DE102019004920A1

DE102019004920A1 - Chromatographisches Verfahren zur kontinuierlichen Trennung und Fraktionierung von Vielstoffgemischen, und eine dazu geeignete Vorrichtung

Info

Publication number: DE102019004920A1
Application number: DE102019004920.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer; Steffen Kapelle
Original assignee: Fischer Analytics GmbH
Current assignee: Fischer Analytics GmbH
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches chromatographisches Verfahren zur Trennung und Fraktionierung von Stoffgemischen enthaltend mindestens zwei unterschiedliche Komponenten, bei dem eine Lösung eines Stoffgemischs in einem Lösungsmittel in einer Trenneinrichtung unter Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Phasen A und B, jeweils einzeln oder als Mischung als Eluens bezeichnet, und mindestens einer stationären Phase derart aufgetrennt wird, dass kontinuierlich aus der Trennvorrichtung ein Eluat entnommen wird, das abwechselnd aus mindestens einem Strom S1 oder einem Strom S2, oder gleichzeitig aus den mindestens zwei Strömen S1 und S2 besteht, wobei die mindestens zwei Ströme S1 und S2 aus verschiedenen Auslässen der Trenneinrichtung entnommen werden, von denen S1 überwiegend eine erste Komponente K1, und S2 überwiegend eine zweite Komponente K2 enthält, wobei das zu trennende Stoffgemisch kontinuierlich in eine Trenneinrichtung eingegeben wird, die mindestens eine stationäre Phase und mindestens zwei unterschiedliche mobile Phasen aufweist, und bei der sich die Verteilungskonstanten für die zu trennenden Komponenten der Stoffgemische zwischen mobiler Phase und stationärer Phase voneinander unterscheiden, und dass die mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Phasen im Kreuz- oder Querstrom zueinander geführt werden.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein chromatographisches Verfahren zur kontinuierlichen Trennung und Fraktionierung von Vielstoffgemischen, und eine dazu geeignete Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Die Trennung von Stoffgemischen in Einzelkomponenten von genügender Reinheit ist eines der wichtigsten Probleme in der Chemie, früher daher auch „Scheidekunst“ genannt. Trennverfahren sind wichtig beispielsweise bei der Aufbereitung von Erzen, bei der Reindarstellung von pharmazeutisch wirksamen Verbindungen, und auch bei der Wiederaufbereitung von Werkstoffen oder Packmitteln nach Gebrauch. Generell werden für die Auftrennung kontinuierliche Prozesse vorgezogen, da sich diese in dem erforderlichen Maßstab und zu vertretbaren Kosten ausführen lassen.
Insbesondere bei biologisch und medizinisch angewendeten Chemikalien wie Proteinen, Aminosäuren, Peptiden, Nucleosiden, Zuckern, Enzymblockierungsmitteln, bieten chromatographische Verfahren die gewünschte Trennleistung, die erforderliche Schonung der Stoffe, und sind den gewünschten Menge der Stoffe angepasst.
Aus der Analytik solcher Stoffe sind chromatographische Verfahren bekannt. Neben der „klassischen“ eindimensionalen Chromatographie (Gaschromatographie und planare Flüssig-Chromatographie umfassend Papier- und Dünnschicht-Chromatographie, Säulenchromatographie umfassend Hochdruck-Flüssig-Chromatographie „HPLC“ und Gelchromatographie, englisch bezeichnet als „Size-Exclusion Chromatography“, „SEC“, für Lösungen von Polymeren, und speziellen Verfahren wie zum Beispiel Membranchromatographie) werden auch sogenannte mehrdimensionale Verfahren beschrieben, bei denen eine flüssigchromatographische („LC“) Trennung mit einer zweiten LC-Trennung oder mit einer Trennung durch Elektrophorese (nur bei geladenen Teilchen als Analyten möglich) kombiniert wird, sowie auch eine konsekutive Entwicklung eines Papier- oder Dünnschichtchromatogramms in zwei senkrecht (orthogonal) zueinander stehenden Richtungen, oder die Verbindung von Gaschromatographie mit einem Massenspektrometer als Detektor.
Bei einer zweidimensionalen LC-Trennung (LC × LC) wird das in zwei oder mehrere Schnitte getrennte Eluat aus der ersten Säule als Mehrzahl von Proben voneinander getrennt in ein zweites System ebenfalls bestehend aus Eluens-Pumpe, Trennsäule, Auslass und Detektor eingegeben, wobei eine andere stationäre Phase und/oder ein anderes Eluens als im ersten System verwendet wird. Dieses Verfahren ist seit den späten 1970er Jahren bekannt und wurde in den 1990er Jahren zur Trennung von komplexen Stoffmischungen, insbesondere Proteinen in biologischen Flüssigkeiten wie Blut oder Urin, mit Erfolg angewendet.
Zweidimensionale oder mehrdimensionale Chromatographie sind beispielsweise beschrieben in den Patentanmeldungen CN 1029 61892 A und CN 108562678 A , und offenbaren Konfigurationen mit wenigen Säulen, die durch Mehrwegventile mit unterschiedlichen Elutionsmitteln durchspült werden. In der Patentanmeldung WO 2017/213528 A1 ist eine Kombination beschrieben aus Elektrophorese und HPLC in einer planaren, unter hohem Druck befindlichen Chromatographiekammer mit zwei Elektroden.
Bekannte kontinuierliche chromatographische Verfahren zur präparativen Chromatograhie sind:

- die Gegenstromchromatographie (englisch „simulated moving bed chromatography“, SMB), wobei ein SMB-System mindestens zwei identische Säulen umfasst, die an eine Pumpe für die mobile Phase und untereinander durch Vielwegventile angeschlossen sind. Die Verbindungen sind derart, dass a) alle Trennkolonnen in Serie angeordnet sind, zur Bildung eines einzigen gleichmäßigen Kreises; b) zwischen jedem Paar der Trennkolonnen sind Ein- und Auslässe für die Prozess-Ströme vorgesehen, nämlich ein Einlass für die Zufuhr der zu trennenden Lösung („feed mixture“), ein Auslass für die zuerst eluierende gereinigte Substanz, die die geringsten Wechselwirkungen mit der mobilen Phase aufweist; einen Auslass für die später eluierende Substanz, die größere Wechselwirkungen mit der mobilen Phase aufweist und daher zurückgehalten wird; und einen Einlass für Lösungsmittel oder Elutionsmittel; c) jeder der Prozess-Ströme wird nach einer durch Vorversuche bestimmten Zeit („step time“) in der Flussrichtung an den Vielwegventilen umgeschaltet. Derartige Verfahren sind für Zweistoff-Mischungen beschrieben in Z. Molnar et al., J. Chromatogr. A 1075 (2005), Seiten 77 bis 86, für Dreistoff-Mischungen in T. Masuada et al., US 5,198,120A , in J. W. Lee et al., J. Chromatogr. A 1217 (2010), Seiten 3418 bis 3426, in P. Wankat, Ind. Eng. Chem. Res. 40 (2001), Seiten 6195 bis 6193, und in J. Nowak et al., in J. Chromatogr. A 1253 (2012), Seiten 58 bis 70, und als Konfiguration mit 5 Säulen in G. Paredes et al., Ind. Eng. Chem. Res. 43 (2004), Seiten 6157 bis 6167, und
- die kontinuierliche Mehrsäulen-Gegenstrom-Lösungsmittelgradienten-Aufreinigung („Continuous Multicolumn Countercurrent Solvent Gradient Purification“, MCSGP), wobei beispielsweise ein 6-Säulen-SMB-System mit zusätzlichen Lösungsmittel-Einlässen vor Beginn jeder Säule ausgerüstet ist, um die Konzentration des Modifizierungsmittels in jeder Säule zu jeder Zeit anzupassen, und bei jedem Umschalten der Reihenfolge der Säulen (nach Erreichen der in Vorversuchen ermittelten „step time“ wird durch Drehung an einem Mehrwegeventil Säule 6 an die Stelle von 5, Säule 5 an die Stelle von Säule 4, Säule 4 an die Stelle von Säule 3, Säule 3 an die Stelle von Säule 2, Säule 2 an die Stelle von Säule 1, und Säule 1 an die Stelle von Säule 6 gesetzt) sicherzustellen, dass die Konzentration des Modifizierungsmittels am Beginn der Säule in der neuen Position gleich der am Ende der Säule in der alten Position ist, wie beschrieben in L. Aumann, Biotechnology and Bioengineering 98 (2007), Seiten 1043 bis 1055. Eine verbesserte Version mit verringerter Anzahl von Säulen, bis zu nur zwei Säulen, hat zwar den Nachteil, nicht völlig kontinuierlich zu sein (Probenaufgabe und Entnahme des Reinprodukts erfolgen nur in einer der beiden Schaltstellungen), jedoch ist der apparative Aufwand geringer und das Verfahren durch einen hierfür entwickelten PID-Regler robust, wie am Beispiel einer Trennung von drei Proteinen gezeigt wurde. Verfahren und Vorrichtung sind beschrieben in M. Krättli et al., J. Chromatogr. A 1293 (2013), Seiten 51 bis 59.

Nach dem Stand der Technik existieren somit zwar kontinuierliche flüssigchromatische Konzepte, diese weisen aber zum Teil erhebliche Nachteile auf. Insbesondere sind die meisten Systeme nur für die Trennung eines binären bzw. pseudobinären Gemisches ausgelegt und können nur mit großem technischem und investivem Mehraufwand für die Trennung von ternären oder Vielstoffgemischen umgebaut bzw. erweitert werden.
In der Monographie „Modern Advances in Chromatography‟, Band 76, aus der Reihe „Advances in Biochemical Engineering/ Biotechnology", herausgegeben 2002 von R. Freitag, ist von J. Wolfgang und A. Prior, Seiten 233 bis 254, ein kontinuierlich betriebenes präparatives Chromatographieverfahren unter dem Titel „Continuous Annular Chromatography“ beschrieben. Die stationäre Phase bildet einen Zylinderring zwischen zwei konzentrischen Zylindern. Dieses ringförmige Bett rotiert langsam um seine vertikale Achse. Unter isokratischen Elutionsbedingungen wird die aufzutrennende gelöste Mischung kontinuierlich durch eine raumfest angeordnete Einspeiseöffnung dosiert, während der restliche Zylinderring mit dem Elutionsmittel (Eluens) gespült wird. Mit der Zeit bilden sich spiralartige Banden in dem die stationäre Phase bildenden Zylinderring ausgehend von der Einspeiseöffnung, wobei deren Neigung von der Elutionsgeschwindigkeit, der Rotationsgeschwindigkeit, und den Verteilungskonstanten der Komponenten der Mischung zwischen mobiler und stationärer Phase bestimmt wird. Im Fließgleichgewicht enden die Spiralen der einzelnen Banden in festen Bereichen am Boden des ringförmigen Bettes, und können dort über Auslassöffnungen entnommen werden. Unter nicht-isokratischen Bedingungen (beispielsweise bei der Ionenaustausch-Chromatographie) lassen sich Teile des ringförmigen Bettes, die gerade keine Zugabe erhalten, mit Waschpufferlösung, Elutionspufferlösung, Regenerierungspufferlösung oder Äquilibrierungspufferlösung fluten.
Bekannte Nachteile dieser Technik sind vor allem die schlechte Reproduzierbarkeit der Packung des ringförmigen Bettes, und die Dimensionierung des ringförmigen Bettes, die für Stoffe mit geringen Unterschieden in den Verteilungskonstanten sehr groß werden kann. Die Kapazität für die zu trennenden Substanzen wird durch die Dicke des ringförmigen Bettes limitiert, wobei dickere ringförmige Betten empfindlicher für Ungleichmäßigkeiten in der Dichte der Packung sind. Die annulare Chromatographie ist jedoch nicht für die in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) üblichen Hochdruck-Bereiche geeignet und erreicht auch nicht die erforderlichen Trennschärfen. Ein Anwendungsfall für dieses Chromatographieverfahren ist beschrieben in S. Schmidt et al., Chemie Ingenieur Technik 75 (2003), Seiten 302 bis 305.
Aufgabe der Erfindung
Es bestand daher die Aufgabe, ein kontinuierliches chromatographisches Trennverfahren anzugeben, das ein in einem Fluid gelöstes Stoffgemisch in Einzelkomponenten auftrennt, und dabei die getrennten Einzelkomponenten in hohe Reinheit und hoher Ausbeute ergibt. Dabei wird insbesondere in der Analytik das gelöste Stoffgemisch auch als „Probe“ bezeichnet, im Englischen „Feed“, und die Einzelkomponenten, auch „Komponenten“ oder „Stoffe“ werden auch als „Analyt“ bezeichnet. Als „kontiniuierliche“ Verfahren werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch Taktverfahren bezeichnet, die wiederholt und abwechselnd zwei oder mehrere unterschiedliche Betriebszustände annehmen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem mindestens zwei unterschiedliche mobile Phasen oder Elutionsmittel, auch im Singular als Eluens oder im Plural als Eluente bezeichnet, in gegenüber einander gekreuzten Fließrichtungen durch eine Vielzahl von zwei- oder mehrdimensional angeordneten Trenneinheiten wie beispielsweise Trennsäulen geführt werden, wobei auch die stationären Phasen in den Trenneinheiten variiert werden können. Dabei wird in einem wählbaren Takt zwischen den mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Phasen umgeschaltet, derart dass in einem ersten Betriebszustand die erste mobile Phase strömt, im zweiten Betriebszustand die zweite mobile Phase strömt, und danach wieder auf die erste mobile Phase (zweidimensionale Chromatographie mit zwei unterschiedlichen mobilen Phasen) als strömende Phase gewechselt wird, oder auf eine weitere, von der ersten und der zweiten verschiedene dritte mobile Phase (mehrdimensionale Chromatographie mit mehr als zwei unterschiedlichen mobilen Phasen), wobei die Betriebszustände sich regelmäßig in einer vorbestimmten Abfolge abwechseln. Ein solches Verfahren wird fortan auch als Taktverfahren oder quasikontinuierliches Verfahren bezeichnet.
Gegenstand der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist daher ein kontinuierliches oder quasikontinuierliches chromatographisches Verfahren zur Trennung und Fraktionierung von Stoffgemischen enthaltend mindestens zwei unterschiedliche Komponenten, bei dem eine Lösung eines Stoffgemischs in einem Lösungsmittel in einer Trenneinrichtung unter Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Phasen A und B, jeweils einzeln oder als Mischung als Eluens bezeichnet, und mindestens einer stationären Phase derart aufgetrennt wird, dass kontinuierlich aus der Trennvorrichtung ein Eluat entnommen wird, das abwechselnd aus mindestens einem Strom S1 oder einem Strom S2, oder gleichzeitig aus den mindestens zwei Strömen S1 und S2 besteht, wobei die mindestens zwei Ströme S1 und S2 aus verschiedenen Auslässen der Trenneinrichtung entnommen werden, von denen S1 überwiegend eine erste Komponente K1, und S2 eine zweite Komponente K2 enthält, und dadurch gekennzeichnet, dass das zu trennende Stoffgemisch kontinuierlich in eine Trenneinrichtung eingegeben wird, die mindestens eine stationäre Phase und mindestens zwei unterschiedliche mobile Phasen aufweist, und bei der sich die Verteilungskonstanten für die zu trennenden Komponenten der Stoffgemische zwischen mobiler Phase und stationärer Phase voneinander unterscheiden, und dass die mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Phasen im Kreuz- oder Querstrom zueinander geführt werden.
Ein Strom Si enthält in einem System von zwei zu trennenden Komponenten überwiegend eine Komponente K1, wenn das an entnommenen Proben bestimmte Verhältnis der Massenanteile w(12,Si) = w(1,Si) / w(2,Si) im Strom Si größer als 1 ist, und ein Strom Si enthält überwiegend eine Komponente K2 wenn das Verhältnis der Massenanteile w(21,Si) = w(2,Si) / w(1,Si) im Strom Si größer als 1 ist, wobei w(i, Sj) der Massenanteil der Komponente Ki in dem Strom Sj ist, definiert durch w(i, Sj) = m(i)/m(Sj), wobei m(i) die Masse der Komponente Ki in einer Probe ist, und m(Sj) die Masse des Eluens in dieser Probe. Entsprechend gilt in einem Vielkomponentensystem, dass ein Strom Si in einem System von mehr als zwei zu trennenden Komponenten überwiegend eine Komponente K1 enthält, wenn das an entnommenen Proben bestimmte Verhältnis der Massenanteile w(1M,Si) = w(1,Si) / w(M,Si) im Strom Si größer als 1 ist, und bevorzugt ist auch ω(1Σ,Si) = ω(1,Si) / ω(Σ,Si); wobei in diesem Fall w(M,Si) der Massenanteil ist der von K1 verschiedenen Komponente KM mit dem zweithöchsten Massenanteil in dem Strom Si, und ω(Σ,Si) die Summe der Massenanteile im Strom Si aller von K1 verschiedenen Komponenten in der Lösung des Stoffgemischs der zu trennenden Komponenten ist.
Die Erfindung betrifft weiter Vorrichtungen zu Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen chromatographischen Trennung eines in einem Fluid gelösten Stoffgemischs in seine Einzelkomponenten, wobei die getrennten Einzelkomponenten in hoher Reinheit und hoher Ausbeute gewonnen werden. Bevorzugte Vorrichtungen werden nachfolgend beschrieben.
Weitere bevorzugte Verfahren und Vorrichtungen ergeben sich aus den Ansprüchen.
Ausführliche Darstellung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Lösung der Aufgabe ist ein präparatives kontinuierliches oder quasikontinuierliches Chromatographieverfahren, bei dem mindestens zwei unterschiedliche mobile Phasen in gekreuzten, auch als zueinander „orthogonalen“ bezeichneten Fließrichtungen eingesetzt werden, wobei die unterschiedlichen mobilen Phasen für die Einzelkomponenten des Stoffgemischs bei derselben stationären Phase unterschiedliche Verteilungskonstanten aufweisen. Dabei wird das Stoffgemisch kontinuierlich oder quasikontinuierlich_in einem definierten gleichbleibenden Probeneinlass in das System dosiert. Unter „quasikontinuierlichem Dosieren“ wird hier eine Dosierung verstanden, die während des Umschaltens von einem in den nächsten unterschiedlichen Betriebszustand unterbrochen wird, und nach erfolgtem Wechsel in den nächsten Betriebszustand wiederaufgenommen wird. Die mobilen Phasen werden mit gegeneinander gekreuzten Fließrichtungen, auch als Kreuz- oder Querstrom oder orthogonaler Strom bezeichnet, geführt.
Die Verteilungskonstante für einen Stoff i zwischen der mobilen Phase und der stationären Phase in der Chromatographie ist (IUPAC Orange Book, Abschnitt 9.2.3.9 Distribution Constants, online edition 2002) definiert als ${(K s)}_{i} = (m_{i, stat} {/A}_{stat}) / (m_{i, mob} {/A}_{mob})$
wobei m_i,_stat die Masse des Stoffes i in der stationären Phase und m_i,mob die Masse des Stoffes i in der mobilen Phase ist, A_stat) ist die Oberfläche des Materials der stationären Phase, und V _mob ist das Volumen der mobilen Phase. Diese Verteilungskonstanten können durch Versuche, insbesondere durch analytische Flüssigchromatographie, bestimmt werden.
Die Art der Anordnung und die Betriebsweise werden in den Abbildungen erläutert.
Dabei zeigt die

1 das Prinzip der Erfindung, gemäß dem in einer zweidimensionalen Anordnung 10 zur Chromatographie kontinuierlich ein Stoffgemisch, hier bestehend aus aus zwei Stoffen, in die Probeneinlassöffnung 11 der Trenneinrichtung dosiert wird, und durch das zwei mobile Phasen A und B, die in gekreuzter Richtung zueinander strömen, wobei sich die Verteilungskoeffizienten der beiden Komponenten des Stoffgemisches in den beiden mobilen Phasen und damit die Retentionswinkel α und β der beiden Komponenten des Stoffgemischs unterscheiden. Dabei wird in der 1a der Auftrennungszustand nach einer Durchströmung mit der mobilen Phase A in Pfeilrichtung, nämlich der als „Y“ bezeichneten Richtung, nach dem ersten Zeitabschnitt gezeigt. In der 1b) wird der Auftrennungszustand nach der an den Zustand gemäß 1a) folgenden Durchströmung der zweidimensionalen Anordnung 10 mit der mobilen Phase B in Pfeilrichtung, nämlich hier der als „X“ bezeichneten Richtung nach dem zweiten Zeitabschnitt gezeigt. Die 1c) zeigt den stationären Zustand nach vielen Wechseln der Durchströmung der zweidimensionalen Anordnung 10 jeweils abwechslend mit der mobilen Phase A und dann mit der mobilen Phase B, in einer Darstellung mit kleinerem Maßstab, wobei beide hier dargestellten Komponenten jeweils das Ende der zweidimensionalen Anordnung 10 erreicht haben und dort durch eine hier nicht dargestellte Auslassöffnung entnommen werden.
2 einen Ausschnitt aus einer zweidimensionalen Anordnung 20 von Trenneinheiten, im dargestellten Fall 3 × 3, also neun Trennsäulen 21 bis 29, die durch Rohrleitungen 201 bis 218 miteinander verbunden sind.
3 die beiden alternativen Strömungszustände in einer Ansicht von oben auf die Trennsäulen, wobei in diesen Ausführungsformen mit 7 × 7, also mit insgesamt 49 Trennsäulen, in 3a) die Durchströmung mit der mobilen Phase A vom oberen Teil der Figur, und in der 3b die Durchströmung mit der mobilen Phase B vom linken Teil der Figur, wobei auf die Mehrwegventile am unterhalb der Zeichenebene gelegenen Einlass am unteren Ende jeder Trennsäule verzichtet wird, und lediglich an dem Auslass jeder letzten Säule 371, 372, 373, 374, 375, 376 und 377 einer Reihe und jeder letzten Säule 317, 327, 337, 347, 357, 367 und 377 einer Spalte ein Absperrventil angebracht wurde. Es hat sich in den Versuchen, auf denen die vorliegende Erfindung basiert, nämlich gezeigt, dass auch auf diese apparativ einfachere Weise der Fluss in der Richtung des Absperrventils jeder Reihe oder Spalte ebenso effizient unterdrückt werden kann wie bei jeweils einem Mehrwegventil an jeder einzelnen Trennsäule.
4 zwei Ausführungsformen von zweidimensionalen Anordnungen 40 und 40', bei denen der Strom von mehreren unterschiedlichen mobilen Phasen in zumindest teilweise gekreuzten Fließrichtungen kontinuierlich durch teildurchlässige Membranen und partielle Vermischung der Elutionsmittel erzeugt wird. Die 4a) zeigt eine Ausführungsform 40 einer Trenneinrichtung an einem Beispiel zur Trennung eines Dreistoffgemisches, wobei die aufgetrennten Lösungen der Komponenten des Dreistoffgemisches durch unterschiedliche Schraffur verdeutlicht sind. Die Anordnung 40 hat die Form einer rechtwinklig begrenzten Küvette, die durch teildurchlässige Membranen 401 und 402 in drei Zonen 421, 422 und 423 getrennt ist, an deren unteren Ende jeweils Ausläufe 431, 432 und 433 vorgesehen sind, die jeweils mit einem Ventil 441, 442 und 443 absperrbar sind. In der 4b) ist eine ähnliche Trenneinrichtung 40' in einer Anordnung dargestellt, bei der ein innerer zylindrischer Raum 421' mit einer stationären Phase gefüllt ist, umgeben von zwei konzentrischen Zylinderringen 422' und 423', die untereinander durch teildurchlässige Membranen 401' und 402' getrennt sind. Die 4c) zeigt einen Schnitt längs der Zylinderachse der Anordnung 40'.
5 eine Ausführungsform 50, bei der die stationäre Phase in der Form eines spiralischen Zylinderrings aus einer um die Zylinderachse spiralig aufgerollten Schicht gebildet ist, und zwei unterschiedliche mobile Phasen 521 und 522 eingesetzt werden, deren eine in Richtung der Zylinderachse durch eine der Deckflächen aufgegeben fließt, wobei in bevorzugter eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung des Flüssigkeitsstroms auf die obere Deckfläche aufgesetzt ist, und die andere einer spiraligen Fließbahn um die Achse in der zur Achse senkrechten Ebene folgt, wobei die Zugabe über die gesamte Achsenlänge in bevorzugter Weise durch ein perforiertes Rohr 502 erfolgt, und der Auslass in bevorzugter Weise durch ein perforiertes Sammelrohr 531 am mantelseitigen Ende der um die Zylinderachse spiralig aufgerollten Schicht erfolgt.

Auch hier in der Ausführungsform gemäß 5, ebenso wie in den anderen Ausführungsformen gemäß den Figg. 1, 2 und 3, werden die mobilen Phasen abwechselnd im Takt zugeführt, wobei während der Dosierung der ersten mobilen Phase die Dosierungsöffnungen für die zweite mobile Phase geschlossen sind, und umgekehrt ebenso. Bei geeigneter Dosierung, die durch Vorversuche herauszufinden ist, läßt sich eine Anordnung gemäß 4 auch kontiniuierlich, also mit stets ununterbrochener Zugabe der mobilen Phasen durchführen unter konstantem Volumenstrom dieser Eluenten.
Zweidimensionales quasi-kontinuierliches Taktsystem
Ein zweidimensionales System ist schematisch in der 1 dargestellt.
In 1 wird in die Trenneinrichtung wie in der Abbildung dargestellt in deren linken oberen Ecke die Lösung des zu trennenden Stoffgemischs kontinuierlich aufgegeben. Strömt die mobile Phase A in einer Richtung (in der Abbildung vertikal nach unten), so wird im Beispiel die Komponente 2 des Stoffgemisches stärker zurückgehalten, da das Verhältnis vww(2,S:A) = ww(2,S) / ww(2,A) zwischen der Wechselwirkung ww(2,S) der Komponente 2 mit der stationären Phase S und der Wechselwirkung ww(2,A) der Komponente 2 mit der mobilen Phase A größer ist als das Verhältnis vww(1,S:A) = ww(1,S) / ww(1,A) zwischen der Wechselwirkung der Komponente 1 mit der stationären Phase S und der Wechselwirkung der Komponente 1 mit der mobilen Phase A: vww(2,S:A) > vww(1,S:A). Man erhält daher das Bild von 1a: die Komponente 2 ist nur wenig (in der Abbildung vertikal nach unten) gewandert, während die Komponente 1 sehr weit (in der Abbildung vertikal nach unten) gewandert ist. Lässt man nun im nächsten Takt die mobile Phase B (in horizontaler Richtung nach rechts in der Abbildung) strömen, und ist das Verhältnis vww(2,S:B) zwischen der Wechselwirkung ww(2,S) der Komponente 2 mit der stationären Phase S und der Wechselwirkung ww(2,B) der Komponente 2 mit der mobilen Phase B kleiner als das Verhältnis vww(1,S:B) zwischen der Wechselwirkung ww(1,S) der Komponente 1 mit der stationären Phase und der Wechselwirkung ww(1,B) der Komponente 1 mit der mobilen Phase B: vww(2,S:B) < vww(1,S:B), so wird die Komponente 2 in horizontaler Richtung stärker transportiert als die Komponente 1, und es ergibt sich das Bild von 1b.
Dabei ist in der 1 das Prinzip der Erfindung dargestellt, gemäß dem in einer zweidimensionalen Anordnung zur Chromatographie ein Stoffgemisch in die Probeneinlassöffnung 11 der Trenneinrichtung dosiert wird, und bei dem abwechselnd im Takt zwei unterschiedliche mobile Phasen A und B in gekreuzter Richtung zueinander jeweils über die gesamte Oberseite der Trenneinrichtung gemäß der Abbildung für die mobile Phase A ( 1a) und über die gesamte linke Seite der Trenneinrichtung für die mobile Phase B (1b) durch die Trenneinrichtung strömen, und wobei sich die Verteilungskoeffizienten der Komponenten des Stoffgemisches in den beiden mobilen Phasen und damit die Retentionswinkel der Komponenten des Stoffgemischs in der 1c wie oben ausgeführt unterscheiden. Die Zuführung der mobilen Phasen A und B, auch als Eluenten bezeichnet, erfolgt in bekannter Weise durch Dosierpumpen im Takt. Die Probenzufuhr erfolgt in bevorzugter Weise ebenfalls im Takt, jeweils gleichzeitig mit der Einspeisung der mobilen Phasen A oder B. Dabei wird in der 1a der Auftrennungszustand in der Trenneinrichtung 10 nach einer Durchströmung mit der mobilen Phase A mit den dargestellten Strömen 121, 122, 123 und 124 in Pfeilrichtung, nämlich der als „Y“ bezeichneten Richtung nach unten in der 1a, nach dem ersten Zeitabschnitt gezeigt. Dabei wird die Komponente K1 weit in die Y-Richtung transportiert gemäß der dargestellten Bahn 141 (mit Schraffur nach rechts unten), und die Komponente K2 wird nur wenig in die Y-Richtung transportiert gemäß der dargestellten Bahn 142 (mit punktierter Füllung). Nach Wechsel des Eluens, also auf Durchströmung mit der mobilen Phase B mit den dargestellten Strömen 131, 132, 133 und 134 in Pfeilrichtung, nämlich in der als „X“ bezeichneten Richtung im zweiten Zeitabschnitt, ergibt sich das Bild der 1b der Trenneinrichtung 10' am Ende dieses zweiten Zeitabschnitts: Die Komponente K1 (Schraffur nach rechts unten) wurde auf der Bahn 141' nur wenig in die X-Richtung transportiert, während die Komponente K2 (mit punktierter Füllung) mit der Bahn 142' weit in die X-Richtung transportiert wurde. Nach einer Vielzahl, dargestellt mit dem hochgestellten Index wachsend von' über'' und''' usw. bis ^∞, von nicht figürlich dargestellten wechselnden Durchströmungen mit den mobilen Phasen A mit den Strömen 121', 122', 123' und 124'; 121'', 122'', 123'' und 124''; etc. bis 121^∞ , 122^∞ , 123^∞ und 124^∞ und B mit den Strömen 131', 132', 133' und 134'; 131'', 132'', 133'' und 134''; etc. bis 131^∞, 132^∞, 133^∞ und 134^∞, wobei der hochgestellte Index für jeden nächsten Strom um eins erhöht wird, und das Symbol „∞“ für den letzten Strom einer mobilen Phase gilt, ergibt sich ein Bild der Trenneinrichtung 10^∞ gemäß 1c in einem kleineren Maßstab, wobei sich die Bahnen 142^∞ und 141^∞ mit den Treppenstufen, die sich gemäß den Figg. 1a und 1b ergeben, durch die große Anzahl der Wechsel der Durchströmungsrichtung mit den mobilen Phasen A und B in diesem Maßstab als Geraden darstellen. Die getrennten Komponenten K1 und K2 können dann an der in der Abbildung dargestellten Trenneinrichtung 10 durch einen seitlichen Auslass 142 und einen Auslass 141 an der Unterseite der Trenneinrichtung 10 als Lösung in der Mischung der mobilen Phasen A und B entnommen werden.
In einer weiteren Ausführungsform einer zweidimensionalen quasi-kontinuierlichen Trennung lässt sich ein Aufbau mit gekreuzten Fließrichtungen auch realisieren durch Anordnung von einzelnen Trenneinheiten in zwei Raumrichtungen zu einer Trenneinrichtung, wobei Trenneinheiten, bevorzugt Trennsäulen, vorzugsweise jeweils parallel zueinander angeordnet werden, wie in 2 ausschnittsweise gezeigt.
In der 2 ist ein Ausschnitt gezeigt aus einer zweidimensionalen Anordnung 20 von Trenneinheiten, im dargestellten Fall 3 × 3, also neun Trenneinheiten 21 bis 29, die durch Rohrleitungen 211 bis 292 miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungen an den Einlässen 210 bis 290 jeder der Trenneinheiten 21 bis 29, wobei sich die Einlässe der Trenneinheiten in der Abbildung stets oben befinden und durch Mehrwegventile, hier durch die Mehrwegventile 215 bis 295 an den oben gelegenen Einlässen 210 bis 290, wobei die Mehrwegeventile, die in der Zeichung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt werden, aber sich in der dargestellten zweidimensionalen Anordnung 20 an jeder Verbindung von drei Rohrleitungen befinden, so geöffnet beziehungsweise geschlossen werden, dass in dem ersten Fall die Durchströmung der Trenneinheiten in der Richtung a (linker Pfeil in der 2) erfolgt, und im anderen Fall in der Richtung b (rechter Pfeil in der 2). Die Auslässe der Trennsäulen sind mit den Bezugszeichen 219 bis 299 gekennzeichnet, die daran gelegenen Mehrwegeventile haben die Bezugszeichen 216 bis 296. Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind nicht alle Bezugszeichen in der 2 angegeben.
Die wechselnden Strömungsverhältnisse einer solchen Anordnung von Trennsäulen sind in der 3 dargestellt, hier mit jeweils 7 Trennelementen in horizontaler Richtung in der Abbildung, und jeweils 7 Trennelementen in vertikaler Richtung in der Abbildung.
In den 3a und 3b werden die beiden alternativen Strömungszustände in Draufsichten dargestellt auf Ausführungsformen einer Trenneinrichtung 30 mit 7 × 7, also insgesamt 49 Trennsäulen. In diesen Ausführungsformen wird auf die Mehrwegventile am Einlass jeder Trennsäule verzichtet, und lediglich an dem Auslass jeder letzten Säule 71, 72, 73, 74, 75, 76 und 77 einer Reihe jeweils ein Absperrventil 712, 722, 732, 742, 752, 762 und 772, und jeder letzten Säule einer Spalte 17, 27, 37, 47, 57, 67 und 77 jeweils ein Absperrventil 171, 271, 371, 471, 571, 671 und 771 angebracht wurde. Es hat sich in den Versuchen, auf denen die vorliegende Erfindung basiert, nämlich gezeigt, dass auch auf diese apparativ einfachere Weise der Fluss in der Richtung des Absperrventils jeder Reihe oder Spalte ebenso effizient unterdrückt werden kann wie bei jeweils einem Mehrwegventil an jeder einzelnen Trennsäule.
In der 3a sind die Auslassventile 712, 722, 732, 742, 752, 762 und 772_an den Trennsäulen 71, 72, 73, 74, 75, 76 und 77 in vertikaler Richtung auf der Zeichnung offen und entsprechend die Auslassventile 171, 271, 371, 471, 571, 671 und 771_an den Trennsäulen 17, 27, 37, 47, 57, 67 und 77 geschlossen, wodurch die mobile Phase A sämtliche Trennsäulen in vertikaler Richtung auf der Zeichnung durchströmt, und in der 3b sind die Auslassventile an den Trennsäulen 71, 72, 73, 74, 75, 76 und 77 in vertikaler Richtung auf der Zeichnung offen und entsprechend die Auslassventile 712, 722, 732, 742, 752, 762 und 772_an den Trennsäulen 71, 72, 73, 74, 75, 76 und 77 in horizontaler Richtung auf der Zeichnung offen, und und entsprechend die Auslassventile 171, 271, 371, 471, 571, 671 und 771 an den Trennsäulen 17, 27, 37, 47, 57, 67 und 77 geschlossen, wodurch die mobile Phase B sämtliche Trennsäulen in horizontaler Richtung auf der Zeichnung durchströmt.
Ist lediglich eine Richtung für die Entnahmestellen der Einzelkomponenten von Bedeutung, oder eluiert in bestimmten Entnahmeregionen keine Substanz, können solche Ventile in technischen Systemen zu einem Ventil zusammengefasst werden. Lediglich für eine definierte Fraktionierung sind dann spezifische Ventile notwendig. Je kleiner die Trenneinheiten gestaltet und je mehr in einem solchen System verbaut werden, desto diskreter wird die räumliche Zuordnung von Elutionswinkeln und Entnahmepunkten für die jeweilige Substanz, da sich eine solche Anordnung immer weiter an das ideal planare System annähert.
Die Auftrennung von Substanzen kann verstärkt werden durch den Einsatz verschiedener stationärer Phasen in verschiedenen Bereichen des Systems. Der in technischen Systemen eventuell auftretende Druckunterschied der einzelnen Kanäle in Flussrichtung der mobilen Phase und der damit verbundene unerwünschte variierende Volumenstrom zwischen den Kanälen kann mit Druckausgleichsystemen (z.B. Nadelventilen) am Auslass der jeweiligen Kanäle entgegengewirkt werden.
Zweidimensionales kontinuierliches System
In einer weiteren Ausführungsform kann der in der Erfindung beschriebene Strom von zwei unterschiedlichen mobilen Phasen in gekreuzten Fließrichtungen auch kontinuierlich durch teildurchlässige Membranen erzeugt werden. Die 4 zeigt die hier beschriebene Ausführungsform an einem Beispiel zur Trennung eines Dreistoffgemisches.
In der 4 ist eine Ausführungsform einer Trenneinrichtung 40 dargestellt, bei der der Strom von drei unterschiedlichen mobilen Phasen in gekreuzten Fließrichtungen kontinuierlich durch teildurchlässige Membranen 401 und 402 erzeugt wird. Dabei sind die Membranen 401 und 402 so ausgewählt, dass sie die Permeation von unpolaren Lösungsmitteln und darin gelösten Komponenten erlauben. Die 4 zeigt die hier beschriebene Ausführungsform an einem Beispiel zur Trennung eines Dreistoffgemisches. Dabei werden Lösungsmittelgemische mit unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise Mischungen von Wasser und Acetonitril mit Massenanteilen von Wasser von 75 %, 50 % und 25 % als mobile Phasen A (Zugabe 411), B (Zugabe 412) und C (Zugabe 413) benutzt, wobei die Lösungsmittelmischung A mit 75 % Wasser die höchste Polarität aufweist, und die Lösungsmittelmischung C mit 25 % Wasser die niedrigste Polarität aufweist, und die drei Stoffe von unterschiedlicher Polarität bezeichnet werden als unpolarer Stoff Sc, mittel-polarer Stoff Sb, und unpolarer Stoff Sa. Unpolare teildurchlässige Membranen 401 und 402 lassen Wasser nur wenig durch, jedoch wird Acetonitril bevorzugt durchgelassen, daher besteht das Permeat durch diese Membranen überwiegend aus Acetonitril und den darin präferentiell gelösten unpolaren Stoffen,
Bei diesem kontinuierlichen Membran-Kreuzstrom-Verfahren wird in einem planaren System in Y-Richtung (entsprechend der , also auf dem Papier nach unten hin) eine mobile Phase A in einem Zonenabschnitt 421 in das System gegeben, wobei dieser Zonenabschnitt 421 mit einer stationären Phase I vollständig befüllt ist. Dieser Zonenabschnitt 421 ist auf der in der rechten Seite durch eine semipermeable Membran getrennt von dem in der rechts davon liegenden Zonenabschnitt 422 der mit der stationären Phase II befüllt ist. In der rechts davon ist wiederum durch eine semipermeable Membran, die die Zone 422 nach rechts in der Abbildung von einer Zone 423 abtrennt, die mit einer stationären Phase III befüllt ist. Die drei Zonen 421, 422 und 423 können mit derselben stationären Phase befüllt werden oder mit unterschiedlichen stationären Phasen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Membranen durch einseitig oder beidseitig daran angebrachte Gitter gestützt.
Die Aufgabe der Lösung des zu trennenden Stoffgemischs („Feed-Injektion“) erfolgt am oberen äußeren Eckpunkt 49, in der 4a links oben. Die mobile Phase A ist anders als in der ersten Ausführungsform nicht vorwiegend polar (bzw. in X-Richtung weniger polar), sondern liegt als Gemisch von polaren und weniger polaren Lösemitteln vor (z.B. Gemische von Wasser und Acetonitril, Wasser und Aceton, oder Wasser und Ethanol, jeweils in verschiedenen Massenverhältnissen). Dabei sind die Komponenten der mobilen Phasen Eluenten A, B und C so auszuwählen, dass über den gesamten Mischungsbereich stets eine ist homogene Mischphase gebildet wird, also ohne Mischungslücken.
Die Membranen können nun in einer Ausführungsform hydrophobe (unpolare) Eigenschaften besitzen, wobei ihre Permeabilität gegenüber weniger polaren Stoffen größer als gegenüber polaren Stoffen ist, abhängig vom Druckunterschied auf den beiden Flächen der Membran. Die in Form von Mischungen vorzugsweise durch Dosierpumpen aufgegebenen mobilen Phasen A, B und C erzeugen durch den in der Pumpe erzeugten Volumenstrom in dem jeweiligen Zonenabschnitt einen Druck, der proportional dem Volumenstrom ist, wobei dieser Druck auch an den die Zonenabschnitte trennenden Membranen anliegt. Dieser Druck wird nicht nur durch den Fließwiderstand der stationären Phasen erzeugt, sondern kann auch zusätzlich durch ein am Ausgang des Zonenbereichs nach unten in der vorhandenes Nadelventil geregelt werden. Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften der Membran und dem Druckaufbau im jeweiligen Zonenabschnitt wird sich die mobile Phase durch Diffusion in die X-Richtung entlang der Y-Richtung zunehmend entmischen, wobei die unpolaren Bestandteile durch die Membran als Permeat hindurchdiffundieren, und die polaren Bestandteile (Wasser) als Retentat in dem Raum zwischen der Wand der Trenneinheit und der Membran, bzw. zwischen den Membranen zurückgehalten werden. Durch diese Vorgehensweise wird ein kontinuierlicher Kreuzstrom erzeugt, wobei in zunehmender Y-Richtung eine vornehmlich polarere mobile Phase erzeugt wird, und in X-Richtung eine vornehmlich unpolarere mobile Phase durch die unpolaren Bestandteile aus dem Permeat der mobilen Phase jenseits der angrenzenden Membran erzeugt wird. Dadurch verbleibt der polare Stoff in der Zone 421, und kann am unteren Teil 431 ausgetragen werden. Die unpolaren Stoffe diffundieren mit dem erzeugten Kreuzstrom zunehmend durch die Membranen in der X-Richtung. Sofern die aufgegebenen Stoffe oder einzelne Komponenten davon nicht durch die Membran diffundieren können, ist dennoch eine Trennung möglich, wenn die Zone I mit einem ausreichenden Volumen (in der Abbildung genügend breit und lang) ausgeführt wird, um bei gegebenen Unterschied im Elutionswinkel zu einem ausreichenden räumlichen Abstand der Elutionsstellen im auf der unteren Bereich der Trenneinrichtung zu gelangen. Durch Variation der Zusammensetzungen der mobilen Phasen A, B und C, sowie der stationären Phasen I, II und III, und die Option der Drucksteuerung durch die Nadelventile in den einzelnen Zonen 421, 422 und 423 kann das Ausmaß der chromatographischen Trennung dem aufzutrennenden Stoffgemisch angepasst werden, sodass die Fraktionierung in Einzelkomponenten gelingt und die Entnahme selektiv erfolgt.
Der Aufbau eines derartigen Systems kann auch mit ineinander liegenden Zylindern (radialer oder anularer Aufbau) ausgeführt sein. Dabei wird der Einlass für die Lösung des zu trennenden Stoffgemischs am Mittelpunkt der oberen Fläche angebunden und die Zuführung der mobilen Phase in jeder Zone wird am Kopf dieses Aufbaus in Kreisform realisiert. Die Entnahme der Komponenten erfolgt dann in jeder Zone am Fuß der Konstruktion über den gesamten Kreisbereich, wobei sich die im Gegensatz zu den im planaren System als Elutionswinkel erscheinenden Substanzbande als Elutionskegel durch die gleichmäßige Elution in alle radialen Richtungen ausbildenden. Ein solcher Aufbau ist schematisch in der erläutert, in deren unterem, durch gestrichelten Linien gekennzeichneten Bereich ein Schnitt ausgeführt ist durch den ansonst in der Draufsicht dargestellten Aufbau. Ein Schnitt durch die gesamte in der 4b dargestellte Trenneinrichtung ist in 4c dargestellt.
Kreuzstrom in einer gewickelten Säule (Spiralform)
Dem beschriebenen Verfahren dargestellt in der Ausführungsform „Zweidimensionales Taktsystem“ (gemäß 1) folgend können die dort planar ausgebildeten Begrenzungsebenen der Trenneinrichtung auch als gewickelte Spiralform in einem Zylinder eingearbeitet werden. Eine derartige technische Vorrichtung kann ähnlich wie etablierte präparative HPLC-Säulen mit einer stationären Phase gepackt werden, wobei keine neuen Anlagen und Herstellungsverfahren notwendig werden. Außerdem ist die Spiralausfiihrung im Zylinder deutlich druckstabiler als eine planar aufgebaute Trenneinrichtung, die die stationäre Phase enthält.
Die Funktionsweise wird an das Grundprinzip der Erfindung angelehnt. Die nachfolgend beschriebenen Aufbauten und Funktionsweisen sind schematisch in Abbildung 5 gezeigt.
Dabei zeigt die 5a einen Querschnitt (parallel zur Deckfläche der zylindrischen Trenneinrichtung), und die 5b einen Längsschnitt mit Sicht auf eine Ebene, in der die Achse der zylindrischen Trenneinrichtung liegt.
In der 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der in einer zylindrischen Trenneinrichtung 50 die stationäre Phase in der Form eines Zylinderrings aus einer um die Zylinderachse spiralig aufgerollten Schicht 52 gebildet ist, und zwei unterschiedliche mobile Phasen eingesetzt werden, wobei die mobile Phase A in Richtung der Zylinderachse durch eine der Deckflächen vorzugsweise mit einer Dosierpumpe über einen Verteiler 504, der beispielsweise in Form einer Glas- oder Metallfrittenscheibe ausgebildet ist, aufgegeben als Strom 5040 fließt, und die andere mobile Phase B vorzugsweise über ein am Außenmantel poröses Rohr 502 oder eine zylinderförmige Glas- oder Metallfritte 502 als Strom 5020 spiraligen Fließbahnen um die Achse des Zylinders 50 in zu dieser Achse senkrechten Ebenen folgt, wobei die Zugabe des Stroms der mobilen Phase B durch die Einlassöffnung 512 über die gesamte Achsenlänge erfolgt, und der Auslass für durch ein Sammelrohr 531 am mantelseitigen Ende der um die Zylinderachse spiralig aufgerollten Schicht und ein Ventil 569 erfolgt. An der Unterseite (Bodenfläche) des Zylinders 50 sind weitere Auslässe 581 angebracht, durch die die mobile Phase A vorzugsweise die Trenneinrichtung 50 verläßt. In der Darstellung sammlen sich die die gewünschten aufgetrennten Komponenten in den Positionen 591 und 592, wo sie den Boden der zylindrischen Trenneinrichtung 50 erreichen. Selbstverständlich sind am Boden der der zylindrischen Trenneinrichtung 50 hier nicht dargestellte trichterförmige Vertiefungen ausgebildet, in denen sich die die mobile Phase A, teilweise gemischt mit mobiler Phase B, und die Lösungen der gewünschten Komponenten sammelt, und die letzteren an dem Positionen 591 und 592 durch jeweils ein passend gewähltes der am Auslauf der Trichter befindlichen Bodenventile 581 abgelassen werden kann. Der Probeneinlass ist der Ort 55.
Für den Aufbau kann zum einen die gewünschte X-Ausrichtung in einem Hohlzylinder vom Mittelpunkt ausgehend spiralförmig in tangentialer Richtung eingefräst oder erodiert werden. Eine andere Möglichkeit ist die Aufwicklung eines Plankörpers beispielsweise aus Blech mit ausreichend größer werdenden Radien für den erforderlichen Zwischenraum, der der Dicke der planaren Struktur gemäß 1 entspricht. Im Axialbereich des Hohlzylinders wird ein am Mantel mit einer Vielzahl von Bohrungen versehenes Rohr 502, das auch als gesinterter für Flüssigkeiten durchlässiger Körper (Sinterkörper, z.B. aus Metall- oder Glas-Fritten) über die gesamte lichte Höhe des Hohlzylinderkörpers eingesetzt, um die von oben über die Einlassöffnung 512 zugeführte mobile Phase B über die gesamte lichte Höhe (axial) des Bauteils gleichmäßig zu verteilen, siehe 5 b. Am Ausgang der Spiralform kann ebenfalls an der der stationären Phase zugewandten Fläche mit einer Vielzahl von Bohrungen versehener hohler Formkörper oder ein Sinterkörper eingesetzt werden, welcher die in Spiralrichtung vom Zentrum ausgehend geführte mobile Phase in der Mantelregion des Zylinders wieder gleichmäßig aufnimmt. Durch die dichte Packung der stationären Phase in der Spiralform wird der Fluss der mobilen Phase vom Axialbereich der zylindrischen Trenneinrichtung zum Ausgang im Mantelbereich der zylindrischen Trenneinrichtung durch den Einsatz des Rohrs oder des Sinterkörpers über die gesamte Länge der Säule gleichmäßig verteilt. Durch ein zu- und abschaltbares Ventil am Fuß des hohlen Formkörpers oder Sinterkörpers wird der Fluss in diese definierte Richtung ermöglicht.
Die zu diesem Fluss im Querstrom anzusetzende Führung der mobilen Phase A wird am Kopf der zylindrischen Trenneinrichtung durch eine flache Hohlzylinderringscheibe mit einer Vielzahl von Bohrungen auf der der stationären Phase zugewandten Seite, oder durch einen Sinterkörper in Form einer Hohlzylinderringscheibe über die Deckfläche der zylindrischen Trenneinrichtung mit Ausnahme des achsennahen Bereichs eingespeist. Durch diese Bauform wird die zylindrische Trenneinrichtung mit innenliegender Spirale, ähnlich wie herkömmliche standardisierte präparative Trennsäulen, in axialer (Längs-) Richtung durchströmt, in der Abbildung nach unten auf dem Papier.
Durch die hier beschriebene unterschiedliche Führung der mobilen Phasen wird dem in der Erfindung beschriebenen Querstromprinzip Rechnung getragen. Bei kontinuierlicher Einspeisung der mobilen Phasen zur gleichen Zeit erfolgt naturgemäß eine Durchmischung in Richtung des Auslasses der mobilen Phasen, die den Trenneffekt verglichen mit einem Taktbetrieb verringert. Dieser Effekt wird jedoch aufgewogen durch die höhere zeitliche Ausbeute an den getrennten Komponenten in der kontinuierlichen Betriebsweise.
Der Fluss in tangentialer Richtung (der Spiralform folgend, mobile Phase B) wird durch ein Ventil 569 am Ausgang des in der Spirale verbauten Sinterkörpers gesteuert. Ist das Ventil 569 geschlossen, ist kein Volumenstrom in diese Richtung möglich. Die Durchströmung der Säule in axialer Richtung wird gesteuert durch eine Vielzahl von Ventilen an der Unterseite der zylindrischen Trenneinrichtung, der Spiralform folgend in verschiedenen Abschnitten angeordnet, wobei die Ventile nach Bedarf zusammengefasst werden können für diejenigen Zonen, aus welchen keine Komponenten eluiert werden. Sind diese Ventile geöffnet, wird die mobile Phase A in axialer Richtung gefördert, wobei sich ein gleichmäßiger Strom durch die Säule einstellen, in der nach der Richtung unten auf dem Papier. Die mobilen Phasen strömen daher senkrecht zueinander (orthogonal). Durch wechselseitiges Schließen und Öffnen der Ventile sowie Zu- und Abschaltung des Förderstroms der jeweiligen mobilen Phase kann diese Einrichtung selbstverständlich auch im Takt betrieben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 102961892 A [0006]
CN 108562678 A [0006]
WO 2017/213528 A1 [0006]
US 5198120 A [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Z. Molnar et al., J. Chromatogr. A 1075 (2005), Seiten 77 bis 86 [0007]
J. W. Lee et al., J. Chromatogr. A 1217 (2010), Seiten 3418 bis 3426, in P. Wankat, Ind. Eng. Chem. Res. 40 (2001), Seiten 6195 bis 6193 [0007]
J. Nowak et al., in J. Chromatogr. A 1253 (2012), Seiten 58 bis 70, und als Konfiguration mit 5 Säulen in G. Paredes et al., Ind. Eng. Chem. Res. 43 (2004), Seiten 6157 bis 6167 [0007]
M. Krättli et al., J. Chromatogr. A 1293 (2013), Seiten 51 bis 59 [0007]
„Modern Advances in Chromatography‟, Band 76, aus der Reihe „Advances in Biochemical Engineering/ Biotechnology“, herausgegeben 2002 von R. Freitag, ist von J. Wolfgang und A. Prior, Seiten 233 bis 254 [0009]

Claims

Kontinuierliches chromatographisches Verfahren zur Trennung und Fraktionierung von Stoffgemischen enthaltend mindestens zwei unterschiedliche Komponenten, bei dem eine Lösung eines Stoffgemischs in einem Lösungsmittel in einer Trenneinrichtung unter Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Phasen A und B, jeweils einzeln oder als Mischung als Eluens bezeichnet, und mindestens einer stationären Phase derart aufgetrennt wird, dass kontinuierlich aus der Trennvorrichtung ein Eluat entnommen wird, das abwechselnd aus mindestens einem Strom S1 oder einem Strom S2, oder gleichzeitig aus den mindestens zwei Strömen S1 und S2 besteht, wobei die mindestens zwei Ströme S1 und S2 aus verschiedenen Auslässen der Trenneinrichtung entnommen werden, von denen S1 überwiegend eine erste Komponente K1, und S2 überwiegend eine zweite Komponente K2 enthält, und dadurch gekennzeichnet, dass das zu trennende Stoffgemisch kontinuierlich in eine Trenneinrichtung eingegeben wird, die mindestens eine stationäre Phase und mindestens zwei unterschiedliche mobile Phasen aufweist, und bei der sich die Verteilungskonstanten für die zu trennenden Komponenten der Stoffgemische zwischen mobiler Phase und stationärer Phase voneinander unterscheiden, und dass die mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Phasen im Kreuz- oder Querstrom zueinander geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreuz- oder Querstrom der mobilen Phasen A und B in einem Taktverfahren erzeugt wird dadurch, dass abwechselnd durch wechselseitige Ventilschaltungen während eines Zeitintervalls nur die mobile Phase A, und während eines nächsten Zeitintervalls nur die mobile Phase B strömt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei zu trennenden Komponenten K1 und K2 in einer planaren Anordnung unterschiedliche Elutionswinkel α und β ausbilden, und dadurch die Komponente K1 bzw. K2 an definierten Stellen 141^∞ und 142^∞ über Ventile 1410^∞ und 1420^∞ entnommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein planares System gemäß 3 in ein verbundenes Netz von einzelnen Trenneinheiten gemäß der Ausführungsform in 3 untergliedert ist, welches die Durchströmung in zwei zueinander angeordneten orthogonalen Richtungen erlaubt, die Lösung der zu trennenden Stoffe kontinuierlich eingespeist wird, und wobei im Takt jeweils in einem Zeitintervall die mobile Phase A und im darauffolgenden Zeitintervall die mobile Phase B eingespeist wird, und dieser Wechsel stets wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Trenneinheiten vor Inbetriebnahme der Trenneinrichtung mit unterschiedlichen stationären Phasen befüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mobile Phasen Gemische aus Lösemitteln eingesetzt werden, welche aus einer Richtung in die Trenneinrichtung eingespeist werden, und der erforderliche Kreuz- oder Querstrom durch mindestens eine Membran erzeugt wird, indem die mindestens eine Membran vor Inbetriebnahme der Trenneinrichtung parallel zur Richtung des Flusses der mobilen Phasen in der Trenneinrichtung angeordnet wird, und die Lösemittelzusammensetzung auf der Retentat- und Permeatseite unterschiedlich voneinander sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Membran so gewählt wird, dass mindestens eine der Komponenten durch die mindestens eine Membran diffundiert.
Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss der mobilen Phase und der Durchtritt durch die mindestens eine Membran durch Ventile gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit zylinderförmig ausgebildet ist, und dass die mindestens eine Membran zylinderförmig ausgebildet und vor Inbetriebnahme der Trenneinrichtung symmetrisch um dieselbe Symmetrieachse wie die der zylindrischen Trenneinheit angeordnet wird, und die stationäre Phase in den tangential angeordneten Zwischenräumen eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schnittkreisen der zylindrischen Bodenfläche der Trenneinrichtung mit den Elutionskegelmänteln, die durch gleichmäßige Ausbildung der Elutionswinkel der unterschiedlichen Komponenten in allen radialen Richtungen entstehen, das Eluat für die Fraktionen der einzelnen Komponenten aufgefangen wird.
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trenneinrichtung umfassend - einen Einlass für kontinuierliche Zudosierung der Lösung eines zu trennenden Stoffgemischs, - Einlässe für mindestens zwei unterschiedlichen mobile Phasen A und B, jeweils einzeln oder als Mischung als Eluens bezeichnet, wobei die Einlässe und Auslässe für die mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Phasen derart angeordnet sind, dass diese im Kreuz- oder Querstrom zueinander geführt werden können, - mindestens eine stationäre Phase und - mindestens zwei Auslässe für Eluate aus der Trennvorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung Einlässe für mindestens zwei unterschiedlichen mobile Phasen A und B aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung eine Taktsteuerung umfasst, die abwechselnd während vorwählbarer Zeitintervalle jeweils einer der unterschiedlichen mobilen Phasen in vorwählbarer Reihenfolge durch die Trenneinrichtung strömen lässt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung bei der Verwendung von zwei unterschiedlichen mobilen Phasen A und B eine Anzahl von Trennsäulen aufweist, die eine Quadratzahl n² von mindestens 9 ist, wobei die Trennsäulen in der n-ten Reihe und die Trennsäulen in der n-ten Spalte jeweils mit einem Ventil als Auslässe der Trennsäulen ausgestattet sind, die durch die Taktsteuerung geöffnet und geschlossen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei mindestens zwei unterschiedliche mobile Phasen von derselben Richtung durch die Trenneinrichtung strömen, und die Trenneinrichtung einen durch mindestens eine Membran geteilten Raum für die stationäre Phase aufweist, wobei die stationäre Phase in den mindestens zwei Teilen des genannten Raums aus denselben oder aus unterschiedlichen Materialien besteht, und die Membran für mindestens eine der Komponenten des zu trennenden Stoffgemischs durchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei - die Trenneinrichtung in Form eines Hohlzylinders ausgeführt ist, - im Axialbereich des Zylinders ein am Mantel mit einer Vielzahl von Bohrungen versehenes Rohr oder ein gesinterter für Flüssigkeiten durchlässiger Körper über die gesamte lichte Höhe des Zylinderkörpers eingesetzt ist, um die von oben zugeführte mobile Phase B über die gesamte lichte Höhe der Trenneinrichtung gleichmäßig zu verteilen, - am Ausgang der Spiralform ein an der der stationären Phase zugewandten Seitenfläche mit einer Vielzahl von Bohrungen versehener hohler Formkörper oder ein gesinterter für Flüssigkeiten durchlässiger Körper über die gesamte lichte Höhe des Hohlzylinderkörpers eingesetzt ist, welcher die in Spiralrichtung vom Zentrum ausgehend geführte mobile Phase in der Mantelregion des Zylinders wieder gleichmäßig aufnimmt, - ein zu- und abschaltbares Ventil vorgesehen ist am Fuß des hohlen Formkörpers oder hohlen Sinterkörpers, das den Fluss in diese definierte Richtung steuert, - ein Einlass für die in axialer Richtung strömenden mobile Phase A am Kopf der zylindrischen Trenneinrichtung angebracht ist, ausgeführt als eine flache Hohlzylinderringscheibe mit einer Vielzahl von Bohrungen auf der der stationären Phase zugewandten Seite, oder als ein Sinterkörper in Form einer Hohlzylinderringscheibe angeordnet als Deckfläche der zylindrischen Trenneinrichtung mit Ausnahme des achsennahen Bereichs, und - mindestens zwei Auslässe am Fuß der Trenneinrichtung vorgesehen sind, wobei abschnittsweise Auffangvorrichtungen folgend der Spiralform in Form von flachen Hohlzylinderring-segmentscheiben mit einer Vielzahl von Bohrungen auf der der stationären Phase zugewandten Seite, oder als Sinterkörper in Form von Hohlzylinderringsegmentscheiben, angeordnet als Bodenfläche der zylindrischen Trenneinrichtung mit Ausnahme des achsennahen Bereichs, mit jeweils einem durch ein Ventil verschließbaren Auslass, und - eine Steuerung für die Ventile, die wahlweise einen Taktbetrieb und einen kontinuierlichen Betrieb zulassen, und die Ströme der mobilen Phasen A und B regeln.