DE3851763T2

DE3851763T2 - Extraktionsvorrichtung.

Info

Publication number: DE3851763T2
Application number: DE3851763T
Authority: DE
Inventors: Toshinobu Hondo; Hiromi Kashiwazaki; Muneo Saito; Michiaki Sugawara; Yoshio Yamauchi
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1987-01-17
Filing date: 1988-01-15
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2008-01-16
Also published as: EP0275933B1; EP0275933A2; US4984602A; DE3850786T2; DE3851763D1; EP0438184A1; EP0438184B1; EP0275933A3; DE3850786D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewirken einer Extraktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung, welche Vorrichtung dazu ausgelegt ist, eine lösliche Substanz aus einer Probe durch Verwendung eines überkritischen Fluids oder eines verflüssigten Gases zu extrahieren, den resultierenden Extrakt in einen Chromatographen in on-line-Art zur Auftrennung in die einzelnen Komponenten einzuführen und diese als Fraktionen zu sammeln.

Beschreibung des Standes der Technik

Der gegenwärtige Erfinder schlug eine Vorrichtung zur Extraktion/chromatographischen Trennung vor, die in der Lage ist, eine lösliche Substanz aus einer Probe unter Verwendung eines überkritischen Fluids oder eines verflüssigten Gases zu extrahieren und den resultierenden Extrakt in einen Chromatographen auf on-line-Weise einzuführen, wodurch die einzelnen Bestandteile dieses Extraktes separiert werden (Journal of Chromatography, 332 (1985), Seiten 107 bis 116).
Die vorgenannte Vorrichtung zur Extraktion/chromatographischen Trennung ist so ausgelegt, daß sie ein Extraktions-/Elutions-Fluid, das das überkritische Fluid oder das verflüssigte Gas enthält, mittels einer Pumpe in das Innere eines eine Probe enthaltenden Extraktionsgefäßes eingibt, eine lösliche Komponente aus der Probe in dem Extraktionsgefäß extrahiert, veranlaßt, daß der ursprünglich in einer Durchflußpassage stromabwärts des Extraktionsgefäßes enthaltene Extrakt bei niedrigem Druck in eine Einfangschleife gezogen wird, die vorher mit dem Extraktions-/Elutions- Fluid in dessen gasförmiger Phase beladen wurde, zeitweise den Extrakt in der Einfangschleife speichert und den Extrakt in den Chromatographen in on-line-Art einführt.
Ein Gegendruck-Regelventil, das es erlaubt, daß der Extrakt in seine einzelnen Komponenten in einer Trennsäule getrennt wird und zum Einführen der resultierenden Komponenten in einen Detektor ist stromabwärts des Detektors angeordnet, der einen Teil des Chromatographen bildet.
Der oben beschriebene Apparat erreicht eine wesentliche Verbesserung darin, daß eine Extraktion und Trennung in on-line-Art bewirkt werden kann.
Es ist jedoch notwendig, die Einfangschleife getrennt vom Extraktionsgefäß und der Trennsäule des Chromatographen zu setzen, die Einfangschleife nur mit dem Extraktionsgefäß oder der Trennsäule zu verbinden, oder die Einfangschleife direkt mit der Pumpe zu verbinden. Deshalb werden drei 6-Wege-Ventile benötigt und diese Notwendigkeit kompliziert in nachteiliger Weise die Konstruktion und den Betrieb des Apparates.
Im allgemeinen wurden typische Druckregelapparate nach dem Stand der Technik zur Durchführung einer Regelung so angeordnet, daß ein Detektionsdruck auf einen Solldruck durch Einstellung einer Federkraft gesetzt werden kann, mit der ein Druckabtastkolben beaufschlagt wird, auf dem eine Ventilnadel angebracht ist, um so die Öffnung des Druckregelventils zu verändern. Ein solches Ventil ist kommerziell von Tescom (MN) erhältlich.
Da jedoch dieses Druckregelventil so ausgebildet ist, daß die Öffnung des Spaltes zwischen einem Ventilsitz und einem Nadelteil durch die Bewegung des Druckabtastkolbens eingestellt wird, sind die Volumen der stromaufwärts und stromabwärts des Spaltes gebildeten Räume relativ groß, weswegen die Menge an in dem Ventil stagnierenden Fluid zumindest mehrere bis einige zehn Milliliter erreichen kann.
Als Ergebnis davon kann sogar für den Fall, daß die Trennung in der Trennsäule z. B. in dem vorher erwähnten Chromatographen mit überkritischem Fluid vollendet ist, ein Ausfluß aus der Säule in das Druckregelventil fließen, um so eine Rückmischung der getrennten Komponenten zu verursachen.
Um eine solche Rückmischung zu verhindern, ist in einem Chromatograph mit überkritischem Fluid des Typs, der eine Kapillarsäule anwendet, eine Kapillarröhre mit einem Innendurchmesser von 10 um oder weniger mit der stromabwärtigen Seite der Trennsäule verbunden, so daß der Strömungswiderstand des überkritischen Fluids dazu benutzt wird, ein erforderliches Niveau des Fluiddruckes aufrechtzuerhalten (Journal of Chromatographic Science, Vol. 24, Juni 1986, Seiten 236 bis 241).
Um jedoch das Druckniveau zu variieren, muß auch die Durchflußrate des Fluids in der mobilen Phase mit dem Resultat geändert werden, daß der Druck und die Durchflußrate, von denen beide die Periode der Rückhaltezeit bestimmen, gleichzeitig variiert werden. Es ist daher unmöglich gewesen, die Details der Charakteristiken der Rückhaltezeit zu untersuchen, indem unabhängig nur der Druck oder die Durchflußrate geändert werden.
Es ist bekannt, daß ein Verfahren zum Bewirken einer Trennung unter reduziertem Druck umfassend in Extraktionsapparaten mit überkritischem Fluid eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren wird das Druckniveau erniedrigt, um eine Reduktion in der Lösbarkeit eines Extrakts in dem überkritischen Fluid hervorzurufen, wodurch eine Trennung und Ansammlung eines gewünschten, aus dem Fluid gelösten Stoffes stattfindet.
Wenn jedoch das vorgenannte Druckregelventil zur Einstellung der Ventilöffnung ausgelegt ist und in einem kleinen Extraktionsapparat mit überkritischem Fluid verwendet wird, werden die folgenden Probleme hervorgerufen. Da eine große Menge von Fluid in dem Druckregelventil stagniert, werden einzelne getrennte Extrakte innerhalb des Druckregelventils wieder gemischt, was es unmöglich macht, die einzelnen extrahierten Substanzen zu fraktionieren. Da die Extrakte in dem Ventil stagnieren, wenn der Druck des Fluids, d. h. des Extraktionsmediums schnell fällt, um eine Löslichkeitsreduktion hervorzurufen, werden sie zusätzlich leicht ausgefällt und setzen sich an den inneren Wänden des Ventils ab, wodurch verhindert wird, daß die extrahierten Substanzen vollständig fraktioniert werden. Zusätzlich blockieren solche ausgefällten Substanzen oft den Durchflußweg des Ventils.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, eine Extraktion und chromatographische Trennung genauso wie eine Fraktionierung mittels einer einfachen Konstruktion und in on-line-Art zu bewirken.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bewirken eine Extraktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung zu schaffen, in welcher Vorrichtung die einzelnen Komponenten eines in einer Trennsäule abgetrennten Extraktes durch unabhängige Regelung der Durchflußrate und des Druckes eines Fluids in der mobilen Phase fraktioniert werden können.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bewirken einer Extraktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung entsprechend Anspruch 1 vorgesehen. Entsprechend ist in dieser Vorrichtung ein Chromatograph mit einer strömungsabwärtigen Seite einer Extraktionsvorrichtung verbunden, eine Gegendruckregeleinrichtung zur Erzeugung von Gegendrücken, wie sie für die Extraktion in der Extraktionsvorrichtung und zur chromatographischen Trennung in dem Chromatographen benötigt werden, ist vorgesehen, und eine Adsorptionssäule, die mit einem zum Adsorbieren von Extrakten wirkenden Adsorbermittels bepackt ist, ist zwischen der Gegendruck-Regeleinrichtung der Extraktionsvorrichtung und einer Trennsäule des Chromatographen angeordnet. Entsprechend kann eine Extraktion und Trennung in on-line-Art mittels einer einfachen Konstruktion und durch eine einfache Betriebsweise bewirkt werden.
Zusätzlich ruft die vorgenannte Vorrichtung einen hervorragenden Effekt darin hervor, daß es möglich ist, die Durchflußrate und den Druck des Fluids in der mobilen Phase unabhängig zu regeln und auch die individuellen Komponenten von Extrakten zu fraktionieren, die abgetrennt werden und aus der Trennsäule herausfließen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Anspruch 6) ist eine andere Form von Vorrichtung zum Bewirken einer Extraktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung vorgesehen. Zusätzlich zu der Anordnung nach Anspruch 1 enthält diese Vorrichtung weiterhin eine Pumpe zum Ausgeben eines Extraktionsfluids und eine Pumpe zum Ausgeben eines Elutionsfluids, welche Pumpen getrennt voneinander angeordnet sind. Zum Zeitpunkt der Extraktion wird erstere Pumpe betätigt, um das Extraktionsfluid dazu zu veranlassen, von der Gegendruck-Regeleinrichtung der Extraktionsvorrichtung zur Adsorptionsvorrichtung zu fließen. Zum Zeitpunkt der chromatographischen Trennung wird die letztgenannte Pumpe betätigt, um das Elutionsfluid dazu zu veranlassen, in die Adsorptionssäule zu fließen. Entsprechend kann zusätzlich zu den Effekten, wie sie durch die vorstehend beschriebene Vorrichtung erzielt werden, eine Extraktion und eine Reinigung des Chromatographen gleichzeitig ausgeführt werden, und es ist daher möglich, die Zeitspanne in großem Umfang zu reduzieren, die für den gesamten Prozeß benötigt wird.
Darüber hinaus kann, da das Extraktionsfluid von dem Elutionsfluid getrennt ist, eine optimale Trennung vor den Schritten der chromatographischen Trennung und Fraktionierung ohne die Notwendigkeit erzielt werden, das Elutionsfluid zu ersetzen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Kreislaufdiagramm, das einen Apparat zur Durchführung einer Extraktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine drei-dimensionales Chromatogramm, erhalten von einem Vielfach-Wellenlängen-UV-Detektor, wenn ein Weizenkeim als Probe in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung verwendet wird;
Fig. 3 ist ein zwei-dimensionales Chromatogramm, das den Wellenlängen von 220, 240 und 295 nm in Fig. 2 entspricht;
Fig. 4 ist ein Chromatogramm, das durch eine Analyse von Fraktionen erhalten wird, die entsprechend den in Fig. 3 gezeigten Zeitrahmen mit Hilfe eines hoch-wirksamen Flüssig-Chromatographen gesammelt wurden;
Fig. 5 ist eine teilweiser Längsschnitt eines Magnetventils, das ein Bestandteil eines Druckregelapparates entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 6 ist ein Schaltkreisdiagramm einer Druckeinstellvorrichtung, die ein weiterer Bestandteil des Druckregelapparates ist;
Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm eines anderen Beispieles der Druckeinstellvorrichtung;
Fig. 8 ist ein Zeitablaufschema, das die Betätigung des in Fig. 4 gezeigten Schaltkreises illustriert;
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm, das ein Beispiel der in einem Mikrocomputer gespeicherten Software zeigt, die die Druckeinstellvorrichtung beinhaltet; und
Fig. 10 ist ein Schaltkreisdiagramm, das eine Vorrichtung zum Bewirken einer Extraktion, chromatographischer Trennung und Fraktionierung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt in Blockform eine Vorrichtung zur Durchführung einer Extraktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung, welche Vorrichtung eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
Eine Stahlflasche 1 beinhaltet ein verflüssigtes Gas, das als Extraktions-/Elutions-Fluid zur Extraktion und chromatographischen Trennung verwendet wird.
Der Auslaß der Stahlflasche 1 ist mit dem Einlaß einer Pumpe 2 verbunden, und der Auslaß der Pumpe 2 ist wiederum mit einem Anschluß A eines 6-Wege-Ventils 3 verbunden. Die Pumpe 2 wird durch eine Kühleinheit (nicht gezeigt) gekühlt. Ein Lagertank 4 speichert ein Modifizierlösungsmittel, das einen Teil des Extraktions-/Elutions-Fluids bildet. Der Auslaß des Lagertanks 4 ist mit dem Einlaß der Pumpe 5 verbunden, und der Auslaß der Pumpe 5 ist mit einer Leitung verbunden, die die Pumpe 2 mit dem 6-Wege-Ventil 3 verbindet.
Das 6-Wege-Ventil 3 kann zwischen zwei Stellungen umgeschaltet werden, und zwar einer Stellung, in der die Durchflußpassagen B-C, D-E und F-A (gezeigt durch durchgezogene Linien) offen sind, während die Durchflußpassagen A-B, C-D und E-F (gezeigt durch strichlierte Linien) geschlossen sind, und einer Stellung, in der umgekehrt die erstgenannten Durchflußpassagen geschlossen und die letztgenannten Durchflußpassagen offen sind.
Ein Anschluß F des 6-Wege-Ventils 3 ist mit dem Einlaß eines Extraktionsgefäßes 6 verbunden, und der Auslaß des Extraktionsgefäßes 6 ist mit einem Anschluß C des 6-Wege-Ventils 3 verbunden. Das Extraktionsgefäß 6 beinhaltet eine Probe, die entweder eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein kann. Wenn eine flüssige Probe verwendet wird, ist diese vorzugsweise in einer flüssigen absorptionsfähigen Substanz absorbiert, um die Kontaktfläche mit dem Fluid zu vergrößern, und diese ist in der absorbierten Form in dem Extraktionsgefäß 6 untergebracht. Auf diese Weise wird ein gewünschter Extrakt allein eluiert und fließt aus dem Extraktionsgefäß 6 aus. Das Extraktionsgefäß 6 ist in einer Thermostatkammer 7 untergebracht, deren Innentemperatur einstellbar ist.
In diesem Zustand ist ein Anschluß E des 6-Wege-Ventils 3 geschlossen und ein Anschluß D des 6-Wege-Ventils 3 steht mit der Atmosphäre über ein Ventil 8 in Verbindung.
Ein Anschluß B des 6-Wege-Ventils 3 ist mit dem Einlaß eines Gegendruckregulators verbunden, der allgemein mit 9 bezeichnet ist. Der Gegendruckregulator 9 beinhaltet einen Druckwandler 10 zum Detektieren eines Gegendrucks, ein Druckregelventil 11 mit einer einstellbaren Ventilöffnung, eine Druckvorgabeeinrichtung 12, eine Druckeinstelleinrichtung 13 zur Regelung der Ventilöffnung, um so den Gegendruck auf den vorgegebenen Druck einzustellen. Bevorzugterweise wird das Druckregelventil 11 verwendet, das ein kleines inneres Volumen aufweist, um zu verhindern, daß der Extrakt stagniert oder innerhalb desselben festgehalten wird.
Der Auslaß des Innendruckregulators 9, d. h. der Auslaß des Druckregelventils 11, ist mit dem Einlaß einer Adsorptionssäule 14 verbunden. Die Adsorptionssäule 14 ist mit einen Adsorbermittel befüllt, das die Substanzen adsorbiert, die aus der Probe extrahiert wurden, wenn die Löslichkeit des Extrakts in dem Fluid davon niedrig ist. Der Auslaß der Adsorptionssäule 14 ist mit dem Einlaß einer Trennsäule 15 verbunden, die mit einem Material befüllt ist, das die stationäre Phase unterstützt. In ähnlicher Weise zu der des Extraktionsgefäßes 6 sind die Adsorptionssäule 14 und die Trennsäule 15 in einer Thermostatkammer 16 untergebracht, deren Innentemperatur einstellbar ist.
Der Auslaß der Trennsäule 15 ist über einen Detektor 17, der zur Überwachung des Effluenten benützt wird, mit dem Einlaß eines Gegendruckregulators verbunden, der allgemein mit 18 bezeichnet ist. Der Gegendruckregulator 18, der die gleiche Anordnung wie der Gegendruckregulator 9 aufweist, beinhaltet einen Druckwandler 19, ein Druckregelventil 20, eine Druckvorgabeeinrichtung 21 und eine Druckeinstelleinrichtung 22.
Eine Auslaßleitung 23 ist mit dem Auslaßanschluß des Druckregelventils 20 verbunden und ein Sammelreservoir 24 für die Fraktionierung von Extrakten ist in einer Position unterhalb der Auslaßleitung 23 angeordnet.
Das folgende ist eine Beschreibung dieser Ausführungsform, die die vorgenannte Anordnung aufweist.
Da es die Notwendigkeit erfordert, wird der folgende Reinigungsvorgang für die Durchflußpassage als vorbereitender Schritt durchgeführt.
Zuerst werden die Durchflußpassagen A-B, C-D und E-F des 6-Wege-Ventils 3 die als strichlierte Linien dargestellt sind, geöffnet und der eingestellte Druck (oder der Prüfdruck) des Gegendruckregulators 9 wird zu Null gesetzt, d. h. daß das Druckregelventil 11 vollständig geöffnet ist.
In einem Fall, wo ein überkritisches Fluid zum Durchflußpassagen-Reinigungsvorgang eingesetzt wird, wird der Einstelldruck des Gegendruckregulators 18 auf einen gewünschten Druck angehoben, und die Temperatur innerhalb der Thermostatkammer 16 wird auf eine gewünschte Temperatur angehoben. Dieser Druck und diese Temperatur werden auf vorbestimmte Werte gesetzt, die den Löslichkeitscharakteristiken einer Substanz entsprechen, die durch die Reinigung entfernt werden soll. In diesem Zustand werden die Pumpen 2 und 5 betätigt, um das verflüssigte Gas von der Stahlflasche 1 und das Modifizierlösungsmittel aus dem Lagertank 4 auszugeben. Innerhalb der Adsorptionssäule 14 und der Trennsäule 15 dient das verflüssigte Gas als überkritisches Fluid, das einen relativ größeren Grad an Löslichkeit aufweist, als der eines Gases. Die Temperatur- und Druckbedingungen innerhalb der Trennsäule 15 sind im wesentlichen die gleichen, wie die in der Durchflußpassage zwischen der Trennsäule 15 und dem Druckregelventil 20 und wie die im Bereich der stromaufwärtigen Seite der Adsorptionssäule 14. Entsprechend kann das überkritische Fluid, einen relativ hohen Grad an Löslichkeit aufweist, durch diese Durchflußpassagen hindurchfließen. Das Modifizierlösungsmittel wirkt dahingehend, die Löslichkeit des überkritischen Fluids in der mobilen Phase zu erhöhen. Als Folge davon wird die Löslichkeit in der mobilen Phase erhöht, um eine effektive Reinigung der Durchflußpassagen durchzuführen.
Dann wird die folgende Extraktion wie später beschrieben durchgeführt.
Eine Probe wird im Extraktionskessel 6 plaziert.
Wenn eine Extraktion unter Verwendung der überkritischen Flüssigkeit durchzuführen ist, wird die Temperatur innerhalb der Thermostatkammer 7 auf eine kritische Temperatur oder höher angehoben, der Druck des Gegendruckregulators 9 wird auf einen kritischen Druck oder höher angehoben und der Einstelldruck des Gegendruckregulators 18 wird zu Null gesetzt, d. h. daß das Druckregelventil 20 vollständig geöffnet ist. Das 6-Wege-Ventil 3 wird umgeschaltet, um die in durchgezogenen Linien dargestellten Durchflußpassagen B-C, D-E und F-A zu öffnen.
Auf diese Weise werden das verflüssigte Gas innerhalb der Stahlflasche 1 und das Modifizierlösungsmittel in dem Lagertank 4 zum Extraktionskessel 6 ausgegeben, und das verflüssigte Gas wird darin in ein überkritisches Fluid umgewandelt. Auf diese Weise werden die löslichen Komponenten aus der in den Extraktionskessel 6 plazierten Probe entsprechend der Temperatur und dem Druck innerhalb desselben extrahiert, und der resultierende, aus dem Extraktionskessel 6 herausfließende Extrakt läuft durch den Gegendruckregulator 9 hindurch. Da das Druckregelventil 20 vollständig geöffnet ist, wird das überkritische Fluid nach dem Verlassen des Druckregelventils 11 durch seinen schnellen Druckabfall in gasförmigen Zustand übergeführt und tritt in die Adsorptionssäule 14 ein. Entsprechend wird, da die Löslichkeit des Extrakts sich in der mobilen Phase schnell erniedrigt, der Extrakt ausgefällt und in den in der Adsorptionssäule 14 gepackten Adsorber adsorbiert und fließt daher kaum in die Trennsäule 15, d. h., daß alle Teile des Extraktes innerhalb der Adsorptionssäule 14 eingefangen werden.
Nach Vollendung der vorstehenden Extraktion werden die folgende Trennung und Fraktionierung durchgeführt.
Für den Fall, wo Trennung und Fraktionierung mit dem überkritischen Fluid durchzuführen sind, wird die Temperatur innerhalb der Thermostatkammer 16 auf eine kritische Temperatur oder höher angehoben, und die Druckeinstellvorrichtung 12 wird betätigt, um einen Einstelldruck auf ein Null-Niveau einzustellen, d. h., daß das Druckregelventil 11 vollständig geöffnet und der Gegendruckregulator 18 auf den kritischen Druck oder höher eingestellt werden. In diesem Zustand wird das Ventil 8 geöffnet, und das 6-Wege-Ventil 3 wird umgeschaltet, um die mit strichlierten Linien gezeigten Durchflußpassagen A-B, C-D und E-F zu öffnen.
Auf diese Weise werden das verflüssigte Gas innerhalb der Stahlflasche 1 und das Modifizierlösungsmittel innerhalb des Lagertanks 4 an die Adsorptionssäule 14 ausgegeben. Das verflüssigte Gas wird in ein überkritisches Fluid umgewandelt, das einen relativ hohen Grad an Löslichkeit bezüglich des Extraktes aufweist, um eine Desorption des Extraktes hervorzurufen, der in den in der Adsorptionssäule 14 gepackten Adsorber adsorbiert wurde, und der Extrakt wird in die Trennsäule 15 eingeführt. Der Extrakt wird dann einer chromatographischen Trennung in der Trennsäule 15 ausgesetzt, und dann wird der Säulenausfluß durch den Detektor 11 und den Gegendruckregulator 18 hindurchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird das überkritische Fluid durch seinen schnellen Druckabfall in gasförmigen Zustand versetzt und der Ausfluß wird von der Auslaßleitung 23 als Gas ausgegeben. Eine Bedienungsperson fraktioniert das interessierende chromatographische Maximum in ein Sammelreservoir 24 in Echtzeit entsprechend den Detektionsdaten, die von dem Detektor 17 geliefert werden. Nach Vollendung der Extraktion wird das Fluid innerhalb des Extraktionskessels 6 in die Atmosphäre durch das Ventil 8 als Gas ausgegeben.
Es ist anzumerken, daß das verflüssigte Gas verwendet werden kann, um die vorstehende Reinigung, Extraktion, chromatographische Trennung oder Fraktionierung durchzuführen. In diesem Falle differieren die Temperatur- und Druckbedingungen von denen des vorstehenden Falles, bei dem das überkritische Fluid verwendet wird, und die anderen Bedingungen sind die gleichen. In diesem Fall wird die Temperatur auf eine kritische Temperatur oder höher angehoben, und der Druck wird auf ein vorbestimmtes Niveau oder höher entsprechend dieser Temperatur angehoben. Auf diese Weise wird die Flüssigkeit in ihrer mobilen Phase gehalten.
Da diese Ausführungsform nur ein 6-Wege-Ventil verwendet, sind die Konstruktion und Bedienung extrem vereinfacht, verglichen mit denen nach dem Stand der Technik. Zusätzlich können die Durchflußrate und der Druck des Fluids in der mobilen Phase unabhängig mittels der Pumpen 2 und 5 und der jeweiligen Gegendruckregulatoren 9 und 18 geregelt werden. Es ist entsprechend möglich, die detaillierten Charakteristiken der Rückhaltezeit durch Variieren nur entweder der Druckes oder der Durchflußrate zu erhalten.
Das Folgende ist eine Beschreibung eines Beispiels für eine Fraktionierung, die durch Verwendung der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
Ein Weizenkeim wurde als Probe verwendet, verflüssigtes CO&sub2;-Gas wurde in die Stahlflasche 1 als Extraktions-/Elutionsfluid eingegeben und Ethanol wurde in den Lagertank 4 als Modifizierlösungsmittel eingegeben.
5 g von Weizenkeimen wurden in dem Extraktionskessel 6 gegeben, der ein inneres Volumen von 10 ml aufweist, die Temperatur innerhalb der Thermostatkammer 7 wurde bei 40ºC gehalten, und das Niveau des Einstelldruckes wurde auf 250 kg/cm² mittels des Gegendruckregulators 9 eingestellt. Das verflüssigte COB2-Gas wurde mit einer Rate von 8 ml/min als Flüssigkeit bei 5ºC ausgegeben, und Ethanol wurde mit einer Rate von 0.2 ml/min ausgegeben und in diesem Zustand wurde die Extraktion für eine Stunde fortgesetzt. Die Adsorptionssäule 14 war ein zylindrischer Behälter, der einen Innendurchmesser von 7.2 mm und eine Länge von 50 ml aufweist, und poröses Kieselgel mit einem Partikeldurchmesser von 30 bis 50 um wurde als Adsorptionsmittel in die Adsorptionssäule 14 gepackt.
Die Trennsäule war ein zylindrischer Behälter mit einem Innendurchmesser von 10.2 mm und einer Länge von 250 mm, und das gleiche Kieselgel wurde in die vorgenannte Trennsäule 15 eingegeben. Der Detektor 17 war ein Vielfach-Wellenlängen-UV-Detektor. Die Druckregelventile 11 und 20 waren jeweils durch ein Magnetventil 20A mit einem Innenvolumen von 10 ml gebildet. Das Magnetventil 20A wird später im Detail in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben. Die Druckeinstelleinrichtungen 13 und 22 wurden jeweils durch Druckeinstelleinrichtungen 22A gebildet, die im Detail weiter unten in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt ein dreidimensionales Chromatogramm, das von dem Vielfach- Wellenlängen-UV-Detektor erhalten wurde. Die vertikale oder sogenannte Z-Achse repräsentiert eine Absorbierung (ABU), die horizontale oder X-Achse repräsentiert eine Wellenlänge (nm) und die andere horizontale oder Y-Achse repräsentiert die Rückhaltezeit.
Fig. 3 zeigt die Chromatogramme, die den Wellenlängen von 220, 240 und 295 nm in Fig. 2 entsprechen.
Das Chromatogramm entsprechend der Wellenlänge von 295 nm repräsentiert die Elution von Tocopherol (Vitamin E), und die Komponente wurde durch die Auslaßleitung 23 entsprechend den Zeitrahmen 1 bis 5, wie sie entlang der horizontalen Achse (Zeitachse) von Fig. 3 gezeigt sind, fraktioniert, während das Chromatogramm in Echtzeit aufgezeichnet wurde.
Jeweilige Fraktionen 1 bis 5 entsprechend den Zeitrahmen 1 bis 5 wurden als Proben in einen hochwirksamen Flüssig-Chromatographen (HPLC) eingeführt, und es wurden die in Fig. 4 gezeigten Chromatogramme erhalten.
In Fig. 4 repräsentiert alpha die chromatographischen Maxima des alpha-Tocopherols, und beta repräsentiert die chromatographischen Maxima des beta-Tocopherols.
Wie erwartet enthielten die Fraktionen 1 und 2 nur geringe Mengen von Tocopherol, wogegen die Fraktionen 4 und 5 beträchtliche Mengen von Tocopherol enthielten.
Die folgende Tabelle listet die Gewichte von gelösten Stoffen, alpha, Tocopherol und beta-Tocopherol auf, die in den jeweiligen Fraktionen 1 bis 5 enthalten waren: TABELLE Fraktion Gelöster Stoff alpha-Tocopherol beta-Tocopherol Gesamt
Unmittelbar nachdem die Extraktion vollendet war, wurden eine Gewichtsreduktion im Extraktionskessel 6 und eine Gewichtserhöhung in der Adsorptionssäule 14 gemessen. Die Resultat waren beide 220 mg. Diese Menge des Extrakts wurde insgesamt in der chromatographischen Analyse verbraucht.
Das Gesamtgewicht des wiedergewonnenen gelösten Stoffes war 212.2 mg, wie in der Tabelle gezeigt, d. h. daß die Gesamtrückgewinnung bei 96.52% lag, was ein excellenter Wert in der Fraktionierung war. Auf diese Weise wurde entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Fraktionierung unter Verwendung eines Gegendruckregulators erreicht, deren Erzielung vorher unmöglich gewesen war.
Das Folgende ist eine Beschreibung eines typischen Beispiels für den Gegendruckregulator 18.
Zuallererst wird ein Beispiel der Konstruktion des Druckregelventils 20 unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. Das Druckregelventil 20 ist durch ein Magnetventil 20A gebildet.
Das Magnetventil 20A ist an einem Träger 28 befestigt, und ein Ventilstößel 30 kann sich rückwärts und vorwärts entlang seiner Achse bewegen, wodurch die Durchflußpassage zwischen dem Einlaß 32 und dem Auslaß 34 voll geöffnet oder geschlossen wird.
Eine Kopplung 36 ist am benachbarten Ende des Ventilstößels 30 ausgebildet, und benachbarte nahe Ende eines Kolben 38 ist in die Kopplung 36 eingepaßt. Die Kopplung 36 und der Kolben 38 sind mittels einer Schraube 40 miteinander gekoppelt, die in eine Öffnung eingeschraubt ist, die in die Umfangswand der Kopplung 36 eingeformt ist. Der Kolben 38 erstreckt sich durch das Zentrum eines Solenoids 39, der durch ein Abdeckteil umschlossen ist. Wenn der Solenoid 39 unter Strom gesetzt wird, wird ein am oberen Endabschnitt (bezogen auf Fig. 5) des Kolbens 38 befestigtes Eisenblech 44 magnetisch durch den Solenoid 39 angezogen und bewegt den Kolben 38, das Eisenblech 44, den Ventilstößel 30 gemeinsam nach unten, wie in der gleichen Zeichnung erkennbar ist. Ein Flanschabschnitt 46 ist am oberen Ende (bezogen auf Fig. 5) der Kopplung 36 angeformt. Eine Rückholfeder 48 ist auf die Kopplung 36 gepaßt und eine Federabstützung 50 ist wiederum auf die Kopplung 36 gepaßt. So ist die Rückholfeder 48 zwischen dem Flanschabschnitt 46 und der Federabstützung 50 eingesetzt. Die Kopplung 36 ist in eine Öffnung 52 eingesetzt, die in den axialen Abschnitt eines Gehäuses 51 gebohrt ist, und die Federabstützung 50 ist in Eingriff mit einer Stufe 53 gepreßt, die am oberen Ende (bezogen auf Fig. 5) der Öffnung 52 ausgebildet ist. Ein Anschlagring 54 ist auf den Abschnitt des Kolbens 38 gepaßt, der zwischen dem Solenoid 39 und der Kopplung 36 ausgebildet ist. Der Anschlagring 54 ist bezüglich des Kolbens 38 mittels einer Schraube 56 befestigt, die in eine Öffnung eingeschraubt ist, die in die Peripherie des Anschlagringes 54 eingeformt ist. Wenn der Solenoid 39 abgeschaltet wird, wird der Anschlagring 54 in Kontakt mit dem Solenoid 39 durch die Rückholbewegung der Rückholfeder 48 gepreßt. Entsprechend wird die Gesamt-Hublänge des Ventilstößel 30 durch die Position bestimmt, in der der Anschlagring 54 befestigt ist.
Ein Flansch 58 ist am benachbarten Ende des Gehäuses 51 ausgebildet, und der Träger 28 ist zwischen dem Flansch 58 und dem Solenoid 39 eingeklemmt, und Ausschnitte 60, 62 sind jeweils in den Flansch 58 und den Träger 28 eingeformt. Daher kann die Spitze eines Schraubendrehers in die Ausschnitte 60 und 62 eingesetzt werden, um die Schraube 56 zu drehen, wodurch die Einstellung der Befestigungsposition des Anschlagringes 54 ermöglicht wird.
Das benachbarte Ende eines Körpers 64 ist auf den unteren Endabschnitt (bezogen auf Fig. 5) des Gehäuses 51 aufgeschraubt. Eine Öffnung 66 ist in einem oberen Endabschnitt (bezogen auf die gleiche Fig. ) des Körpers 64 ausgebildet, und ein Ventilsitz 68 mit einer Dichtfunktion ist in die Öffnung 66 eingepaßt. Eine Mutter 72 ist auf einen Nippel 70 aufgeschraubt, der wiederum in die Öffnung 66 eingeschraubt ist, und der Nippel 70 wird mittels der Mutter 72 am Körper 64 befestigt. Der Ventilstößel 30 ist in eine Öffnung 73 eingesetzt, die eine Verbindung zwischen den Öffnungen 52 und 66 schafft. Eine Hülse 74 ist in den Spalt zwischen dem Ventilstößel 30 und dem Gehäuse 51 eingepaßt, und ein Dichtring 76 ist in den Spalt zwischen dem Ventilstößel 30 und dem Körper 64 eingepaßt. Diese Hülse und Dichtung 74 und 76 können beispielsweise aus einem verstärkten Ethylen-Tetrafluorid-Harz gebildet sein, und der Ventilsitz 68 kann beispielsweise aus einem Polyimid-Harz gebildet sein. Um mit einem Bruch des Ventilsitzes 28 fertigzuwerden, ist eine Ventilationsöffnung 78 in den Körper 64 gebohrt, um eine Verbindung zwischen der Öffnung 66 und dem Außenraum zu schaffen. Um auch mit einem Bruch der zylindrischen Hülse 74 und der Dichtung 76 fertigzuwerden, sind Belüftungsöffnungen 80 und 82 in das Gehäuse 51 gebohrt, um eine Verbindung zwischen der Öffnung 52 und dem Außenraum zu schaffen.
Bei der vorgenannten Konstruktion und Anordnung wird, wenn der Solenoid 39 abgeschaltet wird, der Ventilstößel 30 nach oben durch die Federkraft der Rückholfeder 48 bewegt, um die Durchflußpassage zwischen einem Einlaß 32 und dem Auslaß 34 vollständig zu öffnen. Andererseits wird, wenn der Solenoid 39 unter Strom gesetzt wird, der Ventilstößel 30 gegen die Federkraft der Rückholfeder 48 nach unten bewegt, um die untere Endfläche des Ventilstößel 30 in Kontakt mit dem Ventilsitz 68 zu bringen, wodurch die Durchflußpassage zwischen dem Einlaß 32 und dem Auslaß 34 vollständig geschlossen wird.
Der Innendurchmesser einer Durchflußpassage 84 zur Schaffung einer Verbindung zwischen der Öffnung 73 und dem Einlaß 32 genauso wie der Innendurchmesser einer Durchflußpassage 86 zur Schaffung einer Verbindung zwischen der Öffnung 73 und dem Auslaß 34 sind im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser einer Leitung, die mit dem Magnetventil 20A verbunden ist. Da der Solenoid 39 periodisch ein- und ausgeschaltet wird, ist zusätzlich der Mittelwert der Perioden, während der das Fluid in der für eine Verbindung zwischen den Durchflußpassagen 84 und 86 gebildeten Öffnung 73 stagniert, extrem klein. Entsprechend ist die Menge des innerhalb des Ventil stagnierenden Fluids extrem klein, so daß verhindert wird, daß sich der Extrakt innerhalb des Ventils wieder vermischt.
Zusätzlich kann sich der Extrakt kaum an den Innenwänden des Ventils absetzen, da der Ventilstößel 30 kontinuierlich hin- und herbewegt wird.
Ein Beispiel für die Druckeinstelleinrichtung 22 wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben, in der das Beispiel allgemein mit 22A bezeichnet ist.
Die Ausgangsspannung des Druckwandlers 19 wird einem invertierenden Eingangsanschluß eines Komparators 102 über einen Verstärker 100 zugeführt. Die Ausgangsspannung einer programmierten Vorgabeeinrichtung 21A wird einem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 102 über einen Widerstand 104 zugeführt. Die Ausgangsspannung einer manuellen Vorgabeeinrichtung 21B wird diesem nicht-invertierenden Eingangsanschluß über den Widerstand 108 zugeführt.
Ein Schalterstromkreis 110 wird in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Komparators 102 ein- und ausgeschaltet. Nur wenn die Ausgangsspannung des Komparators 102 auf ein hohes Niveau geht, wird der Solenoid 39 unter Strom gesetzt. In Fig. 6 ist eine Treiberspannung durch VDD repräsentiert.
In der vorgenannten Konstruktion wird in einem manuellen Vorgabemodus die Ausgangsspannung der progranimierten Vorgabeeinrichtung 21A zu Null gesetzt, und der variable Widerstand der manuellen Vorgabeeinrichtung 21B wird so eingestellt, daß das Druckniveau auf einen Sollwert gesetzt wird. In einem automatischen Vorgabemodus wird die Ausgangsspannung der manuellen Vorgabeeinrichtung 21B zu Null gesetzt, und die programmierte Vorgabeeinrichtung 21A wird dazu veranlaßt, eine Spannung auszugeben, die einem Solldruck entspricht.
Wenn ein detektierter Druck PD niedriger ist als ein vorgegebener Druck PS, geht die Ausgangsspannung des Komparators 102 auf ein hohes Niveau, und der Solenoid 39 wird unter Strom gesetzt, um das Magnetventil 20A vollständig zu schließen. Wenn der Druck am Ende des Trennsäule 15 steigt, um den detektierten Druck PD höher als den vorgegebenen Druck PS zu machen, geht so die Ausgangsspannung des Komparators 102 auf ein niedriges Niveau, und der Solenoid 39 wird abgeschaltet, um das Magnetventil 20A vollständig zu öffnen, wodurch der Druck am Ende der Trennsäule 15 reduziert wird. Wenn der detektierte Druck PD kleiner gemacht wird, als der vorgegebene Druck PS, wird der oben beschriebene Vorgang wiederholt und somit das Magnetventil 20A periodisch in kontinuierlicher Weise geöffnet und geschlossen. Mit anderen Worten bildet der Druckregelapparat gemäß der vorliegenden Erfindung einen selbst-erregten Oszillator.
Die Frequenz des vorgenannten Öffnungs- und Schließzyklus wird automatisch durch den vorgegebenen Druck PS, die Kompressibilität des Fluids, die Abgabemengen der jeweiligen Fluide von den Pumpen 2 und 5, die Durchflußrate des durch das Magnetventil 20A hindurchströmenden Fluids, den Elastizitätskoeffizienten des Behälters der Trennsäule 15 und den äquivalenten Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände des gesamten Systems analog einem elektrischen System bestimmt, die durch die Induktivität des Solenoids 39 und die Ansprechgeschwindigkeit des Ventils während seiner Öffnungs- und Schließbewegungen zusammen mit den oben genannten Parametern bestimmt sind.
Der gegenwärtige Erfinder stellte ein Magnetventil mit dem Ventilstößel 30 her, der einen Durchmesser von 3.2 mm und eine Hublänge von 1.2 mm und einen Ventilabschnitt mit einem Fluid-Rückhaltevolumen von etwa 10 ul aufweist. Die Abgabemenge der Pumpe 2 wurde auf 1 bis 10 ml/min gesetzt und die Bewegung der Pumpe 5 wurde gestoppt. In diesem Zustand wurde verflüssigtes Kohlendioxid unter Druck in die Trennsäule 15 abgegeben, die ein Volumen von 1 bis 50 ml aufweist, und die Temperatur der Trennsäule 15 wurde auf eine Temperatur angehoben, die gleich oder höher der kritischen Temperatur des Kohlendioxids (31.3ºC) ist, um dadurch überkritisches Kohlendioxid zu erhalten. Das Druckniveau wurde innerhalb eines Bereiches von 100 bis 300 kg/cm² geregelt. Die Frequenz der selbsterregten Oszillation, d. h. die Frequenz der Öffnungs- und Schließbewegungen des Ventils variierten in Übereinstimmung mit der Abgabemenge der Pumpe 2 und dem Niveau des vorgegebenen Druckes innerhalb eines Bereiches von 1 bis ungefähr 20 Hz. Diese Frequenz kann auch durch Einstellung der Befestigungsposition des Anschlagrings 54 variiert werden.
In dem vorliegenden Apparat ist die Genauigkeit der Druckregelung extrem hoch. Beispielsweise war die Amplitude von Druckvariationen, die auf den Öffnungs- und Schließbewegungen des Ventils beruhten, unter Bezugnahme auf den vorgegebenen Druck genügend klein verglichen mit der Schwingung, die durch die Pumpe 2 hervorgerufen wurde, so daß diese Variationen durch einen Schreiber nicht aufgezeichnet werden konnten, der einen horizontalen Maßstab von 20 kg/cm² aufwies.
Es ist erkennbar, daß der vorgenannte Frequenzbereich gut geeignet zur Anwendung in der Extraktion mit überkritischem Fluid und der Chromatographie mit überkritischem Fluid ist. Dies liegt daran, daß - wenn der Detektor 17 durch einen optischen Detektor oder durch einen Flammen- Ionisations-Detektor gebildet ist, die vorgenannten Frequenzen nicht so niedrig sind, daß ein hohes Niveau an Rauschen erzeugt wird, daß den normalen Detektionsbetrieb des Detektors 17 behindern kann. (Der Wasserstoff-Ionisations-Detektor ist stromabwärts vom Magnetventil 20A angeordnet).
Mit dem oben beschriebenen Gegendruckregulator ist es möglich, eine kleine Menge von stagnierendem Fluid zu realisieren, die äquivalent ist von 0.001 bis 0.01% der Menge eines Fluids, die in einem Druckeinstellventil stagniert, das durch einen konventionellen mechanischen Servo-Typ eines Druckregulators, der eine einstellbare Ventilöffnung aufweist oder durch eine Kombination eines solchen konventionellen Typs von Druckeinstellventil und einem hydraulischen und pneumatischen Servo-Schaltkreis gebildet ist.
Entsprechend ist es möglich geworden, eine Fraktionierung durch Verwendung eines kleinen Extraktionsapparates mit überkritischem Fluid oder von Chromatographen mit überkritischem Fluid des Typs durchzuführen, der ein kleines Extraktionsgefäß oder Trennsäule mit einem Innenvolumen von 1 bis 10 ml verwendet.
Ein anderes Beispiel für die Druckeinstelleinrichtung 22 wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben, in der dieses Beispiel allgemein mit 22B bezeichnet ist.
Die Ausgangsspannung des Druckwandlers 19 wird einem invertierenden Eingangsanschluß eines Differenzverstärkers 112 zugeführt und die Ausgangsspannung der programmierten Vorgabeeinrichtung 21A wird einem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 112 zugeführt und die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 112 wird wiederum einem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 102 zugeführt. Die Ausgangsspannung eines Sägezahnschwingungs-Generators 114 wird dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Komparators 102 zugeführt. Die verbleibenden Teile des Beispiels 22B sind in ihrer Konstruktion die gleichen, wie im vorher beschriebenen Beispiel 22A gemäß Fig. 6.
In der vorgenannten Konstruktion wird, wenn der vorgegebene Druck angehoben wird, d. h. wenn die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 112 angehoben wird, das Verhältnis einer Öffnungsperiode To zu einer Schließperiode Tc des Magnetventils 20A, d. h. das Schaltverhältnis zwischen Ventilöffnen und Ventilschließen, klein und folglich steigt der Druck innerhalb der Trennsäule 15.
In dem oben beschriebenen Beispiel fällt die Frequenz der Öffnungs- und Schließbewegungen des Ventils mit der Frequenz der Sägezahnschwingung zusammen. Das Ausführungsbeispiel ist daher insbesondere dann effektiv, wenn die Frequenz von kleinen Druckvariationen in der Druckregelung innerhalb eines vorbestimmten Bereiches geregelt werden muß.
Ein weiteres Beispiel für die in Fig. 1 gezeigte Druckeinstelleinrichtung 22 wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. In dem folgenden Beispiel wird die Druckeinstelleinrichtung 22 durch einen Mikrocomputer gebildet. Zusätzlich ist die in Fig. 1 gezeigte Druckvorgabeeinrichtung 21 in der Lage, nicht nur das Druckniveau, sondern auch eine Frequenz f der Öffnungs- und Schließbewegungen des Ventils vorzugeben. Fig. 9 ist ein Flußdiagramm, das die Software-Auslegung des Mikrocomputers zeigt.
Unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm gemäß Fig. 9 wird im Schritt 200 das Einlesen der vorgegebenen Frequenz f bewirkt. Im Schritt 202 wird eine Periode T (siehe Fig. 8), die einem Zyklus des Öffnens und Schließens des Ventils entspricht, auf 1/f gesetzt, und die Ventilöffnungsperiode To in dieser Periode T wird begonnen und auf eine Halbperiode gesetzt.
Im Schritt 204 werden der vorgegebene Druck PS und der Detektionsdruck PD eingelesen. Im Schritt 206 wird K (PD-PS) der Ventilöffnungsperiode To hinzugefügt, und das Resultat wird auf eine neue Ventilöffnungsperiode To gesetzt, und T-To wird auf die Ventilschließperiode Tc in einer Periode gesetzt. Im Schritt 208 wartet der Prozeß auf das Vergehen der neuen Ventilöffnungsperiode To, d. h. daß das Magnetventil 20A während der Zeitspanne To offengehalten wird. Im Schritt 210 wird der Solenoid 39 unter Strom gesetzt und das Magnetventil 20A während der Zeitspanne Tc geschlossen gehalten. Der Prozeß kehrt zum Schritt 204 zurück, in dem der oben beschriebene Prozeß wiederholt wird.
Auf diese Weise wird das Schaltverhältnis der Ventilöffnungsperiode eingestellt, und eine Prozeßsteuerung geschaffen, so daß der Detektionsdruck PD auf den Solldruck PS gesetzt wird.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung auf eine closed-loop-Regelung zu Illustrationszwecken Bezug genommen wurde, ist erkennbar, daß auch eine open-loop-Regelung angewendet werden kann.
Im Wege eines Beispiels wurde die vorhergehende Beschreibung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel gegeben, bei dem der Solenoid 39 als Antriebsquelle für den Ventilstößel 30 verwendet wurde. Jedoch ist es natürlich auch möglich, jeden Typ von Element zu verwenden, das ein elektrisches Signal in eine mechanische Verschiebung umwandeln kann. Zum Beispiel kann ein piezoelektrisches Element als Antriebsquelle verwendet werden, oder der Ventilstößel 30 selbst kann durch ein piezoelektrisches Element gebildet sein.
Eine weitere Ausführungsform für die Vorrichtung zum Bewirken einer Extraktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Extraktionsfluid in der mobilen Phase unabhängig von einem Elutionsfluid in der gleichen Phase.
Genauer sind, wie gezeigt, die Komponentenelemente 301 bis 305, 14 und 308, die den Komponentenelementen 1 bis 6 und 8 jeweils entsprechen, entlang der Durchflußpassage zwischen dem Druckregelventil 11 und der Trennsäule 15 verbunden, und die Anordnung der ersteren Komponentenelemente ist im wesentlichen die gleiche, wie die der letzteren Komponentenelemente. Es ist jedoch ein Anschluß E des 6-Wege-Ventils 303 mit einem Auslaß des Druckregelventils 11 verbunden, und ein Anschluß B des 6-Wege-Ventils 303 ist mit einem Einlaß der Trennsäule 15 verbunden. Auch ist eine Stahlflasche 301 mit einem verflüssigten Gas als Elutionsfluid gefüllt, während die Stahlflasche 1 mit einem verflüssigten Gas als Extraktionsfluid gefüllt ist. Das Komponentenelement 6 dient als Extraktionskessel und das Komponentenelement 14 dient als Adsorptionssäule.
Zusätzlich enthält im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Thermostatkammer 16 das 6-Wege-Ventil 303 genauso wie die Adsorptionssäule 14 und die Trennsäule 15.
Bezüglich des restlichen Abschnittes ist diese Ausführungsform identisch zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.
Der Betrieb dieser Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung wird im folgenden mit beispielhafter Bezugnahme auf einen Fall beschrieben, bei dem ein überkritisches Fluid verwendet wird.
Zuerst wird eine Extraktion und Reinigung eines Chromatographen, wie er unten beschrieben wird, durchgeführt, da es die Notwendigkeit erfordert.
Eine Probe wird in den Extraktionskessel 6 gegeben, und die Temperaturen innerhalb der Thermostatkammern 7 und 16 werden auf Temperaturen gehalten, die nicht niedriger als eine kritische Temperatur sind. Die Einstelldrücke der Gegendruckregulatoren 9 und 18 werden auf ein Niveau gesetzt, das nicht niedriger als ein kritischer Druck ist. Zusätzlich werden die Durchflußpassagen A-B, C-D und E-F (gezeigt durch strichlierte Linien) des 6-Wege-Ventils 303 geöffnet, und die Durchflußpassagen B-C, D-E und F-A (gezeigt durch durchgezogene Linien) des 6-Wege-Ventils 3 werden geöffnet. Die Ventile 8 und 308 werden geöffnet.
In diesem Zustand werden das verflüssigte Gas und das Modifizierlösungsmittel, von denen beide für die Extraktion verwendet werden, von der Stahlflasche 1 und dem Lagertank 4 jeweils ausgegeben. Als Folge davon wird in der gleichen Weise wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel das verflüssigte Gas in ein überkritisches Fluid in dem Extraktionskessel 6 umgewandelt. Das überkritische Fluid wird stromabwärts des Druckregelventils 11 in gasförmigen Zustand versetzt und der resultierende Extrakt wird durch das in die Adsorptionssäule gepackte Adsorptionsmittel adsorbiert. Nach Vollendung der Extraktion wird das Gas von dem Ventil 308 ausgegeben.
Gleichzeitig mit der vorgenannten Operation werden das verflüssigte Gas und das Modifizierlösungsmittel, von denen beide für die Elution verwendet werden, von der Stahlflasche 301 und dem Lagertank 304 jeweils ausgegeben. Als Folge davon werden in der gleichen Weise wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel die Durchflußpassagen im Chromatographen gereinigt.
Anschließend wird die folgende chromatographische Trennung und Fraktionierung durchgeführt.
Die Bewegungen der Pumpen 2 und 5 werden gestoppt, und das 6-Wege-Ventil 3 wird umgeschaltet, um die Durchflußpassagen A-B, C-D und E-F, die durch strichlierte Linien dargestellt sind, zu öffnen. So wird das in den Extraktionskessel 6 gefüllte Gas durch das Ventil 8 ausgegeben.
Dann wird das 6-Wege-Ventil 303 umgeschaltet, um die mit durchgezogenen Linien gezeigten Durchflußpassagen B-C, D-E und F-A zu öffnen. Auf diese Weise werden das verflüssigte Gas und das Modifizierlösungsmittel, von denen beide für die Elution verwendet werden, jeweils von der Stahlflasche 301 und dem Lagertank 304 zu der Adsorptionssäule 14 ausgegeben. Als Folge davon wird eine Trennung und Fraktionierung in ähnlicher Weise bewirkt, wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es ist anzumerken, daß die Operation des Bewirkens einer Reinigung, Extraktion oder chromatographischen Trennung und Fraktionierung zur Verwendung von verflüssigtem Gas anstelle eines solchen überkritischen Fluids die gleiche ist, wie die Operation, die vorher in Verbindung mit dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, beschrieben wurde.
In dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Zeitspanne, die für den gesamten Prozeß benötigt wird, in hohem Maße reduziert werden, da es möglich ist, eine Extraktion und Reinigung gleichzeitig durchzuführen.
Da das Extraktionsfluid von dem Elutionsfluid getrennt ist, können eine optimale Extraktion und Trennung erreicht werden, ohne daß es notwendig ist, die Stahlflasche 1 und den Lagertank 4 vor der chromatographischen Trennung und Fraktionierung zu ersetzen.
Zusätzlich ist es möglich, eine vorläufige Extraktion und Reinigung in einem Zustand durchzuführen, wo die Durchflußpassagen A-C, D-E und F-A (gezeigt in durchgezogenen Linien) der 6-Wege-Ventile 3 und 303 geöffnet sind. Genauer kann vor der Extraktion eines gewünschten Extraktes eine nicht gewünschte Substanz, z. B. ein Aromastoff, die unter Temperatur- und Druckkonditionen extrahiert wurde, die sich von denen des gewünschten Extraktes sich unterscheiden, durch das Ventil 308 ausgegeben werden, während diese nicht gewünschte Substanz dazu veranlaßt wird, an der Adsorptionssäule 14 vorbeizufließen. In diesem Fall ist es möglich, nicht nur das Innere der Trennsäule 15, sondern auch das der Adsorptionssäule 14 zur gleichen Zeit zu reinigen. Es ist auch möglich, den gewünschten Extrakt mit einer hohen Konzentration abzutrennen, indem das 6-Wege-Ventil 303 nach Vollendung der vorläufigen Extraktion umgeschaltet wird.
Obwohl die Ausführungsform gemäß Fig. 10 komplizierter in ihrer Konstruktion ist als die Ausführungsform nach Fig. 1, ist die Anzahl der verwendeten 6-Wege-Ventile zwei. Entsprechend ist die Ausführungsform gemäß Fig. 10 einfacher in der Konstruktion und Bedienung als die Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
Falls ein mit einer normalen Elutionsflüssigkeit gefüllter Lagertank anstelle der Stahlflasche 301 verwendet wird, kann eine hochwirksame Flüssig-Chromatographie-Trennung bewirkt werden.
Es wird hervorgehoben, daß die vorliegende Erfindung verschiedene Modifikationen und Alternativen zusätzlich zu den Ausführungsformen umfaßt, die vorher nur zu Zwecken der Illustration beschrieben wurden.
1.) Modifizierte Formen der Vorrichtung zum Bewirken einer Extraktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung.
Das Modifizierlösungsmittel muß nicht notwendigerweise verwendet werden, da eine Extraktion und chromatographische Trennung nur mit einem überkritischen Fluid bewirkt werden kann, falls es gegebenenfalls erforderlich ist.
Anstelle des 6-Wege-Ventils kann ein anderer Typ von Ventil verwendet werden, um ihre Durchflußpassagen in der gleichen Weise umzuschalten, wie dies oben beschrieben wurde.
Sowohl die Adsorptionssäule 14 als auch die Trennsäule 15 können durch einen einzigen Behälter gebildet werden.
Der Detektor 17 kann zwischen dem Druckwandler 19 und dem Druckregelventil 20 angeordnet sein.
Der Detektor 17 braucht nicht in der Durchflußpassage angeordnet sein. Anstelle davon kann, nachdem die eluierten Stoffe in das Sammelreservoir 24 zu vorbestimmten Zeitintervallen fraktioniert worden sind, eine on-line- oder off-line-Analyse der gesammelten eluierten Stoffe unter Verwendung eines Detektors durchgeführt werden.
Als ein Komponentenelement der zweiten Gegendruck-Regeleinrichtung, die in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist, kann eine Zweigleitung an dem Zwischenabschnitt der Leitung in Fig. 1 vorgesehen sein, der die Adsorptionssäule 14 mit der Trennsäule 15 verbindet. Während der Extraktion kann die Zweigleitung geöffnet werden, um so das Druckniveau zu reduzieren.
Die Gegendruck-Regeleinrichtung kann durch eine Vielzahl von Widerstandsleitungen, von denen jede einen unterschiedlichen Durchmesser aufweist, und durch ein Ventil gebildet sein, das in jeder der Widerstandsleitungen zum Öffnen und Schließen deren Durchflußpassage angeordnet ist. Ein Druckwandler kann verwendet werden, um den Gegendruck zu detektieren, wodurch der Gegendruck durch Verwendung einer Kombination von offenen und geschlossenen Zuständen all der Ventile geregelt wird.
"Vorbestimmte Werte" bezüglich Temperatur und Druck, die in den beigefügten Ansprüchen angegeben sind, können innerhalb eines vorbestimmten Bereiches im Falle einer Ein-Aus-Regelung variieren. Alternativ dazu können die "vorbestimmten Werte" mit der Zeit durch eine Programmeinstellung variiert werden.
Zusätzlich können die Termostatkammer 7, die als erste Thermostateinrichtung dient, und die Thermostatkammer 16, die als zweite Thermostateinrichtung dient, gemeinsam miteinander ausgeführt sein. Die zweite Thermostateinrichtung kann getrennt vorgesehen sein, um die Adsorptionssäule und die Trennsäule aufzunehmen.
2.) Modifizierte Formen der Druckregelvorrichtung.
In den vorherigen Beschreibungen der Ausführungsformen wird zum Zwecke der Beschreibung auf eine closed-loop-Regelung Bezug genommen. Die vorliegende Erfindung ist natürlich auch auf eine open-loop-Regelung anwendbar.
Obwohl die Antriebsvorrichtung für den Ventilstößel 30 durch den Solenoid 39 gebildet ist, ist die Antriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur auf solch einen Solenoid begrenzt, und jeder Typ von Antriebsquelle kann verwendet werden, der in der Lage ist, ein elektrisches Signal in eine mechanische Verschiebung umzuwandeln. Zum Beispiel kann ein piezoelektrisches Element als solche Antriebsquelle verwendet werden, oder der Ventilstößel selbst kann als piezoelektrisches Element ausgebildet sein.
Das Ventil kann von jeglichem Typ sein, der in der Lage ist, die Durchflußpassage zwischen seinem Einlaß und Auslaß zu öffnen und zu schließen. Daher ist der Typ von Ventil nicht darauf begrenzt, einen Ventilstößel zu haben, der in der Lage ist, sich vorwärts und rückwärts entlang seiner Achse zu bewegen. Zum Beispiel können ein Gleitspulentyp oder Rotationsspulentyp von Ventil ebenfalls verwendet werden.
Zusätzlich sind die Anwendungsfälle des Druckregelapparates nicht auf die Gebiete von Extraktionsapparaten mit überkritischem Fluid oder Chromatographen mit überkritischem Fluid beschränkt. Zum Beispiel ist der vorliegende Druckregelapparat bei Forschungen über die Gleichgewichtszustände von Fluiden in einer gasförmigen oder flüssigen Phase anwendbar. Zusätzlich können, wenn Druckregelapparate gemäß der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Größen hergestellt werden, diese für chemische Anlagen oder auf jedem anderen Gebiet angewendet werden, wo eine genaue Druckregelung benötigt wird.
In der obigen Beschreibung ist das in dem Ventil fließende Fluid ein überkritisches Fluid oder eine Flüssigkeit, es kann jedoch auch ein Gas als Fluid verwendet werden. Da jedoch die Ansprechgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten im allgemeinen höher als die von Gasen sind, kann eine weit genauere Regelung hinsichtlich des Druckes durch Verwendung von Flüssigkeiten erreicht werden.
In den vorgenannten Ausführungsbeispielen wird die obige Beschreibung bezüglich eines Gegendruckregulators gegeben, der einen Druckregelapparat umfassend die Druckwandler 10 und 19 darstellt, die jeweils stromaufwärts der Druckregelventile 11 und 17 angeordnet sind. Falls jedoch die Druckwandler stromabwärts der Druckregelventile angeordnet sind, ist der Druckregelapparat als ein Regelapparat mit vermindertem Druck betreibbar.
Entsprechend wird der Schutzumfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.
EP-Veröffentlichungnummer 0 438 184

Übersetzung der fremdsprachigen Begriffe in den Zeichnungen

Fig. 2

ABSORBANCE = Absorbierung
WAVELENGTH = Wellenlänge
RETENTION TIME = Rückhaltezeit

Fig. 3

ABSORBANCE = Absorbierung
RETENTION TIME = Rückhaltezeit
TIME FRAME = Zeitrahmen

Fig. 4

ABSORBANCE = Absorbierung
FRACTION = Fraktion
RETENTION TIME = Rückhaltezeit

Fig. 6

PRESSURE TRANSDUCER = Druckwandler
SETTING DEVICE = Vorgabeeinrichtung
AMP. = Verstärker
COMP. = Komparator
SOL = Solenoid

Fig. 7

PRESSURE TRANSDUCER = Druckwandler
SETTING DEVICE = Vorgabeeinrichtung
DIF.AMP. = Differenzverstärker
COMP. = Komparator
SAWTOOTH-WAVE GENERATOR = Sägezahnschwingungs-Generator
SOL = Solenoid

Fig. 8

OUTPUT VOLTAGE FROM DIFFERENTIAL AMPLIFIER = Ausgangsspannung des Differenzverstärkers
SAWTOOTH WAVE = Sägezahnschwingung
OPENING AND CLOSING OPERATIONS OF VALVE = Öffnungs- und Schließbetätigungen des Ventils
OPEN = offen
CLOSED = geschlossen

Fig. 9

READ SET FREQUENCY = Einlesen der vorgegebenen Frequenz
READ = Einlesen.

Claims

1. Vorrichtung zum Bewirken einer Extaktion, chromatographischen Trennung und Fraktionierung, bei der ein Chromatograph mit der strömungsabwärtigen Seite einer Extraktionsvorrichtung verbunden ist;

welche Extraktionsvorrichtung umfaßt:

eine Pumpeneinrichtung (2, 5; 302, 305) zur Ausgabe eines Extraktions-/Elutionsfluids, das ein überkritisches Fluid oder ein verflüssigtes Gas enthält;

einen Extraktionsbehälter (6) der eine Probe aufnimmt;

eine Thermostateinrichtung (7) Halten der Temperatur innerhalb des Extraktionsbehälters (6) auf einem vorbestimmten Wert, um zu ermöglichen, daß das Extraktions-/Elutionsfluid eine wirksame Extraktion innerhalb des Extraktionsbehälters (6) zum Zeitpunkt der Extraktion bewirkt;

eine erste Gegendruck-Regeleinrichtung (9) zur Einstellung der Öffnung einer Durchflußpassage während der Zeit der Extraktion, um einen Gegendruck auf einem vorbestimmten Wert zu halten, der es ermöglicht, daß das Extraktions-/Elutionsfluid eine wirksame Extraktion innerhalb des Extraktionsbehälters (6) bewirkt, wodurch hervorgerufen wird, daß eine lösliche Substanz aus der Probe extrahiert wird, und zum im wesentlichen vollständigen Öffnen der Durchflußpassage zur Zeit der chromatographischen Trennung; und

eine Durchflußpassagen-Umschalteinrichtung (3; 303), die zur Bildung einer Durchflußpassage, die es erlaubt, daß das Extraktions-/Elutionsfluid von der Pumpeneinrichtung (2, 5; 302, 305) durch den Extraktionsbehälter (6) zu der ersten Gegendruck-Regeleinrichtung (9) zur Zeit der Extraktion fließt, und zur Bildung einer Durchflußpassage angeordnet ist, die es zur Zeit der chromatographischen Trennung erlaubt, daß das Extraktions-/Elutionsfluid von der Pumpeneinrichtung (3, 303) direkt zu : der ersten Gegendruck-Regeleinrichtung (9) fließt, wobei der Extraktionsbehälter (6) umgangen wird;

wobei der Chromatograph umfaßt:

einen Adsorptionsbehälter (14), der mit einer stromabwärtigen Seite der ersten Gegendruck-Regeleinrichtung (9) verbunden und mit einem Adsorptionsmittel gefüllt ist, das zur Adsorption eines Extrakts dient;

eine Trennsäule (15), die stromabwärtig des Adsorptionsmittels getrennt von oder integral mit dem Adsorptionsbehälter (14) angeordnet und mit einer Substanz in deren stationärer Phase beladen ist;

eine Thermostateinrichtung (16) zum Halten der Temperatur innerhalb des Adsorptionsbehälters (14) und der Trennsäule (15) auf jeweils vorbestimmten Werten, um so zu ermöglichen, daß das Extraktions-/Elutionsfluid eine wirksame chromatographische Trennung zur Zeit der chromatographischen Trennung bewirkt, und

eine zweite Gegendruck-Regeleinrichtung (18), die so ausgelegt ist, daß zur Zeit der Extraktion der Druck auf der Einlaßseite des Adsorptionsbehälters (14) reduziert ist, um zu veranlassen, daß der Extrakt von dem in den Adsorptionsbehälter (14) eingegebenen Adsorptionsmittel adsorbiert wird, und um zu verhindern, daß der Extrakt aus einem Auslaß des Adsorptionsbehälters (14) herausfließt, und um zur Zeit der chromatographischen Trennung die Öffnung einer Durchflußpassage stromabwärts der Trennsäule (15) einzustellen, um so den Druck auf der Auslaßseite der Trennsäule (15) auf einem vorbestimmten Wert zu halten, der es ermöglicht, daß das Extraktions-/Elutionsfluid eine wirksame chromatographische Trennung bewirkt, so daß der Extrakt und die getrennten Komponenten dazu veranlaßt werden, aus dem Adsorptionsbehälter (14) und der Trennsäule (15) jeweils herauszufließen.

2. Vorrichtung ach Anspruch 1, wobei jede der ersten Gegendruck-Regeleinrichtung (9) und der zweiten Gegendruck-Regeleinrichtung (18) umfaßt ein Ventil (11, 20), das in der jeweiligen Durchflußpassage angeordnet ist;

einen Druckwandler (10, 19) zum Detektieren des Niveaus des Fluiddruckes, der auf der stromaufwärtigen Seite des Ventils (11, 20) erzeugt wird, um einen Detektionsdruck PD zu erzeugen; und

eine Druckregeleinrichtung (12, 13; 21, 22) zur Schaffung einer Regelung des Ventils (11, 20), um den Detektionsdruck PD auf einen Solldruck PS einzustellen;

wobei das Ventil (11, 20) eines Typs ist, der elektrisch betätigbar ist, um eine Durchflußpassage zu öffnen und zu schließen, die eine Verbindung zwischen einem Einlaß des Ventils (11, 20) und seinem Auslaß bildet; und

wobei die Regeleinrichtung (12, 13; 21, 22) in der Lage ist, das Ventil (11, 20) zyklisch zu öffnen und zu schließen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Durchflußpassagen-Umschalteinrichtung durch ein 6-Wege-Ventil (3; 303) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Pumpeinrichtung (2, 5; 302, 305) durch eine Pumpe (2, 302) zum Ausgeben eines verflüssigten Gases und eine Pumpe (5; 305) zum Ausgeben eines Modifizierlösungsmittels gebildet ist, wobei die Auslässe der Pumpe (2, 5; 302, 305) gemeinsam verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Detektor (17) zur Detektion eines gelösten Stoffes in der Durchflußpassage angeordnet ist, die sich zwischen der Trennsäule (15) und der zweiten Gegendruck-Regeleinrichtung (18) erstreckt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pumpeinrichtung umfaßt

eine erste Pumpe (2, 5) zur Ausgabe eines Extraktionsfluids, das ein überkritisches Fluid oder ein verflüssigtes Gas enthält, und eine zweite Pumpe (302, 305) zur Ausgabe eines Elutionsfluids, wobei die Auslässe dieser Pumpen (2, 5; 302, 305) gemeinsam mit der Durchflußpassagen-Umschalteinrichtung (3, 303) verbunden sind,

und wobei die Durchflußpassagen-Umschalteinrichtung (303) zusätzlich eine Durchflußpassage, die es erlaubt, daß das Extraktionsfluid von der ersten Gegendruck-Regeleinrichtung (9) durch den Adsorptionsbehälter (14) zum Auslaß (308) zur Zeit der Extraktion fließt, und eine Durchflußpassage bildet, die es erlaubt, daß das Elutionsfluid von der zweiten Pumpe (202) durch den Adsorptionsbehälter (14) zur Trennsäule (15) zur Zeit der chromographischen Trennung fließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die erste Pumpe (2, 5) und die zweite Pumpe (302, 305) jeweils durch eine Pumpe (2, 305) zur Abgabe eines verflüssigten Gases und eine Pumpe (2, 305) zur Abgabe eines Modifizier-Lösungsmittels gebildet sind, wobei die Auslässe der ersten und zweiten Pumpe (2, 5; 302, 305) gemeinsam verbunden sind.