DE69112270T2

DE69112270T2 - Entkoppelte Fluss- und Drucksollwerte in einem komprimierbaren Fluide benutzenden Extraktionsgerät.

Info

Publication number: DE69112270T2
Application number: DE69112270T
Authority: DE
Inventors: Paul Craig Dryden; Steven James Engel; Lenore Randall Frank; Mark A Nickerson; Christopher Mark Wurm; Ernest Zerenner
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-07
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2011-05-08
Also published as: EP0458125A2; EP0458125B1; JPH04231840A; EP0458125A3; DE69112270D1; US5094741A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Extrahieren von Stoffen aus einer Substanz und insbesondere die Extraktion mit einem überkritischen Fluid.
Überkritische Fluide können als Lösungsmittel in Extraktionsgeräten, Chromatographen und anderen verwandten Geraten verwendet werden. Die kritische Temperatur ist diejenige Temperatur, oberhalb derer der Unterschied zwischen Gasen und Flüssigkeiten verschwindet: es gibt eine Fluidphase für jeden Druck. Auch wenn noch so viel Druck angelegt wird, kann eine flüssige Phase nicht kondensiert werden. Der überkritische Bereich ist durch alle Temperaturen und jeden Druck oberhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Drucks definiert. Überkritische Fluide sind ein nützliches Hybrid von Gasen und Flüssigkeiten, wie wir sie normalerweise wahrnehmen, welches gasähnliche Viskositäten, flüssigkeitsähnliche Dichten und größere Diffusionskoeffizienten als typische flüssige Lösungsmittel besitzt. Die flüssigkeitsähnliche Dichte eines überkritischen Fluids führt zu einem im wesentlichen als lineare Funktion der Dichte variablen flüssigkeitsähnlichen Lösungsvermögen. Dies ermöglicht es, das Lösungsvermögen, das normalerweise als eine chemische Wechselwirkung angesehen wird, einfach durch Einstellen eines physikalischen Parameters, insbesondere der Dichte oder des Drucks, festzulegen ("einzutippen"). Ein variables Lösungsvernögen ist besonders stark bei Dichten ausgeprägt, die Druckwerten von dem 0,8-fachen des kritischen Drucks bis zu Druckwerten entsprechen, bei denen die Dichte des Lösungsmittels nahezu flüssigkeitsartig wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der überkritischen Fluide besteht darin, daß im Vergleich mit typischen flüssigen Lösungsmitteln die Transporteigenschaften Viskosität und Diffusionskoeffizient des überkritischen Fluids einen erhöhten Massentransport in komplexen Matritzen, wie Kohle, Pflanzen- oder Tiergewebe oder bepackten Betten, gestatten. Mit anderen Worten dringen überkritische Fluide besser ein und lösen nahezu so gut wie typische Flüssigkeiten. Daher ist es effizienter, überkritische Fluide für Extraktionen aus komplexen Matritzen zu benutzen.
Auch wenn das Lösungsvermögen eines überkritischen Fluids variabel ist, weist jedes überkritische Fluid ein maximales Lösungsvermögen auf, welches dem der Substanz als Flüssigkeit nahekommt. Obwohl das Lösungsvermögen einer Flüssigkeit ebenfalls variabel und ebenfalls im wesentlichen eine lineare Funktion der Dichte ist, ist eine wesentlich stärkere Erhöhung des Drucks nötig, um eine deutliche Erhöhung des Lösungsvermögens der Flüssigkeit zu erzeugen. Bei einem typischen flüssigen Laborlösungsmittel wie Methanol kann der Druck auf Umgebungsdruck abgesenkt werden und eine Lösung des Lösungsmittels und des gelösten Stoffes ist stabil. Wärme muß zugeführt werden, um das Lösungsmittel für eine Konzentration der Lösung oder zum Trocknen des gelösten Stoffes auszutreiben. Wenn eine Flüssigkeit mit einem sehr hohen Dampfdruck bei Umgebungstemperatur verwendet wird, wie flüssiges Kohlendioxid oder Ammoniak, verdampft das Lösungsmittel leicht bei einer Dekompression der Lösung und läßt einen trockenen, konzentrierten Lösungsstoff zurück. Es tritt jedoch eine Diskontinuität in der Dichte entlang einer Isotherme auf, welche der Verbindungslinie zwischen koexistierenden flüssigen und gasförmigen Phasen entspricht. Wegen der Diskontinuität der Dichte wird das Lösungsvermögen im wesentlichen hoch oder niedrig gemacht, "go" oder "no-go" ("geht oder geht nicht"), und die Flexibilität der Kontrolle des Lösungsvermögens geht im wesentlichen verloren.
Hinsichtlich der Massentransporteigenschaften ist der Diffusionskoeffizient ein wichtiger Parameter. Diffusionskoeffizienten von Flüssigkeiten überdecken einen großen Bereich, von denen einige (z.B. Kohlendioxid oder Ammoniak) nahezu dieselben wie diejenigen des überkritischen Fluids sind, wenn die Flüssigkeit in einem nahezu kritischen Zustand ist. In diesen Fällen würde entweder die Flüssigkeit oder das überkritische Fluid für eine effiziente Extraktion ausreichen. Bei den üblicherweise verwendeten Flüssigkeiten ist jedoch der Diffusionskoeffizient um einen Faktor von 10 bis 100 kleiner als derjenige bei überkritischen Fluiden und daher sind diese Flüssigkeiten hinsichtlich der Extraktionszeit weniger effizient.
Überkritische Lösungsmittel sind daher insofern überlegen, als sie (1) einen großen kontinuierlichen Bereich des Lösungsvermögens zulassen und daher eine selektive Solvatisierung von Lösungsstoffen über diesen Bereich ermöglichen, (2) ein Mittel für eine schnelle und vollständige Trennung von Lösungsstoffen und Lösungsmitteln bei minimaler Wärmezufuhr bilden und (3) die Extraktionszeit bei komplexen Matritzen um einen Faktor von 10 bis 100 herabsetzen können.
Kohlendioxid ist das hauptsächliche Extraktionsfluid, das in Extraktionssystemen mit einem überkritischen Fluid verwendet wird, da es billig, unschädlich und in hoher Reinheit ohne weiteres erhältlich ist und eine kritische Temperatur von ungefähr 31ºC aufweist, so daß es für thermisch labile Verbindungen verwendbar ist. Weiterhin ist es wechselweise in vielen gebräuchlichen flüssigen Lösungsmitteln löslich. Man hat festgestellt, daß Kohlendioxid ein Lösungsvermögen ähnlich dem von Hexan besitzt. Daher gibt es viele Anwendungen, welche ein großes Lösungsvermögen, die vorteilhaften Eigenschaften von überkritischen Fluiden und milde Betriebstemperaturen für thermisch labile Verbindungen erfordern. Mischungen von Kohlendioxid mit Modifikationsmitteln können diesen Erfordernissen entsprechen. Wie denjenien mit durchschnittlichen Fähigkeiten wohlbekannt ist, können überkritische Fluide als Lösungsmittel bei Extraktionen und der Chromatographie verwendet werden. Bei solchen Anwendungen ist Kohlendioxid das bevorzugte Lösungsmittel. Andere Fluide, welche einen kritischen Punkt nahe der Umgebungstemperatur (25ºC) aufweisen, wie Ethan, Distickstoffoxid, Ethylen oder Schwefelhexafluorid können ebenfalls als Grundlösungsmittel dienen. Von der Möglichkeit, diese Alternativlösungsmittel zu verwenden, wird wegen der inhärenten Gefahr beim Verwenden dieser Lösungsmittel vorzugsweise kein Gebrauch gemacht.
Ein anderer Weg, die Löslichkeit des Lösungsstoffs in Systemen mit einem überkritischen Fluid zu erhöhen, geht über eine Temperatursteuerung. Es wurde gezeigt, daß bei bestimmten gelösten Stoffen eine bestimmte Minimaltemperatur für eine nennenswerte Löslichkeit des gelösten Stoffs in einem überkritischen Fluid selbst bei maximalen Dichten erforderlich ist, so daß die Temperatur ebenfalls ein Parameter für das Lösungsvermögen über die einfache P-T-Beziehung mit der Dichte hinaus ist.
Das Problem, dem man beim Bauen von Extraktionssystemen begegnet, die komprimierbare Fluide bei Druckwerten oberhalb des Atmosphärendrucks (Umgebungsdrucks) verwenden, besteht darin, daß der Druck des Fluidsystems mit der Massenströmungsgeschwindigkeit des strömenden Fluids gekoppelt ist. Dies ist eine Folge der Verwendung von Begrenzungen mit einer konstanten Geometrie zum Erzeugen eines Druckabfalls von einem höheren Druck zu einem niedrigeren Druck, der normalerweise, aber nicht notwendigerweise Umgebungs- oder Vakuumbedingungen entspricht, so daß der einzige praktikable Weg zum Erreichen eines höheren Drucks stromaufwärts von der Begrenzung darin besteht, die Massenströmungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Beim Betrieb dieser Extraktionssysteme ist es jedoch sehr erwünscht, daß dieselbe Massenströmungsgeschwindigkeit bei allen Druckwerten gegeben ist, d.h. bei den geringeren Strömungsgeschwindigkeiten zum Erreichen eines geringeren Drucks kann die Zeit zum Durchfließenlassen einer bestimmten Nettomenge an Fluid wesentlich länger als bei einem höheren Druck sein, z.B. Stunden gegenüber Minuten. Daher kann bei einem System, welches so eingestellt werden kann, daß es nacheinander bei verschiedenem Druck (z.B. 7,584 MPa; 8,963 MPa; 10,342 MPa; 20,684 MPa; 41,369 MPa (1100 psi, 1300 psi, 1500 psi, 3000 psi bzw. 6000 psi)) bei Strömungsgeschwindigkeiten arbeitet, welche dieselbe integrierte Masse des expandierten Trägerfluids bei jeder Druckeinstellung liefern, die Zeit für das Durchführen des Verfahrens so lang sein, daß das Verfahren ineffizient wird. Dies ist insbesondere beim Betrieb von Extraktionssystemen mit einem überkritischen Fluid sowie bei einer Extraktion mit einem nahezu kritischen Fluid der Fall, welche aufgrund der Transporteigenschaften (d.h. Viskosität, Diffusionskoeffizient) von kritischen und nahezu kritischen Fluiden zeitsparender als Extraktionen unter Verwendung von herkömmlichen Fluiden sein kann. Diese Ersparnis geht jedoch verloren, wenn die Druck- und Strömungsparameter wegen der Implementierung der Hardware, zum Beispiel Strömungsbegrenzungen mit einer konstanten Geometrie, nicht entkoppelt werden können.
Die Druckschrift EP-0 275 933 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Extrahieren einer Komponente aus einer Probe mit Hilfe eines überkritischen oder nahezu kritischen Fluids, welche eine oder mehrere Quellen eines Lösungsmittelfluids, einen oder mehrere Einlaßanschlüsse für Lösungsmittelfluid, eine Hochdruckpumpe, ein Extraktionsgefäß, einen Druckmeßwertwandler zum Messen des Drucks des Fluids, welches das Extraktionsgefäß verläßt, eine steuerbare Ventileinrichtung und eine Probensammeleinrichtung zum Trennen des extrahierenden Lösungsmittelfluids von Komponenten umfaßt und ein Drucksteuerventil enthält. Gemäß EP-0 275 933 A2 umfaßt die Vorrichtung zwei Strömungswege, von denen einer direkt zu der Probensammeleinrichtung führt, während der andere zu dem Extraktionsgefäß führt, welches seinerseits mit der Probensammeleinrichtung verbunden ist. Der Lösungsmittelfluß wird durch einen dieser Strömungswege mit Hilfe eines Sechswegventils geleitet. Ein gleichzeitiger Fluß in beiden Wegen ist nicht möglich.
Patent Abstracts of Japan, Bd. 011, Nr. 378 (S. 645) (JP-62148855) offenbart eine Vorrichtung, bei der ein überkritisches Lösungsmittelfluid durch einen Probenabschnitt gepumpt wird und ein Rückschlagregelventil die Strömungsgeschwindigkeit des Lösungsmittels an einer Position stromabwärts der Probe steuert. Die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit wird durch ein Gasdurchflußmeßgerät detektiert und als Eingang zum Regeln der das Lösungsmittelfluid abgebenden Pumpe verwendet, um eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen.
In der europäischen Patentanmeldung Nr. 90 125 072.0, welche nur unter Artikel 54(3) EPÜ relevant ist, ist ein Verfahren zum Regulieren der Strömungsgeschwindigkeit und des Drucks als unabhängige Parameter in einer Extraktionsvorrichtung zusammen mit einer entsprechenden Vorrichtung offenbart. Die darin offenbarte Vorrichtung umfaßt ebenfalls eine Extraktionskammer zum Zurückhalten der Probe in der Strömung des überkritischen Fluids und ein Bypass-Strömungssystem zum Leiten von Fluid um die Extraktionskammer herum, welches mit dem Strömungssystem der Extraktionskammer stromabwärts bezüglich der Extraktionskammer zusammengeführt ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Extrahieren einer Komponente aus einer Probe mit Hilfe eines überkritischen oder nahezu kritischen Fluids unter Verwendung eines Geräts mit einem Fluidströmungssystem zu schaffen, welches eine Steuervorrichtung, zumindest ein Element mit einer variablen steuerbaren Strömungsbegrenzung und einen Probenbehälterabschnitt umfaßt, gemäß dem der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit als unabhängige Parameter behandelt werden können und das Ausfällen oder Adsorbieren von extrahierten Komponenten entlang des Strömungswegs verringert wird, und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, Eine entsprechende Vorrichtung ist in Anspruch 2 offenbart.
In der Vergangenheit wählten die Betreiber von Chromatographen mit einem überkritischen Fluid (SFC) und von Extraktionsgeräten mit einem überkritischen Fluid (SFE) die Druck- und Temperaturparometer, um den gewünschten Parameter der Dichte indirekt einzustellen. Die Dichte ist gewöhnlich bei überkritischen (und nahezu kritischen) Systemen wegen ihrer einfachen linearen Beziehung zu dem Lösungsvermögen des Fluids ein aussagekräftigerer Parameter als der Druck. Häufig wurde bei allen früheren Implementierungen von Systemen mit einem überkritischen Fluid nur die Eingabe des Drucks und der Temperatur zugelassen. Die Berechnung der sich daraus ergebenden Dichte oder sogar das Verständnis der Beziehung zwischen Druck, Dichte und Temperatur wurde dem Benutzer überlassen, wenn er auch gelegentlich durch abgekürzte Nachschlagetabellen unterstützt wurde. Daher beruhte in diesen Fällen die Kontrolle des Lösungsvermögens auf der technischen Perfektion und der Hartnäckigkeit des Benutzers, die Zustandsgleichungen richtig anzuwenden.
Die Extraktion von Feststoffen wurde typischerweise von Hand in herkömmlichen Laborglasgeräten durchgeführt. Laborgeräte, welche das Tränken der Probe in einem siedenden flüssigen Lösungsmittel und die nachfolgende Konzentration der sich daraus ergebenden Lösung automatisieren, werden kommerziell als "Soxtec" von Tecator verkauft. Diese Vorrichtung erlaubt nicht das Fraktionieren als Teil des Verfahrens. Die Abgabe geschieht nicht in Gefäßen, die mit einem automatischen Probengeber kompatibel sind, und die Proben werden bei Temperaturen gekocht, welche durch den Siedepunkt der extrahierenden Lösungsmittel bestimmt werden, was für thermisch labile Stoffe schädlich sein kann. Kürzlich haben verschiedene Firmen Geräte angeboten, welche auf der Verwendung von überkritischen Fluiden beruhen: Milton Roy, Suprex, CCS, Lee Scientific/Dionex und Jasco. Die Implementierungen durch diese Gesellschaften sind nicht außergewöhnlich perfektioniert oder automatisiert. Sie erfordern in verschiedenem Umfang einen Eingriff von Hand. Bei diesen Implementierungen wird der volle Umfang der Möglichkeiten bei der Verwendung von überkritischen Fluiden für die quantitative Extraktion nicht realisiert.
Daher besteht ein lange bestehendes Bedürfnis, ein Gerät zu schaffen, welches zum Isolieren von verschiedenen Materialien aus festen Proben unter Verwendung der Technologie der überkritischen Fluide verwendet werden kann. Entweder die isolierten Materialien (Extrakt) oder das zurückbleibende Material (Raffinat) könnten von Interesse sein. Der Vorgang der Isolation wird als Extraktion bezeichnet. Es bestand weiterhin das Bedürfnis, die Extraktion von Feststoffen zu automatisieren, da die Verfahren typischerweise arbeitsintensiv waren. Bei dem Vorgang des Präparierens von Proben für analytische Instrumente wäre es höchst wünschenswert, die Probenpräparation der Rohproben zu automatisieren, um eine Form zu erhalten, die mit dem Einführen in typische Analyseinstrumente kompatibel ist, die weltweit in Analyselaboratorien verwendet werden. Die Extraktion von Feststoffen wird oft von anderen Maßnahmen, wie Fraktionierung (z.B. durch Säulenchromatographie), Konzentration, Lösungsmittelaustausch und Rückverdünnung, begleitet.
Ein Verfahren, welches diese generischen Maßnahmen umfaßt, kann in der Realität aus vielen (von einigen bis zu hunderten) manuellen Arbeitsschritten bestehen. Es wäre daher wünschenswert, ein Instrument zu erzeugen, welches die fünf genannten generischen Maßnahmen so ersetzt, daß der einzige erforderliche Schritt darin besteht, eine Probe dem Extraktionsgerät zuzuführen und Fraktionen des isolierten Materials in Gefäßen zu empfangen, die mit automatischen Probengebern von analytischen Geräten kompatibel sind.
Verbesserungen bei der Isolierung eines ausgewählten Materials aus festen Proben und die Automatisierung der generischen Maßnahmen von Verfahren, wie die Extraktion, die Fraktionierung, die Konzentration, der Lösungsmittelaustausch und die Rückverdünnung, sind eindeutig erstrebenswerte Ziele. Es wäre wünschenswert und von beträchtlichem Vorteil, eine Technik zu verwenden, die von den herkömmlichen Labormaßnahmen verschieden ist, die den Durchschnittsfachleuten bekannt sind, wenn eine solche verschiedene Technik in einem der folgenden Bereiche leistungsfähiger wäre: quantitative Bestimmung, Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit, Geschwindigkeit, Automatisierung, Automatisierbarkeit, Verringerung einer Gesundneitsgefahr oder Kostenverringerung (Material und Arbeit).
Idealerweise wäre das Extraktionsgerät ein selbstständiges Modul, d.h. ein Teilgerät in einem integrierten System. In solchen Systemen ist es auch höchst wünschenswert, eine Zugangsmöglichkeit mit einem Roboter zum Eingeben der Probe und zum Entnehmen der Fraktion in automatisierter Weise zur Verfügung zu stellen. Ein wichtiger Aspekt jedes Extraktionssystems liegt daher in der Möglichkeit zum Nachrüsten für das Automatisieren der Probeneingabe (d.h. Hinzufügen eines automatischen Probengebers für feste Proben) und für das Automatisieren der Ausgabe einer Fraktion (d.h. Fraktionssammlung mit weiteren chemischen Maßnahmen und Schlangenverarbeitung (queueing) in großem Maßstab). Ein externes Pumpmodul zum Mischen der Extraktionsfluidmischung könnte ebenfalls ein zukünftiger Zusatz sein.
Eine weitere Verbesserung der Handhabbarkeit der Extraktionssysteme würde die Verwendung von standardmäßigen Eingabe- und Ausgabebehältern für die Probe, die eingegeben wird, und die Fraktionslösungen sein, die ausgegeben werden. Das Gerät würde dementsprechend mit einer mehrfachen normierten Extraktionskammer ausgestattet sein, welches die festen Proben aufnimmt.
Ein verbessertes Extraktionsgerät würde weiterhin ein automatisiertes "Verfahren" realisieren, wobei ein Verfahren als diejenige Abfolge von Arbeitsschritten definiert ist, die zu jeder Probe gehören. Beispiele hierfür umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, die Ventilbetätigung, Änderungen des Einstellwerts für eine thermische Zone, die Auswahl des Extraktionsfluid-Lösungsmittels, die Auswahl des Lösungsmittels für die Rückverdünnung, die Wahl des Strömungswegs, das Ausgabeziel einer Fraktion, die Änderung des Einstellwerts für Dichte bzw. Druck, die Änderungen des Einstellwerts für die Strömungsgeschwindigkeit. Ein solches automatisiertes Extraktionsgerät würde weiterhin Ausgabeziele, die innerhalb eines Verfahrens und von einem Verfahren zu einem anderen automatisch wählbar sind, eine Zusammensetzung des eingespeisten Extraktionsfluids, die innerhalb eines Verfahrens und von einem Verfahren zu einem anderen automatisch wählbar ist, und Spüllösungsmittel für die Emulationsprozesse des Lösungsmittelaustauschs bzw. der Rückverdünnung, die innerhalb eines Verfahrens und von einem Verfahren zu einem anderen automatisch wählbar sind, ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Probenpräparationsvorrichtung zur Verfügung, welche Probenkomponenten aus komplexen Matrizen unter Verwendung von überkritischen Kohlendioxid als hauptsächlichen Extraktionlösungsmittel extrahiert und das sich daraus ergebende Extrakt in einem von dem Benutzer gewählten Probensammelgefäß (einer Phiole eines automatischen Probengebers, einem Massengefäß, einer Küvette usw.) bereitstellt, wobei die Phiole eines automatischen Probengebers direkt mit automatischen Injektionssystemen unserer analytischen Instrumente (CC, LC, SFC) kompatibel ist. Die vorliegende Erfindung ersetzt herkömmliche Präparationsvorgänge, wie die Lösungsmittelextraktion, die Flüssigkeit/Flüssigkeit-Extraktion, die Konzentration und die Verdampfung. Da das Lösungsvermögen schrittweise durch die Parameter Dichte, Konzentration des Modifikationsstoffs und Temperatur einstellbar ist, kann das Extraktionsgerät mit einem überkritischen Fluid eine Probenfraktionierung durch Säulenchromatographie bei einigen Anwendung simulieren.
Dementsprechend werden Verfahren zum Extrahieren einer Komponente aus einer Probe mit Hilfe eines Geräts mit einem Fluidströmungssystem, welches eine Steuervorrichtung, zumindest ein Element mit einer variablen und steuerbaren Strömungsbegrenzung und einen Probenbehälterabschnitt umfaßt, offenbart. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung umfassen die Schritte des Einführens der Probe in den Probenbehälterabschnitt, des Eingebens von Einstellwerten für die Temperatur, den Druck, die Strömungägeschwindigkeit und die Extraktionszeit in eine Steuervorrichtung und das Bereitstellen von unter Druck stehendem Fluid. Durch das Leiten des Fluids zu einer Pumpe, welche das Fluid in das Gerät mit dem Strömungssystem bei dem eingegebenen Einstellwert der Strömungsgeschwindigkeit injiziert, wird der Extraktionsprozess eingeleitet. Der Druck des Systems wird erfaßt, während Fluid in das System gepumpt wird, und die variable Strömungsbegrenzung wird so reguliert, daß der eingestellte Druck erreicht und aufrechterhalten wird. Die Extraktion wird dadurch bewirkt, daß Fluid durch die Probe bei der eingestellten Strömungsgeschwindigkeit geleitet wird und eine Fluidmischung, welche den Probenbehälterabschnitt verläßt, zu einem Expansionsdüsenabschnitt geleitet wird. Bevorzugtermaßen umfassen die Verfahren der vorliegenden Erfindung das Aufrechterhalten der geregelten Einstellwerte der Strömung, des Drucks und der Temperatur, bis die eingegebene Extraktionszeit abgelaufen ist. Bei bestimmten Ausführungsformen wird der Schritt des Eingebens der Einstellwerte wiederholt, um ein Extraktionsverfahren zu erzeugen, welches diese Parameter in der vorgeschriebenen Reihenfolge variiert. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung sehen das Öffnen und Schließen der Öffnung zum Steuern der variablen Strömungsbegrenzung oder das Schließen der Öffnung, bis der eingestellte Druck erreicht ist, und das Steuern der Begrenzung der Öffnung zum Aufrechterhalten des Druckeinstellwerts vor.
Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Gerät zur Extraktion von Komponenten aus einer Probe. Vorzugsweise ist eine Pumpe zum Verflüssigen eines Gases, welche einen Pumpennotor und eine Pumpenmotorgeschwindigkeitssteuerung umfaßt, zusammen mit einer Einrichtung zum Regulieren des Drucks am Ausgang der Pumpe auf einen Druckeinstellwert vorgesehen. Die Vorrichtung umfaßt auch eine Extraktionsabschnitteinrichtung zum Halten einer Probe in einem Strömungssystem. Die Vorrichtung umfaßt auch eine Düse mit einer variablen Öffnung und einen Druckmeßwertwandler zum Erzeugen eines Drucksignals, der mit einer Regler-Rückkopplungsschleife von dem Druckmeßwertwandler verbunden ist, die ein Signal an die Pumpenmotorgeschwindigkeitssteuerung liefert. Der Druckabfall über der Düse gestattet die Rückgewinnung von gelösten Material, welches aus den sich ausdehnenden Fluid ausfällt, während die Parameter Strömung und Druck entkoppelt sind. Bei einer alternativen Ausführungsform steuert die Regler-Rückkopplungsschleife die Geschwindigkeit der Pumpe, um den Druck des Fluids auf einen vorbestimmten Wert zu halten, und die Düse mit einer variablen Öffnung wird so eingestellt, daß eine Begrenzung geschaffen wird, welche die Massenströmungsgeschwindigkeit des unter Druck stehenden Fluids auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform umfaßt die Pumpe eine Dosierpumpe zum Erzeugen einer geregelten Massenströmungsgeschwindigkeit und die Düse mit einer variablen Öffnung wird so eingestellt, daß eine Begrenzung geschaffen wird, welche den Druck des unter Druck stehenden Fluids auf einem vorbestimmten Wert hält.
Das System der Erfindung umfaßt eine oder mehrere Quellen von Lösungsmittelfluid und eine oder mehrere Einlaßanschlüsse für das Lösungsmittelfluid für die Extraktion, die mit einer Hochdruckpumpe verbunden sind. Ein Druckmeßwertwandler mißt den Druck des Fluids, welcher von der Hochdruckpumpe abgegeben wird. Ein Extraktions-Strömungssystem ist vorzugsweise vorgesehen, welches eine Extraktionskammer zum Halten in dem Strömungsfluß des Fluids und ein Probeneingabemodul zum Halten der Probe in der Extraktionskammer umfaßt. Ein Bypass-Strömungssystem ist ebenfalls vorgesehen, welches Fluidströmung um den Extraktionskammerabschnitt herum lenkt. Diese Strömungssysteme werden durch eine Einrichtung zum Zusammenführen des Bypass-Strömungssystems und des Extraktionskammer-Strömungssystems zusammengeführt. Um die extrahierte Komponente zu isolieren, verwendet die vorliegende Erfindung eine Probensammeleinrichtung zum Trennen des Lösungsnittelfluids für die Extraktion von Komponenten von der Probe, welche zumindest eine Düsen/Abscheider-Untereinheit umfaßt. Ein Strömungsmeßwertwandler ist ebenfalls enthalten, sowie zumindest ein Probensammelgefäß. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird unter Druck stehende Flüssigkeit durch die Probe unter unabhängig vorbestimmten und überwachten Bedingungen für die Strömung und den Druck geleitet und das unter Druck stehende Fluid löst eine oder mehrere ausgewählte Komponenten aus der Probe und die Komponenten werden durch das Probensammelgefäß gesammelt. Zahlreiche Änderungen und Zusätze zu der beschriebenen Grundvorrichtung werden in einzelnen nachstehend erläutert.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Systems für die Extraktion mit überkritischen Fluid, welches ein Druck- und Thermosteuersystem umfaßt, das von einem Benutzer mit vorbestimmten Werten programmiert werden kann und das System so regelt, daß diese Werte eingehalten werden. Zuerst gibt der Benutzer den Einstellwert für die Dichte des Betriebsfluids und Zonentemperaturen ein und das System rundet den Einstellwert für die Dichte auf einen Wert, der als ein Einstellwert in den gegebenen Bereich der Zustandsgleichung für das Fluid unterscheidbar ist. Als nächstes berechnet das System den Betriebsdruck, welcher dem Einstellwert für die Dichte entspricht, wobei es bekannte Beziehungen zwischen diesen Variablen verwendet. Der Benutzer wird informiert, wenn die Werte der Dichte und der Temperatur zu einen Druck außerhalb des Betriebsbereichs des Geräts führen, und der Betriebsdruck und andere Werte werden dann angezeigt. Schließlich überträgt das System Werte zu den Druck- und Temperatursteuersystemen, welche den Einstellwert der Dichte innerhalb der Konstruktionsvorgaben während des Extraktionsprozesses aufrechterhalten.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung, durch welche das Gerät, insbesondere die Düse, mit einen Lösungsmittel gespült werden kann, um ein Verstopfen oder andere Probleme, die mit der Ansammlung von teilchenförmigem Material zusammenhängen, zu verhindern. Die vorliegende Erfindung sieht auch das selektive Verdünnen des Strons des Extraktionsfluids vor, nachdem es die Extraktionskammer verlassen hat.
Fig. 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Extraktionssystems gemäß dem technischen Hintergrund, welches die Fluidströmung und den Druck als entkoppelte Parameter verwendet.
Fig. 2 stellt eine weitere vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Extraktionssystems gemäß dem technischen Hintergrund dar.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Extraktionsgeräts, welche die Erfindung illustriert.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 3, welche eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, welche einen Spülabschnitt umfaßt, der dafür eingerichtet ist, das Verstopfen zu minimieren.
Fig. 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform des zum Minimieren der Verstopfung eingerichteten Spülabschnitts, der in Fig. 4 gezeigt ist.
Fig. 6 illustriert eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 4 - 5 gezeigt ist.
Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, welche einen Spülabschnitt umfaßt, der dafür eingerichtet ist, die Verstopfung auf ein Mindestmaß zu begrenzen.
Fig. 7A und 7B stellen schematisch die Position der Verbindungen in einen Ventil dar, welches bei der Ausführungsform der Fig. 7 verwendet wird.
Fig. 8 stellt eine modifizierte Vorrichtung dar, welche eine Einrichtung zum Verdünnen des Extraktionsfluids vorsieht.
Fig. 9 ist eine alternative Ausführungsform der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Einstellwerte der Strömung und des Drucks entkoppelt werden. Ein Benutzer leitet ein Verfahren für eine Extraktion mit einem überkritischen Fluid gemäß der vorliegenden Erfindung ein, indem er die Probe in das Strömungssystem einführt und Einstellwerte für die Temperatursteuerung und einen Einstellwert für die Druck- oder Dichtesteuerung eingibt. Wenn das letztere gewählt wird, muß der Steuerdruck unter Verwendung der Eingabe des Einstellwerts für die Dichte berechnet werden. Der Betreiber gibt dann eine Steuerströmungsgeschwindigkeit, eine Zeitdauer für die Extraktion - welche bestimmt, wie lange das Extraktionsfluid durch die Probe fließt - zusammen mit Zeitparametern des Systems ein. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wiederholt dann die Auswahl der Einstellwerte für die Parameter für alle Schritte, um einen vollständigen Extraktionszyklus zu erzeugen, der diese Parameter in der von dem Benutzer vorgeschriebenen Reihenfolge variiert. Auf das Erzeugen eines "Startbefehls" führt das Gerät dann die folgenden Schritte aus:
(1) Abziehen von Fluid, entweder als gasförmige Schicht oder als flüssige Schicht, aus Standardgaszylindern, deren Inhalt einen Druck oberhalb des Umgebungs- oder Atmosphärendrucks aufweist,
(2) Leiten des abgezogenen Fluids zu einer Pumpe, welche elektrisch gesteuert wird, um Fluid zu dem Rest des Extraktionssystems mit der gewählten Strömungsgeschwindigkeit abzugeben,
(3) Erfassen des Systendrucks, während Fluid in das System injiziert wird,
(4) Steuern der Öffnung der Düse, welche zu schließen ist, bis der Einstellwert des Drucks durch die Injektion von Fluid in ein geschlossenes System erreicht ist,
(5) Einleiten der Zeitmessung, um die eingestellte Extraktionszeit zu vergleichen,
(6) Steuern der Düsenöffnung auf einen geeigneten Grad der Begrenzung, wodurch der eingestellte Druck aufrechterhalten wird, sobald er einmal erreicht worden ist, und eine Fluidinjektion in das System weiterhin bei der eingestellten Strömungsgeschwindigkeit vonstatten geht. Das Fluid wird dann über den gewählten Strömungsweg durch den Probenbehälterabschnitt geleitet. Das System leitet dann die Fluidmischung, welche den Probenbehälterabschnitt verläßt, zu dem Expansionsdüsenabschnitt, und hält weiter alle geregelten Einstellwerte der Strömung und des Drucks und Temperaturen aufrecht, bis die eingegebene Extraktionszeit verstrichen ist.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Extraktionssystem, welches überkritische und nahezu kritische Fluide verwendet, zum Zweck des Illustrierens eines Wegs zum Entkoppeln der Strömungsgeschwindigkeit und des Drucks gezeigt. Das System setzt zunächst Kohlendioxid oder andere Fluide oder Fluidmischungen von Gaszylindern 100 mit Hilfe einer Pumpe 102 unter Druck, welche einen Regulator 104 aufweist, der den Einstellwert des Drucks überwacht. Das Strömungssystem leitet das unter Druck stehende Fluid zu einem Extraktionsabschnitt 106, welcher eine Probe trägt, welche zu isolierende Komponenten enthält. Das System leitet dann die Fluidlösung zu einer Düse 108, wo sie auf einen geringeren Druck (z.B. Atmosphärendruck) dekomprimiert wird. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt die Düse 108 eine variable Öffnung, welche so eingestellt ist, daß sie eine Begrenzung erzeugt, welche die Massenströmungsgeschwindigkeit begrenzt. Das Erreichen des eingestellten Drucks wird bewirkt, indem die Geschwindigkeit der Pumpe 102 mit Hilfe des Regulators 104 reguliert wird; die beiden entkoppelten Parameter werden unabhängig voneinander eingestellt. Der Regulator 104 ist ein Teil einer Rückkopplungsschleife von einen Druckmeßwertwandler 112, der ein Signal für die Pumpenmotorgeschwindigkeitssteuerung 104 liefert, um die Betriebsstabilität bei dem gewählten Einstellwert des Drucks zu erreichen. Ein Strömungsmeßwertwandler 118 ist als Teil einer Steuerschleife 116 vorgesehen, welche die physikalische Begrenzung der variablen Öffnung der Düse regelt, um die eingestellte Strömungsgeschwindigkeit zu überwachen.
Bei einem weiteren Beispiel einer Extraktionsvorrichtung, die in Fig. 2 dargestellt ist und ebenfalls zum Zweck des Illustrierens eines Wegs zum Entkoppeln der Strömungsgeschwindigkeit und des Drucks angeführt ist, wird Fluid durch eine Dosierpumpe 102 mit einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit gepumpt, um den Rest des Strömungssystems mit einer kontrollierten Massenströmungsgeschwindigkeit zu versorgen. Wiederum fließt das Fluid durch die Probe in einem Extraktionsabschnitt 106, welcher in den Strömungsweg eingefügt ist, löst Material aus der Probe und erfährt dann einen Druckabfall bei der Düse 108. Die Düse 108 fungiert als der Bereich, welcher den Druckabfall der Hochdrucklösung verursacht, um gelöstes Material, das sich aus den expandierenden Extraktionsfluid abscheidet, zurückzugewinnen, sowie als Staudruckregler für das unter Druck stehende System. Eine Steuerschleife 110, welche ein Signal vön einem Druckmeßwertwandler 112 verwendet, steuert die physikalische Begrenzung in der Düse 108, um einen Einstellwert des Drucks für den gesamten Bereich der Massenströmungsgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten, die von den Pumpensystem abgemessen werden und von keiner Strömung bis zu 4 g/min reichen. Wie Durchschnittsfachleute einsehen werden, kann eine Düse 108 mit einer variablen ringförmigen Öffnung in einer Vielzahl von Wegen implementiert werden; zum Beispiel kann ein modifiziertes Nadelventil konstruiert werden, wobei der Auslegung des Expansionsbereichs besondere Aufmerksamkeit zukommt.
Wenn überkritische Fluide verwendet werden, steht der Parameter Dichte, der eine Funktion des Drucks und der Temperatur ist, in einer direkten Beziehung zu dem Lösungsvermögen des Fluids. Dementsprechend ist das Lösungsvermögen durch das Einstellen und Regulieren von zwei der drei Parameter einstellbar und wählbar. Da Druckmeßwertwandler gängig sind und dies bei Dichtemeßwertwandlern bei den Betriebsbedingungen von typischen Extraktionsvorrichtungen nicht der Fall ist, ist es vorzuziehen, die gewünschte Betriebsdichte und -temperatur zu wählen, den geeigneten Betriebsdruck zu wählen und diesen Druck zu überwachen.
Die unabhängige Regelung von Druck und Strömung ermöglicht es dem Chemiker, das Lösungsvernögen des Extraktionsfluids zu variieren, indem er den Betriebsdruck wählt und die Rate (oder die Effizienz) des durchgesetzten Extraktionsfluids variiert, indem er die Pumpen-Strömungsgeschwindigkeit variiert. Da die Parameter entkoppelt sind, kann der Benutzer innerhalb des Bereichs beider Parameter über eine gewählte Zeitdauer, d.h. einer Nettomenge an Extraktionsfluid, extrahieren. Im wesentlichen sind nun alle diese Parameter unabhängig: Strömungsgeschwindigkeit, Druck und Zeit. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur von vielen Abschnitten des Strömungssystems ebenfalls unabhängig als vierter Parameter geregelt.
Wie Durchschnittsfachleute ohne weiteres erkennen, bildet die vorliegende Erfindung einen deutlichen Fortschritt bei der Entwicklung der Chromatographie mit einem überkritischen Fluid (SFC), indem die chromatographische Effizienz naximiert wird. Typische frühere Ausführungsformen von SFC-Extraktionsgeräten verwendeten feste Begrenzungen (Löcher, Längenabschnitte von Kapillarröhren, Fritten usw.), um den nötigen Druckabfall von dem Betrieb mit überkritischen und nahezu kritischen Trägerfluiden (auch als mobile Phasen bekannt) herbeizuführen. Die Begrenzungen haben typischerweise Durchmesser in der Größenordnung von Mikrometern. Bei der Anwendung der Chromatographie mit einem überkritischen Fluid ist die Ausnutzung der Parameter Dichte (Druck), Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur ebenso wichtig wie bei der Extraktion mit einem überkritischen Fluid (SFE). Bei festen Begrenzungen waren die Chromatographen gezwungen, den Betriebsdruck durch Variieren der Strömungsgeschwindigkeiten zu erreichen. Dies ist jedoch nicht wünschenswert, da bei der chromatographischen Trennung die Strömungsgeschwindigkeit ein wichtiger Parameter für die Effizienz der Trennung ist. Oft sind die Strömungsgeschwindigkeiten, die notwendig sind, um einen hohen Druck zu erreichen, viel zu groß, um in den effizientesten chromatographischen Bereich, d.h. dem Minimum einer van Deemter-Kurve zu arbeiten. Eine unabhängige Regelung des Drucks (der Dichte) und der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie durch die vorliegende Erfindung offenbart wird, gestattet daher einen vernünftigen chromatographischen Betrieb.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur Extraktion von Komponenten aus festen Stoffen, halbfesten Stoffen und Flüssigkeiten mit geringer Menge gemäß einem Aspekt der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt mehrere Einlaßanschlüsse für Extraktionsfluid von Gaszylindern 100, welche jeweils Ventile 101 und in manchen Fällen ein begleitendes stromabwärts angeordnetes Rückschlagventil 203 aufweisen, um eine Auswahl von einen aus mehreren Anschlüssen wie gewünscht zu schaffen. Ein Wärmetauscher 204 zur Regelung der Fluidtemperatur stromaufwärts bezüglich der Pumpe und kurz vor der Injektion in die Pumpe kann ebenfalls enthalten sein. Das Lösungsmittel fließt dann durch eine Hochdruckpumpe 202, welche thermisch überwacht werden kann, um die gewünschte Kompressibilität des Fluids in den Pumpkammern zu erzeugen. Um Druckwellen aufgrund des Pumpens des Fluids abzuschwächen, ist ein Pulsdämpfer 205 stromabwärts von der Pumpe 202 vorgesehen. Die Strömung wird dann in zwei Abschnitte, die als "Bypassabschnitt" und "Kammerabschnitt" bezeichnet werden, aufgeteilt. Ventile 207, 209 sind vorgesehen, um Strömung zu einem der beiden obengenannten Abschnitte, zu beiden oder zu keinem von ihnen zu leiten.
Der Kammerabschnitt des Strömungsssytems wird durch das untere Ventil 209 reguliert, das in Fig. 3 gezeigt ist. Ein Vorheizgerät 211 kann wiederum in diesem Abschnitt des Strömungssystems enthalten sein, um die Temperatur des Lösungsmittels zu regulieren. Ein zusätzliches Vorheizgerät 240 kann auch in dem Bypassabschnitt vorgesehen sein. Das Fluid strömt dann in die Kammer 210, wo die Extraktion stattfindet. Wie schematisch dargestellt ist, wird die Kammer der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zwischen zwei Positionen bewegt. Dieses Bewegen ermöglicht es, daß die Kammer automatisiert wird und eine Vorrichtung zum automatischen Erzeugen der Hochdruckdichtungen zu enthält, die zwischen der Kammer 210 und dem die Probe enthaltenden Gefäß nötig sind.
Da die Kammer zwischen den zwei gezeigten Positionen bewegt wird, sind flexible Verbindungen, einschließlich der Schläuche für die Fluidverbindungen, und flexible elektronische Verbindungen für thermische Signale, Steuer- und Leistungssignale vorgesehen, da es nötig ist, daß die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung Fluid zu einem bewegten Abschnitt liefert.
Das Probeneingabemodul, das in der Kammer 210 enthalten ist, gestattet es vorzugsweise, daß eine Probe in den Strömungsfluß über die Extraktionskammer 210 eingeführt wird, wobei das nachfolgende Herbeiführen aller nötigen Dichtungen durch die vorgesehene Bewegung geschieht. Die Auslegung der Schnittstelle für das Probeneingabegefäß und der Bewegungsvorrichtung gestattet es vorzugsweise, daß verschiedene Größen von zylindrischen Behältern aufgenommen werden. Das Probeneingabenodul, welches als "Fingerhut" ("thimble") bezeichnet wird, ist vorzugsweise ein gebräuchliches Gefäß bei einer automatisierten Bank, was es gestattet, daß dasselbe Gefäß als Probentransportgefäß, als Teil einer Kartusche für die Extraktion aus der festen Phase und als Teil eines Filtergeräts dient.
Wie oben ausgeführt wurde, enthält das Strömungssystem der vorliegenden Erfindung einen Bypassabschnitt, welcher durch das obere Ventil 207, das in Fig. 3 gezeigt ist, kontrolliert wird. Der Bypassabschnitt leitet Fluidströmung um den die Probe enthaltenden Extraktionskammerabschnitt 210 herum, um das Einstellen eines Gleichgewichts aller geregelten Einstellwerte zu ermöglichen, bevor die Entnahme des Inhalts der Lösung von der Kammer bzw. dem zylindrischen Behälter stattfindet. Der Druck des von der Hochdruckpumpe abgegebenen Fluids wird durch einen Druckmeßwertwandler 201 gemessen, welcher als in dem Bypassabschnitt befindlich dargestellt ist. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann sich jedoch der Druckmeßwertwandler 201 an einer anderen Stelle befinden oder es können einer oder mehrere zusätzliche Druckmeßwertwandler eingefügt werden, um den Druck an verschiedenen Punkten in dem Strömungssystem vollständiger zu überwachen.
Eine sinhvolle Regelung des Lösungsvermögens des Extraktionsfluids über Druck bzw. Dichte wird mit Hilfe des Druckmeßwertwandlers 201 erreicht. Wie ein Durchschnittsfachmann einsieht, muß die Auslegung eines solchen Druckmeßwertwandlers 201 geeigneten Anforderungen an die Genauigkeit und Präzision entsprechen. Es wird vorzugsweise ein mechanischer Druckmeßwertwandler gewählt, um das tote Volumen des Fluidstroms zu minimieren, und der Druckmeßwertwandler wird nahe einer Startdruckregulierungs-Unteranordnung und relativ nahe dem Auslaß der Kammer 210 angeordnet, um den Druckabfall in diesen beiden Abschnitten zu minimieren. Durchschnittsfachleute werden ohne weiteres einsehen, daß Fig. 3 also eine Prinzipskizze der vorliegenden Erfindung ist und die relative Anordnung der beschriebenen Komponenten durch die Betriebsvorgaben des Systems und die Leistung der gewählten Komponenten bestimmt wird.
Die oben beschriebenen Strömungswege des Bypass und der Extraktionskammer werden danach an einer Verzweigung 213 zus amnengeführt, so daß eine Strömung in die Düsen/Abscheider-Untereinheit 214 mit Hilfe geeigneter Ventil- und Filtereinrichtungen stattfindet. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erhält auch Ventileinrichtungen zum Isolieren des Hochdruck- Strömungswegs von dem Niederdruck-Spülabschnitt. Um ein Versagen der Düsenanordnung 214 aufgrund von teilchenförmigen Material zu minimieren, ist ein Filter 215 vorzugsweise direkt oberhalb der Düsen/Abscheider-Untereinheit 214 vorgesehen.
Die Strömung wird dann zu den Untereinheiten gelenkt, welche den Probensammelabschnitt des Systems bilden, in den das Hochdruckfluid, welcher das reine Extraktionslösungsnittel, gemischte Extraktionslösungsmittel und/oder Mischungen von extrahierten Komponenten, die in dem Extraktionlösungsmittel gelöst sind, umfaßt, einen Druckabfall in der Düsen-Untereinheit 216 erfährt. Der Druckabfall ermöglicht das Abspalten des Extraktionslösungsmittels von gelösten Komponenten, da Flüssigkeiteh mit einem hohen Dampfdruck, wie flüssiges Kohlendioxid, oder unterkritische oder nahezu kritische Mischungen von Fluiden, wie Kohlendioxid plus Methanol, sich bei einen Druckabfall ausdehnen.
Die Düsen-Untereinheit 216 bewirkt auch eine Staudruckregulierfunktion als Teil der Drucksteuerschleife und einer Wärmeregelungszone. Die Strömungsregelung ist jedoch unabhängig von der Regelung des Drucks bzw. der Dichte. In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird die Strömungsregelung durch eine Pumpe 202 bewirkt. Bei anderen Ausführungsformen ist es jedoch, wie vorangehend mit Bezug auf Fig. 1 erläutert wurde, möglich, die Düse 216 für die Strömungsregelung zu verwenden und die Pumpe 202 den Druck und die Dichte regeln zu lassen.
Für solche Fluide, welche bei einem Druckabfall bei der Düse 216 flüssig bleiben, wird eine Abscheider-Untereinheit 218 betrieben, um sie stromabwärts zu verdampfen. Die Abscheider- Untereinheit 218 bildet einen Abschnitt zum Drosseln des expandierenden Gasstroms, in dem ausfallende extrahierte Komponenten mitgenommen sind. Die Abscheider-Untereinheit 218 kann mit porösen oder granularem Material gefüllt sein, welches entweder inert ist oder eine gewisse chemische Aktivität, wie Adsorptionsmittel, oder eine gewisse chemische Funktionalität, wie stationäre oder gebundene flüssige Phasen, aufweist. Der Durchschnittsfachmann erkennt ohne weiteres, daß die Füllung oder Packung, die in der Abscheider-Untereinheit 218 verwendet wird, ein Parameter ist, den der Benutzer für eine Fraktionierung ausnutzen kann.
Die Abscheider-Untereinheit 218 ist weiterhin ein unabhängig geregelter thermischer Bereich, der zwischen Bedingungen unterhalb der Umgebungsbedingungen und geheizten Bedingungen betrieben werden kann. Für solche Extraktionsfluide, welche bei einem Druckabfall nicht verdampft werden, wird die thermische Regelung der Abscheider-Untereinheit 218 verwendet, um solche Fluide, wie zum Beispiel Hexan, oder Modifikationsmittel, die zum Herstellen von Mischungen aus Modifikationsmitteln und Kohlendioxid verwendet werden, zu verdampfen.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält vorzugsweise ein oder mehrere betätigte Umleitventile 220, welche Positionen einnehmen, die das Ableiten von Abgasdämpfen zu Entlüftungs- bzw. Abfallstellen während der Extraktion und das Leiten von Spüllösungen zu Sammelhardware verschiedener Größe oder zur Entlüftung bzw. dem Abfall während der Spülsequenzen gestatten. Die betätigten Umleitventile 220 führen vorzugsweise die Ventiltätigkeit bei einem minimalen Totvolumen aus. Eine Ventileinrichtung zum Leiten von Spülfluidströmen oder abgehenden Extraktionsfluiden zu verschiedenen Zielen ist ebenfalls vorgesehen. Ein erstes Ziel ist eine Abtrennsäule 222, welche in einem flüssigen Abfallstrom 223 und einer gasförmigen Entlüftung 224 endet. Ein zweites Ziel ist ein entfernter Anschluß 225. Vorzugsweise wird die Abtrennsäule 222 auf niedere Temperaturen geregelt und verwendet nebelbeseitigende Komponenten, um flüssige Modifikationsmittel von dem verdampften Grundextraktionsfluid zu trennen, oder um flüssige Lösungsmittel zu sammeln.
Ein Strömungsmeßwertwandler 226 oder Rotameter wird vorzugsweise mit dem oberen Ende der Abtrennsäule 222 verbunden. Die Abtrennsäule ist ebenfalls mit den betätigbaren Umleitventil 220 verbunden, welches Anschlüsse enthält, mit denen Spüllösungsmittel zugeführt werden. Ein Ventil 227 (oder mehrere Ventile) ist vorgesehen, um einen Spüllösungsmittelstrom von einem oder mehreren Speichern von Spüllösungsmitteln zu wählen, welche die Spüllösungsmittelpumpe 230 versorgen, die den Systemdruck standhalten kann. Die Spüllösungsmittelpumpe 230 hat vorzugsweise eine variable Abgaberate, welche für eine Flüssigkeitschromatographie-Zonenbewegung geeignet ist und so geleitet werden kann, daß vom Benutzer gewählte Sammelvolumina bei der gewünschten Bestimmung versorgt werdend Die Spüllösungsmittelpumpe 230 kann mit einem aktiven Einlaßventil 231 oder einem aktiven Auslaßventil 232 für einen zuverlässigeren Betrieb ausgestattet sein. Diese Ventile können typische Absperrventile oder Verteilventile sein.
Daher wird unter ausgewählten Bedingungen ein Spüllösungsmittel über die Pumpe 230 und das Umleitventil 220 in die Abscheider-Untereinheit geleitet, um abgeschiedene Komponenten zu lösen und sie zu dem Fraktionssammelziel, das von dem Benutzer gewählt worden ist, zu bewegen. Die Richtung des Spüllösungsmittels durch den Abscheider kann sowohl mit als auch gegen die Strömung des Extraktionsfluids während des Extraktionsschritts sein. Fig. 3 stellt ein System mit einer Spülung entgegen der Strömungsrichtung dar, obwohl auch ein Spülen mit der Strömungsrichtung eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Die Abscheider-Untereinheit 218 ist mit einem Anschluß für flüssigen Abfall 223, einen entfernten Anschluß 225 und automatischen Flüssigkeitssammelphiolen 236, vorzugsweise in einer Reihe, durch ein Umschaltventil 234 verbunden. Das Ventil 234 versorgt ein Probensammelgefäß 236, welches wie oben mit Bezug auf die Extraktionskammer 210 beschrieben bewegt wird, um die Automatisierung zu vereinfachen. Dementsprechend umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auch eine Schlange, welche mehrere Fraktionen in Probensammelbehältern, wie den Phiolen eines automatischen Probengebers, welche typischerweise bei Gas- und Flüssigkeitschromatographen verwendet werden, sammeln kann.
Es gibt zahlreiche Abwandlungen, mit denen eine Vorrichtung zur Extraktion mit überkritischen Fluid, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, betrieben werden kann, um die optimale Ausbeute zu erreichen, während die Ruhezeiten, die während der Wartung oder des Kundendienstes auftreten, minimiert werden.
Wie vorangehend mit Bezug auf Fig. 3 erörtert wurde, wird bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die Strömung in zwei Abschnitte geteilt, welche als "Bypassabschnitt" und "Kammerabschnitt" bezeichnet werden. Dementsprechend sind die Ventile 207, 209 und weitere Strömungslenkeinrichtungen vorgesehen, um Strömung zu dem Bypassabschnitt oder dem Kammerabschnitt, zu beiden oder zu keinem von ihnen zu leiten. Der Bypassabschnitt lenkt Fluidströmung um die Extraktionskammer 210 herum, welche eine Probe enthält und in dem Probeneingabemodul angeordnet ist, um die Einstellung eines Gleichgewicht aller geregelten Einstellpunkte mit der Strömung zu gestatten, bevor das Aufnehmen des Inhalts der Lösung von dem Inneren der Extraktionskammer begonnen wird. Die Strömungswege des Bypass- und des Kammerabschnitts werden vorzugsweise bei einer Verzweigung 213 zusammengeführt und strömen danach in die Düsen/Abscheider-Untereinheit 214 unter Verwendung von geeigneten Ventilen und Filtern. Die vorliegende Erfindung sieht auch weitere Ventile 212 und weitere Strömungsregelvorrichtungen vor, um das Volumen des Hochdruck-Strömungswegs von dem Niederdruck-Spülabschnitt zu isolieren. Eine Filtervorrichtung 215 ist vorzugsweise stromaufwärts von der Düsen/Abscheider- Untereinheit 214 vorgesehen, um das Versagen der Düse aufgrund der Ansammlung von teilchenförmigem Material zu ninimieren.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen es die Ventile 207, 203 und 212 und die oben erwähnte Druckisolationseinrichtung (die zum Isolieren des Hochdruck-Strömungswegs von dem Niederdruck-Spülabschnitt verwendet wird), daß die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung so eingerichtet und betrieben wird, daß Probleme, die man häufig bei der Extraktion mit einem überkritischen Fluid antrifft, überwunden werden. Diese Probleme umfassen das Verstopfen von einer oder mehreren Fluidregelkomponenten des Extraktionsgeräts zwischen dem Probenbehälterabschnitt und dem Bereich direkt stromabwärts von den Begrenzungen, die verwendet werden, um den Systemdruck durch Erzeugen eines Druckabfalls, zum Beispiel mit Hilfe einer Düse, aufrechtzuerhalten. Das Verstopfen tritt als Folge des Ausfällens gelöster Komponenten in der Strömung, der Extrusion einer geschmolzenen Matrix oder von Matrixbestandteilen in die Strömung oder der Erosion von Teilchen von dem Gerät selbst, wie Metallfeilspänen, und der nachfolgenden Ansammlung von solchen teilchenförmigen Stoffen auf.
Daher sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, welches das Spülen des Düsenhalses gestattet, um die Ansammlung von teilchenförmigem Material zu verhindern. Zuerst wird die Spüllösungsmittel-Versorgung mit der Einlaßleitung zu der Düse verbunden. Diese Verbindung geschieht auf der Hochdruckseite der Vorrichtung während eines Betriebs unter Druck. Vorzugsweise wird die Verbindung dadurch bewirkt, daß ein Ventil aktiviert wird und sie kann unmittelbar stromaufwärts von dem Einlaß der Düse oder alternativ an jedem anderen Punkt in den Gerät geschehen, der es gestattet, daß das Lösungsmittel schließlich zu dem Düseneinlaß fließt. Daher kann die Verbindung stromaufwärts von der Pumpe 202 und dem Wärmetauscher 204 geschehen. Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch eine Einrichtung zum Variieren der Größe des Halsabschnitts der Düse 216 enthalten. Dies würde höchstwahrscheinlich implenentiert werden, wenn die Düse 216 eine Düse mit einer variablen ringförmigen Öffnung umfaßt.
Bei den Spülverfahren der vorliegenden Erfindung wird Fluid entweder mit einem geeigneten Druck und mit einer geeigneten Strömungsgeschwindigkeit, um unlösliches teilchenförmiges Material abzulösen und durch den Halsabschnitt zu dem stromabwärts gelegenen Expansionsbereich zu transportieren, oder mit einem geeigneten Druck, einer geeigneten Strömungsgeschwindigkeit und einem geeigneten Lösungsvermögen abgegeben, um abgeschiedene, ausgefällte oder adsorbierte Komponenten löslich zu machen oder zu lösen und die daraus entstehende Lösung durch den Hals der Düse zu den Expansionsbereich zu transportieren. Schließlich schließt das Spülverfahren mit den Schritt des Wiederherstellens der Konfiguration des Systems ab, so daß die Spüllösungsnittelversorgung von der Hochdruckseite der Düse isoliert ist.
Fig. 4 illustiert eine bevorzugte Ausführungsform eines Extraktionsgeräts mit überkritischen Fluid, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und eine Vorrichtung zum Spülen des Halses der Düse 216 umfaßt. Wie dargestellt ist, ist ein Ventil 251, welches den Spüllösungsmittelspeicher 228 von der Düse 216 isoliert, unmittelbar stromaufwärts von der Düse 216 angeordnet, was es ermöglicht, daß die Strömung gesteuert wird und die Düse 216, wenn dies gewünscht ist, spült.
Alternativ kann eine Vorrichtung zum Spülen des Halses der Düse 216 wie in Fig. 5 dargestellt konstruiert werden. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Ventil 251, welches den Spüllösungsmittelspeicher 228 von der Düse 216 isoliert, stromaufwärts von der Filtervorrichtung 215, die vorangehend mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde und die sich stromaufwärts von der Düse 216 befindet. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß alles lösliche Material, das sich auf der Filtervorrichtung 215 befindet, von dem Ventil 251 sowie von anderen Komponenten, wie den Ventilleitungen, den Anschlußteilen, den inneren Oberflächen der Röhren, dem "Vorexpansions-Bereich" der Düse 216 und anderen Teilen der Düsen/Abscheider-Einheit 214, entfernt ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Filter 215 die Düse 216 vor teilchenförmigem Material schützt, welches in den Spüllösungsmittel vorhanden sein kann. Daher reinigt die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform die Düse 216 und hält sie sowohl von teilchenförmigem Material als auch von abgeschiedenen löslichen Material frei. Im wesentlichen liefert die dargestellte Vorrichtung eine laufende Wartung, die für den Benutzer transparent ist. Die Vorrichtung minimiert das Geräteversagen und die Notwendigkeit für einen Eingriff des Benutzers, um Defekte zu behandeln, welche typischerweise aufgrund einer Blockade bei bestehenden Extraktionssystemen auftreten.
Fig. 6 illustriert eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zum Spülen des Halses der Düse 216. Bei dieser Ausführungsform ist das Ventil 251, welches den Spüllösungsmittelspeicher 228 von der Düse 216 isoliert, von demjenigen der Figuren 4 und 5 leicht verschieden. Das Ventil 251 ist an einem beliebigen Punkt stromaufwärts von einer Filtervorrichtung 215 angeordnet, welche sich stromaufwärts von der Düse 216 in einer Konfiguration des Strömungswegs befindet, die nicht durch die Probe läuft. Bei dieser Ausführungsform macht die Vorrichtung von dem Ventil 212 Gebrauch, das sich in der Nähe der Verzweigung 213 des Bypassabschnitt-Strömungswegs und des Kammerabschnitt-Strömungswegs befindet, um die Strömung zu steuern. Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform besitzt das Ventil 251 höchst vorzugsweise mindestens drei Anschlüsse, die mit A, B und C bezeichnet sind. Wie dargestellt ist, ist der Anschluß C mit der Spüllösungsmittelpumpe 230 verbunden. Die Anschlüsse A und B gewährleisten die Kontinuität der Strömung während der Extraktion, indem sie die Spüllösungsmittelpumpe 230 von den System isolieren. Während der Spülschritte befinden sich die Anschlüsse A und B jedoch bei den Ventil 251 und sind mit einem oder mehreren der anderen A- oder B-Anschlüsse verbunden, die in Fig. 6 angedeutet sind. Zum Beispiel sind die Anschlüsse A1 und B1 stromabwärts von dem Bypass-Vorheizgerät 240 angeordnet, die Anschlüsse A2 und B2 sind stromaufwärts bezüglich des Druckmeßwertwandlers 204 angeordnet, die Anschlüsse A3 und B3 sind unmittelbar stromabwärts von den Pulsdämpfer 205 angeordnet und die Anschlüsse A4 und B4 sind unmittelbar stromabwärts von den Absperrventilen für den Einlaß von Extraktionsfluid angeordnet. Um die vorliegende Erfindung besser zu illustrieren, sind die Verbindungen zwischen den Paaren von Anschlüssen A und B nicht gezeigt. Diese und weitere Verbindungspunkte können erzeugt werden, wie dies für Durchschnittsfachleute ersichtlich ist, um verschiedene Punkte zu schaffen, an denen Lösungsmittel von dem Lösungsmittelspeicher 228 zugeführt werden kann, um die Vorrichtung zu spülen. Zusätzlich zu den oben mit Bezug auf die Vorrichtung der Fig. 5 dargelegten Vorteile hat die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform den weiteren Vorteil, eine extensivere Reinigung zu gestatten, d.h. ein größerer Teil der Vorrichtung wird bei jedem Spülzyklus gespült.
Schließlich illustriert Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zum Spülen des Halses der Düse 216 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein erstes Spülventil 253 und ein zweites Spülventil 252 sind vorgesehen, welche den Spüllösungsmittelspeicher von der Extraktionslösungsmittelversorgung isolieren, während die Hochdruckpumpe 202 vewendet wird, um geeignete Fluide zu geeigneten Zeiten während des Präparationsverfahrens abzugeben.
In Fig. 7A und 7B sind die Verbindungen des ersten Spülventils 253 im Betrieb sowohl während eines Spülschritts als auch während eines Extraktionsschritts dargestellt. Während eines Spülschritts, der in Fig. 7A dargestellt ist, wird das von der Pumpe 202 abgegebene Fluid zu dem Filter 215 und danach zu der Düse 216 gelenkt und spült diese. Der andere Strömungsweg isoliert den Rest des Extraktionsgeräts von der Verzweigung 213 zwischen den Strömungswegen des Bypass und der Kammer bis zu der Eintrittsseite des Pulsdämpfers 205. Während eines Extraktionsschritts wird die Position des ersten Spülschritts vorzugsweise zu der in Fig. 7B dargestellten geändert. Wie gezeigt wild das von der Pumpe 202 abgegebene Hochdruckfluid direkt stromabwärts zu dem Pulsdämpfer 205 abgegeben. Der andere Strömungsweg isoliert die Strömung zwischen der Verzweigung 213 der Strömungswege der Kammer und des Bypass und dem Filter 215, der sich stromaufwärts von der Düse 216 befindet.
Daher entfällt bei dieser Ausführungsform die Notwendigkeit einer Pumpvorrichtung im Zusammenhang mit der Strömung von Lösungsmittel von dem Lösungsmittelspeicher 228. Das erste Spülventil 253 kann irgendwo in der Strömung eingefügt sein, wie dies der Fall bei den oben mit Bezug auf die Figuren 4 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen war. Zusätzlich zu den Vorteilen, die vorangehend mit Bezug auf die Vorrichtung der Figuren 5 und 6 dargelegt wurden, hat die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform den weiteren Vorteil, daß sie eine einzige Pumpe verwendet, um beide Fluide bei einem Druck einer Strömungsgeschwindigkeit und einer Zusammensetzung, die für das gewählte Präparationsverfahren geeignet ist, abzugeben.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Maßnahme, gemäß der eine Lösung des Extrakts mit Extraktions-Lösungsmittel verdünnt wird, um die Konzentration der gelösten Komponenten zu verringern. Die dadurch erzielte Lösung ist beständiger gegenüber Änderungen in den Bedingungen der Strömung, zum Beispiel Fließen durch Leitungen mit variierenden Querschnitt, Temperaturgradienten und Druckabfälle, so daß das Ausfällen oder die Adsorption der extrahierten Komponenten oder beides entlang des Strömungswegs stromaufwärts von dem Bereich der Düse minimiert wird.
Eine Verdünnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird erreicht, indem ein Strom von reinem Extraktionsfluid, welcher durch den Bypassabschnitt geliefert wird, mit der Strömung der Extraktlösung, d.h. dem Extrakt plus dem Extraktionsfluid, zusammengeführt wird. Bei bestimmten Ausführungsform en der vorliegenden Erfindung kann der Strom des reinen Extraktionsfluids eine aus mehreren Komponenten bestehende Lösungsmittelmischung sein. Die Zusammenführung der Ströme geschieht vor oder zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ströme aus der Extraktionskammer 210 zu der Düse 216 fließen und die Strömungen bleiben vorzugsweise während des restlichen Prozesses verbunden.
Dementsprechend enthält, unter erneutem Bezug auf Fig. 3, eine Vorrichtung zum Verringern der Konzentration einer Extraktionslösung in einer Vorrichtung zur Extraktion mit einem überkritischen Fluid vorzugsweise ein Ventil 207, um eine Strömung zu dem Bypassabschnitt zuzulassen, und ein Ventil 209, um eine Strömung zu dem Bereich in der Extraktionskammer 210 zuzulassen. Eine Verzweigung 213 zum Zusammenführen der zwei Strömungswege ist ebenfalls vorgesehen. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung in Fig. 3 nicht abgewandelt, außer daß der Grad geändert wird, in dem die Strömungswege durch das Instrument geregelt werden. Den geeigneten Grad der Verdünnung erhält man durch Vorsehen einer Steuereinrichtung zum Steuern der zwei Ventile 207, 209, d.h. zum Öffnen, Schließen und Variieren der Strömungsrate durch die Ventile 207, 209. Wie Durchschnittsfachleute ohne weiteres erkennen, kann eine solche Steuereinrichtung eine Software- Steuerung, eine Firmware-Steuerung oder fest verdrahtete elektronische Ansteuerungen umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann auch eine Benutzerschnittstelle vorgesehen sein, um es dem Benutzer zu ermöglichen, den geeigneten Grad der Verdünnung zu wählen. Schließlich enthält die Vorrichtung außerdem vorzugsweise eine Recheneinrichtung zum Bestimmen des tatsächlichen durchsetzten Kammervolumens und überträgt Information hinsichtlich des tatsächlichen Ausmaßes des Kontakts zwischen der Probe und dem Extraktionsfluid zu dem Benutzer.
Fig. 8 stellt eine alternative Vorrichtung zum Verringern der Konzentration einer Extraktionslösung in dem Extraktionsabschnitt eines mit einem überkritischen Fluid durchsetzten Extraktionsgeräts. Wie dargestellt ist, gestattet ein Ventil 207 eine Strömung zu den Bypassabschnitt und ein anderes Ventil 209 gestattet die Strömung zu den Probenbehälterbereich. Eine Verzweigung 213 ist vorgesehen, um die Strömung dieser zwei Abschnitte zusammenzuführen. Bei der Ausführungsform der Fig. 8 ist jedoch eine Begrenzungseinrichtung 310 in dem Bypass- Strömungsweg angeordnet. Zusätzlich ist in bestimmten Ausführungsformen eine weitere Begrenzungseinrichtung 320 in dem Extraktionskammer-Strömungsweg angeordnet. Der Grad, bis zu dem die Begrenzungseinrichtungen 310, 320 die Strömung beschränken, ist so gewählt, daß sich die gewünschte Aufteilung des Extraktionsfluids auf die zwei Strömungswege ergibt, wenn die Ventile des Bypass- und des Extraktionsabschnitts 207, 209 beide offen bleiben. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin vorzugsweise eine Steuereinrichtung, um in dem "Verdünnungsmodus" zu arbeiten, indem beide Ventile 207, 209 während des Extraktionsteils des Verfahrens der vorliegenden Erfindung offengelassen werden, oder um in den "nichtverdünnten Modus" zu arbeiten, indem selektiv die Ventile 207, 209 betätigt werden, um einen zeitgesteuerten Betrieb zu gestatten. Wie vorangehend beschrieben, kann die Steuereinrichtung eine Softwaresteuerung, eine Firmwaresteuerung oder fest verdrahtete elektronische Ansteuerungen umfassen. Wie vorangehend mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben, enthält die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 8 dargestellt ist, auch eine Einrichtung zum Berechnnen der tatsächlich durchsetzten Kammervolumina.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zum Verringern der Konzentration einer Lösung mit einen Extraktionsfluid ist in Fig. 9 dargestellt. Vorzugsweise sind wieder Ventile 207, 209 zum Steuern der Strömung zu dem Bypassabschnitt bzw. zu dem Extraktionsabschnitt und eine Verzweigung 213 zum Zusammenführen der Strömungswege vorgesehen. Ein Massenströmungssensor 400 ist direkt stromaufwärts von dem Probenbehälterbereich 210 angeordnet. Eine Einrichtung zum Regeln der Strömung, welche den Grad einstellt, bis zu dem das Ventil 207 die Strömung begrenzt, befindet sich in dem Bypass-Abschnitt und variiert die Strömung durch den Probenbehälterabschnitt. Schließlich ist eine Recheneinrichtung zum Berechnen und Anzeigen der tatsächlich durchsetzten Kammervolumina durch Integrieren der momentanen Massenströmungsrate über der Zeit ebenfalls vorzugsweise als Teil des Betriebs- und Steuersystems des Extraktionsgeräts vorgesehen.
Ein Durchschnittsfachmann erkennt, daß, obwohl die Verfahren und Vorrichtungen, die vorangehend beschrieben wurden, verschiedene Anwendungen haben, um eine Anzahl von Problemen zu lösen, es weiterhin wünschenswert ist, die Merkmale der beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zu kombinieren, um weitere verbesserte Resultate zu erreichen. Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verdünnen einer Lösung eines Extrakts in einem Extraktions-Lösungsmittel zum Verringern der Konzentration der gelösten Komponenten mit den zugehörigen, oben erläuterten Vorteilen, das mit einem Verfahren zum Spülen durch den Düsenhals kombiniert ist. Ein kombiniertes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat zur Folge, daß der Grad der zu verwendenden Verdünnung gewählt wird und eine Information geliefert wird, welche den resultierenden Grad des Probenkontakts mit dem Extraktionsfluid, zum Beispiel das durchsetzte Volumen, angibt. Die anderen Einstellwerte der Parameter werden dann eingegeben oder gewählt. Ein Extraktionsprozess wird dann durchgeführt, der von einem Spülverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gefolgt ist. Danach werden die Schritte des Extrahierens und des Spülens wie erforderlich wiederholt und in bestimmten Ausführungsformen kann auch eine weitere Verdünnung für jeden nachfolgenden Extraktionsschritt implementiert sein.
Während die Primärform der Probe, welche die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ankzeptiert, feste Proben umfaßt, ist es möglich, kleine Mengen (d.h. Volumina im Bereich von Mikrolitern bis Millilitern) einer Flüssigkeit einzuführen, indem die Flüssigkeit auf festen Trägern wie Filterpapier, Adsorptionsstoffen oder Pulvern verteilt wird. In ähnlicher Weise können halbfeste Stoffe, wie Fette und Cremen, eingegeben werden.
In anderen Ausführungsfornen der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, eine oder mehrere weitere Düsen/Abscheider-Untereinheiten zusätzlich zu der Düsen/Abscheider- Untereinheit 214 einzufügen, welche vorangehend mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde. Eine solche zusätzliche Düsen/Abscheider-Untereinheit (oder solche Untereinheiten) würde entweder in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung oder als Bestandteil in anderen, daran angekoppelten Geräten inkorporiert werden. In einigen Fällen kann eine zusätzliche Düse die einzige zusätzliche Untereinheit sein. In anderen Ausführungsformen können die Düsen- und/oder Abscheider-Untereinheiten, die sich an anderen Geräten befinden, vollständig durch diejenigen ersetzt sein, die vorzugsweise als Teil eines Extraktionsgeräts, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, bereitgestellt werden. Zusätzlich kann die Hardware der Düsen/Abscheider-Untereinheiten speziell ausgestaltet sein, um Funktionen in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung oder in den Geräten, in denen sie sich befinden, zu übernehmen, wobei Beispiele hierfür Injektionsanschlüsse bei Gaschromatographen, eine Vorsäule oder einem Herzschnitt bei Flüssigkeitschromatographen umfassen.
Eine weitere Modifikation der offenbarten Vorrichtung ist die Aufnhahme einer Einrichtung zum Anschließen von zusätzlichen Verbindungen zwischen dem entfernten Anschluß 225 und/oder den Ausgängen des Abscheiders 223, 224 und anderen Analysegeräten - zum Beispiel insbesondere Flüssigkeitschromatographen, UV/VIS-Spektralphotometer und Probennehmer für Flüssigkeiten -, so daß die aus dem Abscheider 218 ausgespülte Fraktion zu diesen Geräten für eine weitere Bearbeitung und die nachfolgende Analyse gelenkt werden kann.
In ähnlicher Weise kann die in Fig. 3 offenbarte Vorrichtung modifiziert werden, um eine Probenaufnahme der Fluidlösung, welche die Extraktionskammer 210 verläßt, vor dem Rückgewinnen der gelösten Stoffe in der Düsen/Abscheider-Untereinheit 214 oder vor dem Leiten zu weiteren Instrumenten zu ermöglichen.
Zum Beispiel kann der als Probe genommene Strom, wenn möglich bei hohem Druck, zu einem UV/VIS-Spektralphotometer oder durch Probenventile an einer Reihe von weiteren Analysegeräten, wie Flüssigkeitschromatographen, Chromatographen mit einem überkritischen Fluid, Gaschromatographen, geleitet werden.
Wie vorangehend mit Bezug auf Fig. 3 ausgeführt wurde, kann der Abscheider 218 mit einem Füllmaterial gefüllt sein. Alternative Ausführungsform en der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können zusätzliche Bereiche, die ein chemisch aktives Füllmaterial (z.B. typische Füllmaterialien für eine Flüssigkeitschromatographiesäule, Adsorptionsstoffe oder ein anderes poröses Material) und eine zusätzliche Regelung einer thermischen Zone und Hardware und eine zusätzliche Ventileinrichtung, um das Leiten zu solchen Bereichen zu steuern, enthalten. Das Hinzufügen eines solchen Geräts ermöglicht es, daß das Gerät dafür verwendet wird, um eine Fraktionierung der Lösungsmischung, welche die Extraktionskammer 210 verläßt und die Probe enthält, zu ermöglichen, bevor diese Lösung auf die Düsen- und/oder Abscheider-Untereinheit 214 trifft. Die Strömung durch die Kammer- und Bypass-Bereiche, die vorangehend erörtert wurde, wird mit dem Betrieb der thermischen Zone koordiniert, um Probenmaterial in der Fraktionierungszone abzuscheiden und dann selektiv Komponenten aus dieser Zone zu entfernen. Die Komponenten werden in irgendeiner der Konfigurationen der Vorrichtung, die oben skizziert wurden, gesammelt.
Die Schlange von Probensammelgefäßen 236, die oben beschrieben wurde, kann durch zusätzliche Fraktionsschlangen ergänzt werden, welche eine der folgenden Funktionen erfüllen: Sammeln von mehr Phiolen eines automatischen Probengebers, Lesen und/oder Schreiben von Aufschriften auf den Phiolen des automatischen Probengebers (Strichcode-Aufschriften), weitere Fraktionierung der Komponenten in der Fraktionslösung durch Extraktion in der festen Phase oder andere typische naßchemische Maßnahmen und typische naßchemische Maßnahmen und Reaktionen, die man in analytischen Laboratorien antrifft, um Lösungen zu erhalten, die für das gewählte analytische Verfahren, einschließlich der quantitativen Bestimmung, geeignet sind.
Es kann auch eine automatisierte Vorrichtung vorgesehen sein, um die Extraktionsbehälter in die Extraktionskammer 210 zu setzen, die Extraktionsbehälter aus der Kammer 210 zu entfernen und die Extraktionsbehälter in einem Schlangen- bzw. Speicherbereich zu ersetzen. Das Lesen und Schreiben der Aufschriften auf den Extraktionsbehältern kann ebenfalls bei solchen Ausführungsform en vorgesehen sein.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Pumpe 202 dadurch abgewandelt sein, daß eine Pumpe bereitgestellt wird, welche zur Abgabe von isokratischen, binären oder ternären Lösungsmitteln zu dem Extraktionsgerät in der Lage ist, um Fluide und Fluidmischungen zu mischen, insbesondere solche, welche bei Umgebungsbedingungen normalerweise flüssig sind. Das Grundextraktionsfluid wird über geeignete Leitungen und Ventile angekoppelt und eine koordinierte Betätigung ist über eine Workstation oder eine andere computergestützte Steuereinrichtung möglich, welche Befehle an die Lösungsmittel-Ventile und die Pumpe abgeben kann. Daher kann in bestimmten Ausführungsformen das Hinzufügen von zusätzlichen Pumpkanälen zum Mischen von Fluiden und Fluidmischungen (insbesondere solche, welche normalerweise bei Umgebungsbedingungen flüssig sind) mit dem Grundextraktionsfluid, um mehrkomponentige Extraktions-Lösungsmittel zu bilden, dadurch erreicht werden, daß weitere Pumpen und Ventile in dem Extraktionsgerät inplenentiert werden, um eine Mischung für das Extraktionsfluid zu erreichen.
Höchst bevorzugt sind Ventile vorgesehen, um den Spüllösungsmittelstrom zu wählen und die Spüllösungsmittelpumpe zu versorgen. Wie vorangehend beschrieben wurde, kann die Spüllösungsmittelpumpe dem Systemdruck standhalten und weist eine variable Abgaberate auf, die für eine flüssigkeitschromatographische Zonenbewegung geeignet ist. Eine Ventileinrichtung ist vorgesehen, welche Fluid so lenken kann, daß von Benutzer gewählte Sammelvolumina einer gewählten Bestimmung zugeführt werden.
Schließlich kann, was Durchschnittsfachleute für die Auslegung solcher Systeme einsehen werden, das Gerät der vorliegenden Erfindung mit anderen Instrumenten und Techniken in einer Weise gekoppelt werden, welche als "Hyphenation" bezeichnet wird. Beispiele einer Hyphenation, die bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, sind: Hochdruck-Festphasenextraktion gekoppelt mit einer Probenextraktion durch überkritisches Fluid, Festphasenextraktion als Vorläufer für eine Extraktion mit einem überkritischen Fluid, Niederdruckfraktionierung in manchen Ausführungsform en als Extraktion einer gereinigten festen Phase bei dem Extrakt-Sammelabscheider 218 nach der Extraktion der Probe mit einem überkritschen Fluid, eine Spüllösungsmittelschnittstelle (d.h. das Lösungsmittel für die Rückverdünnung) mit anderen Geräten, Hochdruckstronprobennahme zwischen der Kammer 210, welche die Probe enthält, und der Probensammel-Untereinheit 214 (die Düse 216 und der Abscheider 218), welche auch als Druckregelmechanismus wirkt, so daß weitere Vorrichtungen Proben von dem Hochdruckstron überwachen oder aufnehmen können, Verwendung von mehreren Probensammel-Untereinheiten, Verwendung eines Steuergeräts, welches (a) das Ermöglichen einer Verbindung mit anderen Befehlen von dem Benutzer zu anderen Zielen derart, daß Sequenzen von dem Extraktionsgerät mit anderen Sequenzen koordiniert werden können, und (b) primitive Befehle, aus denen Sequenzen aufgebaut werden können, als Merkmale aufweist.
Es wird in Betracht gezogen, daß die vorliegende Erfindung in Verbindung mit anderen Analysegeräten verwendet werden kann, von denen einige einen Düsen- und/oder Abscheiderabschnitt wie vorangehend mit Bezug auf die vorliegende Erfindung beschrieben enthalten können. Solche Analysegeräte umfassen Gaschromatographen, Flüssigkeitschromatographen und Chromatographen mit überkritischen Fluid. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung auch eine Einrichtung zum Fraktionieren des Extrakts von der Probe umfassen. Ein solches Fraktioniergerät verwendet Ventile und thermische Steuereinrichtungen, welche den Extraktionsabschnitt und der Düse zugeordnet sind.
Die Konstruktion des Geräts der vorliegenden Erfindung erfordert ein Verständnis der wichtigen Parameter und Begrenzungen in verschiedenen Bereichen: überkritische Fluide, (Überschall-)Expansion von Fluiden, Sammeln/Rückverdünnen eines Extrakts, Pumpen von komprimierbaren Flüssigkeiten, Regelung von Einstellwerten. Wie vorangehend ausgeführt wurde, verwendet das System einen Fluidkompressibilität-Algorithmus zum Pumpen des Lösungsmittels und verwendet einen Druck/Volumen/Temperatur-Algorithmus, der es gestattet, daß die Dichte als relevanter Parameter für das Lösungsvermögen (statt dem Druck) eingegeben wird, während eine entkoppelte Regelung der Strömung und des Drucks bzw. der Dichte geschaffen wird. Vorzugsweise gestattet es das System, daß eine Strömung in einem Bypass-Modus und/oder in einem Verdünnungsmodus auftritt. In bestimmten Ausführungsformen wird die Wahl der Zusammensetzung des ExtraktionsLösungsmittelfluids durch mehrfache Eingänge ermöglicht; in anderen Ausführungsformen wird die Auswahl der Zusammensetzung des Extraktionsfluids durch zusätzliche Pumpkanäle ermöglicht. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform, welche geeignete Ventileinrichtungen und eine geeignete Steuersoftware enthielt, kann sowohl eine statische Extraktion als auch eine Extraktion mit dynamischer Strömung erreicht werden. Die Konzeption der vorliegenden Erfindung sieht auch eine thermische bzw. druckbezogene Mehrzonenregelung auf Vorgaben vor, welche auf einem Verständnis des Einflusses dieser Parameter auf die Dichteregelung, insbesondere in den kritischen, nahezu kritischen und überkritischen Bereich, beruhen.
Die vorliegende Erfindung sieht auch Verfahren für die Implementierung eines Dichte/Druck/Temnperatur-Algorithmus in eine Benutzerschnittstelle für die Eingabe eines Einstellwerts und die nachfolgende Parameterregelung vor. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung gestattet es dem Betreiber, die Dichte als Parameter in Geräte einzugeben, welche konventionelle Druckmeßwertwandler als Teil der elektronischen Steuerschleife zum Aufrechterhalten des Drucks (und daher der Dichte) bei einer vom Benutzer angegebenen Temperatur verwenden. Wie vorangehend erläutert wurde, sind derzeit keine Dichtemeßwertwandler für allgemeine Geräte für eine elektronische Regelschleife zum direkten Regeln der Dichte geeignet; sie könnten jedoch in der vorliegenden Erfindung implementiert werden.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Geräts für die Extraktion mit einen überkritischen Fluid mit einem elektronischen Druckregelsystem zusammen mit einem thermischen Regelsystem, mit dem ein Benutzer eine gewünschte Dichte eingeben kann, um eine eingestellte Dichte aufrechtzuerhalten, ohne die Strömungsgeschwindigkeit des Extraktionsfluids regeln zu müssen, um den Einstellwert der Dichte zu erreichen. Zuerst werden die Betriebsdichte und die Zonentemperaturen über einen Benutzerschnittstelle eingegeben. Der Einstellwert der Dichte wird dann auf einen Wert gerundet, der als Einstellwert angesichts der Regelfähigkeit der thermischen und druckbezogenen Regelschleifen bei dem gegebenen Bereich der Zustandsgleichung unterscheidbar ist. Als nächstes berechnet das System den entsprechenden Betriebsdruck und benachrichtigt den Benutzer, wenn die Kombination der Einstellwerte für die Dichte und die Temperatur zu einem Druck führt, der außerhalb des Betriebsbereichs des Geräts liegt. Das System zeigt dann den entsprechenden Betriebsdruck den Benutzer an, so daß alle Parameter sichtbar sind. Schließlich werden die Einstellwerte für den Druck und die Temperatur zu geeigneten Regelschleifen übertragen, um die Dichte während der Extraktion oder einem anderen Zyklus aufrecht zu erhalten.
Die offenbarten Verfahren schaffen eine Möglichkeit, um es dem Betreiber zu ermöglichen, sich auf den wichtigeren Parameter Dichte beim Auswählen der Einstellwerte von Parametern für den Betrieb eines Extraktionsgeräts mit einem überkritischen Fluid zu konzentrieren. Der Betreiber muß daher nicht Nachschlagetabellen verwenden, welche notwendigerweise eine Interpolation zwischen den Einträgen für diejenigen Dichten bei Temperaturen und Druckwerten erfordern, die nicht in der Tabelle angegeben sind. Im Betrieb liefert das System eine Rückkopplung zu den Benutzer unmittelbar dann, wenn eine angegebene Dichte wegen des Überschreitens der Betriebsgrenzen der interaktiven Parameter nicht erreicht werden kann, zum Beispiel wenn bestimmte Kombinationen einer hohen Dichte und einer hohen Temperatur den möglichen Abgabedruck überschreiten.
Daher vermeidet die vorliegende Erfindung, daß der Benutzer einen Parameter (Druck) eingibt, dessen nichtlineare Beziehung zu dem Lösungsvermögen nicht intuitiv ist und sich erheblich in Abhängigkeit von der gewählten Isotherme ändert, während das Lösungsvermögen der Schlüsselparameter bei den Gerät ist. Die Bedeutung der Dichte als Parameter sowie die Regel, sie zu benutzen, wird stattdessen neuen Benutzern eingeimpft.
Auf der Grundlage der Zustandsgleichung einer bestimmten Substanz wird ein Regelprogramm geschaffen, um die Eingabe der Dichte mit einer nachfolgenden Berechnung des entsprechenden Drucks bei einer gegebenen Temperatur zu gestatten. Ein solches Programm ist sowohl ein stärker automatisierter Zugang zu einer Nachschlagetabelle als auch ein Werkzeug zum Erkunden der Auslegungsgrenzen und -vorgaben (Temperatur- und Druckwellen beeinträchtigen die sich ergebende Dichte).
Die vorliegende Erfindung fördert nicht nur die Verwendung der Dichte als einen mehr nahezu direkt proportionalen Parameter des Lösungsvermögens, sondern fordert indirekt Benutzer auf, konservativere Einstellwerte des Drucks zu verwenden, was dementsprechend zu einer größeren Lebensdauer des Geräts führt. Dieser letztgenannte Punkt geht auf die S-Form von Isothermen zurück, bei denen bei größeren Dichten ein sehr großer Zuwachs des Drucks zu einer sehr kleinen zugehörigen Erhöhung der Dichte führt.
Obwohl bestimmte Ausführungsform en der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsform en begrenzt. Dementsprechend sollte Bezug auf die beigefügten Ansprüche genommen werden, um sich über den Umfang der vorliegenden Erfindung zu vergewissern.

Claims

1. Verfahren zum Extrahieren einer Komponente aus einer Probe mit Hilfe eines überkritischen oder nahezu kritischen Fluids unter Verwendung eines Fluidströmungssystem-Geräts mit einer Steuervorrichtung, zumindest einem Element mit einer variablen und steuerbaren Strömungsbegrenzung (216) und einem Probenbehälterabschnitt (210), das die folgenden Schritte umfaßt:

- Einbringen der Probe in den Probenbehälterabschnitt (210)

- Eingeben von Einstellwerten für die Temperatur, den Druck, die Strömungsgeschwindigkeit und die Extraktionszeit in die Steuervorrichtung,

- Bereitstellen von unter Druck stehenden Fluid,

- Leiten des Fluids zu einer Pumpe (202), welche das Fluid in das Strömungssystem-Gerät einspritzt,

- Erfassen des Systemdrucks, während Fluid in das System gepumpt wird,

- Ansteuern der variablen Strömungsbegrenzung und der Pumpe unabhängig voneinander, um gleichzeitig den Einstellwert für den Druck und den Einstellwert für die Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen und aufrechtzuerhalten,

- Leiten von Fluid durch die Probe bei den Einstellwert für die Strömungsgeschwindigkeit,

- Verringern der Konzentration des den Probenbehälterabschnitt (210) verlassenden Fluids durch Beinischen weiterer Anteile von unter Druck stehenden Fluid und

- Leiten des verdünnten Fluids zu einen Expansionsdüsenabschnitt (216),

wobei das Verfahren weiterhin den Schritt des Spülens des Expansionsdüsenabschnitts (216) durch Verbinden einer Quelle eines Spül-Lösungsmittels mit der Einlaßleitung zu dem Expansionsdüsenabschnitt (216) und

den Schritt des Beendens des Spülvorgangs durch Isolieren der Spül-Lösungsmittelversorgung von der Einlaßleitung zu den Expansionsdüsenabschnitt (216) am Ende des Spülvorgangs umfaßt.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, welche umfaßt:

- eine oder mehrere Quellen eines Lösungsmittelfluids (100),

- eine oder mehrere Einlaßanschlüsse für Extraktions-Lösungsmittelfluid (101),

- eine Hochdruckpumpe (202),

- einen Druckmeßwertwandler (204) zum Messen des Drucks des von der Hochdruckpumpe (202) gelieferten Fluids,

- eine variable und steuerbare Strömungsbegrenzung (216),

- eine Steuereinrichtung zum unabhängigen Steuern der variablen Strömungsbegrenzung und der Hochdruckpunpe derart, daß ein Einstellwert für den Druck und ein Einstellwert für die Strömungsgeschwindigkeit erreicht und aufrechterhalten werden,

- eine Probensammeleinrichtung zum Trennen des extrahierenden Lösungsmittelfluids von Komponenten aus der Probe, welche zumindest eine Düsen/Abscheider-Untereinheit (214) umfaßt,

- einen Strömungsmeßwertwandler,

- ein Extraktionskammer-Strömungssystem (209), welches einen Extraktionskammerabschnitt (210) zum Zurückhalten der Probe in dem Fluidstrom und ein Probeneingabemodul zum Aufnehmen der Probe in der Extraktionskammer (210) umfaßt,

- ein Bypass-Strömungssystem (207), welches Fluidströmung um den Extraktionskammerabschnitt (210) leitet,

- eine Einrichtung (212) zum Zusammenführen des Bypass- Strömungssystems (207) und des Extraktionskammer-Strönungssystems (209),

- mindestens ein Probensammelgefäß (236) zum Sammeln der aus der Probe extrahierten Komponenten,

- eine oder mehrere Quellen von Spülfluid (228) und

- eine Ventileinrichtung (220) zum selektiven Verbinden der Quelle oder der Quellen von Spülfluid (228) mit der Düse (216) über eine Anschlußeinrichtung (251; 253), welche sich bezüglich der Strömungsrichtung vor der Düse an einer weiteren Stelle der Vorrichtung befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Anschlußeinrichtung (251) sich am Einlaß zu der Düsen/Abscheider-Untereinheit (214) befindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, welche weiterhin eine Filtereinrichtung (215) umfaßt, welche sich zwischen der Ventileinrichtung (220) und der Düsen/Abscheider-Untereinheit (214) befindet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, welche weiterhin umfaßt:

eine erste Ventileinrichtung (253) mit zwei Positionen zum selektiven Verbinden der Hochdruckpumpe (202) mit der Düsen/Abscheider-Untereinheit (214) in einer ersten Position und zum Verbinden der Hochdruckpumpe (202) mit einem Ansghluß in Strömungsrichtung vor dem Extraktionskammer-Strömungssystem (209) und dem Bypass-Strömungssystem (207) in einer zweiten Position und

eine zweite Ventileinrichtung (252) zum selektiven Verbinden der Quelle oder der Quellen von Lösungsmittelfluid (228) mit einem Anschluß in Strömungsrichtung vor der Hochdruckpumpe (202).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der das Bypass-Strömungssystem und das Extraktions-Strömungssystem (207, 209) weiterhin eine oder mehrere Einrichtungen zum Regeln der Strömung umfassen, welche zumindest eine Begrenzungseinrichtung (310) zum selektiven Variieren des Grads der Begrenzung umfassen, wodurch Fluid zwischen dem Bypass-Strömungssystem und dem Extraktions-Strömungssystem (207, 209) aufgeteilt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, welche weiterhin eine Massenströmungs-Sensoreinrichtung (400) umfaßt, wobei die Einrichtung zum Regeln der Strömung selektiv die Strömung durch das Bypass-Strömungssystem (207) einstellt, wodurch die Strömung durch das Extraktions-Strömungssystem (209) variiert wird.