DE19900684A1 - Verfahren zur chromatographischen Trennung von Stoffgemischen in reine Stoffe mittels Flüssig-Chromatographie - Google Patents

Abstract

Es werden Verfahren zur chromatographischen Trennung mittels präparativer Flüssig-Chromatographie von Stoffgemischen in reine Stoffe beschrieben, wobei wenigstens eine der Zulauf- oder Auslauffritte die Form eines elliptischen Halbkörpers mit einem Verhältnis von der langen Seite der Ellipse zu der kürzeren Seite der Ellipse zwischen 10 und 1 aufweist. Dieses Verfahren kann in der "reserved phase" und "normal phase" HPLC-Chromatographie betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chromatographischen Trennung mittels präparativer Flüssig-Chroamtographie von reinen Stoffen, die auch als "reversed phase" im großen Maßstab unter einem Differenzdruck zwischen dem Zu- und Auslauf von mindestens 0.1 bar geführt werden. Die präparative Flüssig-Chromatographie ist ein wichtiges Trennverfahren zur Auftrennung von nichtflüchtigen Substanzen. Es wird vornehmlich in der pharmazeutischen Industrie verwendet.

Chromatographische Säulen bestehen aus den folgenden Teilen: dem Mantel mit der Packung, dem Zulauf, dem Zulaufverteiler (Zulauffritte), der Auslauffritte und dem Auslauf. Die Aufgabe der Zulauffritte besteht in der gleichmäßigen Verteilung der durchströmenden mobilen Phase (Eluent) über die Querschnittsfläche der Säule.

Hinter der Zulauffritte durchlaufen sie die Packung, in dem die unterschiedlichen adsorptiven Wechselwirkungen zum Tragen kommen, die zur Trennung der Komponenten führen. Die Packung besteht in der Regel aus feinen Partikeln, die dem, durch den Zulauf eingegebenen Strom an Flüssigkeiten einen Widerstand entgegensetzt. Der 1. Hauptsatzes der Thermodynamik sagt aus, daß die Überwindung dieses Widerstandes Arbeit erfordert, die sich innerhalb der Packung in Wärme umsetzt. Die Erwärmung der Packung durch den Strömungswiderstand ist daher Stand der Technik [Patent DE 196 36 344 A1].

Die sich an die Packung anschließende Auslauffritte unterstützt das Zusammenfließen der mobilen Phase am Ende der Säule. Im Auslauf erfolgt die Fraktionierung der Komponenten.

Die geometrischen Formen von Fritten sind poröse planparallele Zylinder oder Scheiben. Sie sind an den Innendurchmesser der Säule angepaßt. Die Dicke der Fritte richtet sich nach den Stabilitätsansprüchen und dem maximal zulässigen Gesamtdruckverlust der Säule und liegt gewöhnlich zwischen einigen Millimetern bis in den Bereich von Zentimetern. Es kommen dabei Sinter- oder Gewebefritten, auch mit unterschiedlichen Schichten zum Einsatz. Als Material wird Titan oder rostfreier Stahl verwendet. Die Verteilung der Strömung in der Fritte erfolgt aufgrund eines geringeren Druckverlusts des Strömungsweges in radialer gegenüber des Strömungsweges in axialer Richtung.

Abhängig vom zu trennenden Gemisch muß eine dazu passende stationäre Phase (Packung) gefunden werden. In die Trennleistung der Apparatur geht vorrangig die Art der stationären Phase ein. Die stationäre Phase kann durch physikalische und thermodynamische Parameter und den Stofftransport beschrieben werden. Zu den physikalischen Parametern zählen unter anderem die Partikelgröße, die spezifische Oberfläche, die Form- und Größenverteilung, Transportgrößen, die Porengröße und die mechanische Stabilität. Die Thermodynamik wird bestimmt durch die Adsorptionsisotherme und der Stofftransport durch den Stoffübergangskoeffizienten und die axiale Dispersion.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt; daß die Ausbildung von axialen und radialen Temperaturprofilen sich negativ auf die Trennleistung einer analytischen und präparativen Säule wirken kann. Sowohl die Viskosität, als auch der Stoffübergangskoeffizient und die Adsorptionsisothermen sind Funktionen der Temperatur.

Das Verhalten von analytischen Säulen und präparativen Säulen sind wegen der unterschiedlichen Oberflächen zu Volumenverhältnisse aber grundsätzlich verschieden. Während analytische Säulen durch Mantelkühlung thermostatisiert werden können, arbeiten präparative Säulen weitgehend adiabat. Weiterhin sind die Verteilungs- und Sammelprobleme in analytischen Säulen aufgrund der geringen Querschnittsfläche zu Längenverhältnisses von untergeordneter Rolle. Demgegenüber ist das Querschnittsflächen zu Längenverhältnis in präparativen Säulen um Dimensionen größer. Als Folge treten zeitlich und örtlich ungleiche Verteilungen der aufgegebenen Stoffe über der Querschnittsfläche der Säulen auf, die zu einer Rückvermischung am Auslauf und damit zu einer Verminderung der Trennleistung führen.

Diese Effekte sind in der Abb. (1) im Experiment an einer realen Säule mit einem Durchmesser von 6 cm und im Computerexperiment mit einer herkömmlichen Fritte dargestellt. Die berechneten Konzentrationsfelder in der Säule und der Verlauf der integralen Konzentration im Auslauf wurden mit experimentellen Daten verglichen, um die Realitätsnähe der Simulationsergebnisse zu überprüfen. Die Temperatureffekte und die Verteilungseffekte treffend genau wiedergegeben. Im Experiment wie in der Simulation ist die gekrümmte Verteilung der Konzentration in der Säule zu erkennen. Dies führt am Ende der Säule zuerst zu einem Durchbruch des mittleren Teils des gekrümmten Konzentrationsprofils. Zu dieser Zeit befindet sich noch ein erheblicher Anteil der Komponente in den äußeren Bereichen der Säule. Diese verlassen zeitlich versetzt die Säule, wobei es zu einer Rückvermischung mit der nachfolgenden Strömung im mittleren Bereich der Säule und damit zu einer Herabsetzung der Trennleistung kommt. Das entspricht dem Stand der Technik.

Die Validierung des Modells erfolgte anhand von experimentellen Daten. Hierfür wurden die Verhältnisse von axialen zu radialen Druckverlust in konventionellen planparallelen zylinderförmigen Gewebe- und Sinterfritten bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten vermessen und das simulierte Verteilersystem an die Daten angepaßt.

Aufgrund dieser Ausführungen ist klar ersichtlich, daß die Ausbildung von Temperaturprofilen und die Ungleichverteilungen auf die Trennleistung in präparativen chromatographischen Säulen einen erheblichen Einfluß besitzen. Somit ist es verfahrenstechnisch von besonderem Interesse, die genannten Effekte gezielt zu beeinflussen und zu kompensieren. Um den Mangel der Ungleichverteilung abzuhelfen, wird vorgeschlagen, Fritten der Gestalt einzubauen, daß sie durch eine geschickte Formgebung die oben genannten Effekte kompensieren.

Dieses ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Lehre der Patentansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann realisiert werden, indem Fritten in Form eines elliptischen Halbkörpers (Abb. 2) in Säulen zur chromatographischen Trennung von Stoffgemischen in reine Stoffe mittels präparativer Flüssig-Chromatographie eingesetzt werden. Als Maß der elliptischen Eigenschaften der Fritte wird das Verhältnis von b/a im Schnitt AA der Abb. (2) definiert. Der Parameter b entspricht dem Radius der Säule und liegt somit für jede Anwendung fest. Das Verhältnis von b/a sollte je nach Trennaufgabe und Frittenmaterial zwischen 1 und 10 liegen. Der Parameter a berechnet sich aus dem vorgegebenen Verhältnis geteilt durch den Radius der Säule. Die Koordinaten z und r der Oberfläche der gekrümmten Seite der Fritte im Schnitt AA berechnen sich nach der Formel für eine Ellipse:

Als Material zum Bau der Fritte können Sinter- und Metallgewebefritten aus den gängigen Materialien, wie z. B. Bronze, Titan, rostfreier Stahl und Keramik eingesetzt werden.

Die elliptische Form der Fritte muß durch Experimente oder validierte Computerexperimente für das jeweilige Trennproblem und für die jeweilige Verfahrensvariante bestimmt werden. Dabei ist die theoretische Anzahl der Trennstufen NTU zu maximieren. Dazu sind Fritten in verschiedenen Formen einer elliptischen Halbschale in die jeweilige Säulen zu implementieren und das zu trennende Gemisch aufzugeben. Mit Hilfe der in dem Beispiel angegebenen Möglichkeit zur Berechnung der Anzahl der theoretischen Trennstufen führt die beste Frittenform zu einer Maximierung der Trennstufenzahl NTU.

Beispiel: In nachfolgenden Computerexperimenten wurden Fritten in Form ellipsoider Halbkörper für verschiedene Verhältnisse von b/a variiert und die zugehörigen Konzentrationsverläufe in der Säule sind in der Abb. (4) dargestellt.

Als Ergebnis der Computerexperimente wurden die folgenden Beobachtungen gemacht:

• - Die Verteilungen der Konzentration innerhalb der Säule mit einer Fritte in Form eines elliptischen Halbkörpers verhalten sich gegensätzlich zu den Verteilungen von konventionellen zylinderförmigen planparallelen Fritten.
• - Je nach Ausprägung der elliptischen Eigenschaften kommt es zu einem mehr oder weniger starken Vorlaufen der Randbereiche gegenüber der Kernzone des Konzentrationsprofils.
• - Bei optimaler Wahl der elliptischen Eigenschaften findet das gleichzeitige Zusammenlaufen der Kern- und Wandbereiche im Auslauf statt. Die Rückvermischung wird minimiert.
• - Durch eine elliptische Form der Fritte sind die negativen Temperatur- und Verteilungseffekte in präparativen Säulen zu kompensieren.

Diese Computerexperimente wurden mit experimentellen Daten validiert.

Die integralen Konzentrationsprofile (Peaks) im Auslauf der Säule lagen für die Bestimmung der Anzahl der theoretischen Trenüstufen (NTU) der Säule zu Grunde. Dies ist ein Maß für die Effektivität der Trennung, wobei die
NTU = 5.54(t_R/w_0,5)²
mit t_r = Retentionszeit des Peaks
und w_0,5 = Breite des Peaks auf halber Höhe
ist.

Die prozentuale Veränderung der NTU im Vergleich zum Gebrauch von planparallelen Fritte unter den gleichen Bedingungen ist in der Abb. (5) dargestellt. Dabei ist Delta NTU die prozentuale Veränderung der Trennstufenzahl durch den Einsatz von Fritten in Form elliptischer Halbkörper bezogen auf die Trennstufenzahl durch den Gebrauch einer konventionellen planparallelen Fritte. Bei einem Verhältnis von b/a von 1 verschlechtert sich die NTU um mehr als 13,6%. Die Verhältnisse von b/a von 2 und 4 führen dagegen zu einer Verbesserung der NTU um 7,5% bzw. 9,0%. Die erfindungsgemäße optimale Form der Fritte liegt für dieses Beispiel bei einem Verhältnis von b zu a von 4. Der Parameter a beträgt somit einen Viertel des Radius der Säule.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft den Einsatz von Fritten in Form von elliptischen Halbkörpern. Dabei sind drei Verfahrensvarianten möglich:

• - die Fritte im Zulauf besitzt die Form eines elliptischen Halbkörpers und im Auslauf wird eine konventionelle planparallele Fritte eingesetzt. Dieses Verfahren ist, zu empfehlen, wenn die Säule von der Auslaufseite gepackt wird.
• - die Fritte im Auslauf besitzt die Form eines elliptischen Halbkörpers und im Zulauf wird eine konventionelle planparallele Fritte eingesetzt. Dieses Verfahren ist zu empfehlen, wenn die Säule von der Zulaufseite gepackt wird.
• - im Zulauf und im Auslauf werden jeweils Fritten in Form eines elliptischen Halbkörpers eingesetzt. Dieses Verfahren ist prinzipiell einsetzbar, führt aber beim Packen der Säule zu den größten Schwierigkeiten.

Die Implementierung der Fritte in die Säule kann gemäß der Abb. (3) mit der flachen oder elliptischen Seite der Fritte auf der Stirnseite der Säule erfolgen. Wird die elliptische Seite der Fritte auf der Stirnseite der Säule implementiert, muß die Form der Stirnseite der Säule entsprechend angepaßt werden.

Übliche Bedingungen für eine solche präparative Trennung sind die Verwendung von "reversed phase" oder "normal phase" Säulenmaterial, Komprimierung der gefüllten Säulen auf Werte zwischen 20-90 bar und Chromatographie mit oder entgegen der Erdanziehung bei Drücken größer 5 bar und Druckabfälle von über 0,1 bar über der Säule.

Claims (5)

1. Verfahren zur chromatographischen Trennung mittels präparativer Flüssig-Chromatographie von Stoffgemischen in reinen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Zulauf- oder Auslauffritte oder die Zulauf- und Auslauffritte die Form eines elliptischen Halbkörpers nach mit einem Verhältnis von der langen Seite der Ellipse zu der kürzeren Seite der Ellipse zwischen 10 und 1 aufweist.

2. Verfahren zur chromatographischen Trennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale Form der Fritte durch Maximierung der theoretischen Anzahl der Trennstufen NTU gefunden wird.

3. Verfahren zur chromatographischen Trennung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß eine präparative "reversed phase" oder "normal phase" HPLC-Chromatographie angewendet wird.

4. Verfahren zur chromatographischen Trennung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in Säulen mit Durchmessern größer 4.6 mm durchgeführt wird.

5. Verfahren zur chromatographischen Trennung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in Chromatographiesäulen unter einem Druck von mindestens 0.1 bar über dem Umgebungsdruck betrieben wird, in den sich Flüssigkeit und Feststoff im Gegenstrom bewegen, oder dieser Gegenstrom durch Umschalten der Zu- und Abläufe simuliert wird.