DE102017120421A1

DE102017120421A1 - Verfahren zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers bei einer Chromatographie

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Publication number: DE102017120421A1
Application number: DE102017120421.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-03-07
Also published as: EP3679368A1; WO2019048369A1; US20200284769A1; US11402359B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers bei einer Chromatographie, wobei eine Lösungsmittelzusammensetzung in eine Chromatographiesäule gepumpt wird, die zumindest einen Anteil an einem ersten Lösemittel enthält, das bei Normalbedingungen flüssig ist, und einen Anteil an einem zweiten Lösemittel enthält, das bei Normalbedingungen gasförmig ist, und die aus der Chromatographiesäule fließende Zusammensetzung zumindest teilweise in einen Detektor eingeleitet wird, wobei eine das erste Lösungsmittel enthaltende Zusammensetzung nach dem Verlassen der Chromatographiesäule in Abhängigkeit des Detektorsignals in ein Sammelgefäß des Fraktionssammlers eingeleitet wird und die Menge an Flüssigkeit, die in ein Sammelgefäß des Fraktionssammlers eingeleitet wird, in Abhängigkeit des Anteils an dem ersten Lösungsmittel gewählt wird.Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung eine Chromatographieanlage zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers bei einer Chromatographie sowie eine Chromatographie-Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Durch eine überkritische Flüssigkeitschromatographie (SFC, Supercritical Fluid Chromatography) können viele Vorteile erzielt werden, so dass verschiedene Substanzen besonders einfach und zuverlässig getrennt, chemisch analysiert, identifiziert und quantifiziert werden können. Bei Verwendung von Kohlendioxid (CO₂) als Flüssigkeit in SFC-Anwendungen wird die Extraktion der Substanzen im Allgemeinen oberhalb der kritischen Temperatur von 31 °C und oberhalb eines kritischen Drucks von 74 bar durchgeführt.
Um CO₂ oder ein CO₂-Gemisch in einem flüssigen Zustand innerhalb einer Chromatographiesäule zu halten, muss das gesamte Chromatographiesystem auf einem vorgegebenen Druckniveau gehalten werden. Zu diesem Zweck ist stromabwärts der Chromatographiesäule und stromabwärts eines jeweiligen Detektors typischerweise ein Rückdruckregler vorgesehen, um den Druck innerhalb des Chromatographiesystems auf einem vorgegebenen Niveau zu halten.
In praktischen Anwendungen ist die SFC-Technologie mit dem Nachteil behaftet, dass die mobile Phase der chromatographisch getrennten Substanzen nicht einfach in geöffneten Gefäßen gesammelt werden kann. Sobald ein Gemisch aus flüssigem CO₂ und einem zusätzlichen Lösungsmittel dem atmosphärischen Druck ausgesetzt wird, dehnt sich CO₂ aus und bildet mit dem zusätzlichen Lösungsmittel ein Aerosol.
In einer SFC kann die Zusammensetzung des Aerosols jedoch stark variieren, da vielfach ein Lösungsmittelgradient zur Trennung von Substanzen eingesetzt wird. Die Mischung aus CO₂ und einem zusätzlichen Lösungsmittel, wie Methanol, kann beispielsweise von 10% bis 60% Methanolfraktion variieren. Infolgedessen kann die Konstitution des Aerosols und sein Volumenstrom entsprechend variieren, was zu suboptimalen Trennungsraten von gasförmigen und flüssigen Fraktionen des Aerosols in einem Zyklon-Separator führt.
Andere Gas-Flüssigkeits-Trennsysteme verwenden beispielsweise eine Prallabscheidung, wobei der Volumenstrom des Aerosols auf eine Ablenkplatte gerichtet ist, die gegebenenfalls durch ein Reagenzglas bereitgestellt werden kann. Im Allgemeinen benötigen Prallabscheider und Trägheitsabscheider ein vergleichsweise großes Volumen, in das sich das Aerosol ausdehnen kann. Solche vergleichsweise großen Gefäße sind hinsichtlich der Selbstreinigungseffekte nicht optimal, da eine Kreuzkontamination von Aerosolen und Substanzen auftreten kann, die nacheinander von solchen Separatoren verarbeitet werden. Insbesondere müssen die Laufzeitunterschiede der Substanzen sehr groß sein, um eine ausreichende Trennung sicherzustellen. Grundsätzlich können die Größe und die Oberfläche der Prallabscheider bei Betrieb mit erhöhtem Druckniveau minimiert werden.
Beispielsweise kann ein als Umlenkplatte dienendes Reagenzglas in einer unter Druck stehenden Umgebung vorgesehen sein. Das Aerosol kann dann aus einem gebogenen Auslass entweichen und kann auf die Seitenwand des Reagenzglases in einem vorgegebenen Winkel auftreffen. Mit einem solchen Stoßabscheider ist es in der Tat möglich, kleinere Mengen einer Substanz mit einem viel geringeren Aufwand zu sammeln Aber Stoßabscheider, die mit einem erhöhten Druckniveau arbeiten, erlauben es nicht, eine große skalierte automatisierte Fraktionierung zu realisieren.
Somit sind die Betriebskosten und die Installationskosten vergleichsweise hoch, da nur eine begrenzte Menge an Reagenzgläsern im Druckbereich automatisch verarbeitet werden kann. Darüber hinaus ist die Trenngeschwindigkeit nicht so gut wie bei Abscheidern, die bei atmosphärischem Druck arbeiten.
Bei Verwendung von Gas-Flüssigabscheidern, wie diese beispielsweise in WO 2014/012962 A1 beschrieben werden, kann dieses Problem gelöst werden. Allerdings führt die Abtrennung von großen Mengen an Gas zu einer Änderung des ursprünglich in die Chromatographiesäule eingeleiteten Volumenstroms. Hierdurch können Probleme bei der Fraktionssammlung entstehen. Beispielsweise wird in der Veröffentlichung von Rui Chen, „Mass-Directed Preparative SFC with Open-Bed Fraction Collection“, Waters Corporation, May 2010, 72000346en dargelegt, dass die Signalintegrität hierdurch beeinträchtigt werden könnte. Als Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, die entsprechende Menge an bei Raumtemperatur flüssigem Lösungsmittel vor dem Entspannen durch eine Pumpe zuzugeben, um den Volumenstrom konstant zu halten.
Diese Lösung ist jedoch sehr aufwändig und fehlerbehaftet. Ferner ist festzuhalten, dass jedes Wechseln eines Sammelgefäßes während des Sammelns einer Fraktion zu einem relativ hohen Verlust führt. Die Umschalt- oder Wechselzeit beträgt ca. 1 Sekunde, während dessen ein zu sammelndes Volumen in einen Abfallbehälter geleitet wird. Bei eine Flussrate von beispielsweise 150 ml/min ergibt sich ein Verlust von 2,5 ml. Durch größere Sammelbehälter könnte dieses Problem vermindert werden. Allerdings sind diese ebenfalls mit Nachteilen behaftet, da hierfür eine größere Fläche benötigt wird. Ferner sind die Verluste durch Anhaftungen an der Gefäßoberfläche bei kleinen Volumina relativ gesehen, sehr hoch. Mehrfaches Nachspülen des Sammelgefäße erfordert jedoch die Aufarbeitung unnötig verdünnter Zusammensetzungen.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers bei einer Chromatographie bereitzustellen, das die zuvor dargelegten Probleme löst. Hierbei sollte das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchführbar sein und zu weiteren Kosten- und Handhabbarkeitsvorteilen führen. Beispielsweise sollte die Signalintegrität ohne die Zudosierung von Lösungsmittel erreicht werden. Ferner sollte der Füllgrad der Sammelbehälter, auch bei einer Änderung des Partialvolumenstroms eines bei Normalbedingungen flüssigen Lösungsmittels möglichst hoch sein.
Ferner ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers Ziel dieser Erfindung, beim dem eine möglichst hohe Ausbeute an der gereinigten Substanzen erzielt werden kann. Hierbei sollte diese hohe Ausbeute für möglichst unterschiedliche Gas-Flüssigkeitsgemische erzielbar sein.
Eine weitere Aufgabe besteht darin durch eine Chromatographie-Anlage zur Durchführung eines Verfahrens bereitzustellen, die besonders kostengünstig und wartungsarm betrieben und hergestellt werden kann. Ferner ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Komponenten bereitzustellen, die einen möglichst einfachen Umbau einer bekannten HPLC-Anlage zu einer SFC-Anlage ermöglichen. Hierbei sollte auch ein Umbau von präparativen HPLC-Anlagen ermöglicht werden.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Verfahren zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers bei einer Chromatographie mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers bei einer Chromatographie, wobei eine Lösungsmittelzusammensetzung in eine Chromatographiesäule gepumpt wird, die zumindest einen Anteil an einem ersten Lösemittel enthält, das bei Normalbedingungen flüssig ist, und einen Anteil an einem zweiten Lösemittel enthält, das bei Normalbedingungen gasförmig ist, und die aus der Chromatographiesäule fließende Zusammensetzung zumindest teilweise in einen Detektor eingeleitet wird,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass
eine das erste Lösungsmittel enthaltende Zusammensetzung nach dem Verlassen der Chromatographiesäule in Abhängigkeit des Detektorsignals in ein Sammelgefäß des Fraktionssammlers eingeleitet wird und die Menge an Flüssigkeit, die in ein Sammelgefäß des Fraktionssammlers eingeleitet wird, in Abhängigkeit des Anteils an dem ersten Lösungsmittel gewählt wird.
Durch die vorliegende Erfindung wird insbesondere bewirkt, dass die Wirtschaftlichkeit verbessert wird, wobei insbesondere ein hoher Füllgrad der Sammelgefäße des Fraktionssammlers erzielt werden kann. Ferner kann die Signalintegrität erhalten bleiben, ohne dass eine Zudosierung von Lösungsmittel erfolgen muss.
Weiterhin kann durch das Verfahren zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers sehr kostengünstig und einfach durchgeführt werden. Darüber hinaus wird eine sehr hohe Ausbeute an den gereinigten Substanzen erzielt. Hierbei wird diese hohe Ausbeute für sehr viele unterschiedliche Gas-Flüssigkeitsgemische erzielt.
Ferner werden sehr gute Ergebnisse auch bei Chromtographieverfahren erzielt, bei denen Gas-Flüssigkeitszusammensetzungen mit einem Gradienten eingesetzt werden. Darüber hinaus kann das Verfahren auch bei sehr unterschiedlichen Volumenströmen des Aerosols durchgeführt werden, ohne dass die wirtschaftlichen Vorteile stark beeinträchtigt werden würden.
Weiterhin ist eine automatisierte Fraktionierung möglich, die entsprechend den Bedürfnissen skaliert werden kann, ohne dass große Investitionen notwendig wären.
Ferner können durch das vorliegende Verfahren sowie die Chromatographie-Anlage zur Durchführung eines Verfahrens, die Komplexität und die Kosten der technischen Ausrüstung reduziert werden, die für die Einrichtung der SFC-Analyse erforderlich ist. Hierbei können auch HPLC-Anlagen umgebaut werden, die für einen präparativen Einsatz vorgesehen sind.
Bei einem erfindungsgemäßen Chromatographie-Verfahren wird eine Lösungsmittelzusammensetzung in eine Chromatographiesäule gepumpt wird, die zumindest einen Anteil an einem ersten Lösemittel enthält, das bei Normalbedingungen flüssig ist, und einen Anteil an einem zweiten Lösemittel enthält, das bei Normalbedingungen gasförmig ist. Es handelt sich hierbei vorzugsweise daher um eine SFC, wie diese zuvor und nachfolgend dargelegt wird. Normalbedingungen bedeuten 273,15 K = 0 °C und 1,01325 bar gemäß DIN 1343.
Zur Durchführung einer Trennung mit einem überkritischen Fluid wird ein anorganisches oder organisches Lösungsmittel eingesetzt, welches unter den üblichen Trennbedingungen, bevorzugt bei 25°C und Atmosphärendruck (1023mbar) flüssig ist. Hierbei kann ein polares oder unpolares Lösungsmittel eingesetzt werden, je nach Art der aufzutrennenden oder aufzureinigenden Verbindungen. Diese Substanzen werden vorliegend insbesondere als erstes Lösemittel bezeichnet.
Bevorzugt ist das erste Lösungsmittel ausgewählt aus Alkohol, vorzugsweise Methanol, Ethanol oder Propanol, Hexan, Mischungen mit Dichlormethan, Chloroform, Wasser (vorzugsweise bis max. 3 Vol%, da ansonsten eine Mischungslücke auftreten kann), ein Aldehyd oder ein Keton, vorzugsweise Methylethylketon; ein Ester, vorzugsweise Essigsäureethylester; oder ein Ether, vorzugsweise Tetrahydrofuran, ein aliphatischer Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Hexan, Cyclohexan, Heptan, Octan; ein aromatischer Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Benzol, Toluol, Xylol. Diese Verbindungen können einzeln oder als Mischung eingesetzt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise ein Gas eingesetzt wird, welches relativ einfach in einen überkritischen Zustand versetzt werden kann. Zu den bevorzugten Gasen, die diese Eigenschaften aufweist gehören unter anderem Kohlendioxid (CO₂), Ammoniak (NH₃), Freon, Xenon, wobei Kohlendioxid (CO₂) besonders bevorzugt ist. Diese Substanzen werden vorliegend insbesondere als zweites Lösemittel bezeichnet.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das in den überkritischen Zustand zu bringende Gas-Flüssiggemisch ein polares Lösungsmittel und ein Gas umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus, CO₂, NH₃, Freon, Xenon, vorzugsweise CO₂. Vorzugsweise ist das polare Lösungsmittel ein Alkohol, vorzugsweise Methanol, Ethanol oder Propanol, Hexan, Mischungen mit Dichlormethan, Chloroform, Wasser (vorzugsweise bis max. 3 Vol%, da ansonsten eine Mischungslücke auftreten kann), ein Aldehyd oder ein Keton, vorzugsweise Methylethylketon; ein Ester, vorzugsweise Essigsäureethylester; oder ein Ether, vorzugsweise Tetrahydrofuran.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das in den überkritischen Zustand zu bringende Gas-Flüssiggemisch ein unpolares Lösungsmittel und ein Gas umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus, CO₂, NH₃, Freon, Xenon, vorzugsweise CO₂. Vorzugsweise ist das unpolare Lösungsmittel ein aliphatischer Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Hexan, Cyclohexan, Heptan, Octan; ein aromatischer Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Benzol, Toluol, Xylol; ein Ester, vorzugsweise Essigsäureethylester; oder ein Ether, vorzugsweise Tetrahydrofuran.
Die aus der Chromatographiesäule fließende Zusammensetzung wird gemäß dem vorliegenden Verfahren zumindest teilweise in einen Detektor eingeleitet. Demgemäß wird vorzugsweise eine Überprüfung der entsprechenden Zusammensetzung nach der Chromatographiesäule vorgenommen. Detektoren, die hierfür eingesetzt werden können sind allgemein bekannt, wobei insbesondere Spektroskopieverfahren, bei denen elektromagnetische Wellen eingesetzt werden, wie beispielsweise UV-, VIS-Spektroskopie durchgeführt werden. Hierbei können auch weitere Verfahren zur Detektion eingesetzt werden, die beispielsweise die Lichtstreuung, die Fluoreszenz oder den Brechungsindex messen. Ferner werden vielfach Massenspektrometer und/oder Leitfähigkeitsdetektoren usw. eingesetzt.
Diese Verfahren können kontinuierlich oder chargenweise die Eigenschaften der aus der Chromatographiesäule fließende Zusammensetzung messen, so dass diese Detektoren diese Eigenschaften im Durchfluss oder durch Probenentnahme bestimmen können, wobei die letztere im Allgemeinen vollautomatisch und kontinuierlich erfolgt. Einzelheiten dieser Techniken sind aus dem Stand der Technik bekannt, wozu insbesondere auf Detektoren verwiesen wird, wie diese bei konventionellen HPLC-Verfahren eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß wird eine das erste Lösungsmittel enthaltende Zusammensetzung nach dem Verlassen der Chromatographiesäule in Abhängigkeit des Detektorsignals in ein Sammelgefäß des Fraktionssammlers eingeleitet und die Menge an Flüssigkeit, die in ein Sammelgefäß des Fraktionssammlers eingeleitet wird, in Abhängigkeit des Anteils an dem ersten Lösungsmittel gewählt.
Durch diese Maßnahme kann insbesondere erreicht werden, dass das Volumen eines Sammelgefäßes des Fraktionssammlers in überraschend guter Weise ausgenutzt werden kann. Hierdurch können insbesondere die zuvor dargelegten Kosten- und Handhabungsvorteile erzielt werden.
Weitere Kosten- und Handhabungsvorteile können dadurch erreicht werden, dass zumindest ein Teil der Zusammensetzung, die das erste Lösungsmittel enthält, nach dem Verlassen der Chromatographiesäule nicht in ein Sammelgefäß eingeleitet wird. Vorzugsweise werden Zusammensetzungen, die keine wertvolle Substanzen enthalten verworfen, wobei dies im Allgemeinen durch ein Steuerventil im Fraktionssammler bewirkt wird, der die zu verwerfenden Anteile der das erste Lösungsmittel enthaltenden Zusammensetzung nach dem Verlassen der Chromatographiesäule in einen Abfallbehälter oder ähnliches leitet.
In einer besonderen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die in eine Chromatographiesäule gepumpte Lösungsmittelzusammensetzung im Laufe der Chromatographie verändert wird.
Vorzugsweise wird der Anteil an erstem Lösungsmittel in der Lösungsmittelzusammensetzung im Laufe der Chromatographie erhöht und der Anteil an zweitem Lösungsmittel im Laufe der Chromatographie vermindert, wobei besonders bevorzugt der Anteil an erstem Lösungsmittel zu Beginn der Chromatographie mindestens 10 Vol.-%, speziell bevorzugt mindestens 20 Vol.-% unter dem Anteil an erstem Lösungsmittel zu Ende der Chromatographie liegt, bezogen auf die Lösungsmittelzusammensetzung. Demgemäß steigt vorzugsweise der Anteil an Lösungsmittel, welches bei Normalbedingungen flüssig ist, an, während der Anteil an Lösungsmittel, welches bei Normalbedingungen gasförmig ist, abnimmt. Durch diese Ausgestaltung kann überraschend eine Verkrustung in einem Gasabscheider, welcher in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens eingesetzt wird, minimiert, vorzugsweise vollständig verhindert werden. Hierdurch kann die Trennqualität der Anlage beziehungsweise des Verfahrens überraschend verbessert werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Anteil an erstem Lösungsmittel im Bereich von 5 bis 95 Vol.-% und der Anteil an zweitem Lösungsmittel im Bereich von 5 bis 95 Vol.-% liegt, bezogen auf die Lösungsmittelzusammensetzung.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie bei einem Druck im Bereich von 50 bis 500 bar, vorzugsweise 75 bis 400 bar durchgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie bei einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 80°C, vorzugsweise 35°C bis 60°C durchgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das zweite Lösungsmittel, welches in der Zusammensetzung nach der Chromatographiesäule enthalten ist, vor dem Einleiten in den Fraktionssammler zumindest teilweise abgetrennt wird. Hierdurch kann überraschend eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erzielt werden, da ein Teil des Lösungsmittels vor dem Fraktionssammler abgetrennt und hierdurch bei gleichem Volumen der Sammelgefäße seltener ein Wechsel der Sammelgefäße vorgenommen werden muss.
Demgemäß kann vorgesehen sein, dass ein Gas-Flüssig-Abscheider eingesetzt wird, wobei der Druck im Gas-Flüssig-Abscheider bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 4 bar, vorzugsweise 0,5 bis 3,5 bar und besonders bevorzugt 1 bis 3 bar liegt (Überdruck). Durch diese Ausgestaltung können weitere überraschende Verbesserungen erzielt werden. Insbesondere wird die Laufzeit zwischen dem Entspannen des Lösungsmittelgemischs und dem Auslass des Gas-Flüssig-Abscheider im Wesentlichen durch den Druckabfall bestimmt. Das im kleinen Volumen entstehende Gas bewirkt einen hohen Druck, der für die Laufzeit bestimmend ist. Die relative Konstanz dieses Druckes, führt zu einer hohen Signalintegrität, da die Laufzeit auch nach dem Entspannen bei der Verwendung eines geeigneten Gas-Flüssig-Abscheiders im Wesentlichen konstant bleibt. Demgemäß kann insbesondere bei Verwendung eines Gas-Flüssig-Abscheiders, der bevorzugt bei einem Überdruck betrieben werden kann, auf eine Zudosierung von Lösungsmittel verzichtet werden, wie diese gemäß dem bisherigen Stand der Technik eingesetzt wurde, um eine Signalintegrität zu gewährleisten. Hierbei ist festzuhalten, dass eine absolute Konstanz des Gasdrucks im Gas-Flüssig-Abscheider nicht notwendig ist, da die Laufzeit auch bei relativ kleinen Drücken sehr kurz ist, so dass Schwankungen keine wesentlichen Auswirkungen auf die Signalintegrität haben, da diese einer üblichen Schwankung aufgrund von Fehlertoleranzen unterliegt. So führen Druckschwankungen im Bereich von 0,1 bar bis 4 bar im Gas-Flüssig-Abscheider zu zweckmäßigen Ergebnissen. Bevorzugte Ausführungsformen von geeigneten Gas-Flüssig-Abscheidern werden später beschrieben, wobei hierauf Bezug genommen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahren, bei dem die Chromatographie-Anlage ein Rückdruckregler umfasst, durch welchen der Druck in dem Gas-Flüssig-Abscheiders regelbar ist, kann vorgesehen sein, dass die Regelung des Drucks in Abhängigkeit vom Lösungsmittelgehalt des Gas-Flüssiggemischs gewählt wird, vorzugsweise kann die Regelung so ausgestaltet sein, dass bei einem hohen Lösungsmittelgehalt ein hoher Druck im Gas-Flüssig-Abscheider vorgesehen ist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Fraktionierung bei einem geringeren Druck betrieben wird als der Gas-Flüssig-Abscheider, wobei vorzugsweise der Druckunterschied im Bereich von 0,1 bis 4, vorzugsweise 0,5 bis 3,5 bar und besonders bevorzugt 1 bis 3 bar liegt.
Bevorzugt wird die Fraktionierung bei einem Druck im Bereich von 0 bis 1 bar durchgeführt (Überdruck), besonders bevorzugt 0 bis 0,5 bar, speziell bevorzugt 0 bis 0,2 bar. Die zuvor dargelegten Druckwerte beziehen sich auf Überdruck, wobei dieser Druck, der relativ zum Atmosphärendruck bzw. Luftdruck gemessen wird.
Die Detektion einer zu sammelnden Fraktion kann auf übliche Weise festgelegt werden, die im Allgemeinen auch bei verwandten Chromatographieverfahren eingesetzt werden. Hierzu gehört beispielsweise, dass eine Fraktion bei einer bestimmten Signalhöhe des Detektors, beispielsweise eines UV/VIS-Detektors gesammelt wird. Ferner kann eine Fraktion auch aufgrund einer bestimmten Form des Signals gesammelt werden, beispielsweise der vorgegebenen Änderung der Steigung des Detektorsignals oder einem bestimmten Wert der Steigung des Detektorsignals.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass bei der Festlegung des Zeitpunkts des Sammelbeginns für die Einleitung der zu sammelnden Fraktionen das Flüssigkeitsvolumen der Leitungen und Vorrichtungen zwischen dem Detektor bis zum Trennpunkt berücksichtigt wird, bei dem die zu sammelnden Fraktionen von den zu verwerfenden Fraktionen getrennt wird. Diese Zeitspanne, durch die eine Kalibrierung der Anlage bewirkt wird und so ein optimales Sammeln der wertvollen Fraktionen ermöglicht, kann mit an sich bekannten Verfahren durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein Probelauf durchgeführt werden, anhand dessen die Zeitspanne abgeschätzt werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann beispielsweise ein Farbstoff eingesetzt werden, der am Fraktionssammler sichtbar ist. Die Zeitspanne zwischen Detektorsignal, beispielsweise einem UV/VIS-Signal, und dem Auftreten der farbigen Fraktion am Fraktionssammler, ergibt diese Zeitspanne. Prinzipiell kann diese Zeitspanne selbstverständlich auch über das gemessene Volumen und dem eingestellten Volumenfluss (Flussrate) ermittelt werden. Diese Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, da diese Problematik bei jeder HPLC-Anlage mit einer automatischen Fraktionierung besteht und gelöst ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Anteil des ersten Lösungsmittels in der Lösungsmittelzusammensetzung über den Zeitpunkt des Beginns der Fraktionssammlung bestimmt wird, wobei vorzugsweise einer Steuerungseinheit die über den Zeitverlauf vorgesehene Lösungsmittelzusammensetzung eingegeben wird und basierend auf dem Startzeitpunkt des Sammelns der Anteil an erstem Lösungsmittel bestimmt wird und basierend auf diesem Anteil sowie der Flussrate die Sammelzeit für ein Sammelgefäß festgelegt wird, wobei in der Steuerungseinheit das Volumen des Sammelgefäßes hinterlegt wird.
Demgemäß wird vorzugsweise das Partialvolumen des ersten Lösungsmittels zum Zeitpunkt der Detektion bestimmt, wobei dieser Wert beispielsweise aus der Pumpleistung der Pumpe mit der das erste Lösungsmittel in die Chromatographiesäule befördert wird, den Gradientenverlauf dieser Pumpleistung sowie den Zeitpunkt der Detektion erhalten werden kann. Aus diesen Werten kann das Partialvolumen des ersten Lösungsmittels zum Zeitpunkt der Detektion ermittelt werden, der vorzugsweise zur Bestimmung der zweckmäßigen Ausnutzung des Volumens des Sammelgefäßes herangezogen werden kann. Die eigentliche Sammlung der detektierten Fraktion erfolgt vorzugsweise unter Berücksichtigung der Zeitspanne, die die zu sammelnde Flüssigkeit benötigt, um die Strecke zwischen Detektorsignal und dem Fraktionssammelventil zurückzulegen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Füllungsgrad des Sammelgefäßes über eine Summation des Volumens erfolgt, das über einen Zeitraum in das Sammelgefäß eingeleitet wird, wobei die einzelnen Volumenkomponenten der Summenbildung über das Produkte aus der Flussrate, dem Zeitraum, über den die Volumenkomponente gesammelt wird, und dem Anteil des ersten Lösungsmittels in der Lösungsmittelzusammensetzung zum Startzeitpunkt der jeweiligen Volumenkomponente bestimmt wird, wobei in der Steuerungseinheit das Volumen des Sammelgefäßes hinterlegt wird.
Dieser Zusammenhang kann beispielsweise über folgende Formel (I) dargestellt werden: $\sum_{t = t_{S}}^{t_{n}} (F_{G} * φ_{(t)}) Δ t = V_{m a x}$
wobei gilt:

F_G: ist der Gesamtvolumenstrom
φ (_t): ist der Volumenanteil des ersten Lösungsmittels zum Zeitpunkt t
Δt: ist der Zeitraum, über den das Volumen einer einzelnen Volumenkomponente berechnet wird
V_max: ist das maximale Volumen des Sammelgefäßes
t_s: ist der Startzeitpunkt, zu dem das Detektorsignal eine zu sammelnde Fraktion anzeigt
t_n: ist der Endzeitpunkt, bis zu dem eine zu sammelnde Fraktion in ein Sammelgefäß eingeleitet werden kann

Demgemäß wird fortlaufend das Gesamtvolumen aus der Summe der einzelnen Volumenkomponenten berechnet und zu dem Zeitpunkt (t_n), zu dem dieses Gesamtvolumen gleich dem maximalen Volumen des Sammelgefäßes ist, an den Fraktionssammler ein Signal zur Durchführung eines Wechsel des Sammelgefäßes gesendet. Hierbei wird das maximale Volumen des Sammelgefäßes (V_max) so gewählt, dass ein Überlaufen des Sammelgefäßes vermieden werden kann.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die in ein Sammelgefäß geleitete Flüssigkeitsmenge mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 90 % der für das Sammelvolumen des Sammelgefäßes maximalen Volumens beträgt, falls die Detektionseinheit keine neue Fraktion detektiert. Hierdurch kann eine sehr gute Ausnutzung des bereitgestellten Volumens der Sammelgefäße erreicht werden. Bei Detektion einer neuen Fraktion wird das Sammelgefäß im Allgemeinen gewechselt. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Zeitraum, über den das Volumen einer einzelnen Volumenkomponente berechnet wird, im Bereich vom 0,01 bis 10,0 s, vorzugsweise 0,1 bis 5,0 s und besonders bevorzugt 0,5 bis 2,0 s liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie bei einer Flussrate im Bereich von 10 ml/min bis 450 ml/min, besonders bevorzugt im Bereich von 50 ml/min bis 300 ml/min und speziell bevorzugt 100 ml/min bis 250 ml/min durchgeführt wird. Diese Flussrate stellt die Gesamtflussrate dar. Die Flussrate der einzelnen Lösungsmittel, insbesondere des ersten beziehungsweise des zweiten Lösungsmittels, welche jeweils als Gemisch eingesetzt werden, ergibt sich aus dem jeweiligen Volumenanteil.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Detektor ein Massenspektrometer und die Zeit, die zur Bestimmung des Massenspektrometrie-Signals benötigt wird, wird bei der Steuerungseinheit des Fraktionssammlers berücksichtigt. Vorzugsweise kann bei Verwendung eines Massenspektrometers ein Zusatzvolumen vorgesehen sein, das zwischen dem Massenspektrometer und dem Fraktionssammler angeordnet ist, so dass die Fließzeit der zu sammelnden Fraktion groß genug ist, um eine zuverlässige Detektion zu ermöglichen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Fraktionssammler über eine Steuerungseinheit gesteuert wird und die Steuerungseinheit mit dem Detektor in Wirkverbindung steht, wobei bei Detektion einer Substanz durch den Detektor ein Steuerimpuls an den Fraktionssammler geleitet wird, der einen Wechsel des Sammelgefäßes bewirkt.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Fraktionssammler über eine Steuerungseinheit gesteuert wird und die Steuerungseinheit mit dem Detektor in Wirkverbindung steht, wobei nach Beendigung der Detektion einer Substanz durch den Detektor ein Steuerimpuls an den Fraktionssammler geleitet wird, der einen Wechsel des Sammelgefäßes bewirkt. Diese Ausgestaltung ist gegenüber der Ausführungsform, bei der zu Beginn ein Wechsel des Sammelgefäßes bewirkt wird, bevorzugt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Chromatographie-Anlage zur Durchführung eines Verfahrens, wobei die Chromatographie-Anlage eine Steuerung umfasst, die in Wirkverbindung mit einem Detektor und einem Fraktionssammler steht und die Steuerung so programmierbar ist, dass die Menge an Flüssigkeit, die in ein Gefäß des Fraktionssammlers einleitbar ist, in Abhängigkeit des Anteils an dem ersten Lösungsmittel festlegbar ist.
In Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen einer Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die zuvor dargelegten Ausführungen, die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt wurden, verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Eine Chromatographie-Anlage, die für eine überkritische Flüssigkeitschromatographie ausgelegt ist, wird beispielhaft unter Verwendung von überkritischem CO₂ zusammen mit einem Lösungsmittel beispielsweise mit Methanol beschrieben. Demgemäß weist eine für überkritische Flüssigkeitschromatographie ausgelegte Chromatographie-Anlage mindestens einen Speicherbehälter für das erste Lösungsmittel und einen Speicherbehälter für das überkritische Fluid, beispielsweise CO₂ auf. Im Allgemeinen wird das Fluid aus dem Speicher entnommen und mit einer jeweils mindestens einer Pumpe in die ein Mischelement überführt, welche mit einer Chromatographiesäule in Fließverbindung steht. Die Pumpen und/oder das Mischelement sowie die Chromatographiesäule können mit einer Temperierung versehen sein, um jeweils eine vorgegebenen Temperatur einstellen zu können. Hierzu können insbesondere Wärmetauscher vorgesehen sein. Die Zugabe von zu trennenden Mischungen, insbesondere aufzureinigenden Substanzen, kann durch bekannte Vorrichtungen, beispielsweise Injektoren erfolgen, die vorzugsweise in der Leitung vorgesehen sind, in der das Lösungsmittel zum Mischelement geführt wird.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie-Anlage eine Injektionsvorrichtung umfasst, mit der automatisch Proben in die Chromatographieanlage injiziert werden können.
Das die Chromatographiesäule verlassende Fluid wird vorzugsweise zumindest teilweise einer Detektions- oder Analyseeinheit zugeführt. Beispiele für eine Detektions- oder Analyseeinheit sind unter anderem UV-Detektoren und/oder Massenspektrometer.
Nach der Chromatographiesäule und vorzugsweise nach der Detektions- oder Analyseeinheit ist im Allgemeinen ein Rückdruckregler und vorzugsweise nach dem Rückdruckregler ein Wärmetauscher vorgesehen. Das den Wärmetauscher verlassende Aerosol wird vorzugsweise nachfolgend einem Gas-Flüssig-Abscheider zugeführt.
Bevorzugt einzusetzende Gas-Flüssig-Abscheider sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise der Druckschrift WO 2014/012962 A1 bekannt, wobei die Offenbarung dieser Druckschrift vollständig durch Referenz hierauf in die vorliegende Anmeldung zu Offenbarungszwecken eingefügt wird.
Eine unerwartete Verbesserung einer Prallabscheidung kann durch die Anordnung und Ausgestaltung einer Abscheideöffnung erzielt werden. Hierdurch kann insbesondere das bei der Prallabscheidung bereitgestellte Gasvolumen vermindert werden, so dass das Gesamtvolumen des Gas-Flüssig-Abscheiders verringert werden kann. Hierdurch kann überraschend die Trennleistung der Chromatographie-Anlage verbessert werden.
Ein bevorzugter Gas-Flüssig-Abscheider umfasst einen Abscheidebereich mit einer Einlassdüse, einer Pralleinheit und einer Gasleiteinheit.
Vorzugsweise ist Abscheidebereich so ausgestaltet, dass eine Prallabscheidung bewirkt wird. Prallabscheidung bedeutet, dass sich die im Aerosol befindlichen Flüssigkeitströpfchen gegen eine Pralleinheit geleitet werden, wodurch die Flüssigkeitströpfchen einen Flüssigkeitsfilm bilden können.
Als Pralleinheit kann hierbei jeder Körper dienen, gegen den der Aerosolstrom geleitet werden kann. Beispielsweise kann der Aerosolstrom gegen einen oberen Bereich des Abscheidebereichs geleitet werden, beispielsweise gegen einen oberen Abschluss des Abscheidebereichs. Hierbei kann ein Vorsprung, beispielsweise ein Dorn oder ähnliches vorgesehen sein, auf den der Aerosolstrom beaufschlagt wird, so dass die auf die Pralleinheit geleiteten Flüssigkeitströpfchen nicht zurückgeworfen werden oder von der Pralleinheit zurückprallen, sondern einen Film bilden.
Ein bevorzugter Gas-Flüssig-Abscheider nutzt im Betrieb die Gravitation, die eine Trennung von Gas und Flüssigkeit bewirkt. Demgemäß bezieht sich der Ausdruck oben auf die Ausrichtung des Gas-Flüssig-Abscheiders, die im Betrieb vorliegt, so dass ein Gas nach oben ausströmen kann, während unten die Gegenrichtung ist, über die eine Flüssigkeit den Gas-Flüssig-Abscheider verlässt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Pralleinheit im Wesentlichen eben ist und als Prallplatte angesehen werden kann, wobei diese Prallplatte vorzugsweise eine Wand des Abscheidebereichs bildet und eine Seitenwand der Gasleiteinheit darstellt. Der Ausdruck „im Wesentlichen eben“ bedeutet, dass die Pralleinheit beziehungsweise die Prallplatte nicht gebogen ist, jedoch eine Oberflächenstruktur aufweisen kann. In einer spezifischen Ausgestaltung ist die Prallplatte bevorzugt ohne Oberflächenstruktur ausgestaltet, so dass diese Oberfläche glatt ist.
In einer bevorzugt Ausführungsform umfasst die Pralleinheit vorzugsweise eine Oberflächenstruktur, wobei diese Ausführungsform gegenüber einer mit einer glatten Oberfläche bevorzugt ist. Hierbei weist die Oberflächenstruktur vorzugsweise Erhebungen und Senkungen auf, wobei die Erhebungen in Bezug auf die Senkungen vorzugsweise eine Höhe im Bereich von 0,2 bis 10 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 8 mm und speziell bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 5 mm zeigen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis von Höhe der Erhebungen (in Bezug auf die Senkungen) zum Volumen des Gas-Flüssig-Abscheiders vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 10 mm/ml, besonders bevorzugt im Bereich von 0,03 bis 5 mm/ml liegt.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Oberflächenstruktur der Pralleinheit Rillen auf, wobei die Erhöhungen und Senkungen der Rillen vorzugsweise in Richtung der ausgerichtet sind, die durch die Einlassdüse und die Abscheideöffnung gebildet wird, oder parallel zu dieser Richtung verlaufen.
Durch eine strukturierte Oberfläche der Pralleinheit, die vorzugsweise als Rillenstruktur ausgebildet ist, kann das Volumen des Gas-Flüssig-Abscheiders besonders klein gehalten und so die Trennleistung verbessert werden. Hierbei können die zu trennenden Substanzen einen relativ geringen Laufzeitunterschied aufweisen, ohne dass hierdurch deren Auftrennung im Gas-Flüssig-Abscheider zunichte gemacht werden würde. Ferner kann der Abscheidegrad der Flüssigkeit aus dem Aerosol in Bezug auf das Volumen des Gas-Flüssig-Abscheiders verbessert werden.
In einer weiteren Fortentwicklung der vorliegenden Erfindung weist die Pralleinheit vorzugsweise einen Oberflächenbereich mit einer Oberflächenenergie von mindestens 10 mN/m, besonders bevorzugt mindestens 15 mN/m und speziell bevorzugt von mindestens 20 mN/m auf. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Pralleinheit vorzugsweise einen Oberflächenbereich mit einer Oberflächenenergie im Bereich von 15 bis 120 mN/m, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 80 mN/m und speziell bevorzugt im Bereich von 22 bis 60 mN/m aufweist, wobei vorzugsweise mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der Oberfläche der Pralleinheit eine Oberflächenenergie im Bereich von 20 bis 80 mN/m, speziell bevorzugt im Bereich von 22 bis 60 mN/m aufweist. Diese Oberflächenenergie kann durch eine entsprechende Materialwahl erzielt werden, aus dem die Pralleinheit hergestellt ist.
Ferner kann die Pralleinheit eine Oberflächenbereich mit einer Beschichtung aufweisen, um die zuvor genannte Oberflächenenergie einzustellen, wobei vorzugsweise mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der Oberfläche der Pralleinheit eine Beschichtung aufweist.
Die Oberflächenenergie wird nach der Methode von Ownes-Wendt-Rabel & Kaelble bestimmt. Hierzu werden Messreihen mit der Standard-Serie nach Busscher durchgeführt, bei der als Testflüssigkeiten Wasser [SFT 72,1 mN/m], Formamid [SFT 56,9 mN/m, Dijodmethan [SFT 50,0 mN/m] und alpha-Bromnaphthalin [SFT 44,4 mN/m] eingesetzt werden. Die Messung wird bei 20°C durchgeführt. Die Oberflächenenergie kann mit einem Kontaktwinkelmesssystem G40 der Fa. Krüss, Hamburg bestimmt werden, wobei die Durchführung im Benutzerhandbuch des Kontaktwinkelmesssystems G40, 1993 beschrieben ist. Hinsichtlich der Berechnungsmethoden sei auf A. W. Neumann, Über die Messmethodik zur Bestimmung grenzflächenenergetischer Größen, Teil I, Zeitschrift für Phys. Chem., Bd. 41, S. 339-352 (1964), und A. W. Neumann, Über die Messmethodik zur Bestimmung grenzflächenenergetischer Größen, Teil II, Zeitschrift für Phys. Chem., Bd. 43, S. 71-83 (1964) verwiesen.
Neben einer Pralleinheit ist im Abscheidebereich des Gas-Flüssig-Abscheiders vorzugsweise eine Einlassdüse vorgesehen. Durch die Einlassdüse wird das Aerosol in den Gas-Flüssig-Abscheider, insbesondere in den Abscheidebereich des Gas-Flüssig-Abscheiders geleitet.
Hierbei ist Einlassdüse vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein durch die Einlassdüse geleiteter Gas-Flüssigstrom gegen die Pralleinheit beaufschlagbar ist, wie dies zuvor bereits im Hinblick auf die Pralleinheit dargelegt wurde.
Die Form und die Art der Einlassdüse sind unkritisch, so dass diese vom Fachmann im Rahmen seiner Fähigkeiten gewählt werden kann. So kann die Einlassdüse beispielsweise so ausgestaltet sein, dass das Aerosol in Form eines sehr engen Strahls auf die Pralleinheit geleitet wird. Ferner kann die Einlassdüse auch so konstruiert ist, dass ein kegelförmiger Spühnebel auf die Pralleinheit geleitet wird.
Hierbei kann die Düse mit der Wandung des Abscheidebereichs abschließen oder über einen Vorsprung in den Abscheidebereich hineinragen. Die Ausführungsform mit einem Vorsprung ist vorteilhaft, falls die Pralleinheit im oberen Abschluss des Abscheidebereichs vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt ist die Einlassdüse in Form einer einfachen Bohrung oder einer einfachen Öffnung ausgestaltet. In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die im Abscheidebereich vorgesehene Einlassdüse eine Eintrittsfläche aufweist, die im Wesentlichen kreisförmig ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die im Abscheidebereich vorgesehene Einlassdüse eine Eintrittsfläche im Bereich von 0,05 mm² bis 20 mm², bevorzugt im Bereich von 0,5 mm² bis 10 mm² und speziell bevorzugt im Bereich von 0,8 mm² bis 5 mm² aufweist. Dieser Wert bezieht sich auf die Größe einer einzelnen Eintrittsdüse, falls mehrere Eintrittsdüsen eingesetzt werden.
Falls die Einlassdüse in Form einer Bohrung ausgebildet ist, so weist diese vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 0,3 mm bis 5 mm, bevorzugt 0,8 mm bis 3 mm und besonders bevorzugt 1 mm bis 2 mm auf. Dieser Wert bezieht sich auf die Größe einer einzelnen Eintrittsdüse, falls mehrere Eintrittsdüsen eingesetzt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Eintrittsfläche der im Abscheidebereich vorgesehenen Einlassdüse zum Volumen des Gas-Flüssig-Abscheiders im Bereich von 0,01 mm²/ml bis 1 mm²/ml, bevorzugt im Bereich von 0,04 mm²/ml bis 0,4 mm²/ml und speziell bevorzugt im Bereich von 0,08 mm²/ml bis 0,17 mm²/ml liegt. Dieser Wert bezieht sich auf die Summe der Flächen aller eingesetzten Eintrittsdüsen, falls mehrere Eintrittsdüsen eingesetzt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Eintrittsfläche der im Abscheidebereich vorgesehenen Einlassdüse zum Volumen des Abscheidebereichs im Bereich von 1:3 mm²/ml bis 1:50 mm²/ml, bevorzugt im Bereich von 1:5 mm²/ml bis 1:20 mm²/ml und speziell bevorzugt im Bereich von 1:7 mm²/ml bis 1:15 mm²/ml liegt. Dieser Wert bezieht sich auf die Summe der Flächen aller eingesetzten Eintrittsdüsen, falls mehrere Eintrittsdüsen eingesetzt werden.
Im Abscheidebereich können eine oder mehrere Einlassdüsen vorgesehen sein. Für den Fall, dass mehrere Einlassdüsen vorgesehen sind, sind diese bevorzugt parallel ausgerichtet. Bevorzugt wird das Gas-Aerosolgemisch über genau eine Einlassdüse in den Abscheidebereich geleitet, bevorzugt auf die sich im Abscheidebereich befindliche Pralleinheit.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Einlassdüse so ausgestaltet ist, dass ein durch den Einlass geleiteter Gas-Flüssigstrom gegen die Pralleinheit beaufschlagbar ist und der Winkel mit dem ein durch der Einlassdüse geleiteter Gas-Flüssigstrom auf die Pralleinheit beaufschlagbar ist, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 130 °, besonders bevorzugt im Bereich von 70 bis 110° liegt. Dieser Winkel kann insbesondere durch die Richtung der Einlassdüse bestimmt werden, mit dem die Einlassdüse auf die Pralleinheit gerichtet ist. Diese Angaben beziehen sich auf den Winkel mit dem der Hauptstrahl des Aerosols auf die Pralleinheit geleitet wird. Die Form des Aerosolstrahls ist an sich unwesentlich, soweit eine Prallabscheidung bewirkt werden kann. Hierbei sollten die Flüssigkeitströpfchen des Aerosols durch den Stoß auf die Pralleinheit zusammenfließen und vorzugsweise einen Film bilden. Daher sollte die Einlassdüse so gewählt werden, dass die Flüssigkeitströpfchen des Aerosols nicht zu klein werden.
Der Gas-Flüssig-Abscheider weist vorzugsweise eine Abscheideöffnung auf, die zwischen Abscheidebereich und Trennbereich angeordnet ist, so dass eine gas- und flüssigkeitsoffene Verbindung zwischen diesen Bereichen besteht. Durch die Abscheideöffnung wird vorzugsweise eine Trägheitsabscheidung bewirkt. Dies bedeutet, dass die an der Pralleinheit und/oder der Gasleiteinheit in Form eines Flüssigkeitsfilms nach unten laufende Flüssigkeit von dem Gas durch Trägheit abschieden wird. Hierbei beschleunigt das Gas vorzugsweise die Flüssigkeit, so dass die Flüssigkeit mit einer höheren Geschwindigkeit in den Trennbereich überführt wird, als ohne diese Gasbeschleunigung. Hierbei verbleibt der Flüssigkeitsfilm vorzugsweise an einer Wand des Abscheidebereichs, die vorzugsweise als Teil der der Pralleinheit und/oder der Gasleiteinheit ausgestaltet ist, in Form eines Films und geht unmittelbar in den Trennbereich über, ohne dass der Flüssigkeitsfilm diese Wand, die in den Trennbereich übergeht, verlässt. Die Gasphase haftet im Gegensatz zur Flüssigphase nicht an einer Wand, sondern ist in der Lage nach oben auszutreten und in den Gasausleitbereich überzugehen. Im Gegensatz hierzu wird die Flüssigkeit in den Trennbereich abgeleitet und über den Flüssigauslass, der im Trennbereich vorgesehen ist, dem Gas-Flüssig-Abscheider entnommen.
Die Form der Abscheideöffnung ist nicht kritisch soweit die zuvor dargelegte Funktion derselben erfüllt werden kann. Vorzugsweise kann jedoch vorgesehen sein, dass die Abscheideöffnung eine Austrittsfläche aufweist, die spaltförmig ist oder mehrere parallel angeordnete Öffnungen, die beispielsweise U-förmige, V-förmige oder kreisförmig sein können, aufweist.
Vorzugsweise ist der Abstand der Einlassdüse von der Pralleinheit größer als die kleinste Längenausdehnung der Abscheideöffnung. Hierbei ergibt sich der Abstand der Einlassdüse von der Pralleinheit aus dem Weg des Aerosols vom Verlassen der Einlassdüse bis zum Auftreffen auf die Pralleinheit. Die kleinste Längenausdehnung der Abscheideöffnung bezieht sich auf die Breite oder Länge der Abscheideöffnung, wobei sich die Ausdehnung der Ebene bis zum Rand der Abscheideöffnung auf die Ebene zwischen Abscheidebereich und Trennbereich bezogen wird, die zu einer minimalen Fläche der Abscheideöffnung führt. In dieser Ebene, in der die Abscheideöffnung liegt, wird die Länge der längsten Ausdehnung der Abscheideöffnung bestimmt, so dass anschließend die kürzeste Länge der Abscheideöffnung gemessen werden kann, die senkrecht zur längsten Ausdehnung der Abscheideöffnung liegt. Diese kleinste Längenausdehnung kann hierin auch als Breite der Abscheideöffnung angesehen werden.
Falls die Abscheideöffnung spaltförmig ist, weist diese vorzugsweise eine Spaltbreite im Bereich von 0,1 mm bis 1,5 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm bis 1,0 mm und speziell bevorzugt 0,4 mm bis 0,7 mm auf (kleinste Längenausdehnung). Die Länge des Spaltes ist bei einer kreisförmigen oder elliptischen Abscheideöffnung durch den Umfang gegeben, wobei diese Werte vorzugsweise im Bereich von 5 mm bis 120 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 60 mm liegen können.
Bei einer nicht-kreisförmigen oder nicht-elliptischen Abscheideöffnung mit einer Spaltform, die vorzugsweise durch zwei Enden gekennzeichnet ist, liegt deren Länge vorzugsweise im Bereich von 3 bis 80 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 30 mm.
Falls die Abscheideöffnung durch mehrere parallel angeordnete Öffnungen realisiert ist, die beispielsweise U-förmige, V-förmige oder kreisförmig sein können, so gelten die zuvor dargelegten Maße entsprechend, wobei die Öffnungen vorzugsweise eine Breite im Bereich von 0,1 mm bis 1,5 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm bis 1,0 mm und speziell bevorzugt 0,4 mm bis 0,7 mm aufweisen (kleinste Längenausdehnung).
Die Spaltbreite wird senkrecht zur Länge oder dem Umfang des Spaltes gemessen und ist die kleinere Längenausdehnung der Spaltöffnung, die als Übergangsebene von dem Abscheidebereich in den Trennbereich angesehen werden kann. Diese Übergangsebene weist im Bereich des Übergangs von dem Abscheidebereich in den Trennbereich die kleinste zweidimensionale Ausdehnung auf.
Bevorzugt weist die Abscheideöffnung eine Austrittsfläche im Bereich von 10 bis 120 mm², besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 60 mm² und speziell bevorzugt im Bereich von 15 bis 40 mm² auf. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Austrittsfläche der Abscheideöffnung zum Volumen des Gas-Flüssig-Abscheider im Bereich von 0,05 mm²/ml bis 2 mm²/ml, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 mm²/ml bis 1 mm²/ml und speziell bevorzugt im Bereich von 0,3 mm²/ml bis 0,8 mm²/ml liegt.
Die räumliche Form des Abscheidebereichs ist nicht kritisch und kann den Bedürfnissen angepasst werden. Hierbei wird vorzugsweise im Abscheidebereich eine Gasleiteinheit gebildet. Die Gasleiteinheit bewirkt eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases, so dass im Bereich der Einlassdüse eine geringere Gasgeschwindigkeit vorliegt als im Bereich der Abscheideöffnung. Da der Volumenstrom bei gleicher Aerosolzusammensetzung als konstant angesehen werden kann, bedeutet dies, dass dem Aerosol zunächst in einen relativ großen Raum geleitet wird, der anschließend verengt wird, so dass die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt.
Demgemäß kann die Querschnittsfläche des Abscheidebereichs beispielsweise kreisförmig sein, wobei diese beispielsweise von Einlassdüse in Richtung Abscheideöffnung vorzugsweise keilförmig verengt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Abscheidebereich keine kreisförmige Querschnittsfläche im Bereich der Einlassdüse auf, wobei der Abscheidebereich vorzugsweise mindestens drei Seitenwände umfasst, die zusammen mit einem oberen Abschluss einen Raum definieren, der über die Abscheideöffnung mit dem Trennbereich verbunden ist. Diese Ausführungsform, in der der Abscheidebereich keine kreisförmige Querschnittsfläche umfasst, sondern eine Querschnittsfläche mit Ecken, insbesondere eine dreieckige, viereckige, fünfeckige oder sechseckige Querschnittsfläche, besonders bevorzugt eine rechteckige, ist leichter in einer geforderten Präzision herzustellen, wobei das Volumen des Gas-Flüssig-Abscheider besser an die Anforderungen angepasst werden kann. Insbesondere können auch Gas-Flüssig-Abscheider bereitgestellt werden, die für besonders kleine Volumenströme geeignet sind. Im Gegensatz zu Gas-Flüssig-Abscheider mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche können Gas-Flüssig-Abscheider mit einer nicht-kreisförmigen, vorzugsweise eine Querschnittsfläche mit Ecken, genau eine Einlassdüse aufweisen, ohne dass Bereiche einer unzureichenden Benetzung mit Gas-Flüssigkeitsgemisch auftreten würde.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Gasleiteinheit mindestens zwei im Wesentlichen ebene Seitenwände aufweist, die als Gasleitplatten angesehen werden können, wobei diese Gasleitplatten vorzugsweise Wände des Abscheidebereichs bilden. Diese zwei im Wesentlichen ebenen Seitenwände können aufeinander zulaufen, so dass eine Keilform gebildet wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Gasleiteinheit mindestens zwei Seitenwände aufweist, wobei mindestens eine der Seitenwände gebogen ist, so dass eine konkave Form dergestalt vorgesehen ist, dass die die beiden Seitenwände können aufeinander zulaufen, wobei die im oberen Bereich des Abscheidebereichs, der durch die Nähe der Einlassdüse gegeben ist, der Abstand zwischen den Seitenwände größer ist als im unteren Bereich des Abscheidebereichs, der durch die Nähe der Abscheideöffnung gegeben ist, wobei die Abnahme des Abstands von Richtung oberen Bereich zum unteren Bereich abnimmt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Querschnittsfläche der Gasleiteinheit von Einlassdüse in Richtung Abscheideöffnung zumindest bereichsweise, vorzugsweise in dem zur Abscheideöffnung hingewandten Bereich abnimmt, so dass die Ebenen, die senkrecht zur Flussrichtung des Gas-Flüssiggemisches stehen, kleiner werden, wobei diese Abnahme vorzugsweise stetig ist, so dass vorzugsweise mindestens zwei der Seitenwände der Gasleiteinheit im Längsschnitt eine Keilform bilden.
In einer weiteren Ausgestaltung eines Gas-Flüssig-Abscheiders kann vorgesehen sein, dass der Abscheidebereich einen oberen Abschluss umfasst, wobei dieser obere Abschluss eine Krümmung oder einen Winkel umfasst, wobei der höchste Punkt der Krümmung oder der Winkel vorzugsweise mittig angeordnet ist, und so auf einer Linie mit der Einlassdüse liegt, die parallel zur Richtung Einlass- Öffnung gedacht werden kann, wobei der obere Abschluss vorzugsweise in zwei Seitenwände übergeht, so dass der Übergang zwischen den Seitenwänden und dem oberen Abschluss gekrümmt ist.
In einer weiteren Fortbildung eines Gas-Flüssig-Abscheiders kann vorgesehen sein, dass der Abscheidebereich mindestens vier Seitenwände umfasst, die zusammen mit einem oberen Abschluss, einen Raum definieren, der die Gasleiteinheit bildet, wobei eine der Seitenwände als Pralleinheit ausgebildet ist, wobei dieser Raum über die Abscheideöffnung mit dem Trennbereich verbunden ist, wobei der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenwänden größer ist als der halbe Abstand der Einlassdüse von der Pralleinheit, wobei das Verhältnis des Abstandes zwischen zwei Seitenwänden zu Abstand der Einlassdüse von der Pralleinheit im Bereich von 0,8 bis 8, besonders bevorzugt im Bereich von 0,9 bis 6, speziell bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 4 und besonders bevorzugt im Bereich von 1,2 bis 2 liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Einlassdüse im oberen Bereich des Abscheidebereichs vorgesehen ist, besonders bevorzugt im oberen Drittel des Abscheidebereichs, wobei sich diese Richtung aus der Anordnung des Einlasses und des Flüssigauslasses ergibt, so dass die Einlassdüse oberhalb des Flüssigauslasses angeordnet ist.
Neben dem zuvor dargelegten Abscheidebereich weist ein erfindungsgemäßer Gas-Flüssig-Abscheider einen Trennbereich auf. Im Trennbereich werden, wie bereits zuvor angedeutet, die Phasen getrennt, wobei der Trennbereich einen Flüssigauslass aufweist, über den die flüssige Phase dem Gas-Flüssig-Abscheider entnehmbar ist. Die Gasphase wird in den Gasausleitbereich geleitet. Demgemäß ist der Trennbereich über eine Öffnung mit dem Gasausleitbereich verbunden und steht mit diesem in Fließkontakt.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Trennbereich mit einem Flüssigauslass einen Boden umfasst, der vorzugsweise eine Krümmung, einen Bogen einen Winkel oder eine andere Form umfasst, die zu einer Verjüngung führt, wobei der Flüssigauslass im Bereich der tiefsten Stelle des Bodens vorgesehen ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Flüssigauslass im unteren Bereich des Trennbereichs vorgesehen ist, besonders bevorzugt im unteren Drittel des Trennbereichs, wobei sich diese Richtung aus der Anordnung der Einlassdüse und des Flüssigauslasses ergibt, so dass die Einlassdüse oberhalb des Flüssigauslasses angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Innenoberfläche des Trennbereichs einen Oberflächenbereich mit einer Oberflächenenergie im Bereich von 15 bis 120 mN/m, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 80 mN/m und speziell bevorzugt im Bereich von 22 bis 60 mN/m aufweist, wobei vorzugsweise mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der Oberfläche des Trennbereichs eine Oberflächenenergie im Bereich von 20 bis 80 mN/m, speziell bevorzugt im Bereich von 22 bis 60 mN/m aufweist. Vorzugsweise kann die Differenz der Oberflächenenergie der Innenoberfläche des Trennbereichs zur Oberflächenenergie der Innenoberfläche des Abscheidebereichs mindestens 10mN/m, bevorzugt mindestens 30mN/m betragen, wobei sich diese Werte auf das jeweilige Maxima oder Minima beziehen, so dass die Differenz maximal ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Abscheidebereich eine Querschnittsfläche im Bereich der Einlassdüse aufweist, die mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 90 % der maximalen Querschnittsfläche des Trennbereichs beträgt, wobei die Querschnittsflächen auf die Ebenen bezogen sind, die senkrecht zur Pralleinheit und senkrecht Richtung Hauptauftreffpunkt des Gas-Flüssiggemisches- Öffnung stehen,
Der Gasausleitbereich dient zur Ableitung der Gasphase aus dem Gas-Flüssig-Abscheider, so dass dieser einen Gasauslass umfasst.
Vorzugsweise ist der Gasausleitbereich so ausgestaltet, dass die Gasgeschwindigkeit am Gasauslass maximal ist, vorzugsweise die Gasgeschwindigkeit in Gasflussrichtung vom Trennbereich in Richtung Gasauslass gesehen, zunimmt. Hierdurch kann ein Saugeffekt erzeugt werden, der zu einem sicheren und wartungsarmen Betrieb des Gas-Flüssig-Abscheiders führt. Ferner kann hierdurch das Volumen des Gas-Flüssig-Abscheiders verringert werden, ohne dass dessen Leistungsfähigkeit in anderen Eigenschaften, beispielsweise die Trenneigenschaften abnimmt.
In Umkehrung des Abscheidebereichs nimmt daher der Raum von Richtung Trennbereich hin zum Gasauslass ab. Vorzugsweise verjüngt sich demgemäß die Querschnittsfläche von Richtung Trennbereich hin zum Gasauslass.
In einer Fortbildung des Gas-Flüssig-Abscheiders kann vorgesehen sein, dass der Gasausleitbereich so ausgestaltet ist, dass die Fläche von gedachten Ebenen, die senkrecht zur Richtung von Trennbereich zum Gasauslass stehen, ausgehend von dem Trennbereich in Richtung Gasauslass abnimmt, wobei diese Abnahme vorzugsweise stetig ist, wobei vorzugsweise die Gasleiteinheit eine Seitenwand des Gasausleitbereichs und im Längsschnitt diese Seite der Gasleiteinheit mit einer weiteren Seitenwand des Gasausleitbereichs eine Keilform bildet.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Gasauslass im oberen Bereich des Gasausleitbereichs vorgesehen ist, besonders bevorzugt im oberen Drittel des Gasausleitbereichs, wobei sich diese Richtung aus der Anordnung der Einlassdüse und des Flüssigauslasses ergibt, so dass die Einlassdüse oberhalb des Flüssigauslasses angeordnet ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Innenoberfläche des Gasausleitbereichs einen Oberflächenbereich mit einer Oberflächenenergie im Bereich von 10 bis 40 mN/m aufweist, wobei vorzugsweise mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der Oberfläche des Gasausleitbereichs eine Oberflächenenergie im Bereich von 10 bis 30mN/m aufweist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Abscheidebereich oberhalb des Trennbereichs angeordnet ist und der Gasausleitbereich oberhalb des Trennbereichs angeordnet ist, wobei sich diese Richtung aus der Anordnung der Einlassdüse und des Flüssigauslasses ergibt, so dass die Einlassdüse oberhalb des Flüssigauslasses angeordnet ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Abscheidebereich oberhalb des Trennbereichs angeordnet ist und der Gasausleitbereich oberhalb des Trennbereichs angeordnet ist, wobei sich diese Richtung aus der Anordnung der Einlassdüse und des Flüssigauslasses ergibt, so dass die Einlassdüse oberhalb des Flüssigauslasses angeordnet ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Volumenverhältnis von Abscheidebereich zu Trennbereich bevorzugt im Bereich von 4:1 bis 1:10, vorzugsweise im Bereich von 2:1 bis 1:6 und speziell bevorzugt im Bereich von 1:1 bis 1:3, liegt.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Volumenverhältnis von Abscheidebereich zu Gasausleitbereich bevorzugt im Bereich von 10:1 bis 1:10, vorzugsweise im Bereich von 5:1 bis 1:5 und speziell bevorzugt im Bereich von 2:1 bis 1:2, liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Volumenverhältnis von Trennbereich zu Gasausleitbereich bevorzugt im Bereich von 10:1 bis 1:4, vorzugsweise im Bereich von 6:1 bis 1:2 und speziell bevorzugt im Bereich von 3:1 bis 1:3, liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Höhe des Abscheidebereichs bevorzugt im Bereich von 1 cm bis 100 cm, besonders bevorzugt im Bereich von 5 cm bis 20 cm liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Höhe des Trennbereichs bevorzugt im Bereich von 0,5 cm bis 20 cm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 cm bis 5 cm liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Höhe des Gasausleitbereichs bevorzugt im Bereich von 0,5 cm bis 20 cm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 cm bis 5 cm liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Höhe des Abscheidebereichs zur Höhe des Trennbereichs vorzugsweise im Bereich von 1:2 bis 10:1, besonders bevorzugt im Bereich von 1:1 bis 7:1 und speziell bevorzugt im Bereich von 3:1 bis 6:1 liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass Verhältnis der Höhe des Trennbereichs zur Höhe des Gasausleitbereichs im Bereich von 2:1 bis 1:10, besonders bevorzugt im Bereich von 1:1 bis 1:7 und speziell bevorzugt im Bereich von 1:3 bis 1:6 liegt..
Die zuvor dargelegten bevorzugten Eigenschaften des Gas-Flüssig-Abscheiders benötigen eine Definition der verschiedenen Bereiche, die jeweils in einem Fließkontakt miteinander stehen, da das Gemisch aus Gas- und Flüssigkeitsphase über den Abscheidebereich in den Trennbereich übergeleitet werden, in welchem die Flüssigkeit von der Gasphase getrennt wird und das Gas in den Gasausleitbereich überführt werden. Hierbei bildet die Abscheideöffnung die Trennung zwischen Abscheidebereich und Trennbereich, wobei die Ebene in der die Abscheideöffnung endet den Übergang zum Trennbereich markiert.
Der Übergang zwischen Trennbereich und Gasausleitbereich wird ebenfalls durch eine Öffnung markiert, die jedoch im Vergleich zur Abscheideöffnung relativ groß ist. Diese Öffnung ist definiert durch die Ebene, die auf der Höhe der Abscheideöffnung angeordnet ist und senkrecht zur Richtung der Gasflussrichtung des Gas-Flüssigkeitsgemisches in dem Abscheidebereich beziehungsweise parallel zur Flussrichtung der Gasphase verläuft, sobald diese die Abscheideöffnung vom Abscheidebereich kommend in den Trennbereich übergeht beziehungsweise beim Betrieb parallel zum Flüssigkeitsspiegel ist. Die durch die Ausdehnung der Öffnung definierte Ebene wird so ausgewählt, dass diese die Minimalfläche zwischen Trennbereich und Gasausleitbereich darstellt, wobei diese Ebene die Abscheideöffnung berührt und im Wesentlichen parallel zum Boden des Trennbereichs beziehungsweise beim Betrieb parallel zum Flüssigkeitsspiegel liegt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis von Eintrittsfläche des im Abscheidebereich vorgesehene Einlasses zum Abstand von Einlass und Pralleinheit im Bereich von 5:1 mm²/mm bis 1:10 mm²/mm, vorzugsweise 2:1 mm²/mm bis 1:5 mm²/mm liegt.
Ein bevorzugt einzusetzender Gas-Flüssigabscheider kann aus jedem bekannten Material hergestellt werden, solange die Anforderungen, die durch die Lösungsmittel und die physikalischen Gegebenheiten vorgegeben sind, erfüllt werden. Vorzugsweise kann ein transparentes Material eingesetzt werden, durch welches der Trennvorgang sichtbar ist, so dass bei Belagbildung oder ähnlichem eine rasche Fehleranalyse ermöglicht wird.
Vorzugsweise kann der Gas-Flüssigkeits-Separator aus Metallen, die vorzugsweise Säure- und Basenbeständig ausgestaltet sind, aus mineralischen Gläsern und/oder Kunststoffen, beispielsweise Fluorpolymeren, Polyetheretherketon (PEEK) oder ähnlichen Materialien, die vorzugsweise Lösemittelbeständig sind, hergestellt werden.
Der Gas-Flüssig-Abscheider weist vorzugsweise ein Volumen im Bereich von 20ml bis 100ml, besonders bevorzugt im Bereich von 20ml bis 50ml, auf. Bei einer im Wesentlichen quaderförmigen Gestalt, die beispielsweise im oberen und/oder unteren Bereich des Gas-Flüssig-Abscheiders, der durch die Einlassdüse beziehungsweise durch den Flüssigauslass gegeben ist, bogenförmig oder als Kuppel ausgestaltet sein kann, liegt die Höhe des Gas-Flüssig-Abscheiders vorzugsweise im Bereich von 8cm bis 150cm, besonders bevorzugt im Bereich von 10cm bis 12cm, wobei die Höhe durch die Längenausdehnung in Gasflussrichtung, als von Einlassdüse in Richtung Flüssigauslass gegeben ist. Die Breite und Tiefe des Gas-Flüssig-Abscheiders liegen jeweils vorzugsweise im Bereich von 15mm bis 60mm, besonders bevorzugt im Bereich von 15mm bis 25mm.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Gas-Flüssig-Abscheider nicht zylinderförmig ist, vorzugsweise eine im Wesentlichen quaderförmige Grundstruktur aufweist, die eine obere und eine untere bogenförmigen Abdeckung aufweist.
Der Aufbau und die Herstellung eines Gas-Flüssig-Abscheiders kann auf jede Weise erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Gas-Flüssig-Abscheider zerlegbar ausgestaltet sein, so dass einzelne Bauteile zusammen- und auseinander gebaut werden können. Hierdurch kann der Gas-Flüssig-Abscheider bei einer Verschmutzung leicht gereinigt werden. Beispielsweise kann ein im Wesentlichen quaderförmiger Grundkörper mit einer geeigneten Aussparung hergestellt werden, auf die eine Abdeckung, die Seitenwand dient über eine Verschraubung aufgebracht werden. Die als Abdeckung dienende Seitenwand kann die Funktion der Pralleinheit übernehmen und/oder als Teil der Gasleiteinheit übernehmen, wie dies zuvor beschrieben wurde. Ein weiterer Teil der Gasleiteinheit, der vorzugsweise weiterhin eine Seitenwand des Gasausleitbereichs darstellt, kann in dieser Ausführungsform in den im Wesentlichen quaderförmiger Grundkörper mit einer geeigneten Aussparung durch einen Formschluss, durch Verschweißen, vorzugsweise Laserschweißen, Verkleben oder ähnlichem befestigt werden, so dass die zuvor dargelegten Bereiche, insbesondere mindestens ein Abscheidebereich, mindestens ein Trennbereich und mindestens ein Gasausleitbereich entstehen.
Der Gas-Flüssig-Abscheider kann im Allgemeinen bei atmosphärischem Druck betrieben werden. Um jedoch eine Ansammlung von größeren Mengen an Flüssigkeit zu vermeiden, z.B. von Methanol kann der Gas-Flüssigkeits-Abscheider bei einem mäßigen inneren Gegendruck von beispielsweise im Bereich von 0,1 bar bis 4 bar von einem Rückdruckregler betrieben werden. Demgemäß kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie-Anlage nach dem Gasauslass ein Rückdruckregler vorgesehen ist, der vorzugsweise im Bereich von 1 bar bis 4 bar Überdruck (Absolutdruck 2 bar bis 5 bar), vorzugsweise 2 bar bis 3 bar Überdruck regelbar ist. Die über den Sammelkammerabschnitt gesammelte und durch den Flüssigkeitsauslasskanal bereitgestellte Flüssigkeitskomponente ermöglicht jedoch eine automatisierte Fraktionierung, die unter atmosphärischem Druck betrieben werden kann. Mit Hilfe des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders und vergleichbar mit konventioneller HPLC-Analyse kann auch für die SFC-Analyse eine vollautomatische Fraktionssammlung realisiert werden.
Da Innenwände und Bauteile des Gas- / Flüssigkeitsabscheiders im Abscheide- und im Trennbereich im Wesentlichen dauerhaft befeuchtet werden, kann sich nicht nur eine Selbstreinigungseffekt entwickeln, sondern es kann auch ein relativ geringer Grad an Kreuzkontamination von Proben erreicht werden. Als weiterer Vorteil induziert der Separator eine relativ geringe Peakverbreiterung in den resultierenden Chromatogrammen.
Die Gasphase des Aerosols kann je nach Art des Gases aufgefangen und aufbereitet werden oder, beispielsweise bei Verwendung von CO₂ auch in die Umgebung freigesetzt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie-Anlage einen Gas-Flüssig-Abscheider aufweist und nach dem Gasauslass des Gas-Flüssig-Abscheiders ein Regelventil vorgesehen ist.
Die Flüssigkeitsphase des Aerosols wird in einem Fraktionssammler gesammelt. Die gesammelten Fraktionen werden besonders bevorzugt automatisch als Hauptfraktionen gesammelt, während überschüssiges Lösungsmittel einer Aufbereitung oder einer Entsorgung unterworfen werden kann.
Die Verbindungsleitung zwischen dem Flüssigauslass des Gas-Flüssig-Abscheiders und des Fraktionssammlers kann bevorzugt so ausgestaltet sein, dass Reste der Gasphase, vorzugsweise CO₂-Reste über diese Verbindung entweichen können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie-Anlage einen Gas-Flüssig-Abscheider aufweist und nach dem Gas-Flüssig-Abscheider eine Vorrichtung zum weiteren Abtrennen von Gas vorgesehen ist, vorzugsweise ein gasdurchlässiger Schlauch. Hierfür kann ein semipermeables Kunststoffmaterial eingesetzt werden, beispielsweise Teflon, besonders bevorzugt AF 2400 (kommerziell erhältlich von DuPont).
Die Anzahl und die Größe der Sammelgefäße innerhalb des Fraktionssammlers unterliegen keiner bestimmten Begrenzung. Vorzugsweise umfasst der Fraktionssammler mindestens 5 Sammelgefäße, bevorzugt mindestens 10 Sammelgefäße, speziell bevorzugt mindestens 25 Sammelgefäße. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Fraktionssammler Sammelgefäße umfasst, die ein Sammelvolumen im Bereich von 5 bis 500 ml, vorzugsweise 10 bis 100 ml aufweisen.
Bevorzugt umfasst der Fraktionssammler Sammelgefäße, die im Wesentlichen ein gleiches Sammelvolumen aufweisen. Ein im Wesentlichen ein gleiches Sammelvolumen bedeutet beispielsweise, dass sich das Sammelvolumen der einzelnen Sammelgefäße um höchstens 10 ml, vorzugsweise um höchstens 5 ml unterscheidet.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Sammelgefäße des Fraktionssammlers als Prallabscheider ausgestaltet sind, wobei vorzugsweise die Einleitung der zu sammelnden Fraktion in einem Winkel im Bereich von 70 bis 120°, bezogen auf die Senkrechte, gegen eine Wand des Sammelgefäßes erfolgt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie-Anlage einen UV-Detektor umfasst. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Chromatographie-Anlage ein Massenspektrometer als Detektor umfasst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anlage einen UV-Detektor und ein Massenspektrometer.
Das SFC- Chromatographiesystem ist vorzugsweise bei einem Volumenstrom im Bereich von 10 ml/min bis 450 ml/min, besonders bevorzugt im Bereich von 50 ml/min bis 300 ml/min und speziell bevorzugt 100 ml/min bis 250 ml/min betreibbar. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das SFC- Chromatographiesystem vorzugsweise bei einem Volumenstrom von mindestens 10 ml/min, besonders bevorzugt von mindestens 50 ml/min und speziell bevorzugt von mindestens 100 ml/min betreibbar ist.
Überraschend kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit herkömmlichen HPLC-Anlagen nach überschaubaren Umbauten durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Umwandlungskit bereitgestellt, durch das ein Hochleistungs-Flüssig-Chromatographiesystem (HPLC) in ein SFC-System umwandelt werden kann. Ein derartiges Kit umfasst bevorzugt mindestens einen Gasflüssigkeitsabscheider, wie oben beschrieben. Vorzugsweise enthält das Kit weitere Komponente, wie diese nachfolgend beschrieben sind, um eine HPLC-Anlage in ein SFC-System umzuwandeln, wie beispielsweise Wärmetauscher oder Rückdruckregler.
Vielfach ist die Steuereinheit einer HPLC-Anlage nicht frei zugänglich, sondern auf die Eingabe üblicher Parameter, wie beispielsweise Flussrate, Volumen der Sammelgefäße des Fraktionssammlers, Zeitspanne, die eine zu sammelnde Flüssigkeit benötigt, um die Strecke zwischen Detektorsignal und dem Fraktionssammelventil zurückzulegen, usw. begrenzt. Eine variable Flussrate, wie sich diese vorliegend durch eine bevorzugte Abtrennung des zweiten Lösungsmittels am Fraktionssammler ergibt, kann vielfach nicht in die Steuereinheit einer HPLC-Anlage einprogrammiert werden. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, kann vorzugsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS-Einheit) bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird weiterhin eine zweite Steuereinheit, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS-Einheit) bereitgestellt, die in Wirkverbindung mit der Steuereinheit der HPLC-Anlage, der Pumpen, insbesondere der Pumpe für das erste Lösungsmittel und/oder dem Fraktionssammler dieser Anlage steht. Ferner kann die zweite Steuereinheit, beispielsweise die SPS-Einheit mit der Detektionseinheit, beispielsweise einem Massenspektrometer und/oder einem UV-Detektor, in Verbindung stehen, um beispielsweise ein Steuersignal an die Steuereinheit der HPLC-Anlage zu senden.
Zur Programmierung einer variablen Flussrate in einer vorgesehenen Steuerung kann vorzugsweise die Flussrate des ersten Lösungsmittels bestimmt werden, wobei dies beispielsweise durch Messen des ersten Lösemittelflusses vor oder nach der Lösemittelpumpe mit einem Durchflusssensor erfolgen kann. Ferner können Pumpen eingesetzt werden, die ein Auslesen der von der Chromatographiesoftware bereitgestellten Signale zulassen. Die entsprechenden Signale werden entsprechend an die zweite Steuereinheit, beispielsweise die SPS-Einheit geleitet und von dieser verarbeitet.
Bevorzugt wird in einem weiteren Schritt kann das Systemtotvolumen zwischen Pumpe und Fraktionssammelventil ermittelt. Dieses Totvolumen erzeugt eine System-Verzögerungszeit der ankommenden Lösemittelzusammensetzung am Fraktionssammelventil bei Gradientenfahrweise. Das Totvolumen besteht aus dem Innenvolumen aller Kappilaren/Rohrleitungen zwischen Pumpe und Fraktionssammelventil, dem Innenvolumen der Chromatographiersäule (Porosität der stationären Phase ist zu beachten). Zur Bestimmung des Totvolumens zwischen Pumpe und Fraktionssammelventil kann beispielsweise als zweites Lösungsmittel ein UV-absorbierendes Lösungsmittel eingesetzt werden, wobei anhand dessen Gradienten, der am UV-Detektor bestimmt werden kann, und der entsprechend im Fraktionssammler eingesammelt werden kann, das Totvolumen beziehungsweise die Totzeit ermittelt werden kann. Ferner kann das Totvolumen grob abgeschätzt werden und anhand dieser Schätzung ein erster Probelauf durchgeführt werden, wobei sämtliche Fraktionen eingesammelt werden (Schwellwert (threshold) = 0). Anhand der Füllhöhe der einzelnen Sammelgefäße kann das Totvolumen beziehungsweise die Totzeit anschließend optimiert werden. Bei zu geringer Füllhöhe wurde das Totvolumen beziehungsweise die Totzeit zu gering eingeschätzt; bei zu großer Füllhöhe (insbesondere bei einem Überlaufen) wurde das Totvolumen beziehungsweise die Totzeit zu groß eingeschätzt.
Zur Durchführung dieser Abwandlung des vorliegenden Verfahrens stellt die zweite Steuereinheit, beispielsweise die SPS-Einheit der Steuereinheit der HPLC-Anlage ein Steuersignal zur Verfügung, wobei dies in Abhängigkeit der konkreten Ausführungsform erfolgen kann. Beispielsweise kann die zweite Steuereinheit, beispielsweise die SPS-Einheit an die Steuereinheit der HPLC-Anlage über einen Eingang für einen weiteren Detektor oder über eine entsprechende Schnittstelle angeschlossen sein. Ferner kann vielfach zwischen dem Signal eines Detektors, vorzugsweise eines UV-Detektors und der Steuereinheit der HPLC-Anlage die zweite Steuereinheit, beispielsweise die SPS-Einheit zwischengeschaltet werden, so dass die Signale des Detektors zunächst in die zweite Steuereinheit, beispielsweise die SPS-Einheit geführt werden und von der zweiten Steuereinheit, beispielsweise der SPS-Einheit anschließend in die Steuereinheit der HPLC-Anlage.
Ferner sollte zur Durchführung dieser Abwandlung des vorliegenden Verfahrens der Volumenwert eines Sammelgefäßes des Fraktionssammlers entsprechend hoch gestellt werden, um ein frühzeitiges Schalten durch die Steuereinheit der HPLC-Anlage zu verhindern. Bei einem tatsächlichen Volumen von beispielsweise 20 ml sollte der Volumenwert eines Sammelgefäßes des Fraktionssammlers von mindestens 300 bis 400 ml eingegeben werden, je nach Anteil an erstem Lösungsmittel.
Bei einem Umbau einer üblichen HPLC-Anlage, die keinen umfassenden Zugriff auf die Steuerung erlaubt, kann insbesondere die Steuerung des Fraktionssammlers über eine zweite Steuereinheit, die beispielsweise als SPS-Einheit ausgestaltet ist, zumindest partiell erfolgen, wobei die zweite Steuereinheit, beispielsweise die SPS-Einheit in einer Wirkverbindung mit dem Fraktionssammler steht und vorzugsweise der zweiten Steuereinheit, beispielsweise der SPS-Einheit Daten über die Pumpleistung bzw. der Flussrate sowie dem Gradienten bereitgestellt werden. Ferner werden der zweiten Steuereinheit, beispielsweise der SPS-Einheit Detektordaten, vorzugsweise Signale eines UV-Detektors bereitgestellt.
Die Steuerung des Fraktionssammelventils wird vorzugsweise zumindest teilweise über die Steuereinheit der HPLC-Anlage ausgestaltet. Hierbei wird die Signalerkennung eines von einem Detektor erfassten Signals als zu sammelnde Fraktion vorzugsweise durch die Steuereinheit der HPLC-Anlage realisiert, während ein Wechsel des Sammelgefäßes vorzugsweise über die zweite Steuereinheit, die beispielsweise als SPS-Einheit ausgestaltet ist, bewirkt wird.
Die Signalerkennung kann beispielsweise über einen Schwellwert (Signalhöhe) und die Steigung des Signalverlaufs oder andere Faktoren des vom Detektor erfassten und an die Steuereinheit der HPLC-Anlage übermittelten Signals erfolgen, wobei diese entsprechend das Fraktionssammelventil umgeschaltet und das Sammelgefäß befüllt. Im Allgemeinen wird das Sammelgefäß solang befüllt bis das Signal nicht mehr den Kriterien entspricht, beispielsweise ein detektierter Peak unter den vorgesehenen Schwellwert abfällt. Ist die Sammelzeit für diesen Peak länger als das vorgegebene Volumen des Sammelgefäßes, wird der Sammelvorgang kurzzeitig unterbrochen, um den Sammelvorgang beim nächsten leeren Sammelgefäß wieder fortsetzen.
Problematisch ist hierbei, wie bereits ausgeführt, dass eine übliche HPLC-Software keinen Flussgradienten berücksichtigen kann, die gemäß den bevorzugten Ausführungsformen am Fraktionssammelventil vorhanden sind, da vorzugsweise das zweite Lösungsmittel überwiegend abgetrennt und die zu sammelnden Zusammensetzungen überwiegen das erste Lösungsmittel enthalten.
Die Berechnung der maximalen Füllhöhe durch die Steuereinheit der HPLC-Anlage wird vorzugsweise dadurch umgangen, dass in der in der Software zur Steuerung der HPLC-Anlage ein Fraktionssammelvolumen hinterlegt wird, welches beispielsweise 10-20-fach größer als das der realen Fraktionsgläser ist. Die Signalerkennung (Peakdetektion) ist aber hierbei vorzugsweise unberührt, d.h. Fraktionsende erfolgt immer noch über die Software der Steuereinheit der HPLC-Anlage. Da in bevorzugten Ausführungsformen am Fraktionssammelventil ein stetig ansteigender Flussgradient anliegt, verringert sich die maximale Fraktionssammelzeit entsprechend. Die maximale Fraktionssammelzeit wird daher vorzugsweise von einer zweiten Steuereinheit, beispielsweise einer SPS-Einheit bereitgestellt.
Dazu wird die Flussrate ermittelt, wobei dies nach den obigen Verfahren erfolgen kann. Der Gradientenverlauf des ersten Lösemittels wird vorzugsweise in ein Speicherarray der zweiten Steuereinheit, beispielsweise der SPS-Einheit periodisch abgelegt. Je nach Auflösung kann man beliebig viele Speicherzeilen verwenden. Gute Ergebnisse können beispielsweise bei einer Auflösung von einer Speicherzeile pro Sekunde erzielt werden.
Dieser Zusammenhang kann beispielsweise über folgende Formel (II) dargestellt werden: $\sum_{t = t_{S}}^{t_{n}} F_{L 1 (t)} Δ A_{S} = V_{m a x}$

wobei gilt:

F_L1 _(t): ist der Volumenstrom des ersten Lösungsmittels zum Zeitpunkt t (gemessen am oder berechnet für das Fraktionssammelventil)
ΔA_s: ist der Zeitraum, über den das Volumen einer einzelnen Volumenkomponente berechnet wird, wobei sich dieser aus der Auflösung des Speicherarrays ergibt. Die Auflösung des Speicherarrays ergibt sich aus der Anzahl der Speicherzellen und der Totzeit des Systems (Laufzeit zwischen Pumpenausgang und Fraktionssammelventil).
V_max: ist das maximale Volumen des Sammelgefäßes
t_s: ist der Startzeitpunkt, zu dem das Detektorsignal eine zu sammelnde Fraktion anzeigt und zu dem gesammelt wird
t_n: ist der Endzeitpunkt, bis zu dem eine zu sammelnde Fraktion in ein Sammelgefäß eingeleitet werden kann

Demgemäß wird fortlaufend das Gesamtvolumen aus der Summe der einzelnen Volumenkomponenten berechnet und zu dem Zeitpunkt zu dem dieses Gesamtvolumen gleich dem maximalen Volumen des Sammelgefäßes ist, an den Fraktionssammler ein Signal zur Durchführung eines Wechsel des Sammelgefäßes gesendet. Hierbei wird das maximale Volumen des Sammelgefäßes (V_max) so gewählt, dass ein Überlaufen des Sammelgefäßes vermieden werden kann.
Zur Erläuterung wird folgendes Zahlenbeispiel gegeben, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll:
Bei einer Speicherzeilenauflösung von 1s und einer Systemverzögerungszeit von 60s benötigt man einen Speicherarray von 60 Zeilen. In diesem Speicherarray ist somit immer der aktuelle Gradientverlauf der letzten 60s abgelegt und wird jede Sekunde aktualisiert. D.h. der Speicherwert der 60s „alt“ ist wird mit dem aktuellen Flusswert überschrieben. Allerdings erfolgt das Überschreiben erst nachdem gegebenenfalls dieser Wert beispielsweise für die Berechnung des Sammelvolumens ausgelesen wurde.
Ab dem Zeitpunkt bei dem das Fraktionssammelventil schaltet bekommt die SPS (über die Steuerspannung des Ventils) das Signal zum Integrieren des angesammelten Volumens im Fraktionsglas. Dabei wird der Gradientenverlauf berücksichtigt. D.h. ab der „ältesten“ Speicherzeile, die dem Anteil an erstem Lösungsmittel am Fraktionssammelventil entspricht, wird sekundengenau aufsummiert und mit dem hinterlegten Fraktionsvolumen verglichen. Ist aufsummiertes Fraktionsvolumen gleich hinterlegtes Fraktionsvolumen (wird in der SPS abgelegt) wird von der SPS ein Signal an die Chromatographiesoftware zum Wechsel des Fraktionssammelgefäßes gesendet. Die Art und Länge dieses Signals ist von der umzubauenden HPLC-Anlage abhängig. Beispielsweise kann ein entsprechendes Signal über den Eingang des UV-Detektors an die HPLC-Steuereinheit gesendet werden, welches zum Beispiel 500ms lang ist.
In der Chromatographiesoftware hat man zuvor einen entsprechenden Auslöser („Trigger“) programmiert, so dass der UV-Detektor und „SPS-Detektor“ logisch miteinander verknüpft sind.
Hieraus ergeben sich beispielhaft folgende Zusammenhänge:

T_sys = System-Verzögerungszeit = 60s
n_SZ = Anzahl Speicherzeilen = 60
Speichertakt: 1Hz (jede Sekunde wird eine neue Speicherzeile beschrieben) $A_{S} = A u f l ö s u n g S p e i c h e r a r r a y = \frac{T_{S Y S}}{n_{S Z}} = \frac{60 s}{60} = 1 s$
F(t)_G = Fluss zum Zeitpunkt t im Gradientverlauf in ml/min
$V_{S} = S p e i c h e r z e i l e n v o l u m e n = \frac{F {(t)}_{G}}{60} \cdot A_{S}$
V_max = maximales Fraktionsvolumen
die zur nachfolgenden Formel zusammengefasst werden können $\sum_{F {(t)}_{G S t a r t}}^{F {(t)}_{G E n d e}} (V_{S}) = V_{m a x}$

Falls die umzubauende HPLC-Anlage eine wesentliche Verzögerung zwischen Schaltsignal und tatsächlicher Schaltung am Fraktionssammelventil aufweist, so muss diese Schaltverzögerung bei der Berechnung des Volumens berücksichtigt werden. Dies ist vielfach der Fall, falls die umzubauende HPLC-Anlage beispielsweise mit einem Massenspektrometer ausgestattet ist. Die Auswertung des Massenspektrometrie-Signals benötigt im Allgemeinen einen relativ großen Zeitraum, der vielfach im Bereich von 1s bis 10s, beispielsweise etwa 4s bis 6s liegt. Vielfach wird bei diesen Anlagen daher ein Zusatzvolumen vorgesehen, wie dies zuvor und nachfolgend näher ausgeführt wird.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Füllungsgrad des Sammelgefäßes über eine Summation des Volumens erfolgt, das über einen Zeitraum in das Sammelgefäß eingeleitet wird, wobei die einzelnen Volumenkomponenten der Summenbildung über das Produkte aus der Flussrate, dem Zeitraum, über den die Volumenkomponente gesammelt wird, und dem Anteil des ersten Lösungsmittels in der Lösungsmittelzusammensetzung zum Startzeitpunkt der jeweiligen Volumenkomponente bestimmt wird, wobei die Zeit, die zur Bestimmung des Massenspektrometrie-Signals benötigt wird, durch ein Zusatzvolumen bei der Summation berücksichtigt wird, wobei in der Steuerungseinheit das Volumen des Sammelgefäßes hinterlegt wird.
Dieser Zusammenhang kann beispielsweise über folgende Formel (III) dargestellt werden: $\sum_{t = t_{S}}^{t_{n}} F_{L 1 (t)} Δ A_{S} + \sum_{t = t_{n}}^{t_{n} + τ_{v}} F_{L 1 (t)} Δ A_{S} = V_{m a x}$
wobei gilt:

F_L1(t): ist der Volumenstrom des ersten Lösungsmittels zum Zeitpunkt t (gemessen am Fraktionssammelventil
ΔA_s: ist der Zeitraum, über den das Volumen einer einzelnen Volumenkomponente berechnet wird, wobei sich dieser aus der Auflösung des Speicherarrays ergibt. Die Auflösung des Speicherarrays ergibt sich aus der Anzahl der Speicherzellen und der Totzeit des Systems (Laufzeit zwischen Pumpenausgang und Fraktionssammelventil).
V_max: ist das maximale Volumen des Sammelgefäßes
t_s: ist der Startzeitpunkt, zu dem das Detektorsignal eine zu sammelnde Fraktion anzeigt und zu dem gesammelt wird
t_n: ist der Endzeitpunkt, bis zu dem eine zu sammelnde Fraktion in ein Sammelgefäß eingeleitet werden kann
τ_v: ist die Verzögerungszeitspanne, also die Zeitspanne zwischen Schaltsignal und tatsächlicher Schaltung am Fraktionssammelventil

Demgemäß wird ein Zusatzvolumen zur Berechnung gegenüber Formel (II) vorgesehen, welches kontinuierlich berechnet wird.
Hieraus ergeben sich beispielhaft folgende Zusammenhänge:

Annahme: 6s Signalverzögerungszeit Massenspektrometer
Heutige Massenspektrometer haben eine Signalverarbeitungszeit von bis zu 6s gegenüber dem UV-Detektorsignal.

Falls die umzubauende HPLC-Anlage eine Signalverzögerungszeit von 6s aufweist, muss das SPS-Signal um 6s früher ausgegeben werden, da sonst das Fraktionsglas um das Volumen der 6s überlaufen würde. Beim Fraktionsstart wird bei der Volumenberechnung das Volumen der folgenden 6s von Anfang an dazu addiert. Dabei wird der Gradientverlauf für den Zeitraum der 6s permanent mitverfolgt.
Mit den zuvor dargelegten Symbolen kann dies zur nachfolgenden Formel zusammengefasst werden: $\sum_{F {(t)}_{G S t a r t}}^{F {(t)}_{G E n d e}} (V_{S}) + \sum_{F {(t)}_{a k t u e l l}}^{F {(t)}_{a k t u e l l + 6 s}} (V_{S}) = V_{m a x}$
Hierbei entspricht F_(t) aktuell dem jeweiligen Fluss des ersten Lösungsmittels, wobei F_(t) aktuell zum Ende F_{(t) G Ende} entspricht.
Nachfolgend sollen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von vier Figuren beispielhaft beschrieben werden, ohne dass hierdurch eine Begrenzung der Erfindung erfolgen soll. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Chromatographiesystems zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
2 eine schematische Längsschnittdarstellung eines bevorzugt einsetzbaren Gas-Flüssig-Abscheiders,
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines bevorzugt einsetzbaren Gas-Flüssig-Abscheiders,
4 eine schematische Aufsicht eines bevorzugt einsetzbaren Gas-Flüssig-Abscheiders,

1 zeigt in schematischer Darstellung ein Chromatographiesystem 100 mit einem erfindungsgemäßen Gas-Flüssig-Abscheider 130, welche für eine überkritische Flüssigkeitschromatographie geeignet ist.
Ein solches System wird beispielhaft unter Verwendung von überkritischem CO₂ beschrieben, wobei Methanol als exemplarisches Lösungsmittel dargestellt wird. Selbstverständlich sind Systeme in denen andere Lösungsmittel, vorzugsweise organische Lösungsmittel eingesetzt werden, oder andere überkritische Fluide verwendet werden, ähnlich aufgebaut.
Wie in 1 gezeigt ist, werden die jeweiligen Fluide in Vorratsbehältern vorgehalten, insbesondere das weiterhin in einem überkritischen Zustand eingesetzte Gas in einem Speichertank 102 und das Lösungsmittel einem Speichertank 104 bereitgestellt, welche über jeweils über eine Pumpe 106, 108 gefördert aus den Speichertanks 102, 104 zu den weiteren Bestandteilen der Anlage werden können. In dem vorliegend beschriebenen System 100 ist vorzugsweise in jeder Fluidzuleitung eine Vorbereitungsstufe 110, 112 vorgesehen, über die die Flüssigkeiten temperiert werden können. Ferner kann eine Nivellierung der durch die Pumpen indizierten Druckschwankungen bereitgestellt werden. Demgemäß kann diese Vorbereitungsstufe beispielsweise als Wärmetauscher oder als Pumpe ausgebildet sein. In der Lösungsmittelleitung kann bevorzugt eine Zugabeeinheit 114 vorgesehen sein, beispielsweise ein Injektor, über den eine aufzutrennende Mischung in das System 100 eingeleitet werden, bevor das CO₂ und das Lösungsmittel in einen Mischer 116 geleitet und von diesem einer Chromatographiesäule 118 zugeführt werden.
In dem vorliegenden System 100 sind der Chromatographiesäule 118 zwei Analyseeinheiten nachgeschaltet, wobei hierzu eine Probeausleiteinheit 120 mit einem Massenspektrometer 122 verbunden ist und nach der Probeausleiteinheit ein UV-Detektor 124 vorgesehen ist. Nach der Analyseeinheit ist vorliegend eine Einrichtung zur Bereitstellung eines Zusatzvolumens 125 dargelegt, welches insbesondere dazu dient, die Laufzeit der Flüssigkeit zu erhöhen, um Ergebnisse beispielsweise des Massenspektrometers 122 auswerten zu können. Der in der Leitung nach der Einrichtung zur Bereitstellung eines Zusatzvolumens 125 vorgesehene Rückdruckregler 126 hält den jeweiligen Druck aufrecht, der notwendig ist, dass das Fluid in einem überkritischen Zustand verbleibt. Nach dem Rückdruckregler 126 ist ein Wärmetauscher 128 vorgesehen, der ein Einfrieren des Aerosols beim Entspannungsvorgang verhindert. Nachfolgend wird das Aerosol in einen erfindungsgemäßen Gas-Flüssig-Abscheider 130 eingeleitet, wobei das Gas der Anlage über Auslass 132 abgeleitet wird.
Die Flüssigkeit wird in einen Fraktionssammler 134 eingeleitet und in diesem fraktioniert. Das in den fraktionierten Proben enthaltene Lösungsmittel kann aus den Proben entfernt werden.
2 beschreibt einen bevorzugt einsetzbaren Gas-Flüssig-Abscheider 10 in einer Längsschnittdarstellung.
Der Gas-Flüssig-Abscheider 10 umfasst einen Abscheidebereich 12 mit einer Einlassdüse 14, einer Pralleinheit 16 und einer Gasleiteinheit 18. Die Gasleiteinheit 18 wird von der vorliegend als Prallplatte ausgebildeten Pralleinheit 16 einer Gasbeschleunigungsplatte 20 sowie im Längsschnitt nicht dargestellten weiteren zwei Seitenwänden gebildet. Dargestellt ist insbesondere die vorliegend keilförmig ausgebildete Form des Abscheidebereichs 12, durch die ein Gas ausgehend von Bereich der Einlassdüse 14 hin zur Abscheideöffnung 22 beschleunigt wird.
Die vorliegend als Prallplatte ausgebildeten Pralleinheit 16 kann eine strukturierte oder glatte Oberfläche aufweisen. Die Gasbeschleunigungsplatte 20 kann von Richtung Einlassdüse 14 in Richtung Abscheideöffnung 22 eben sein oder leicht konkav gekrümmt, so dass die vorliegend ersichtliche Abnahme des Abstands zwischen Prallplatte 16 und Gasbeschleunigungsplatte 20 verringert wird. Nach oben ist der Abscheidebereich 12 über einen oberen Abschluss 24 begrenzt.
Der Der Gas-Flüssig-Abscheider 10 umfasst einen Trennbereich 26 mit einem Flüssigauslass 28, wobei der Trennbereich 26 über die Abscheideöffnung 22 mit dem Abscheidebereich 12 verbunden ist, so dass der Abscheidebereich 12 in Fließkontakt mit dem Trennbereich 26 steht.
Vorliegend bildet die Prallplatte ausgebildeten Pralleinheit 16 eine Seitenwand des Trennbereichs 26. Der Boden des Gas-Flüssig-Abscheiders 10 wird vom unteren Abschluss des Trennbereichs 26 gebildet. Dieser Boden kann so ausgestaltet sein, dass der Flüssigauslass 28 an der tiefsten Stelle des Bodens vorgesehen ist.
Eine Seitenwand 32 des Gasausleitbereichs 30 sowie den beiden im Längsschnitt nicht dargestellten Seitenwänden bilden zusammen mit einer Öffnung 34, die zwischen Gasausleitbereich 30 und dem Trennbereich 26 vorgesehen ist, sowie der Abscheideöffnung 22 die weiteren Begrenzungen des Trennbereichs.
Im Trennbereich 26 wird die Gasphase von der Flüssigkeitsphase getrennt, wobei vorzugsweise das Gas durch die Gasleiteinheit 18 in Richtung Abscheideöffnung 22 beschleunigt wird, so dass die Flüssigkeit in Richtung Boden des Trennbereichs 26 überführt wird.
Die Gasphase wird über die Öffnung 34, die zwischen Gasausleitbereich 30 und dem Trennbereich 26 vorgesehen ist, in den Gasausleitbereich 30 geleitet. Der Gasausleitbereich 30 ist vorliegend so ausgestaltet, dass das Gas in Richtung Gasauslass 34, der im Gasausleitbereich 30 vorgesehen ist beschleunigt wird.
Vorliegend bildet die Rückwand der zuvor beschriebenen Gasbeschleunigungsplatte 20 zusammen mit der in den Trennbereich ragenden Seitenwand 32 eine entsprechende Keilform, wobei eine Kante der Gasbeschleunigungsplatte 20 mit der Seitenwand 32 verbunden ist.
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines bevorzugt einsetzbaren Gas-Flüssig-Abscheiders 10, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile beschreiben.
Zu sehen sind insbesondere die zuvor nicht dargestellten Seitenwände 36, 38 des Gas-Flüssig-Abscheiders 10. Ferner sind die Zuleitung 40 des Aerosols und die Ableitung für das Gas 42 dargestellt.
Ferner ist ersichtlich, dass in dieser Ausführungsform die als Prallplatte ausgebildeten Pralleinheit 16 eine rillenförmige Oberflächenstruktur aufweist.
4 zeigt eine schematische Aufsicht eines bevorzugt einsetzbaren Gas-Flüssig-Abscheiders 10, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile beschreiben. Ersichtlich ist insbesondere die bevorzugte Ausgestaltung des unteren Abschluss 44 des Trennbereichs 26 und des oberen Abschluss 24 des Abscheidebereichs 12, die vorliegend jeweils bogenförmig ausgestaltet sind.
Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/012962 A1 [0009, 0060]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. W. Neumann, Über die Messmethodik zur Bestimmung grenzflächenenergetischer Größen, Teil I, Zeitschrift für Phys. Chem., Bd. 41, S. 339-352 (1964) [0073]
A. W. Neumann, Über die Messmethodik zur Bestimmung grenzflächenenergetischer Größen, Teil II, Zeitschrift für Phys. Chem., Bd. 43, S. 71-83 (1964) [0073]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Fraktionierungssammlers bei einer Chromatographie, wobei eine Lösungsmittelzusammensetzung in eine Chromatographiesäule gepumpt wird, die zumindest einen Anteil an einem ersten Lösemittel enthält, das bei Normalbedingungen flüssig ist, und einen Anteil an einem zweiten Lösemittel enthält, das bei Normalbedingungen gasförmig ist, und die aus der Chromatographiesäule fließende Zusammensetzung zumindest teilweise in einen Detektor eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine das erste Lösungsmittel enthaltende Zusammensetzung nach dem Verlassen der Chromatographiesäule in Abhängigkeit des Detektorsignals in ein Sammelgefäß des Fraktionssammlers eingeleitet wird und die Menge an Flüssigkeit, die in ein Sammelgefäß des Fraktionssammlers eingeleitet wird, in Abhängigkeit des Anteils an dem ersten Lösungsmittel gewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in eine Chromatographiesäule gepumpte Lösungsmittelzusammensetzung im Laufe der Chromatographie verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des ersten Lösungsmittels in der Lösungsmittelzusammensetzung über den Zeitpunkt des Beginns der Fraktionssammlung bestimmt wird, wobei vorzugsweise einer Steuerungseinheit die über den Zeitverlauf vorgesehene Lösungsmittelzusammensetzung eingegeben wird und basierend auf dem Startzeitpunkt des Sammelns der Anteil an erstem Lösungsmittel bestimmt wird und basierend auf diesem Anteil sowie der Flussrate die Sammelzeit für ein Sammelgefäß festgelegt wird, wobei in der Steuerungseinheit das Volumen des Sammelgefäßes hinterlegt wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllungsgrad des Sammelgefäßes über eine Summation des Volumens erfolgt, das über einen Zeitraum in das Sammelgefäß eingeleitet wird, wobei die einzelnen Volumenkomponenten der Summenbildung über das Produkte aus der Flussrate, dem Zeitraum, über den die Volumenkomponente gesammelt wird, und dem Anteil des ersten Lösungsmittels in der Lösungsmittelzusammensetzung zum Startzeitpunkt der jeweiligen Volumenkomponente bestimmt wird, wobei in der Steuerungseinheit das Volumen des Sammelgefäßes hinterlegt wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lösungsmittel, welches in der Zusammensetzung nach der Chromatographiesäule enthalten ist, vor dem Einleiten in den Fraktionssammler zumindest teilweise abgetrennt wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas-Flüssig-Abscheider eingesetzt wird und der Druck im Gas-Flüssig-Abscheider im Bereich von 0,1 bar bis 4 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 3,5 bar und besonders bevorzugt 1 bar bis 3 bar liegt (Überdruck).
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fraktionierung bei einem geringeren Druck betrieben wird als der Gas-Flüssig-Abscheider, wobei vorzugsweise der Druckunterschied im Bereich von 0,1 bar bis 4 bar, vorzugsweise 0,5 bar bis 3,5 bar und besonders bevorzugt 1 bar bis 3 bar liegt.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fraktionssammler über eine Steuerung gesteuert wird und die Steuerung mit dem Detektor in Wirkverbindung steht, wobei nach Beendigung der Detektion einer Substanz durch den Detektor ein Steuerimpuls an den Fraktionssammler geleitet wird, der einen Wechsel des Sammelgefäßes bewirkt.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Festlegung des Zeitpunkts des Sammelbeginns für die Einleitung der zu sammelnden Fraktionen das Flüssigkeitsvolumen der Leitungen und Vorrichtungen zwischen dem Detektor bis zum Trennpunkt berücksichtigt wird, bei dem die zu sammelnden Fraktionen von den zu verwerfenden Fraktionen getrennt wird.
Chromatographie-Anlage zur Durchführung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromatorgraphie-Anlage eine Steuerung umfasst, die in Wirkverbindung mit einem Detektor und einem Fraktionssammler steht und die Steuerung so programmierbar ist, dass die Menge an Flüssigkeit, die in ein Gefäß des Fraktionssammlers einleitbar ist, in Abhängigkeit des Anteils an dem ersten Lösungsmittel festlegbar ist.
Chromatographie-Anlage gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fraktionssammler Sammelgefäße umfasst, die im Wesentlichen ein gleiches Sammelvolumen aufweisen.
Chromatographie-Anlage gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelgefäße des Fraktionssammlers als Prallabscheider ausgestaltet sind, wobei vorzugsweise die Einleitung der zu sammelnden Fraktion in einem Winkel im Bereich von 70 bis 120°, bezogen auf die Senkrechte, gegen eine Wand des Sammelgefäßes erfolgt.
Chromatographie-Anlage gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromatographie-Anlage einen UV-Detektor umfasst.
Chromatographie-Anlage gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromatographie-Anlage einen Gas-Flüssig-Abscheider aufweist und nach dem Gasauslass des Gas-Flüssig-Abscheiders ein Regelventil vorgesehen ist.
Umwandlungskit zum Umbau eines Hochleistungs-Flüssig-Chromatographiesystems zu einer Chromatographie-Anlage gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kit mindestens einen Gasflüssigkeitsabscheider und mindestens eine zweite Steuereinheit aufweist.