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In der Flüssigkeitschromatographie (Liquid-Chromatography, LC, Hochdruckflüssigkeitschromatographie, HPLC) werden gepackte Säulen aus Stahl, Glas oder Kunststoff verwendet. Eine LC-Säule besteht aus einem stabilen Rohr, welches eine pulvrige Packung enthält und auf beiden Säulen mit einem Deckel mit Öffnung, einer poröser Fritte und einer Dichtung verschlossen ist. Bei größeren Säulen kann noch ein Strömungsverteiler eingebaut sein.
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LC-Säulen dienen der Analyse und Reinigung von chemischen, pharmazeutischen Substanzen: Prinzipiell können hiermit alle Substanzen analysiert werden, die in Flüssigkeiten löslich sind. In der präparativen LC versucht man größere Mengen an Roh-Substanzen zu reinigen, um sie später z. B. als Arzneimittel zu verwenden. Die Rohextrakte werden in die Säule injiziert, anschließend mit dem Flüssig-Eluenten durch die Säule gepresst und dabei in die Einzelbestandteile aufgetrennt. Um gute Ergebnisse zu erzielen, muß die Packung innerhalb der Säulen immer fest und gleichmäßig sein und darf vor allem nicht zusammensacken und Hohlräume (Totvolumen) bilden, was die Trennung verschlechtern würde.
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Zur Füllung werden die präparative Säulen in der Regel an ein sogenanntes Slurry-Füllrohr angeschlosssen. In dieses Füllrohr wird eine Partikel-Flüssigkeits-Mischung hineingeleert, um sie dann mit Hilfe einer Flüssigkeits-Hochdruckpackpumpe in die eigentlich LC-Säule hineinzudrücken. Da die Flüssigkeit über einen Ausgang entweichen kann, die Partikel aber nicht, reichern sich die Partikel in der eigentlichen Säule an und bilden die sogenannte Säulenpackung, auch chromatographisches Bett oder stationäre Phase genannt. Ist der Packprozess abgeschlossen, kann die Säule vom Füllrohr wieder abgenommen werden, um sie auch am Säuleneingang verschließen zu können.
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Dieses Säulenabnehmen ist nun ein kritischer und entscheidender Vorgang bei der Produktion von präparativen LC-Säulen:
Das in das Säulen-Rohr eingepresste Material kann sich beim Abnehmen vom Füllrohr, seinen elastischen Eigenschaften entsprechend, wieder mehr oder weniger entspannen und einige Millimeter aus dem Säuleneingang heraus wandern. Dabei löst sich die ideale Packungsstruktur z. T. wieder auf und es kann sogar Material verloren gehen. Das einige Millimeter herausgequollene Pack-Material kann beim Verschließen nicht mehr zurückgedrückt werden. Man muß es vor dem Verschließen abnehmen und verwerfen, um die Säule dicht zu bekommen. Dies kann aber 2 sehr negative Folgen haben:
Die Trenn-Leistung wird schlechter und die Lebensdauer der Säule wird verkürzt, da sich später im Einsatz unter hohen Drücken sogenannte Totvolumina (Hohlraüme) ausbilden können, da das Füll-Material wieder zusammensacken und zurückwandern kann.
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Um diesen negativen Effekt bei herkömmlicher Standard-Packtechnik möglichst gering zu halten, muß bei diesem Säulenabnehmvorgang immer sehr schnell gearbeitet werden. Ganz vermeiden läßt sich dieser negative Effekt des Herausquellens aber so trotzdem nie.
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Möchte man optimale Säulen produzieren, muß das Herausquellen aus der Säule unbedingt ganz verhindert werden. Die Packung muß permanent axial komprimiert bleiben. Man muß verhindern, daß sich das Packmaterial wieder entspannt und ausdehnt. Der Säulen-Stempel, der die Partikel-Packung zusammendrückt, muß noch unter Druck an Ort und Stelle fixiert werden, bevor die hydraulische Druckstange zurückgefahren wird und den Stempel wieder frei gibt. Der Stempel soll auf keinen Fall zurückwandern. Man spricht bei dieser Technik auch von Statisch Axialer Kompression (SAC).
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Hierzu wurden in jüngster Vergangenheit bereits mehrere Verbesserungen entwickelt:
- – Manche Firmen ersetzen die hydraulische Druckstange nach dem Packen durch Druck-Federn, um die Säule von der Pack-Apparatur abnehmen zu können. Da die Druckfedern dynamisch und permanent drücken, spricht man hierbei von Dynamischer Axialer Kompression (DAC).
- – Andere Firmen vermeiden einfach das kritische Säulenabnehmen ganz:
Der Stempel wird innerhalb eines langen Rohres in den unteren Teil, die eigentlich Säule, hinein gedrückt und durch die hydraulische Pack-Druckstange in seiner Endposition dauernd fixiert. Die Druckstange hält den Stempel auch nach dem Packen in der Endposition permanent unter Druck. In diesem Fall muß die Säule aber Teil der Pack-Apparatur bleiben. Man kann die Säule nicht vom Packstand herausnehmen, was diese Technik umständlich und teuer macht.
- – Die Firma Phenomenex drückt den Stempel vom Füllrohr aus in eine separate Säule hinein, welche dann vom Füllrohr wieder abgenommen werden kann. Ein großer Nachteil ist hierbei aber, daß der Stempel über den sogenannten Gewinde-Adapter aber nur innerhalb eines kleinen, ca. 25 mm langen Fixierungsbereiches am Säuleneingang plaziert werden kann. Die Säulenpackung muß also immer genau bis in diesen Fixierungsbereich hineinreichen, damit der Stempel überhaupt fixiert werden kann. Eine partielle Säulen-Packung mit weniger Material ist hier nicht möglich.
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Die im Folgenden neu beschriebene Erfindung hat gegenüber dem bestehenden Stand der Technik folgende deutliche Vorteile:
- 1.)
Man kann den Stempel beliebig weit in die Säule hineindrücken und mit entsprechend langen Stützelementen bzw. Halbschalen in jeder beliebigen Endposition fixieren ( + ). Wird die Säule so weit gepackt, daß der Stempel mit seinem verjüngten Teil noch aus dem Säulen-Rohr herausschaut, kann der Stempel sogar ohne Stützelemente als Zwischenstücke, direkt durch die zwei Säulendeckelhälften fixiert werden. Nach der Fixierung des Stempels können die LC-Säulen vom Füllrohr abgenommen werden, ohne daß sich das Packmaterial wieder entspannen kann. Das Packmaterial wird so unter permanenter statisch-axialer Kompression (SAC) gehalten. Die variable Stempelplazierungsmöglichkeit bietet mehrere Vorteile:
- a.)
Man kann die Säulen auch partiell füllen und muß das Säulenrohr nicht vollständig bis oben hin packen, um den Stempel in einer einzig möglichen Stelle wie bei der Konkurrenz platzieren zu können. Man kann mit einem langen Säulenrohr sogar kurze, nur partiell gefüllte Säulen herstellen ( ). Dies ist besonders für Kunden interessant, die nur eine einzige Säule haben, diese aber für verschiedene Zwecke und unterschiedliche Bettlängen verwenden möchten.
- b.)
Man kann beim Säulen-Packen in bestimmten Fällen auf ein Extra-Füllrohr ganz verzichten ( ). Vor allem wenn man kürzere Säule packen möchte, kann man auf das Füllrohr ( ), das der LC-Säule beim Packen normalerweise vorgeschaltet ist, verzichten. Man verwendet nur ein etwas längeres Säulenrohr, das dann gleichzeitig als Füllrohr und als Säule dient. Möchte man z. B. eine 100 mm lange Säule packen, kann man eine 150 mm lange Leersäule nehmen und diese mit der entsprechenden Materialmenge nur bis auf eine Länge von 100 mm packen. Das obere, später leere Teilstück, das als Füllrohr gedient hat, überbrückt man nach dem Packen mit den erfindungsneuen Halbschalen. Dies vereinfacht das Packen erheblich, da die Kopplung von Füllrohr und Säule ( ) entfällt. In diesem Fall kann man auch auf die Säulendeckel-Hälften mit Schraubenfixierung verzichten und dafür einen einfachen Gewinde-Säulenkopf mit einer großer zentralen Öffnung für die Druckstange ( ) verwenden. Dieser wird vor Beginn des Packvorgangs über die Druckstange gestülpt. Am Ende des Packvorganges fixiert man den im Säulenrohr befindlichen Stempel mit den erfindungsneuen Halbschalen und eben diesem Gewinde-Säulenkopf über ein Außen-Gewinde am Säuleneingang
- c.)
Die Trefferquote beim Säulenpacken mit neuen, noch unbekannten Materialien kann mit dieser neuen Packtechnik deutlich verbessert werden:
Das Problem bei der SAC Packtechnik der Konkurrenz ist, daß man die Materialmenge genau kennen muß, um den Stempel über die sich ergebende Packungs-Bettlänge an der richtigen und einzigen Stelle platzieren zu können. Mit 50 g eines Materials mit geringem spezifischem Gewicht z. B. bekommt man eine andere Säulenbettlänge als mit 50 g eines Materials mit großen spezifischen Gewicht, da sich daraus unterschiedlich große Volumina ergeben. Die auf dem Markt befindlichen Kieselgele und Polymere sind aber sehr verschieden, so daß man in der Praxis erst Vorversuche machen muß, um die für eine bestimmte Säulenbettlänge richtige Materialmenge ermitteln zu können. Erschwerend kommt noch hinzu, daß die benötigte Material-Menge auch noch vom verwendeten Packdruck abhängen kann. Mit hohen Packdrücken lassen sich manche Materialien stärker zusammendrücken als mit niedrigen Packdrücken. Ganz schwierig und riskant wird die Materialeinwage mit feuchten oder nassen Materialien, wo man die genaue Konzentrationen bzw. spezifische Gewichte nicht genau kennt:
Verwendet man zu viel Packmaterial, wird das chromatographische Bett zu lang und der Stempel passt nicht mehr in das Säulenrohr hinein. Nimmt man zu wenig, wird die Bettlänge kurz und der Stempel wandert sehr tief ins Säulenrohr hinein. Bei der Phenomenex-Technik kann dann der Stempel nicht mehr fixiert werden, da die Fixierung nur innerhalb einer kleinen, ca. 25 mm langen Strecke möglich ist. Hier muß man dann nochmals ganz neu starten und das Material wieder aufarbeiten oder gar verwerfen. Bei der hier erstmalig beschriebenen, neuen Technik kann man den Stempel aber auch dann, wenn man eigentlich zu wenig Material eingesetzt hatte, immer noch fixieren: Befindet sich der Stempel sehr tief im Säulenrohr, überbrückt man den Zwischenraum zwischen Stempel und oberen Säulendeckelhälften einfach mit entsprechend längeren Halbschalen. Man erhält also sogar bei eigentlich zu geringer Einwaage an Packmaterial immer noch eine funktionsfähige Säule. Man muß dann nur die Mess-Ergebnisse nachträglich entsprechend der effektiven Bettlänge mathematisch korrigieren.
- 2.)
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung liegt in der nachträglichen Verschiebe-Möglichkeit des Stempels:
Verschlechtert sich die Leistung der Säulen im Laufe der Zeit aufgrund nachlassenden Innenspannung in der Packung oder beginnt das Füllmaterial gar zu schrumpfen, kann man den Stempel mit längeren Stützelementen nachschieben und so die Innenspannung in der Packung wieder erhöhen und die Säule. wieder reparieren.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von 5 Zeichnungen erläutert:
Die Zeichnungen zeigen die Einzelteile einer chromatographischen SAC-Säule mit permanenter, statischer, axialer Kompression:
- – bei ganzer Füllung mit kurzen Halbschalen ( ),
- – bei partieller Füllung mit langen Halbschalen ( ),
- – die Säulendeckelhälften mit Innenöffnung ( ),
- – die Standard-Füllapparatur mit Säule und Extra-Füllrohr ( ),
- – die Füllapparatur ohne Extra-Füllrohr, in diesem Fall mit Gewindekopf ( ).
Die erfindungsneuen Halbschalen sind in i in der Draufsicht und im Längsschnitt innerhalb der Säule dargestellt.
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Eine LC-Säule besteht immer aus dem Säulen-Rohr mit der eigentlichen chromatographischen Packung (Säulen-Bett), dem Säulenausgang und dem Säuleneingang:
Der Säuleneingang dieser neuen Erfindung besteht aus folgenden Teilen:
einem Stempel (f) mit Fritte (g), Dichtungen (h), einem geschlossenen Flanschring (d), den zwei Säulendeckelhälften (b) und den Flanschschrauben (c). Zwischen den zwei Säulendeckelhälften (b) und dem Stempel (f) befinden sich die erfindungsneuen Stützelemente, vorzugsweise als paarige Halbschalen (i). Die Säulendeckelhälften enthalten eine innere U-förmige Öffnung (e) für die hydraulische Druckstange (s), welche den Stempel vom Füllrohr (t) aus in die eigentliche Säule (j) hineingedrückt. Der Flüssig-Eluent wird über die Eingangskapillare (a) in die Säulenpackung (k) hineingeleitet und verlässt sie wieder über die Ausganskapillare (l).
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Die Säulendeckelhälften sind in in der Draufsicht (3a) und im Querschnitt (3b)) dargestellt. Sie enthalten innen eine Öffnung für die hydraulische Druckstange (s). Mit der Druckstange wird der Stempel vom Füllrohr aus in die Säule ( ) hineingedrückt. Der Stempel wird danach unter Druck, also bevor die Druckstange zurückfährt, arretiert, indem man die paarigen Halbschalen (i) um den oben verjüngten Teil des Stempels (f) herum platziert und diese dann mit den zwei Säulendeckelhälften (b) und Schrauben (c) am unteren geschlossenen Flanschring (d), der über ein Innengewinde am Säulenrohr befestigt ist, fixiert. Mit dieser Konstruktion ist sichergestellt, daß der Stempel durch die unter Spannung stehende Packung (k) nicht mehr zurückgedrückt werden kann, wenn die hydraulische Druckstange (s) zurückgefahren wird. Der von der Druckstange ausgeübte Druck wird dann von den U-förmigen Säulendeckelhälften, den Halbschalen, dem geschlossenem Flanschring und den Flanschdeckelschrauben aufgenommen. Die chromatographische Packung (k) bleibt so unter permanenter statisch-axialer Kompression und kann sich nicht wieder ausdehnen und entspannen, was die Qualität der Säule verschlechtern würde. Das Zurückfahren der Druckstange(s) ist notwendig, um die Säule aus dem Packstand wieder heraus nehmen zu können.
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Abb. 1: SAC-Säule mit permanenter Kompression, mit kurzen Halbschalen.
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- a
- = Eingangskapillare
- b
- = Säulendeckelhälften mit Innenöffnung
- c
- = Flanschdeckel-Schrauben (nicht alle eingezeichnet)
- d
- = Flanschring
- e
- = Säulendeckel-Öffnung für Hydraulische Druckstange (nicht sichtbar)
- f
- = Stempel
- g
- = Stempelfritte
- h
- = Stempeldichtung
- i
- = Stützelemente (Halbschalen)
- j
- = Säulenrohr
- k
- = Säulenpackung
- l
- = Säulenausgang
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Abb. 2: SAC-Säule mit permanenter Kompression mit langen Halbschalen, bei partieller Füllung.
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- a
- = Eingangskapillare
- b
- = Säulendeckelhälften mit Innenöffnung
- c
- = Flanschdeckel-Schrauben
- d
- = Flanschring
- f
- = Stempel
- i
- = Stützelemente (Halbschalen)
- j
- = Säulenrohr
- k
- = Säulenpackung
- l
- = Säulenausgang
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Abb. 3: Säulendeckel-Hälften
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- 3a:
- Draufsicht
- m
- = Schraubenlöcher
- e
- = Öffnung in Säulendeckel-Hälften für Druckstange
- 3b:
- Seitenansicht der Säulendeckelhälften
- m:
- Schraubenlöcher
- n:
- Überlappungstelle der Säulendeckel-Hälften
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Abb. 4: Hydraulischer Standard-Säulenpackstand für die Packung von Säulen, mit Extra-Füllrohr
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- s
- = hydraulische Druckstange
- t
- = Füllrohr
- j
- = Säulenrohr
- f
- = Säulen-Stempel
- u
- = Kopplungstelle von Füllrohr und Säulenrohr
- l
- = Säulenausgang
- k
- = Säulenpackung
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Abb. 5: Hydraulischer Säulenpackstand für die Packung von Säulen, ohne Extra-Füllrohr, mit Gewinde-Säulenkopf.
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-
- s
- = hydraulische Druckstange
- w
- = Gewinde-Säulenkopf
- f
- = Stempel
- j
- = Säulenrohr
- k
- = Säulenpackung
- l
- = Säulenausgang
- i
- = Stützelemente (Halbschalen)
