DE9422003U1

DE9422003U1 - Vorrichtung zur Herstellung von Lösungsmittelgemischen bei der Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie

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Publication number: DE9422003U1
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Authority: DE
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Priority date: 1994-04-13
Filing date: 1994-04-13
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2004-04-14

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Lösungsmittelgemischen bei der Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Lösungsmittelgemischen für die Versorgung einer Hochdruckpumpe bei der Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie, mit ei ner Niederdruck-Pumpe, mittels welcher mehrere zu mischende Lösungsmittel über ihnen zugeordnete Zufuhrleitungen und steuerbare Ventile ansaugbar und zu einer an die Saugseite der Hochdruckpumpe anschließbaren Mischkammer förderbar sind.

Bei der abgekürzt als HPLC (High Performance Liquid Chromato graphy) bezeichneten Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie kommen zwei verschiedene Verfahren zur Trennung und Elution der auf eine chromatische Säule injizierten Substanzen zur Anwendung. Bei der sog. isokratischen Elution bleibt die Zusammensetzung des Fließmittels (Eluenten) während des gesamten Arbeitsvorgangs unverändert. Demgegenüber wird bei der sog. Gradientenelution die Zusammensetzung des als Fließmittel dienenden Lösungsmittelgemischs kontinuierlich oder schrittweise geändert, um die Analyse zu beschleunigen und die Detektierbarkeit zu verbessern.

Die Gradientenformung kann hochdruckseitig oder niederdruckseitig vorgenommen werden. Bei der hochdruckseitigen Beeinflussung des Gradienten der Elutionsmittelzusammensetzung werden zwei oder mehr eigenständige Hochdruckpumpen so gesteuert, daß sich die Teilfördermengen der jeweils ein bestimmtes Lösungsmittel fördernden Pumpen jederzeit zu einem konstanten Volumen von z. B. 1,00 ml/min ergänzen, wobei man die Förderung aller Pumpen zusammenführt und in einer Mischkammer homogenisiert. Diese Methode hat den Nachteil, daß so viele teure Hochdruckpumpen wie Lösungsmittel gebraucht werden, und alle Pumpen müssen exakt und pulsationsfrei arbei-

ten, damit die Mischung genau und reproduzierbar erfolgt, wie dies in der HPLC unerläßlich ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die einzelnen Hochdruckpumpen nicht genügend weit nach unten geregelt werden können. Selbst wenn sie z. B. bei einem Anteil eines bestimmten Lösungsmittels von nur 1 % in der Lage sind, die geringe Menge von 10 &mgr;&idiagr;/min zu fördern, dann sicherlich nicht ruckfrei und reproduzierbar.

Aus den genannten Gründen wird in jüngster Zeit fast ausschließlich die niederdruckseitige Gradientenformung eingesetzt. Hier erfolgt die Gemischbildung mit Hilfe von Magnetventilen bereits vor der Hochdruckpumpe, also im Niederdruckbereich. Bei den meisten gegenwärtig angebotenen Geräten ist ein in Fig. 1 ganz links gezeigter Magnetventilblock 4 unmittelbar an eine in Fig. 1 ganz rechts gezeigte Hochdruckpumpe 5 angeschlossen. Die normalerweise zwei bis vier 2-Wege-Ventile, die auf dem aus Teflon bestehenden Block montiert sind, verfügen jeweils über einen separaten Eingang für ein ihnen zugeordnetes Lösungsmittel. Die Ausgänge der im Beispielsfall mit 1, 2 und 3 bezeichneten Magnetventile werden durch interne Bohrungen in dem Block 4 zusammengeführt und direkt mit der Saugseite der Hochdruckpumpe 5 verbunden. Während deren Ansaugphase werden die Ventile so unterschiedlich lange und zeitlich versetzt geöffnet, daß jede beliebige Lösungsmittelzusammensetzung erzeugt werden kann. Die Öffnungs- und Schließzeiten der Magnetventile liegen, gemessen gegen Luft, zwischen 6 und 20 ms. Damit steht bei sog. Langhuber-Hochdruckpumpen, die pro Kolbenhub 50 - 100 &mgr;&idiagr; verdrängen und bei einer Pumpleistung von lml/min etwa 10-20 Ansaughübe pro Minute ausführen, noch eine ausreichende Zeitspanne zur sicheren und reproduzierbaren Schaltung der Magnetventile zur Verfügung.

Die heutigen Standard-HPLC-Pumpen haben jedoch meistens einen Flußratenbereich zwischen 10 &mgr;&idiagr;/min und 10 ml/min. Dement-

sprechend" kann sich die Ansaugfrequenz um den Faktor 1.000 erhöhen und sich die Zeit für die Ventil funkt ionen um den Faktor 1.000 verkürzen. Es ist mit den bekannten Vorrichtungen praktisch unmöglich, mit einer bestimmten Einstellung der Ventilöffnungszeiten relativ zueinander innerhalb dieses großen Flußratenbereichs ein bestimmtes Lösungsmittelgemisch mit konstanter Zusammensetzung zu erhalten.

Ein weiterer erheblicher Nachteil besteht darin, daß die Lösungsmittel vor dem Eingang in die Magnetventile sorgfältig entgast sein müssen, weil sonst beim Mischen von organischen Lösungsmitteln, insbesondere Methanol, mit Wasser Luftblasen entstehen, denn die Löslichkeit von Luft ist in den reinen Lösungsmitteln wesentlich größer als in der Mischung, und außerdem ist das Vermischen ein exothermer Vorgang. Luftblasen stören die konstante Förderleistung der Hochdruckpumpen. Die Förderung hört vollständig auf, wenn in einer Pumpe eine Luftblase eine bestimmte Größe erreicht hat, die dann im Pumpenkopf ständig komprimiert und dekomprimiert wird, während die Ein- und Ausgangsventile nicht mehr schließen können. Da viele Anlagen auch über Nacht laufen müssen, sind solche Vorkommnisse nicht akzeptabel.

Weiterhin kommt erschwerend hinzu, daß sich in den letzten zehn Jahren auf dem Pumpensektor die sog. Kurzhubpumpen etabliert haben, um die Pulsationen, die zwischen Ansaug- und Förderphase entstehen, besser dämpfen zu können. Diese Pumpen haben einen um den Faktor 5-10 kleineren Hub, eine entsprechend höhere Frequenz und kleinere Ansaugvolumina von ca. 10 - 20 &mgr;&idiagr;. Bei der hohen Frequenz ist eine Synchronisation der Öffnungszeiten der Magnetventile mit der Ansaugphase des Kolben vielfach nicht mehr möglich. Außerdem führen die Pumpeffekte der Ventilmembranen im Verhältnis zu den geringen Ansaugvolumina der Kurzhubpumpen zu inakzeptablen Fehlern beim Mischungsverhältnis. Die Magnetventile "pumpen" nämlich beim

Schließvorgang das unter der Membran befindliche Volumen heraus. Es kann bis zu 10 &mgr;&idiagr; betragen und muß der in der vorbestimmten Öffnungszeit des Ventils hindurchgeströmten Menge hinzugerechnet werden.

Zur Behebung der genannten Mangel der üblichen Niederdruck-Gradientenformer, insbesondere bei Verwendung von Kurzhubpumpen, war vorübergehend von der Firma Gynkotek, 82110 Germering unter der Typenbezeichnung M 250 ein Gerät angeboten worden, welches in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Es war mit drei Niederdruckpumpen 6, 7, 8 bestückt, die über eine Nockenwelle angetrieben wurden und jeweils mit einem 3/2-Wege-Magnetventil 6', 7', 8' zusammenwirkten. In der Ansaugphase wurden diese Ventile so geschaltet, daß über die zugehörigen Lösungsmittel-Zufuhrleitungen 6^!l, 7¹¹, 8¹¹ die zu mischenden Lösungsmittel in die jeweiligen Pumpenzylinder einströmen konnten, während die Pumpenkolben synchron zurückgezogen wurden. In der anschließenden Verdrängungsphase wurden dann die Magnetventile 6', 7¹, 8' jeweils für eine kurze Zeitdauer, die den Anteilen der Lösungsmittel am Gemisch entsprach, umgeschaltet, um einen Teil des jeweils im Pumpenzylinder befindlichen Lösungsmittels in eine offene Mischkammer 9 zu pumpen. Der Rest wurde wieder über die Zufuhrleitungen 6'' , 7", 8'' in das zugeordnete Vorratsgefäß zurückgepumpt.

In der Mischkammer 9 wurde das Lösungsmittelgemisch durch einen Rührer 10 mit Rührstab bewegt und weitgehend homogenisiert. Dabei konnten Luftblasen aufsteigen und entweichen, ohne daß sie von der an die Mischkammer 10 angeschlossenen Hochdruckpumpe 5 angesaugt wurden. Ein Füllstandsfühler 11 überwachte den Flüssigkeitsspiegel in der Mischkammer und schaltete die drei Niederdruckpumpen 6, 7, 8 aus, wenn das Lösungsmittelgemisch einen bestimmten Höchststand erreicht hatte. Sank der Flüssigkeitsspiegel infolge der Förderung der Hochdruckpumpe 5 unter einen vorbestimmten Stand, wurden die

Niederdruckpumpen'6, 7, 8 jeweils wieder so lange aktiviert, bis die maximale Füllhöhe erreicht wurde. Auf diese Weise konnten der Gradientenformer und die Hochdruck-HPLC-Pumpe unabhängig voneinander arbeiten, ohne daß eine aufwendige Kommunikation zwischen diesen beiden Einheiten aufgebaut werden mußte. Es war lediglich eine Abschaltung der Hochdruckpumpe vorgesehen, wenn entweder der Gradientenformer nicht lief oder die Mischkammer 9 innerhalb einer bestimmten Zeitdauer nicht gefüllt werden konnte.

Das bekannte Gerät gemäß Fig. 3 konnte sich nicht durchsetzen, weil es von seiner Konzeption her mechanisch und elektronisch sehr aufwendig war. Außerdem erwiesen sich die 3/2-Wege-Magnetventile als störungsanfällig. Es kam oft vor, daß ein Ventil infolge Leckage während des Zurückpumpens des Lösungsmittels in das Vorratsgefäß einen Teil dieses Lösungsmittels zusätzlich in die Mischkammer leitete und dadurch das Mischungsverhältnis verfälschte. Darüberhinaus bereitete ein Wechsel der Lösungsmittel große Probleme, weil die Niederdruckpumpen einen Teil des alten Lösungsmittels in der Zufuhrleitung immer weiter hin und her schoben, so daß das neue Lösungsmittel sehr lange durch das alte kontaminiert wurde.

Ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, durch die mit wesentlich einfacheren, zuverlässig wirkenden Mitteln bei unterschiedlichen Förderraten sehr genau die vorbestimmten Lösungsmittelgemische hergestellt werden kann.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, bei welcher die Ventile an einem gemeinsamen Block montierte 2-Wege-Magnetventile sind, deren Eingänge jeweils einzeln an die Zufuhrleitung für ein Lösungsmittel angeschlossen sind und deren

Ausgänge zusammengeführt und mit der Niederdruckpumpe verbunden sind.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß der technisch ausgereifte und vielfach eingesetzte Ventilblock mit zwei oder mehr, im Regelfall vier bis sechs 2-Wege-Magnetventilen verwendet werden kann. Es bedarf nur einer einzigen Niederdruckpumpe, die im Gegensatz zu den bisher zum Einsatz gekommenen Niederdruckpumpen zwischen den Magnetventilen und der Mischkammer angeordnet ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Niederdruckpumpe eine ventillose Taumelkolbenpumpe, deren Kolben und Zylinder aus keramischem Material bestehen. Sie wird zweckmäßigerweise durch einen derart gesteuerten Schrittmotor angetrieben, daß sie jeweils für eine vollständige Umdrehung antreibbar ist und ein Steuersignal für den Schrittmotor zur Ausführung jeweils einer weiteren Umdrehung auslösbar ist, solange der Flüssigkeitsspiegel in der Mischkammer unterhalb einer bestimmten Füllstandshöhe liegt.

In der bevorzugten praktischen Ausführung kommt eine neue Mischkammer zur Anwendung, die einen mit der Druckseite der Niederdruckpumpe verbundenen Einlaß und einen an die Saugseite der Hochdruckpumpe angeschlossenen Auslaß hat, der sich horizontal hinter einem Blasenschutz, unterhalb von dessen Oberkante befindet.

Ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung zur niederdruckseitigen Gradientenformung ist in Fig. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung dargestellt, wobei Fig. 1 eine schematische Darstellung der gesamten an eine Hochdruck-HPLC-Pumpe angeschlossenen Vorrichtung und Fig. 2 einen senkrechten Querschnitt durch die Mischkammer zeigen.

Die Vorrichtung nach Fig. "1 besteht aus dem oben bereits erwähnten, bewährten Ventilblock 4 aus Teflon mit im Beispielsfall drei daran montierten 2-Wege-Magnetventilen 1, 2, 3, weiterhin einer offenen Mischkammer 9 der ebenfalls bereits oben erwähnten Art, die ausgangsseitig an die Saugseite einer herkömmlichen Hochdruck-HPLC-Pumpe 5 angeschlossen ist, sowie schließlich einer einzigen Niederdruckpumpe 12, die saugseitig an den gemeinsamen Ausgang der an den Zufuhrleitungen für die verschiedenen Lösungsmittel angeordneten Magnetventile 1, 2, 3 angeschlossen und druckseitig mit der Mischkammer 9 verbunden ist.

Bei der Niederdruckpumpe 12 handelt es sich um eine sog. Taumelkolbenpumpe, wie sie z. B. von der Firma Fluid Metering, Inc., Oyster Bay, New York angeboten wird. Ein Vorteil dieser Pumpe besteht darin, daß sie keine Ventile und keine Kolbendichtungen besitzt. Außerdem kann durch eine einfache Winkel-Veränderung das Fördervolumen pro Umdrehung verkleinert oder vergrößert werden. Da der Kolben und der Zylinder aus keramischem Material mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden, ist die Pumpe wartungsfrei und resistent gegen alle in der Chromatographie verwendeten Chemikalien und Lösungsmittel. In Verbindung mit einem Schrittmotor als Antrieb, der sie bei jedem Steuerimpuls genau eine Umdrehung ausführen läßt, ist die Förderung sehr konstant. Die Schwankungen halten sich normalerweise innerhalb einer Grenze von 0,5 %.

In der Regel wird die Niederdruckpumpe 12 auf eine Volumenförderung zwischen 250 und 500 &mgr;&idiagr; pro Hub {= Drehung) eingestellt. Während einer Umdrehung sind die Ansaug- und die Ausstoßphase mit 18 0⁰C gleich groß. Während der Ansaugphase werden die Magnetventile 1, 2, 3 zeitlich so aufeinander abgestimmt geöffnet, daß sich das jeweils gewünschte Lösungsmittelgemisch und in der Veränderung von dessen Zusammensetzung der gewünschte Gradient ergeben.

In der Ausstoßphase der Niederdruckpumpe 12 wird das angesaugte Lösungsmittelgemisch in die offene Mischkammer 9 gemäß Fig. 2 gefördert und dort mittels des Rührers 10 homogenisiert. Die elektronische Steuerung des Geräts kontrolliert mittels des Füllstandsfühlers 11, ob ein bestimmter Füllstand erreicht wurde. Ist dies nicht der Fall, wird ein weiterer Pumpzyklus der Niederdruckpumpe 12 gestartet. Die Lösungsmittel brauchen nicht entgast zu sein, weil die Gasblasen in der offenen Mischkammer 9 nach oben entweichen können. Ergänzend sind Vorkehrungen getroffen worden, um zu verhindern, daß die Luftblasen von der Hochdruck-HPLC-Pumpe 5 angesaugt werden. Hierzu gehört eine Leiteinrichtung 13, z. B. in Form einer von der Innenwand der Mischkammer 9 radial nach innen ragenden Rippe, die auf einem mittleren Niveau zwischen dem unten angeordneten Einlaß 14 und dem oben angeordneten Auslaß 15 der Mischkammer 9 angebracht ist. Die Leiteinrichtung 13 lenkt die Luftblasen von der senkrechten Wand der Mischkammer zur Mitte hin ab. Außerdem ist oben im Bereich des Auslasses die Wand stufenförmig abgesetzt und verjüngt oder mit einem Rücksprung nach außen versetzt, so daß auch die Eintrittsöffnung der Auslaßleitung 15 gegenüber der Innenwand im unteren Bereich der Mischkammer nach außen zurückgesetzt ist. Als weitere Sicherheitsmaßnahme ist in der Verlängerung des unteren Bereichs der Innenwand nach oben ein bis über die Auslaßleitung 15 hinaus nach oben reichender, vorzugsweise gitterförmiger Blasenschutz 16 vorgesehen, welcher die Luftblasen auch in der Saugphase der Hochdruckpumpe an der Auslaßleitung 15 vorbei leitet.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung hat den Vorteil, daß den Vorratsgefäßen bei jedem Arbeitszyklus der Niederdruckpumpe 12 nur so viel Lösungsmittel entnommen wird, wie für die Mischung gebraucht wird. Es wird nicht ein Teil der Lösungsmittel zu den Vorratsgefäßen zurückgepumpt und somit

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nach einem Lösungsmittelwechsel die Kontamination der neuen Lösungsmittel verhindert.

Da nur eine einzige Niederdruckpumpe erforderlich ist und ein Ventilblock mit einfachen 2-Wege-Ventilen Verwendung finden kann, ergibt sich insgesamt eine wesentliche Vereinfachung im Vergleich zu der Vorrichtung nach Fig. 3. Gleichwohl kann das neue Gerät mit allen verfügbaren Hochdruck-HPLC-Pumpen, auch Kurzhubpumpen, kombiniert werden. Die Dosiergenauigkeit bleibt unabhängig von der Flußrate der Hochdruckpumpe stets konstant, weil die Niederdruckpumpe immer unter den gleichen Bedingungen läuft. Die Hubgeschwindigkeit ist auf die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile unter Lösungsmittelbedingungen abgestimmt. Das Totvolumen des Systems kann sehr klein gehalten werden, weil wenige, kurze Verbindungsschläuche genügen. Daher kann auch der gesamte Gradientenformer in einem kleinen Gehäuse untergebracht werden.

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Herstellung von Lösungsmittelgemischen für die Versorgung einer Hochdruckpumpe bei der Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie, mit einer Niederdruck-Pumpe (12), mittels welcher mehrere zu mischende Lösungsmittel über ihnen zugeordnete Zufuhrleitungen und steuerbare Ventile (1, 2, 3) ansaugbar und zu einer an die Saugseite der Hochdruckpumpe (5) anschließbaren Mischkammer (9) förderbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (1, 2, 3) an einem gemeinsamen Block (4) montierte 2-Wege-Magnetventile sind, deren Eingänge jeweils einzeln an die Zufuhrleitung für ein Lösungsmittel angeschlossen sind und deren Ausgänge zusammengeführt und mit der Niederdruckpumpe (12) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckpumpe (12) eine an sich bekannte, ventillose Taumelkolbenpumpe ist, deren Kolben und Zylinder aus keramischem Material bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Taumelkolbenpumpe (12) durch einen Schrittmotor jeweils für eine vollständige Umdrehung antreibbar ist und ein Steuersignal für den Schrittmotor zur Ausführung jeweils einer weiteren Umdrehung auslösbar ist, solange der Flüssigkeitsspiegel in der Mischkammer (9) unterhalb einer bestimmten Füllstandshöhe liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (9) einen mit der Druckseite der Niederdruckpumpe (12) verbunden Einlaß (14) und einen an die Saugseite der Hochdruckpumpe (5) angeschlossenen Auslaß (15) hat, der sich horizontal hin-

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ter einem Blasenschutz (16), unterhalb"von dessen Oberkante befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem auf niedrigem Niveau angeordneten Einlaß (14) und dem auf höheren Niveau angeordneten Blasenschutz (16) und Auslaß (15) eine Leiteinrichtung (13) befindet, durch welche Gasblasen in horizontaler Richtung vom Blasenschutz (16) wegleitbar sind.