DE602004003945T2

DE602004003945T2 - Verfahren und vorrichtung zur trennung von bestandteilen einer flüssigen beschickung mittels flüssigkeit-flüssigkeit-zentrifugenchromatographie

Info

Publication number: DE602004003945T2
Application number: DE602004003945T
Authority: DE
Inventors: Francois Couillard; Alain Foucault; Daniel Durand
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: RU2353416C2; DK1646437T3; FR2856933B1; WO2005011835A1; US20090039025A1; JP2007525655A; DE602004003945D1; US20060243665A1; FR2856933A1; RU2006102968A; CA2530539A1; KR20070021021A; ATE349252T1; WO2005011835A8; US8092681B2; KR101107496B1; EP1646437B1; CA2530539C; JP4309914B2; EP1646437A1

Description

BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Bestandteilen einer flüssigen Beschickung durch Flüssig-Flüssig-Zentrifugalchromatographie sowie eine Vorrichtung für dessen Durchführung.
STAND DER TECHNIK
Ein bekanntes Verfahren zur Trennung von Bestandteilen eines Gemisches, das sogenannte Simulated-Moving-Bed-Verfahren oder die Gegenstrom-Chromatographie, besteht darin, das Gemisch durch eine Anordnung aus Säulen laufen zu lassen, die in Serienschaltung angeordnet sind, wobei jede Säule Festbetten umfasst, die mit Adsorptionsmitteln gefüllt sind. Mit Hilfe einer komplexen Anordnung aus Pumpen, Leitungen und Ventilen stellt man über die Festbetten einen Flüssigkeitskreislauf her, der die Einspritzung einer Beschickung gestattet, von der man mindestens einen der Bestandteile trennen möchte, sowie eines Eluanten, der hauptsächlich die desorbierende Substanz enthält, oder die Entnahme eines Extraktes, der hauptsächlich den Bestandteil enthält, der vorzugsweise adsorbiert wird oder eines Raffinates, das sich hauptsächlich aus den Elementen zusammensetzt, die am wenigsten bevorzugt adsorbiert werden. Ein solches System wird zum Beispiel in der Patentanmeldung FR 2 762 793 beschrieben.
Bei einem Simulated-Moving-Bed kann man die feste Phase nicht zirkulieren lassen. Dies simuliert man durch ein kompliziertes Zusammenspiel aus Ventilen und Pumpen, die entsprechend komplizierter Algorithmen gesteuert werden. Der periodische Austausch der festen Phasen in den Säulen ist extrem kostenaufwändig und bedarf einem relativ langen Anhalten der Produktion. Diese Art von System ist aufgrund seiner Komplexität schwer zu beherrschen. Seine Wartung ist schwerfällig.
Eine andere bekannte Technik zur Trennung von gelösten Bestandteilen A und B in einem flüssigen Gemisch besteht darin, diese in eine Chromatographiesäule einzuspritzen, die einer Zentrifugalkraft ausgesetzt wird, so dass eine der flüssigen Phasen durch die andere flüssige Phase laufen kann und umgekehrt (die besagte Gegenstrom-Chromatographie oder Zentrifugal-Verteilungs-Chromatographie).
In der Praxis umfasst diese Art von System, wie es insbesondere die Patentanmeldung FR 2 791 578, die US-Patentschrift Nr. 4,551,251, 4,877,523 und 4,857,187 beschreiben, einen oder mehrere Schichten aus Scheiben D, die durch Drehung mitgerissen werden (vergleiche 4). Jede von ihnen umfasst in ihrer Dicke und in ihrer gesamten Peripherie eine Abfolge von Zellen CE, die entsprechend einer radialen und schrägen Richtung angeordnet sind und die durch eine Anordnung von Kreisläufen aus feinen gewundenen Kanälen L am Rand jeder Zelle in Serie angeordnet sind. Die Kreisläufe aller Scheiben sind miteinander verbunden. Die Zellen und ihre Zwischenverbindungen werden mit einer flüssigen stationären Phase gefüllt, die durch die Zentrifugalkraft an Ort und Stelle gehalten wird, sowie mit einer anderen flüssigen beweglichen Phase, die die stationäre Phase durchläuft.
TRENNUNGSVERFAHREN UND TRENNUNGSANORDNUNG GEMÄSS DER ERFINDUNG
Das Verfahren gemäß der Erfindung gestattet die Trennung von Bestandteilen einer flüssigen Beschickung aus mindestens zwei Bestandteilen mit verschiedenen Verteilungskoeffizienten, so dass diese jeweils mit ungleichen Geschwindigkeiten durch ein leichtes Lösungsmittel und ein schweres Lösungsmittel in eine Vorrichtung mitgerissen werden, die mindestens eine Flüssig-Flüssig-Zentrifugal chromatographiesäule aufweist, welche aus der Serienschaltung von mindestens einer Trennzellenkette besteht.
Das Verfahren stellt sich im Wesentlichen dar durch:

– Das Einspritzen der Beschickung an einem intermediären Punkt der Zellenkette; und
– die Herstellung sich abwechselnder Zyklen in zwei Phasen, mit einer ersten Phase während einem ersten Zeitintervall, bei dem ein leichteres Lösungsmittel an einem ersten Ende der Vorrichtung eingespritzt und eine erste Komponente an einem zweiten Ende der Vorrichtung erhalten wird, und mit einer zweiten Phase während eines zweiten Zeitintervalles, bei dem man ein schwereres Lösungsmittel am zweiten Ende der Vorrichtung einspritzt und einen zweiten Bestandteil am ersten Ende erhält.

Vorzugsweise werden die Zeitdauern der ersten und zweiten Phase und/oder die Einspritzmengen des leichteren Lösungsmittels und des schwereren Lösungsmittels in Abhängigkeit von den Bestandteilen des Gemisches derart justiert, dass man eine optimale Trennung erhält.
Gemäß einer Durchführungsform werden mehrere Trennungen kaskadenartig ausgeführt, um die verschiedenen Bestandteile eines Gemisches aus mehr als zwei Bestandteilen voneinander zu isolieren.
Diese Durchführungsweise wird zum Beispiel auf die Trennung zweier optischer Isomere mit einer Einspritzung in eine erste Vorrichtung einer Beschickung angewendet, die die optischen Isomere und einen chiralen Selektor umfasst, um auf der einen Seite ein erstes Isomer zu erhalten und ein Gemisch des zweiten Isomeres mit dem chiralen Selektor, wobei darauf folgend dieses Gemisch aus der ersten Vorrichtung in eine zweite Vorrichtung eingespritzt wird, die so eingerichtet ist, dass sie der zweite Isomer und den chiralen Selektor voneinander trennt.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung gestattet die Trennung von Bestandteilen einer flüssigen Beschickung mit mindestens zwei unterschiedlichen Verteilungskoeffizienten, so dass diese mit ungleichen Geschwindigkeiten durch ein leichteres und ein schwereres Lösungsmittel mitgerissen werden. Sie umfasst mindestens eine Flüssig-Flüssig-Zentrifugalchromatographiesäule, die aus einer Serienschaltung von mindestens einer Trennzellenkette besteht. Jeder Säule ist eine erste Pumpe zum Einspritzen der Beschickung an einem intermediären Punkt der Zellenkette zugeordnet, ein erstes Ventil, das ein erstes Ende der Säule mit einem ersten Gefäß verbindet, um einen ersten Bestandteil (FA) aufzunehmen, oder mit einer zweiten Pumpe zum Einspritzen eines ersten Lösungsmittels (L), ein zweites Ventil (V2), das ein zweites Ende der Säule mit einem zweiten Gefäß verbindet, um einen zweiten Bestandteil (FB) aufzunehmen, oder einer dritten Pumpe (P3) zum Einspritzen eines zweiten Lösungsmittels (l), Mittel zum abwechselnden Umschalten der Ventile (V1, V2), um von einer Phase mit einer Einspritzung des ersten Lösungsmittels (L) und der Entgegennahme des zweiten getrennten Bestandteiles (FB) zu einer zweiten Phase mit einer Einspritzung des zweiten Lösungsmittels (l) und der Entgegennahme des zweiten getrennten Bestandteiles (FB) zu einer zweiten Phase mit einer Einspritzung des zweiten Lösungsmittels (l) und der Entgegennahme des ersten getrennten Bestandteiles (FA) zu wechseln, und Mittel zum Steuern des Pumpendurchsatzes.
Gemäß einer Durchführungsform umfasst die Vorrichtung beispielsweise mindestens zwei kaskadenartige Trennsäulen, um die Bestandteile eines Gemisches aus mindestens drei verschiedenen Bestandteilen voneinander zu trennen.
Die Vorrichtung eignet sich ebenso gut für die kontinuierliche Einspritzung der Beschickung wie für die diskontinuierliche Einspritzung der Beschickung.
KURZE DARSTELLUNG DER FIGUREN
Die Merkmale und Vorzüge des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden anhand der Lektüre der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispieles deutlicher, welches sich auf die angehängten Figuren bezieht, in denen:
1 auf schematische Weise eine Trennungsvorrichtung mit einer Trennsäule in einer ersten Phase der zyklischen Funktionsweise zeigt, sowie zugeordnete Durchlaufmittel, in die das zu trennende Gemisch in Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung an einem intermediären Punkt eingespritzt wird;
2 schematisch dieselbe Einheit in einer zweiten zyklischen Phase zeigt;
3 zur Veranschaulichung die fortschreitende Trennung der Elemente eines eingespritzten Gemisches zu einem gegebenen Zeitpunkt in einer Trennungsvorrichtung aus 200 Zellen unter Einwirkung der zyklischen Phasen, die in 1, 2 schematisch dargestellt sind, in Abhängigkeit von der Zeit zeigt;
4 ein Beispiel einer Säule (oder eines Abschnittes einer Trennsäule) in Form einer Scheibe zeigt, die zentrifugiert wird, umfassend in ihrem Umfang sich nach außen erstreckende Zellen, die in Serienschaltung miteinander verbunden sind und durch die die zu trennenden Bestandteile und Lösungsmittel laufen;
5 ein Beispiel einer Anordnung aus zwei Trennvorrichtungen aus mehreren Scheiben, die zentrifugiert werden und in Serieschaltung miteinander verbunden sind, mit der Einspritzung des Gemisches in den intermediären Kreislauf zeigt, der sie verbindet; und
6 auf schematische Weise die kaskadenartige Verbindung der Trennvorrichtungen zeigt, die in bestimmten Fällen die Trennung von Gemischen gestatten, die aus mehr als zwei Bestandteilen bestehen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das System umfasst im Wesentlichen (1, 2) mindestens eine Flüssig-Flüssig-Zentrifugalchromatographiesäule (Col), die zentrifugiert wird, um ein Gemisch (A, B) in seine zwei Bestandteile A und B zu trennen. An einem intermediären Punkt der Säule spritzt eine Pumpe P1 das flüssige Gemisch (A, B) auf kontinuierliche oder diskontinuierliche Weise ein.
An einem ersten Ende E1 ist die Säule über ein erstes Ventil V1 entweder mit einem ersten Auffangbehälter FA des ersten Bestandteiles A verbunden oder mit einem Einlass, der mit einer Einspritzpumpe P2 mit einem Gefäß verbunden ist, welches ein schweres Lösungsmittel L enthält. An ihrem gegenüberliegenden Ende E2 ist die Säule über ein zweites Ventil V2 entweder mit einem Auslass verbunden, der mit einem anderen Auffangbehälter FB des Bestandteiles B verbunden ist oder mit einem Einlass, der mit einer Einspritzpumpe P2 mit einem Bestandteil verbunden ist, der ein leichtes Lösungsmittel l enthält.
In der in 1, 2 veranschaulichten Funktionsweise weisen die Bestandteile A, B derartige Verteilungskoeffizienten auf, so dass B durch das schwere Lösungsmittel L schneller mitgerissen wird als A, wodurch A durch das leichte Lösungsmittel (l) schneller mitgerissen wird als B.
In der ersten Phase der Zeitdauer t₁ (1) pumpt die Pumpe während einer gewissen Zeit das schwere Lösungsmittel (L), das sich demnach in der "beweglichen Phase" befindet, wohingegen sich die leichte Phase (l) in der Vorrichtung in der stationären Phase befindet.
In der zweiten Phase der Zeitdauer t₂ (2) pumpt die Pumpe während einer gewissen Zeit das leichte Lösungsmittel (l), das sich demnach in der "beweglichen Phase" befindet, wohingegen sich die schwere Phase (L) in der Vorrichtung in der stationären Phase befindet.
Wenn man die Probe (A, B) kontinuierlich mit Hilfe der Pumpe P1 einspritzt und die Ventile (V1 und V2) periodisch umschaltet, so dass diese die Verbindungsweisen aus den 1 und 2 wechseln, befindet sich A im Gefäß FA und B im Gefäß FB.
Dieses Phänomen der Trennung wird in 3 veranschaulicht, wo man zum Beispiel eine kleine Menge eines Gemisches zu einem gegebenen Zeitpunkt und während eines begrenzten Zeitintervalles in die Mitte einer Säule aus 200 miteinander verbundenen Zellen eingespritzt hat. Man beobachtet bei diesem Phänomen der Trennung, dass sich der Bestandteil A (grau) in Richtung des Endes der Säule bewegt und sich der Bestandteil B (schwarz) in Richtung des entgegengesetzten Endes bewegt. Man kann in 3 gut beobachten, dass sich A und B bei jedem Zyklus in den Zellen hin- und herbewegen, was die Strecke des Umlaufes auf künstliche Weise verlängert. Dies geschieht demnach, als hätte man die Anzahl der Zellen erhöht.
Man kann die Zeitdauern t₁ und t₂ sowie auch die Menge der eingespritzten Lösungsmittel abändern, um eine schnelle Auftrennung der Bestandteile in Richtung der entgegengesetzten Enden der Säule der Durchläufe aus 3 zu erhalten (wie in 3 dargestellt).
Es versteht sich, dass man durch kontinuierliches Einspritzen des Gemisches A, B die Bestandteile A und B auch auf kontinuierliche Weise erhält.
In der Vorrichtung gemäß der Erfindung bedarf die Füllung der zwei flüssigen Phasen etwa zehn Minuten und, sofern man nicht die Produktionsart wechselt, muss der Betrieb überhaupt nicht angehalten werden.
Die flüssigen Phasen sind erheblich kostengünstiger als die festen Phasen, die in Trennungssystemen des Typus des Simulated-Moving-Bed verwendet werden. Bei einem gleichen Produktionsvolumen wird der Verbrauch der mobilen Phase mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung durch einen Faktor in Höhe von 10 reduziert.
In dem Beispiel aus 5 umfasst das System zwei Trommeln T1, T2, die parallel angeordnet sind und jeweils aus einem Stapel aus Scheiben bestehen, so dass diejenige aus 4 in einer Kreisbewegung angetrieben wird. Diese zwei Trommeln sind in Serienschaltung miteinander verbunden. Man kann sie in die gleiche Richtung drehen oder entsprechend der Darstellung in entgegengesetzte Richtungen drehen, wenn dies die in Serie geschalteten Zwischenverbindungen vereinfachen kann. Das Gemisch wird durch die Pumpe P1 an einem intermediären Punkt in die Verbindungsleitung eingespritzt. Die Pumpe P2 ist mit dem Einlass der Trommel T1 in aufsteigender weise verbunden (die leichteste bewegliche Phase), und die Pumpe P3 ist mit dem Einlass der Trommel T2 auf absteigende weise verbunden (die schwerste bewegliche Phase).
Es ist offensichtlich, dass der intermediäre Punkt für die Einspritzung des Gemisches in die Säule sich dort befinden kann, wo man ihn für nützlich befindet, sofern man die tatsächlichen Verteilungskoeffizienten der Bestandteile des Gemisches beachtet.
Das Trennungssystem mit mehreren Einheiten aus 6 gestattet die Erhaltung kaskadenartiger Trennungen. Wenn das anfängliche Gemisch drei Bestandteile A, B, C umfasst, so dass die erste Einheit derart eingerichtet ist, dass sie auf der einen Seite A von B, C trennt, kann man andererseits nach der ersten Trennung das verbleibende Gemisch B, C in eine zweite Trennungseinheit einspritzen, um eine Trennung der Bestandteile B und C zu erhalten.
Dies ist zum Beispiel in dem Fall von Vorteil, wenn man zwei optische Isomere voneinander trennen möchte. Zu diesem Zweck ist es üblich, ihnen einen chiralen Selektor hinzuzufügen. Wie der Fachmann der Technik weiß, kann man dadurch jeweils an den beiden Auslässen der ersten Einheit getrennt voneinander ein erstes Isomer und ein zweites Isomer erhalten, welche mit dem chiralen Selektor vermischt sind. Wenn man das verbleibende Gemisch des zweiten Isomeres und des chiralen Selektors in die zweite Trennungseinheit einspritzt, kann man auf diese Weise den chiralen Selektor in seiner Gesamtheit zurückerhalten, was angesichts seiner hohen Kosten von großem Vorteil ist.
Die zwei nachfolgenden Tabellen fassen die Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung (CPCPC genannt) als erstes in Bezug auf die die klassischen Verfahren der Flüssig-Flüssig-Zentrifugalchromatographie, und als zweites in Bezug auf die Trennungssysteme des Simulated-Moving-Bed-Typus zusammen.
Man beachte, dass das Trennungssystem gemäß der Erfindung genau zehnmal weniger Verdünnungsmittel verbraucht als das System des Simulated-Moving-Bed.
Man beachte, dass die Einspritzungen der Beschickung an einem intermediären Punkt der Säule sowohl auf kontinuierliche als auch auf diskontinuierliche Weise stattfinden kann.

Claims

Verfahren zur Trennung der Bestandteile einer flüssigen Beschickung aus mindestens zwei Bestandteilen (A, B) mit verschiedenen Verteilungskoeffizienten, so dass sie jeweils mit ungleichen Geschwindigkeiten durch ein leichtes Lösungsmittel und ein schwereres Lösungsmittel mitgerissen werden in eine Vorrichtung, die mindestens eine Flüssig-Flüssig-Zentrifugalchromatographiesäule (col) aufweist, welche durch Serienschaltung von mindestens einer Anzahl von Trennzellen (CE) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst: – Einspritzen der Beschickung an einem intermediären Punkt der Zelleneinheit, und – Ausführen von abwechselnden Zweiphasenzyklen mit einer ersten Phase während einem ersten Zeitintervall (t₁), wobei leichteres Lösungsmittel über ein erstes Ende der Vorrichtung eingespritzt und eine erste Komponente an einem zweiten Ende der Vorrichtung erhalten wird, und einer zweiten Phase während eines zweites Zeitintervalls (t₂), wobei schwereres Lösungsmittel über das zweite Ende der Vorrichtung eingespritzt und ein zweiter Bestandteil am ersten Ende erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die jeweiligen Zeitdauern (t₁, t₂) der ersten und der zweiten Phase und/oder die Einspritzmengen des leichteren Lösungsmittels und des schwereren Lösungsmittels in Abhängigkeit von den Bestandteilen des Gemisches derart justiert werden, dass eine optimale Trennung erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem mehrere Trennungen kaskadenartig ausgeführt werden, um die verschiedenen Bestandteile eines Gemisches von mehr als zwei Bestandteilen zu isolieren.
Verfahren nach Anspruch 3, in welchem die zwei optischen Isomere getrennt werden, indem in eine erste Vorrichtung eine Beschickung eingespritzt wird, welche die optischen Isomere und einen chiralen Selektor umfaßt um das erste der Isomere in einem Teil und eine Mischung, des zweiten Isomers und des chiralen Selektors zu erhalten und indem die Mischung aus der ersten Vorrichtung in eine zweite Vorrichtung gespritzt wird, die dazu angelegt ist, das zweite Isomer und den chiralen Selektor zu trennen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Beschickung kontinuierlich oder diskontinuierlich eingespritzt wird.
Vorrichtung zur kontinuierlichen Trennung der Bestandteile einer flüssigen Beschickung aus mindestens zwei Bestandteilen (A, B) mit verschiedenen Verteilungskoeffizienten, so dass sie mit jeweils ungleichen Geschwindigkeiten durch ein leichteres Lösungsmittel und ein schwereres Lösungsmittel mitgerissen werden, welche mindestens eine Flüssig-Flüssig-Zentrifugalchromatographiesäule (col) aufweist, die durch Serienschaltung von mindestens einer Trennzellenkette (CE) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Säule eine erste Pumpe (P1) zugeordnet ist zum Einspritzen der Beschickung an einem intermediären Punkt der Zellenkette, ein erstes Ventil (V1), das ein erstes Ende der Säule mit einem ersten Gefäß verbindet, um einen ersten Bestandteil (FA) aufzunehmen, oder mit einer zweiten Pumpe (P2) zum Einspritzen eines ersten Lösungsmittels (L), ein zweites Ventil (V2), das ein zweites Ende der Säule mit einem zweiten Gefäß verbindet, um einen zweiten Bestandteil (FB) aufzunehmen, oder mit einer dritten Pumpe (P3) zum Einspritzen eines zweiten Lösungsmittels (I), Mittel zum abwechselnden Umschalten der Ventile (V1, V2), um abwechselnd von einer ersten Phase mit einer Einspritzung des ersten Lösungsmittels (L) und der Entgegennahme des zweiten getrennten Bestandteils (FB) auf eine zweite Phase mit einer Einspritzung des zweiten Lösungsmittels (I) und der Entgegennahme des ersten getrennten Bestandteils (FA) zu wechseln und Mittel zum Steuern des Pumpendurchsatzes.
Vorrichtung nach Anspruch 6, umfassend mindestens zwei kaskadierte Trennsäulen, um die Bestandteile eines Gemisches mit mindestens drei verschiedenen Bestandteilen zu trennen.