EP1740937A1 - Methode pour un dimensionnement optimal des cellules d'appareils de chromatographie de partition centrifuge - Google Patents

Methode pour un dimensionnement optimal des cellules d'appareils de chromatographie de partition centrifuge

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EP1740937A1
EP1740937A1 EP05739418A EP05739418A EP1740937A1 EP 1740937 A1 EP1740937 A1 EP 1740937A1 EP 05739418 A EP05739418 A EP 05739418A EP 05739418 A EP05739418 A EP 05739418A EP 1740937 A1 EP1740937 A1 EP 1740937A1
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EP
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cells
dimensions
dimension
rotation
liquid
Prior art date
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Withdrawn
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EP05739418A
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German (de)
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Inventor
Alain Foucault
Jack Legrand
Luc Marchal
Daniel Durand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Nantes Université
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Universite de Nantes
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G—PHYSICS
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    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/26—Conditioning of the fluid carrier; Flow patterns
    • G01N30/38—Flow patterns
    • G01N30/42—Flow patterns using counter-current
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation

Definitions

  • the present invention relates to a method for sizing the cells of liquid-centrifugal liquid chromatography apparatus.
  • this type of device constituted by the interconnection in series of one or more chain (s) of cells
  • the constituents of a charge in liquid solution consisting of at least two constituents of partition coefficients are carried out different as they are driven at unequal speeds by the mobile phase which can be one or the other of the liquid phases.
  • STATE OF THE ART A known technique for separating constituents A and B in solution in a liquid mixture consists in injecting it into a "chromatographic column" subjected to a centrifugal force, which is designed so that one of the liquid phases can be percolated in the other liquid phase and vice versa (chromatography known as CCC or CPC).
  • this type of system comprises one or more stacks of discs driven in rotation. Each of them has (Fig.4) in its thickness and over its entire periphery a succession of CE cells arranged in a radial or oblique direction and placed in series by a set of circuits of fine tortuous pipes B at the ends of each cell. The circuits of all the disks communicate with each other. CE cells and their circuits communication B are filled with a stationary liquid phase held in place by centrifugal force and another mobile liquid phase which percolates the stationary phase.
  • the rotation of the stack creates a large centrifugal acceleration field which keeps the liquid phase known as stationary stationary while the mobile phase circulates in the so-called ascending mode (Fig.l A) if it is lighter than the stationary phase , and in descending mode (Fig.l B) if it is heavier.
  • the chromatographic process that is to say the sharing of the molecules to be purified between the two liquid phases, takes place in each cell, and the mass transfer is favored by a good dispersion of the mobile phase arriving from the channel in each cell.
  • each CPC cell can be characterized (Fig. 2A) by its length L, measured in a radial direction (or close to a radial direction), by its width, I, measured in a direction normal to ( or close to) the radial direction, these first two quantities being measured in a plane normal to the axis of rotation ⁇ , and by the thickness, e measured in a direction parallel to (or close to) the axis of rotation. It is easy to verify that the choice of these three dimensions for a given volume of cell has a great impact on the efficiency of the separation obtained.
  • the problem of choosing the right size of cells arises when we want to design an efficient separation system but also when we want to change the size to pass from an analytical type installation to an industrial type installation or vice versa while maintaining the same efficiency.
  • the method according to the invention is the dimensioning of the cells of a liquid-centrifugal liquid chromatography column comprising a network of three-dimensional cells interconnected in series and communicating with means for circulating liquid phases, the cells being distributed around the periphery of at least one disc driven in rotation, two dimensions of the cells being oriented in a plane substantially normal to (or close to) the axis of rotation of the disc.
  • the third dimension is chosen which is directed in a direction substantially parallel to (or close to) the axis of rotation, so that it is at least equal to the one of the other two dimensions (L, 1), and preferably larger.
  • the size of the cells is preferably increased by essentially increasing their third dimension (e) and in addition, if necessary , the other two dimensions (L, 1).
  • the size of the cells is preferably reduced by essentially reducing their third dimension (e) and in addition if necessary the first and the second dimension (L, 1), to keep the third dimension (e) at least equal to one of the other two dimensions (L, 1).
  • this dimensioning rule makes it possible to increase the efficiency and the productivity of the chromatography apparatuses.
  • FIG. 1A, 1B show a diagram of principle of a CPC type separation apparatus comprising several interconnected cells associated with means of circulation of fluids, which is subjected to an acceleration g, in the case where the mobile phase circulates in the so-called ascending mode (Fig.l A) and in the case where the mobile phase circulates in the so-called descending mode (Fig.l B ), depending on whether it is lighter or heavier than the stationary phase;
  • - Figures 2A, 2B show two examples of cells of different sizes with non-homothetic dimensions;
  • - Figure 3 shows an example of a disc with cells hollowed out in its thickness; and
  • - Figure 4 schematically shows an arrangement of cells all around a disc.

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Abstract

Méthode pour dimensionner les cellules d'une << colonne >> de chromatographie liquide-liquide centrifuge (colonne CPC) constituée de disques empilés, sur lesquels sont gravés les cellules reliées en cascade (en série) par des petits canaux. La rotation de la pile crée un champ d'accélération centrifuge important qui permet de maintenir immobile une phase liquide, dite stationnaire, tandis qu'une phase mobile circule le long de la colonne CPC. Les cellules sont tridimensionnelles avec deux dimensions (L, 1) des cellules étant orientées dans un plan sensiblement normal à l'axe de rotation (ohm) du disque et une troisième dimension (e) qui est dirigée selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation, et que l'on choisit de façon qu'elle soit au moins égale à l'une des deux autres dimensions (L, 1), ce qui procure une meilleure efficacité. Quand on doit changer l'échelle des appareils, on modifie la taille des cellules en veillant dans tous les cas à privilégier cette troisième dimension (e) qui doit être la plus grande possible. - Applications à la conception d'appareils de chromatographie analytique ou préparative.

Description

METHODE POUR UN DIMENSIONNEMENT OPTIMAL DES CELLULES D'APPAREILS DE CHROMATOGRAPHIE DE PARTITION CENTRIFUGE
La présente invention concerne une méthode de dimensionnement des cellules d'appareils de chromatographie liquide-liquide centrifuge. Dans ce type d'appareil constitué par l'interconnexion en série d'une ou plusieurs chaîne(s) de cellules, s'effectue la séparation des constituants d'une charge en solution liquide constituée d'au moins deux constituants de coefficients de partage différents tels qu'ils sont entraînés à des vitesses inégales par la phase mobile qui peut être l'une ou l'autre des phases liquides. ETAT DE LA TECHNIQUE Une technique connue de séparation de constituants A et B en solution dans un mélange liquide consiste à l'injecter dans une "colonne chromatographique" soumise à une force centrifuge, qui est conçue pour que l'une des phases liquides puisse être percolée dans l'autre phase liquide et réciproquement (chromatographie dite CCC ou CPC). Dans la pratique, comme le montrent notamment les brevets FR 2.791.578, US 4.551.251 US 4 877 523 ou US 4.857.187, ce type de système comprend un ou plusieurs empilements de disques entraînés en rotation. Chacun d'eux comporte (Fig.4) dans son épaisseur et sur toute sa périphérie une succession de cellules CE disposées suivant une direction radiale ou oblique et mises en série par un ensemble des circuits de fines canalisations tortueuses B aux extrémités de chaque cellule. Les circuits de tous les disques communiquent les uns avec les autres. Les cellules CE et leurs circuits de communication B sont remplis d'une phase liquide stationnaire maintenue en place par la force centrifuge et une autre phase liquide mobile qui percole la phase stationnaire. La rotation de l'empilement crée un champ d'accélération centrifuge important qui permet de maintenir la phase liquide dite stationnaire fixe tandis que la phase mobile circule dans le mode dit ascendant (Fig.l A) si elle est plus légère que la phase stationnaire, et en mode descendant (Fig.l B) si elle est plus lourde. Le processus chromatographique., c'est-à-dire le partage des molécules devant être purifiées entre les deux phases liquides, a lieu dans chaque cellule, et le transfert de masse est favorisé par une bonne dispersion de la phase mobile arrivant du canal dans chaque cellule. Pour obtenir une meilleure séparation, il est possible par exemple, comme il est décrit dans la demande de brevet FR-03/08.076, d'injecter la charge en un point intermédiaire de la chaîne de cellules constitutives de la colonne, et de réaliser des cycles alternés de deux phases, avec une première phase durant un premier intervalle de temps où l'on injecte du solvant plus léger par une première extrémité du dispositif et l'on recueille un premier composant à une deuxième extrémité du dispositif, et une deuxième phase durant un deuxième intervalle de temps où l'on injecte du solvant plus lourd par la deuxième extrémité du dispositif et l'on recueille un deuxième constituant à la première extrémité. On ajuste les durées respectives de la première et de la deuxième phase et/ou les débits d'injection du solvant plus léger et du solvant plus lourd en fonction des constituants du mélange, de manière à obtenir une séparation optimale. Quelle que soit sa forme, chaque cellule CPC peut être caractérisée (Fig.2A) par sa longueur L, mesurée dans une direction radiale (ou proche d'une direction radiale), par sa largeur, I, mesurée dans une direction normale à (ou proche de) la direction radiale, ces deux premières grandeurs étant mesurées dans un plan normal à l'axe de rotation Ω, et par l'épaisseur, e mesurée selon une direction parallèle à (ou proche de) l'axe de rotation. On vérifie facilement que le choix de ces trois dimensions pour un volume donné de cellule, a une grande incidence sur l'efficacité de la séparation obtenue. Le problème de choisir le bon dimensionnement des cellules se pose lorsque l'on veut concevoir un système de séparation efficace mais aussi lorsque l'on veut en modifier la taille pour passer d'une installation de type analytique à une installation de type industriel ou réciproquement tout en conservant la même efficacité. La méthode selon l'invention La méthode selon l'invention a pour objet le dimensionnement des cellules d'une colonne de chromatographie liquide-liquide centrifuge comprenant un réseau de cellules tridimensionnelles interconnectées en série et communiquant avec des moyens de circulation de phases liquides, les cellules étant réparties à la périphérie d'au moins un disque entraîné en rotation, deux dimensions des cellules étant orientées dans un plan sensiblement normal à (ou proche de) l'axe de rotation du disque. Pour une plus grande efficacité et un meilleur rendement, on choisit la troisième dimension (e) qui est dirigée selon une direction sensiblement parallèle à (ou proche de) l'axe de rotation, de façon qu'elle soit au moins égale à l'une des deux autres dimensions (L, 1), et de préférence plus grande. Pour augmenter l'échelle des appareils de chromatographie (par exemple pour passer d'un appareil de chromatographie analytique à un appareil industriel), on augmente de préférence la taille des cellules en augmentant essentiellement leur troisième dimension (e) et en complément, si nécessaire, les deux autres dimensions (L, 1). Pour diminuer au contraire l'échelle des appareils de chromatographie (passer d'un appareil de chromatographie industriel à un appareil analytique), on diminue de préférence la taille des cellules en diminuant essentiellement leur troisième dimension (e) et en complément si nécessaire la première et la deuxième dimensions (L, 1), pour conserver la troisième dimension (e) au moins égale à l'une des deux autres dimensions (L, 1). Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, cette règle de dimensionnement permet d'augmenter l'efficacité et la productivité des appareils de chromatographie. Présentation succincte des figures Les caractéristiques et avantages de la méthode apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où : - les figures 1A, 1B montrent un schéma de principe d'un appareil de séparation de type CPC comprenant plusieurs cellules interconnectées associées à des moyens de circulation de fluides, qui est soumis à une accélération g, dans le cas où la phase mobile circule dans le mode dit ascendant (Fig.l A) et dans le cas où la phase mobile circule dans le mode dit descendant (Fig.l B), selon qu'elle est plus légère ou plus lourde que la phase stationnaire ; - les figures 2A, 2B montrent deux exemples de cellules de tailles différentes avec des dimensions non homothétiques ; - la figure 3 montre un exemple de disque avec des cellules creusées dans son épaisseur ; et - la figure 4 montre schématiquement une disposition des cellules tout autour d'un disque. Description détaillée On a vérifié qu'un film de phase mobile introduit en haut de la cellule a une trajectoire et un comportement étroitement liés aux trois dimensions L, 1 et e. L'orientation (Figure 2) du vecteur accélération de Coriolis, r∞_ , qui a une grande importance dans l'évolution des régimes d'écoulement dans les cellules, différentie fondamentalement les dimensions 1 et e puisqu'il est orienté dans la direction de 1 et pas du tout dans la direction de e. Il ressort des études que, vu les emplacements des entrées connectant chaque cellule aux canaux qui la lient aux cellules suivante et précédente, une variation des trois grandeurs L, 1 et e a une répercussion très différente sur les caractéristiques hydrodynamiques de l'écoulement dans la cellule. La nature des écoulements (type film oscillant ou spray) est très fortement corrélée à la vitesse linéaire d'entrée, Ne, de la phase mobile dans la cellule, laquelle est proportionnelle à la racine cubique du rapport débit volumique / épaisseur e; ce paramètre (Ne) est indépendant de L et 1, et impute à e un rôle fondamental qui n'a jamais été décrit jusqu'ici. Il faut donc privilégier des profils de cellule qui permettent, en provoquant l'apparition d'écoulements dispersés, de travailler à des débits importants tout en augmentant l'efficacité et la productivité d'un instrument de CPC (temps d'analyse plus courts, et/ou rendements horaires plus élevés). Des études détaillées ont permis de montrer : a) qu'un accroissement de l'épaisseur e important au regard des variations possibles de L et de 1 aura des conséquences favorables sur les écoulements, tout en permettant de donner à la cellule une dimension conforme selon les usages à l'échelle préparative ou industrielle ; et b) que l'épaisseur e doit être de préférence supérieure ou au moins égale à toutes les autres dimensions de la cellule. On a vérifié qu'un système de séparation avec des cellules ainsi conformées privilégiant l'épaisseur e est bien plus efficace (au sens chromatographique) que les cellules où les deux dimensions L et 1 sont plus grandes, ce qui est le cas dans les systèmes existant sur le marché. Le comportement hydrodynamique des fluides présents dans une colonne de chromatographie de partition centrifuge (CPC) est intimement lié, on l'a vu, à la conformation des cellules. Aussi, le changement de la taille des cellules (leur agrandissement pour une utilisation à l'échelle industrielle ou leur rapetissement au contraire pour une utilisation analytique) par une simple homothétie ne donne pas de bons résultats. De ce fait, si l'on doit, pour les applications industrielles, agrandir la taille des cellules de CPC (cellule dite analytique de la Fig.2A par exemple), quelle que soit leur forme, il faut essentiellement accroître leur épaisseur e, et accessoirement augmenter leur longueur L et/ ou leur largeur 1 (cellule dite préparative de la Fig.2B). A titre d'exemple non limitatif, on peut choisir des épaisseurs e au moins deux fois plus grande que les deux autres dimensions.

Claims

REVENDICATIONS
1) Méthode pour dimensionner les cellules d'appareils de chromatographie liquide- liquide centrifuge comprenant un réseau de cellules tridimensionnelles interconnectées en série communiquant avec des moyens de circulation de liquides, les cellules étant réparties à la périphérie d'au moins un disque entraîné en rotation, une première et une deuxième dimensions (L, 1) des cellules étant orientées dans un plan sensiblement normal à l'axe de rotation (Ω) du disque, caractérisée en ce que l'on choisit la troisième dimension (e) qui est dirigée selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation, de façon qu'elle soit au moins égale à l'une des deux autres dimensions (L, 1). 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle pour augmenter l'échelle des appareils de chromatographie, on modifie la taille des cellules en augmentant essentiellement leur troisième dimension (e) et en complément si nécessaire, les deux autres dimensions (L, 1). 3) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle pour diminuer l'échelle des appareils de chromatographie, on modifie la taille des cellules en diminuant essentiellement leur troisième dimension (e) et en complément si nécessaire la première et la deuxième dimensions (L, 1), pour conserver la troisième dimension (e) au moins égale à l'une des deux autres dimensions (L, 1).
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