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Prof. Dr. Ing.
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Klaus Unger 6104 oeeheim Jugenheim 1 Dr. Ing., Dipl.-IngJ Panayotis
Roumeliotis 6100 Darmstadt II Verfahren und Vorrichtung zum chromatographischen
Analysieren von Extrakten " Analysieren von Extrakten Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum chromatographischen Analysieren von durch Hochdruckextraktion mit
Hilfe eines Extraktionsmittels gewinnbaren Extrakt sowie die Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Es ist seit langem bekannt, z.B. mit überkritischen und verflüssigten
Gasen die verschiedensten Naturstoffe schonend und zum Teil selektiv zu extrahieren
und den Extrakt sodann mit Hilfe eines Gas- bzw. Flüssigkeitschromatographen zu
analysierens Die Gewinnung des Extraktes erfolgt bei der Hochdruckextraktion beispielsweise
mit überkritischem und verflüssigtem Kohlendioxid oder Distickstoffmonoxid als Extraktionsmittel,
wobei nach einer bekannten Verweilzeit in einem Druckbehälter bei bestimmtem Druck
und Temperatur die mit Extrakt beladene Flüssigkeit entweder in einem zweiten Druckbehälter
oder über eine Kapillare entspannt und so eine Trennung von Extrakt und Gas bewerkstelligt
wird (Geräte zur Hochdruckextraktion der Firma Nova-erke AG
in Effretikon/Schweiz
bzw. Veröffentlichung Mikrochimica Acta (Wien) 1980 II, Seiten 465 bis 474).
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Der in der Hochdruckextraktionsvorrichtung gewonnene Extrakt wird
abgefüllt und sodann nach grundsätzlich bekannten Analyseverfahren untersucht. Der
mit dem Abfüllen und anschließendem Untersuchen verbundene Arbeitsaufwand ist aufwendig
und zeitraubend. Dies gilt vor allem dann, wenn gesicherte Erkenntnisse über die
Löslichkeit von Substanzen überhaupt noch nicht vorliegen und zunächst die Verfahrensparameter
für die Hochdruckextraktion, wie z.B. Verweilzeit, Temperatur und Druck erst ermittelt
werden müssen, damit sodann Extrakte mit der gewünschten Reinheit und Ausbeute gewonnen
werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen vorzusehen,
um die Analyse eines durch Hochdruckextraktion gewinnbaren Extraktes so einfach
und schnell wie möglich und dennoch exakt durchführen zu können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Extrakt
zusammen mit dem Extraktionsmittel unmittelbar übernommen und sodann von dem Extraktionsmittel
getrennt und daraufhin in einem geschlossenem System zur Trennsäule eines Gas- bzw.
Flüssigkeitschromatographen transportiert wird.
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Die chromatographische Trenn- und Analyseneinheit ist unmittelbar
an die Hochdruckextraktionsvorrichtung angekoppelt bzw. mit dieser verbunden, wodurch
alle zeitraubenden AbfUll- und EinfüllmaBnahmen entfallen. Das Analysenergebnis
steht daher sehr viel schneller zur Verfügung. Auch sind die Messungen genauer,
weil weniger
Fehlerquellen als bisher vorhanden sind, die sich bei
indirekten Messungen statt direkten Messungen nicht grundsätzlich vermeiden lassen.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist erfindungsgemäß
mindestens eine an die Hochdruckextraktionsvorrichtung angeschlossene und sowohl
mit der Atmosphäre als auch der Trennsäule des Chromatographen verbindbare sowie
absperrbare Kammer auf. Diese Kammer dient zum Druckabbau bzw. zur Trennung von
Extrakt und Extraktionsmittel und ferner als Depot für die Injektion auf die Trennsäule
des Chromatographen. Durch geeignete Anschlüsse und Absperr- bzw.
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Schaltventile ist es daher möglich, das mit Extrakt beladene, flüssige
Extraktionsmittel in die Kammer einströmen zu lassen, daraufhin den Druck abzubauen,
damit die Trennung von Extrakt und Extraktionsmittel erfolgt und schließlich den
Extrakt z.B. mit einem geeigneten Lösungsmittel oder Trägergas in die Trennsäule
des Chromatographen zu transportieren.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den
Ansprüchen im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die
in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigen: Fig. 1: eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beim Beladen der Kammer; Fig.
2; eine Prinzipskizze wie in Fig. 1 beim Beladen der Trennsäule des Chromatographen;
Fig.
3: eine Prinzipskizze einer abgewandelten Ausführungsform mit zwei Kammern während
des Beladens; Fig. 4: eine Prinzipskizze der Ausführungsform gem. Fig. 3 beim Beladen
der Trennsäule und Fig. 5: eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführungsform.
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Eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum chromatographischen Analysieren von durch Hochdruckextraktion gewinnbaren Extrakt
umfaßt, wie aus der Darstellung in Fig. 1 hervorgeht, eine Kammer 2, die an eine
Hochdruckextraktionsvorrichtung 3 angeschlossen ist und sowohl mit der Atmosphäre
A als auch der Trennsäule 4 eines Gas- bzw. Flüssigkeitschromatographen 5 verbindbar
ist. Ferner läßt sich die Kammer 2 über ein Schaltventil 6 mit einer Versorgungseinrichtung
7 für ein Fließmittel verbinden, wobei die Anordnung derart gewählt ist, daß das
Fließmittel auch unmittelbar von der Versorgungseinrichtung 7 zur Trennsäule 4 strömen
kann.
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Die Kammer 2 ist über eine Leitung 8 und ein Absperrventil 9 an die
Hcohdruckextraktionsvorrichtung 3 angeschlossen bzw. dort mit einem Teil lo verbunden,
in dem sich der Extrakt und das Extraktionsmittel noch unter hohem Druck befinden.
Sowohl die Hochdruckextraktionsvorrichtung 3 als auch der Hochdruckteil 10 und der
Chromatograph 5 mit der Trennsäule 4 und schließlich die Versorgungseinrichtung
7 sind in Fig. 1 und allen anderen Figuren nur blockmäßig der besseren Cbersicht
wegen wiedergegeben.
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Die Kammer 2 dient in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 als Drosselkammer
bzw. zum Trennen von Extrakt und
Extraktionsmittel. Hierzu strömen
der Extrakt und das Extraktionsmittel aus dem Teil io der Extraktionsvorrichtung
3 durch das geöffnete Absperrventil 9 und die Leitung 8 zur Kammer 2, die über eine
weitere Leitung 11 mit dem Schaltventil 6 und aufgrund der Stellung von dessen Küken
bzw. verstellbaren Schaltteil 12 mit der freien Atmosphäre A in Verbindung steht.
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Um den gewünschten Druckabbau und damit die Trennung von Extrakt und
Extraktionsmittel in der Kammer 2 zu erreichen, weist sie eine ausgewählte Länge
und einen genau definierten Durchmesser auf und besitzt Öffnungen 13 und 14 für
die Leitungen 8 und 11 an den stirnseitigen Enden ihres etwa zylindrischen Gehäuses.
Vorzugsweise ist die Kammer 2 eine Mikrosäule und zwecks Druckabbau ferner mit porösen
bzw. nicht porösen, druckstabilen Teilchen 15 dicht gepackt, die einen mittleren
Teilchendurchmesser von 1 - 300 Xm aufweisen. Besonders bewährt haben sich in der
Praxis Teilchendurchmesser von 5 - 20 pin.
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Diese Teilchen sind anorganische Körper wie Kieselgel, Aluminiumoxyd,
Aktivkohle, poröses Glas bzw. deren chemisch modifizierte Abkömmlinge. Daneben eignen
sich für bestimmte Zwecke organische Polymergele der verschiedensten Zusammensetzung
und ferner können Glas oder andere hochgeglühte, anorganische Materialien verwendet
werden, wenn unporöse Materialien zweckmäßig sind.
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Die Kammer 2 bzw. Mikrosäule ist mit den Teilchen 15 z.B. nach dem
bekannten Druckfiltrationsverfahren derart dicht und homogen gepackt, daß während
des eigentlichen
Arbeitsvorganges keine Veränderung der Packung
auftritt. Gehalten werden die Teilchen 15 in der Kammer 2 schließlich von porösen
Fritten 16 bzw. von Mikrometallfiltern 16, so daß sie nicht in die Leitungen 11
oder 8 ausgespült werden können.
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Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Kammer 2 schließlich über eine weitere, ebenfalls ein Absperrventil 17 aufweisende
und von der Leitung 8 abzweigende Leitung 18 mit dem Schaltventil 6 bzw. über ein
weiteres Leituntück 19 mit der Trennsäule 4 des Chromatographen verbunden. Es versteht
sich jedoch, daß der Anschluß der Kammer 2 an die Trennsäule 4 des Chromatographen
5 auch anders gewählt werden kann.
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Im praktischen Betrieb wird zunächst bei der Schaltstellung des Schaltventiles
6 gem. Fig. 1 durch Öffnen des Absperrventiles 9 und bei geschlossenem Absperrventil
17 Extrakt und Extraktionsmittel in Richtung des Pfeiles E in die Kammer 2 geschickt
und dort entspannt bzw. getrennt, da die Kammer 2 über die Leitung 11 und die zugehörige
Schaltstellung des Kükens 12 mit der Atmosphäre A verbunden ist. Gleichzeitig fließt
Fließmittel in Richtung des Pfeiles F von der Versorungseinrichtung 7 durch eine
Leitung 20 zum Schaltventil 6 und von dort durch das Leitungsstück 19 zur Trennsäule
4.
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Auch hier versteht es sich, daß die Verbindung von Versorgungseinrichtung
7 und Trennsäule 4 anders gewählt sein könnte und daß es gemäß der Erfindung lediglich
als besonders vorteilhaft angesehen wird, ein Schaltventil 6 zu verwenden, das Bin-
und Ausgänge bzw. Schaltmöglichkeiten in der hier erforderlichen Anzahl besitzt.
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Sobald die Trennung von Extrakt und Extraktionsmittel in der Kammer
2 bzw. Mikrosäule 2 erfolgt ist, die beispielsweise einen Innendurchmesser von 0,5
- 2 mm und eine Länge von 20 - 50 mm aufweisen kann, werden das Schaltventil 6 bzw.
sein Küken 12 und ferner die beiden Absperrhähne 9 und 17 umgeschaltet, so daß jetzt
der Extrakt zur Trennsäule 4 des Chromatographen 5 transportiert werden kann. Hierzu
fördert die Pumpe der Versorgungseinrichtung 7 das Fließmittel entspreched dem Pfeil
F in Fig. 2 durch die Leitung 2c zum Schaltventil 6 und von dort durch die Leitung
11 zur Kammer bzw. Mikrosäule 2. Das Fließmittel wäscht hier den Extrakt aus dem
Teilchen 15 heraus und fördert ihn durch die Leitung 8, das geöffnete Absperrventil
17 und die Leitung 18 entsprechend dem Pfeil T zurück zum Schaltventil 6 und schließlich
durch das Leitungsstück 19 zur Trennsäule 4. Dort erfolgt daraufhin in grundsätzlich
bekannter Weise die Analyse bzw. Untersuchung des Extraktes, da der Gas- bzw. Flüssigkeitschromatograph
5 mit seiner Trennsäule 4 bekannte und handelsübliche Bauteile sinds Das Schaltventil
6 und sein Küken 12 weisen Je sechs Ein- bzw. Ausgangs 6a auf. Beim Umschalten werden
jeweils benachbarte Ein- bzw. Ausgänge miteinander verbunden.
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Mindestens fünf Ein- bzw. Ausgänge im Ventilgehäuse und vier Ein-
bzw. Ausgänge oder zwei Verbindungskanäle 6b im Küken 12 sind jedoch ausreichend
(Fig. 2).
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DAe in den Fig. 3 und 4 dargestellte Vorrichtung 1a unterscheidet
sich von der Vorrichtung 1 gemäß den Fig. 1 u. 2 nur durch die Anordnung einer zusätzlichen,
zweiten Kammer 2 bzw. Mikrosäule 2 sowie durch ein Schaltventil 6 mit sechs zwingend
notwendigen Ein- und Ausgängen-6 a.
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Beim Füllen mit Extrakt und Extraktionsmittel entsprechend den Pfeilen
E zwecks Druckabsenkung sind die Kammern 2 sowohl mit dem Hochdruckteil lo der Hochdruckextraktionsvorrichtung
3 als auch über das Schaltventil 6 jeweils parallel entsprechend den Pfeilen A mit
der Atmosphäre verbunden. Gleichzeitig strömt Fließmittel in Richtung des Pfeiles
F von der Versorgungseinrichtung 7 zur Trennsäule 4. Das Schaltventil 6 bzw. sein
Küken 12 weisen jeweils sechs Ein- bzw. Ausgänge auf, die beim Umschalten jeweils
benachbarte Ein- und Ausgänge miteinander verbinden.
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Sobald sich Extrakt in den Kammern 2 aus dem Extraktionsmittel abgeschieden
und an den Teilchen 15 adsorbiert oder zwischen diesen angelagert hat, wird durch
Umochalten des Kükens 12 und Sperren des Absperrventiles 9 das Fließmittel von der
Versorgungseinrichtung 7 durch das Küken 12 und die jetzt in Reihe liegenden Kammern
bzw. Mikrosäulen 2 gemäß der Darstellung in Fig. 4 zur Trennsäule 4 gelenkt, wobei
das Fließmittel den Extrakt aus den Teilchen 15 in den Kammern 2 herauslöst und
zur Trennsäule 4 entsprechend den Pfeilen F und T transportiert. Hier erfolgt wieder
in der üblichen Weise die Analyse.
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Die chemische Zusammensetzung der Teilchen 15 und insbesondere auch
die ihrer Oberfläche bestimmt das Ausmaß der Vortrennung und schon grob die Elutionsreihenfolge
der extrahierten Substanzen. In diesem Zusammenhang ist es daher grundsätzlich möglich,
mehrere Mikrosäulen mit verschiedenartigen Teilchen getrennt an den Hochdruckteil
lo der Hochdruckextraktionsvorrichtung 3 sowie an
die Trennsäulen
4 verschiedener Chromatographen anzuschließen.
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Die Verwendung spezifischer Teilchen 15 gestattet es ferner, die Wiederfindungsrate
für einzelne Substanzen zu ermitteln und damit die quantitative Bestimmung sicherer
zu machen.
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Für die Anwendung der Mikrosäulen 2 in der Gaschromatographie ist
es schließlich zuweilen erforderlich, diese kurzzeitig aufzuheizen, um eine Verdampfung
der zu trennenden Komponenten zu erreichen. Hierzu kann eine in den Figuren 3 und
4 rein schematisch gestrichelt dergestellte Heizeinrichtung 20 den Kammern bzw.
Mikrosäulen 2 zugeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bzw. la kann an jede beliebig konstruierte
und dimensionierte Hochdruckextraktionsvorrichtung 3 und an ein z.B. automatisierbares,
chromatographisches Trenn- und Analysensystem direkt angeschlossen werden. Es ist
dadurch in einfacher Weise möglich, die Art und Menge der extrahierten Substanzen
pro Zeiteinheit bei vorgegebenen Rahmenbedingungen wie Druck und Temperatur schnell
zu verfolgen und auch den Einfluß dieser Größen bei gleichzeitiger Kenntnis der
Produktzusammensetzung zu ermitteln.
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Insbesondere für eine kontinuierliche Analyse eignet sich die in Fig.
5 schematisch dargestellte Vorrichtung 21, die prinzipiell ebenso aufgebaut ist
wie die Vorrichtung ia (Fig. 4 und 5) und zusätzlich noch eine wahlweise anschließbare,
ebenfalls mit Teilchen 15 beladene dritte Kammer 22 bzw. Mikrosäule 22 aufweist.
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Diese Kammer 22 steht über ihre zweite Öffnung 13 nur mit der Atmosphäre
A ständig und unmittelbar in Ver-
bindung, so daß hier jeweils
ein Druckabbau und die Abscheidung des Extraktes erfolgen.
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Die Kammer 22 ist über eine zum Absperrventil 9 führende, ein weiteres
Absperrventil 23 aufweisende Leitung 24 an die Hochdruckextraktionsvorrichtung 3
anschließbar.
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Ferner weisen die zwischen den beiden Kammern 2 und dem Absperrventil
9 befindlichen Leitungen 8 und 25 je ein Absperrventil 26 bzw. 27 auf, so daß Extrakt
kontinuierlich bei geöffneten Ventilen 9 und 23 an der Kammer 22 entnommen oder
die beiden Kammern 2 beigeschlossenem Ventil 23 und geöffneten Ventilen 9, 26 und
27 beladen werden können. Die Analyse des Extraktes aus den beiden Kammern 2 bzw.
das Beladen der Trennsäule 4 des Chromatographen erfolgt nach Schließen des Ventiles
9 und bei geschlossenem Ventil 23, während die beiden Ventile 26 und 27 offen sind.
Unmittelbar nach dem Beladen der Trennsäule 4 können die Ventile 9 und 23 geöffnet
werden, so daß wieder eine Entnahme an der Kammer 22 möglich ist.
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Eine weitere zweckmäßige Variante ergibt sich, wenn eine Leitung 28
gemäß der strichpunktierten Linie in Fig. 5 statt der Leitung 24, jedoch ebenfalls
mit dem Absperrventil 23 die Hochdruckextraktionsvorrichtung 3 direkt mit der Kammer
22 verbindet. Nunmehr können jeweils entweder die Kammern 2 oder die Kammer 22 beladen
werden.
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Schließlich versteht es sich, daß es zweckmäßig ist, alle Ventile
mit Hilfe einer aufeinander abgestimmten Steuerung und mit Hilfe von automatischen
Antriebe in ihre jeweiligen Arbeitspositionen umzuschalten. Die diesbezüglichen
Antriebe sind der besseren Ubersicht wegen in den Fig. nicht dargestellt.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die schnelle
Durchführung der Analyse bei der Hochdruckextraktion. Insbesondere bei der Extraktion
von Vielkomponentengemischen kann der Zeitaufwand durch die Verwendung mehrerer
Mikrosäulen (nicht dargestellt) mit entsprechender Anordnung mehrerer Kammern, Absperrventile
und Verbindungsleitungen stark gegenüber den Arbeiten mit einer einzigen chromatographischen
Säule reduziert werden.
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Abschließend sei noch ein konkreter Anwdungsfall erläutert.
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Zur Extraktion und Analyse von Hopfen mit Hilfe einer Miniextraktionsapparatur
der Firma Nova, Effretikon, und eines Flüssigchromatographen werden 25 mg in den
Extraktionsautoklaven gefüllt und bei 3080 K und 300 bar extrahiert. Die erfinduqpgemäße
Vorrichtung weist zwei Mikrosäulen mit den Abmessungen 20 x 1 mm auf und ist mit
LiChrosprb RP-18, dp 5 Beim der Firma E. Merck gefüllt und wird 1 Minute lang beladen
und danach zur Analyse unmittelbar mit der Trennsäule des Chromatographen verbunden.
Die Trennsäule ist ebenfalls mit LiChrosorb RP-18 gefüllt und weist die Abmessungen
250 x 4 mm auf.
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Als Fließmittel dient Methanol/Wasser in der Zusammensetzung 80/20
(v/v).