DE2020789A1 - Verfahren zur chromatographischen Trennung von Substanzgemischen - Google Patents
Verfahren zur chromatographischen Trennung von SubstanzgemischenInfo
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Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. F. weickmann,
D1PL.-IN0. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Di. K. FiNCKE
- HRK Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
• MÜNCHEN 16, DEN
POSTFACH 160120
Boehringer Mannheim GmI)Hj Mannheim
Verfahren zur chromategraphischen Trennung
von Substa&jBgemisohen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sar chromatographischen
Trennung von Su"batanagemieohen unter Verwendung von Molekularsiebmaterial
und gegebenenfalls Ionenaustauscbiaaterial.
Molekularsiebmaterialien trennen Substanzgemische unterschiedlichen Molekulargewichts. Die Rausanetastruktur dieser gelartigen Molekularsiebmaterialien besitzt Hohlräume, in welche
die Moleküle verschieden schnell hineindiffundieren können,
in Abhängigkeit von der Molekülgröße. Substanzen mit gro0em florekUlVdl'umen ttr*i'nge*n feidht'in ^ie ΤοτβΆ oin, während die
kleinen Moleküle in das GsI fcineindiffundieren und daher
einen längeren Meg zurücklegen als die großen« D#P Trermbereich
von MolekularsiebiAaterialisn v;ird durch den Vor-
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«■ 2
netzungsgrad der; Gelmatrix festgelegt unä es kommt nur zu
einer Auftrennung von Substanzgemischen, wenn die Poren des
Gels ausreichend groi3 sind. Der Gelchromatographie sind daher
durch die Fraktipnierungsbereiehe der einzelnen Molekularsieb-.mafcerialien
enge Grenzen gesetzt. Ähnliche Grenzen liegen auch hinsichtlich der Säulendimensionen vor, da das sehr weiche
M'olekularsiebmaterial durch höheren hydrostatischen Druck, ,,,wie er bei Säulen größerer Dimension vorliegt, zusammengedrückt wird, so daß sowohl die uäulendmxSiläßigkeit als auch
die Trennwirkung negativ beeinflußt wird.
An Ionenaustauschern können Substanzen nur getrennt werden, wenn die Ladungen verschieden sind» Bei Substanzen gleioher
ladungsverteilung erfolgt daher durch IonenaustauscherrOhromatographie.
keine Auftrennung des Substanzgemisohes, auch
wenn unterschiedliche MoIe 1mlargewichte vorliegen. Eb mußte
daher bisher in solchen Fällen nach der lenenaus tausch er«-
Chropiatographie eine weitere Chromatographie in einer Molekularsiebkolonne
durchgeführt werden. Dies erforderte nicht*nur zusätzlichen Aufwand, sondern ergab durch di© Notwendigkeit
mindestens zweimaliger Elution auch eine unerwünschte Konzentrationsverringerung,
die durch Eindampfen und dergleichen
zusätzliche Arbeitsschritte wieder rückgängig gemacht v/erden mußtee
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese lachteile zu
beseitigen»
Das erfjbidungs gemäße Verfahren zur chromate graphischen Trennung
von Substaazgeraisehen unter Verwendung von Molekularsiebmaterial
und gegebenenfalls Ionenaaetaueohmaterial besteht
darin? daß mindestens swsi verschiedene.a. star ehromatographischen
Trennung durch Molekularsiebung uad gegebenenfalls
Ionenauatausch geeignete Materialien unraittelfoax3 hintereinander
geschaltet verwendet werden, wobei mindestens
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einem Ionen- oder/und Kationenaustauschermaterial oder/und
Molekularsiebmaterial mindestens ein Molekularsiebmaterial
nachgeordnet wird und das Moiekularsiebmaterial mit stärkerer
Vernetzung vor dem Moiekularsiebmaterial mit geringerer Vernetzung angeordnet ist* '
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendeten verschiedenen Chromatographiematerialien sind in Fließrichtung des
Subsianzgeraisches so aufeinanderfolgend angeordnet, daß aus
einem vorgeschalteten Material axistretendes Eluat unmittelbar auf das nachgeschaltete Chromatographieiriaterial aufgegeben wird* Vorzugsweise erfolgt diese Anordnung der verschiedenen
Materialien in einer einsigen Säule, wobei die verschiedenen Materialien durch eingeseifte Siebe oder andere
poröse Materialien getrennt sind, Es ist jedooh auch möglich,
die verschiedenen Materialien in mehreren nacheinander geschal* tenen Säulen anzuordnen, wobei jedocli das Leervolumen zwischen
zwei Säulen so gering ..gehalten-werden muß, daß keine wesentliche
Konzentrationsverraindert^ eluierten Materials erfolgt.
Dies ist beispielsweise möglich durch Anordnung sehr enger Verbindungsleitungen mit einem Gesamtvolumen, das zweckmäßig
geringer ist als das innerhalb von 5 Min. vorzugsweise innerhalb von 1 Min» durch die ßäulo laufende FlUssigkeitsvolumen.
Die besten Ergebnisse werden jedoch bei völliger Ausschaltung «ines Leervolumens erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge*·
mäßen Verfalirens werden in einer Säule ttoeireiftande* mehrere
Molekularsiebmaterialien unterschiedlichen Vernetzungsgrades
übereinandergesehiehtet, wobei die verschiedenen
Materialien nach abnehmendem Vernetzungagrad angeordnet werden, so daß die unterste Schicht in der Säule aus dem
Material mit dem niedrigsten Vernetsungsgrad besteht* Mit · ·
einem derartigen Vorgehen wird es möglich, in einem einzigen Arbeitsgang Substanzgemische au trennen, die bisher nur auf ^
umständliche Weise unter Verwendung laehrerer Säulen voneinander
getrennt werden konnten, wobei eine starke Ver-.
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dünnung der Lttmingen der Gemische in Kauf genommen werden
mußte. VoTzugsvc-iae werden die e filz einen Schichten öo.r Säule
hierbei durch poröse Zwischenschichten, z„B, Siebe, voneinander
getrennt, welche auf solefio V/eise innerhalb der
Säule -ar/»*»pr<ini>t sind, daß sie das Gewicht der jeweils dar-
-GtälocMcht aufnehmen'♦ Besonders geeignet ist
die in der deutschen Patentanmeldung P 20 08 354.9 beschriebene Kombinationssäule.
Bei den Molekularsiebmaterialien handelt es sich um weiche gelartige Substanzen, vorwiegend auf Basis vernetzter
Dextrane, von denen bisher angenommen worden war, daß ihre Eigenschaften wesentlich vom darauf lastenden hydrostatischen
Druck beeinflußt v/erden. So wurde allgemein gelehrt, daß mit der Erhöhung des hydrostatischen Drucks die Durchflußgeschwindigkeit
erheblich einkt. Auch wurde angenommen, daß
bei Säulen, die langer als 1 m sind, erhebliche Schwierigkeiten auftreten. Bei besonders niedrig vernetzten Gelen,
z.B. SephRdex 6-200, wurde sogar vorgeschrieben, daß eine
Niveaudifferenz von 10 - 15 cm nicht überschritten werden darf. Überraschenderweise lassen sich bei Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens beliebig hohe hydrostatische Drucke aufrechterhalten, ohne daß die befürdhteten Schwierigkeiten
und die Verringerung der Durchflußgeschwindigkeit auftraten. So wurde gefunden, daß bei einem erfindungsgemäß
abgeordneten Gelbett von 100 cm Höhe, welches in fünf Schichten zu je 20 cn durch Siebe unterteilt war, bei einem Wasserdruck
von 130 cm nur eine unbedeutende Verringerung der
Durchflußgeschwindigkeit im Vergleich zu einem 20 cm hohen Gelbett bei gleichem hydrostatischem Druck auftrat, während
bei nicht unterteilter Anordnung einer 100 cm hohen Gelschicht und 130 cm Wassersäule die Durchflußgeschwindigkeit
bereits auf die Hälfte absank.
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' Für das erfindungsgemäße Verfahren sind die bekannten Molekularsiebmaterialien
für die Gelchromatographie geeignet, /"bei denen es sich überwiegend um Dextrane handelt, die in
unterschiedlichem Ausmaß vernetzt sind. Als Vernetzungsmittel
wird hier beispielsweise EjichlorhydriK verweridet
(Sephadex)* Andere geeignete vernetzte Dextrt: ·.» sind z.B.
unter der Bezeichnung Sepharose und Agarose im Handel. Außer
Dextranen eignen sich beispielsweise auch vernetzte Polyacrylamide
und andere Substanzen auf Basis von langkettigen Molekülen,
die unter Bildung weicher poröser Gele miteinander vernetzt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erf,indungsgemäßen
Verfahrens werden Kationen-oder/und Anionenaustauscher und
in
mindestens ein MolekularsiebmateriaVdieeer Reihenfolge unmittelbar
hintereinander angeordnet. Auoh für diese Aubführungsform
gilt das oben für die Anwendung verschiedener, ' nacheinander angeordneter. Molekularsiebmaterialien ausgeführte,
Vorzugsweise werden die verschiedenen Materialschichten in einer einzigen Säule übereinander angeordnet und lediglich
durch dünne poröse Trägerschichten voneinander getrennt, insbesondere durch Siebeinsätze· Als ganz besonders zweckmäßig
erwiesen sich hierbei Säulenaegmente, die sich mit Siebsegmenten kombinieren lassen, wie dies bei der obenerwähnten
Kombinationssäule der Pail ist.
Das die oberste Schicht darstellende Ionenaustauschmaterial
kann if ein Kationenaustauscher oder ein Anionenaustauscher sein·
Es ist auch möglich, sowohl ein Anionen- als auch ein Kationenaustauschermaterial
vorzusehen, wobei diese sowohl gemischt, als auch in Schichten getrennt angeordnet werden können»
* Schließlich*ist*eV auch* möglich,'verschiedene- Kationenbzw, Anionenauatauscheriaaterialien geschichtet anzuwenden,
wobei diese Materialien unterschiedliche Ionenstärke aufweisen.
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- β—
In Fließrichtung dem lonenaustauschniaterial näciigeschaltet .
wird ein Molekularsiebraaterial» Dieses Molakularaiebmaterial
kann aus einer einzigen Schicht "bestehen«, Es kann after auqh
aus mehreren Schichten unterschiedlichen Vernetzungsgrades "bestehen, die dann Ihrerseits, wie bereits angegeben, nach
fallendem Vernetzungsgrad angeordnet werden.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es möglich, im Ionenaustauschmaterial Substanzen mit · unterschiedlicher lonenstärke zu trennen. Bei der Elution
werden dann die Substanzen gleicher lonenstärke, die im Ionenaustauschmaterial nicht aufgetrennt werden, im darauffolgenden
Molekularsiebmaterial ebenfalls aufgetrennt, so daß auch schwierige Trennungsprobleme nunmehr auf einfache Weise
in bisher nicht für möglich gehaltenem Ausmaß aufgetrennt werden können, ohne daß ein umfangreicher apparativer Arbeitsaufwand
erforderlich ist* '
Für die Elution werden beim erfindungsgemäßen Verfahren sowohl
Gradientenelution als auch stufenweise Elution eingesetzte
Diese Elutionsarten sind an sich bekannt.
Pur das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich ist die angegebene
Reihenfolge der verschiedenen angewendeten Chromatographiematerialien,,
sowie die Ausschaltung von Zwischenvolumina zwischen den einzelnen Schichten Wenn τοη der angegebenen
Reihenfolge abgewichen wird oder zwischen den einzelnen Materialschichten wesentliche Iieervolumina vorhanden
sind9 lassen sieh die Vorteile der Erfindung nicht
mehr erzielen und die Trennungsergebnisse werden wesentlich
verschlechtert. Bei erfindungsgemäßer Arbeitsweise hingegen wird die Zahl der theoretischen Böden vergrößert,
die Säulendimension verkleinert 9 Verdünnung, vermieden und
zusätzliche.Rechromatographie umgangen„ Die bisher geltenden
Grenzen für die chromatographisclie Trennung von Substancemischen
werden daher durch die erfindungsgemäSe Arbeitsweise erheblich erweitert«
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Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung in Verbindung
mit der beigefügten Zeichnung,
Ein Substanztestgeinisch enthaltend je 20 mg Dextranblau,
Katalane, Hämoglobin, Chymotrypsinogen, Cytochrom C und
Phenylalanin in 1,2 ml 0,05 M Phosphat-Puffer pH 7,5 wurde
auf eine mit einem Molekularsiebmaterial auf Dextranbasis gefüllte Säule gegeben. Die Gelbettdimension betrug in
jedeia Fa1IIe 2 χ 150 cm. Folgende Versuche wurden durchgeführt:
1. Das Gelbett bestand aus einer einzigen Schicht (Sephadex
G-1QG), Die angewandte Gelbettlänge ist als maximal anzusehen
und kann praktisch nicht mehr gesteigert werden. Eine Trennung von Dextranblau und Katalase ließ sich trotz-»·
dem nicht erreichen, vie aus Figur 1 hervorgeht, in der die Substanzkonzentrationen gegen das eluierte Volumen
aufgetragen sind. Die Elution erfolgte mit 0,05 M Phosphat-Puffer pH 7,5.
2. Es wurde eine gleiche Säule verwendet, jedoch mit einem
Molekularsiebmaterial auf Dextranbasis von geringerem
Ve^netzungsgrad (Sephadex G-200). Hierbei konnte eine
Auftrennung von Dextranblau und Katalase erreicht werden,
,eine Auftrennung von Hämoglobin, Ghymotrypsinogen und
Oytochrom C war jedoch nicht befriedigend möglich (vergl.
Abb. 2).
3. Es wurde eine Säule verwendet, die oben eine 100 cm
Schicht von Sephadex höheren Vernetzungsgrades und anschließend eine 50 cm Schicht geringeren Vernetzungsgrades
(Sephadex G-100 bzw. G-200) enthielt. V/ie Abb.
zeigt, wird hierbei eine Trennung sämtlicher im Tectgemisch
vorhandener Substanzen erreicht. '"
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Als Säule vnirde die in der deutschen Patentanmeldung
P 20 08 354« 9 "beschriebene Kombinationssäule mit eingeschraubtem
Sieb verwendet»
4. Es vnirde eine Säule wie unter 3 beschrieben, verwendet, ' wobei jedoch die Reihenfolge der beiden Molekularsiebmaterialien
umgekehrt "wurde. Wie Abb. 4 zeigt, tritt eine starke Verdünnung des aufgetragenen Probenvolumens auf
r> und die Trennung im niedermolekularen Substanzbereioh wird
wieder aufgehoben (Hämoglobin, Chymotrypsinogen, Cytochrom C
veraclimiert).
5. Es wurde eine Säule verwendet, in der übereinander 4 MoIekularsiebmaterialien
mit von oben nach unten abnehmendem Vemetzungsgrad angeordnet waren. Die Schichthöhen waren
wie folgt: 20 cm (Sephädex G-2.5-),
30 cm (Sephadex G-50),
50 cm (Sephadex G-100),
50 cm (Sephadex G-200).
50 cm (Sephadex G-100),
50 cm (Sephadex G-200).
Abb, 5 zeigt, daß eine sehr gute Trennung erhalten wird, so
daß im Bereich zwischen Cytochrom C und Phenylalanin noch 3-4 weitere Substanzen aufgetrennt werden könnten. Auch·
die Trennung von Katalase und Hämoglobin ist so gut, daß noch eine weitere Substanz dazwischen vorhanden sein könnte
bzw, ein Gelbett wesentlich kleineren Ausmaßes zur vollständigen Auftrennung der Substanzen ausreicht.
v· ·-■
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Ein Substanztestgeinisch, enthaltend je 40 rag Katalase
Ovalbumin, gelöst in 0,2 M Tris-Puffer pH 7,6 wurde auf
eine Ionenaustauschersäule (2 χ 20 cm; DEAE-Sephadex H 25)
gegeben und mit einem Gradienten des gleichen Puffers eluiert. Eine Trennung der beiden Substanzen gelang hierbei
nicht, wie Abb. 6 zeigt.
Der "vorstehend beschriebene Versuch wurde wiederholt, {je·*·
doch wurde eine kombinierte Säule verwendet, bei der unmittelbar
auf den Ionenaustauscher folgend eine Molekularsiebmaterialschieht
(130 cm Sephadex G-200) angeordnet --wurde,
Ionenaustauschermaterial und Molekularsiebmaterial waren durch ein in der Säule angebrachtes und an der Säulenwand
befestigtes Sieb ohne Ieervolumen getrennt. Wie Abb. 7 zeigt,
konnte auf diese Weise eine vollständige Trennung der beiden
Substanzen erhalten werden.
,* Jt-
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Claims (6)
1. Verfahren zur chromatographischen Trennung von Substanzgemischen
unter Verwendung iron Molekularsiebmaterial und
gegebenenfalls lonenaustauschmaterial, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei verschiedene, "zur chroraatographischen
Trennung durch Molekularsiebung und gegebenenfalls Ionenaustausch geeignete Materialien unmittelbar hintereinander
geschaltet, verwendet werden, wobei mindestens einem Anionen- oder/und Kationenaustauschermaterial oder/und
Molekularsiebraaterial mindestens ein Holekularsiebiaaterial
nachgeordnet v/ird und das stärker vernetzte dem weniger
stark vernetzten Molekularsiebaaterial vorgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
einer Säule das Molekularsieibiaaterial mit dem lonenaustauschmaterial
überschichtet ferwendet wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2f dadurch gekennzeichnet,
daß.mehrere Molekularsiebmaterialien init unterschiedlichem
Vernetzungsgrad verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oäer 3f dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Schichten in der Säule durch dünne poröse Schichten getrennt werden.
5. Verfahren naeh Anspruch 4S iafinrch gekennzeichnet, daß als
poröse Schicht ein mit der Säoleavand verbundenes Sieb verwendet
wird«
6. Verfahren naeh einem der■ voz&ergehendeii Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die einzelnem Hatsrialschichten im
wesentlichen; ohne Iieervoltuiea fm@iaa&dergrenze&d angeordnet
werden. ' ' - ' ·-"."■
Z 0 S S 1 Q / % 81 1 - ORlQlMAi INSPECTED
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7* Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kationen- und AnioxienaußtauBCher gemein-.\
sam verv/endet werden. ;
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