungsgefäss 2 wird ständig gerührt. Während des Beschickungsvorgangs kann vorteilhaft der Vibrator 7 eingeschaltet sein. Dadurch wird eine gleichmässige, horizontale Verteilung der Partikel im Trennbett gewährleistet.
• Am Anfang der Beschickung ist die Förderung nahezu drucklos. Mit wachsendem Trennbett in der Säule entsteht ein Druckaufbau. Dem kann mit Hilfe des Druckreglers 8 im Beschickungskreislauf entgegengewirkt werden. Zu Beginn der Beschickung wird ein Vordruck (Gegendruck) eingestellt, der grösser als der Arbeitsdruck der gefüllten Säule ist. Dieser Vordruck wird während der Beschickung, in der die sich aufbauende Säule selbst einen Gegendruck erzeugt, derart herunter geregelt, dass während der gesamten Beschickung ein nahezu konstanter Druck in bzw. vor der Säule herrscht.
• Wenn die Säule gefüllt ist, werden die Pumpe 3, der Vibrator 7 und der Rührer 6 abgeschaltet, und das Absperrventil 4d an dem Ende der Säule geschlossen. Die Säule 4 wird aus den Mitteln zum Einbau 5a, 5b herausgenommen. Die Säule 4 mit dem gefüllten Trennbett wird am oberen Ende mit einer weiteren Fritte abgedeckt und mit dem Säulenkopf verschlossen. Die Säule ist nun einsatzbereit.
• Die Vorteile der beschriebenen Vorrichtung sind:
  
• - Die Säule kann blasenfrei gefüllt werden.
• - Die Partikel gelangen nicht in die Pumpe.
• - Die Säulenfüllung ist durch Vibration und konstanten Druckabfall homogen gefüllt.
• - Die Säulenfüllung ist reproduzierbar.
• - Durch Wahl eines geeigneten Vordrucks können Säulen unterschiedlicher Länge mit vergleichbaren Trennbetten gefüllt werden.
Ausführungsbeispiel
• Vorteilhaft für die Vorrichtung ist die Tatsache, dass ihre Komponenten keiner besonderen Spezifikation bedürfen. Die im folgenden aufgeführten Angaben sind als Beispiel gedacht. Geräte Druckregler (Drayer Rosenkranz & Groop AG)
  Armaturen (Swagelock)
  Pumpe (Verder)
  Manometer (WIKA), Bereich 0-5 bar
  Vibrator, Magnetrührer (Janke & Kunkel)
  Beschickungsgefäss (Eigenfabrikat), 1 L Puffergefäss (Schott), 0,5 L
  Glassäule, Länge 10 cm, Innendurchmesser 3 cm,
  Glasfritte, Porosität Nr. 3 Verfahrensparameter Temperatur 20°C
  Vordruck: 2 bar Legende zur Fig. 1 1 Vorratsgefäß
  2 Beschickungsgefäß
  3 Pumpe
  4 Säule
  4a Säulerkörper
  4b Fritte
  4c Säulenboden
  4d Absperrventil
  5 Säulenhalterung
  5a Beschickungskopf
  5b T-Stück
  6 Magnetrührer
  7 Vibrator
  8 Druckregler
  9 Manomometer
  10 Verteilerventile
  10a Pumpenventil
  10b Säulenventil
  11 Rohrverbindungen
  

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Herstellung einer homogenen Schüttschicht in einer Säule (4) umfassend
ein Vorratsgefäß (1),
ein verschließbares Beschickungsgefäß (2),
Säulenhalterungen (5a, 5b) zum Einbau der Säule (4),
ein Dreiwegeventil (10a) mit
einer erster Leitung zum Vorratsgefäß (1), in der eine Pumpe (3) angeordnet ist,
einer zweiten Leitung zum Beschickungsgefäß (4) und
einer dritten Leitung zum unteren Teil der Säule,
eine weitere Leitung zwischen dem Beschickungsgefäß und der oberen Säulenhalterung, sowie
ein Druckregelventil (8) in einer Leitung zur unteren Säulenhalterung.

2. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch 1, bei dem zusätzlich eine Leitung vom Vorratsgefäß zur unteren Säulenhalterung führt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 und 2, mit einem Magnetrührer (6) unterhalb des Beschickungsgefäßes (2).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, mit einem Vibrator (7) unterhalb der unteren Säulenhalterung (5b).

5. Verfahren zur Herstellung einer homogenen Schüttschicht in einer Säule (4) mit einer Fritte mit den folgenden Schritten

- die Säule (4) wird vollständig mit einem flüssigen Medium gefüllt,

- ein Gasblasenfreie flüssige Suspension umfassend das flüssige Medium und Trennbettmaterial durchströmt die Säule (4) von oben nach unten,

- das Trennbettmaterial bildet eine homogen verteilte Schüttschicht oberhalb der Fritte in der Säule aus.

6. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 5, wobei der Säule (4) das Trennbettmaterial über einen geschlossenen Beschickungskreislauf zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, bei dem die Säule (4) während der Herstellung der Schüttschicht zumindest teilweise vibriert.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das flüssige Medium umfassend das Trennbettmaterial vor dem Einleiten in die Säule (4) homogen durchmischt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem das flüssige Medium die Säule (4) unter Druck durchströmt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem der Druck innerhalb der Säule konstant gehalten wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem der Druck innerhalb der Säule auf einen Wert eingestellt wird, der höher liegt, als der Arbeitsdruck der gefüllten Säule.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei dem der einstellbare Gegendruck während des Verfahrens reduziert wird, so daß der Gesamtdruck vor der Säule während der Beschickung mit dem Trennbettmaterial konstant bleibt.