EP3200889A1 - Procede de chromatographie sur un garnissage multicapillaire - Google Patents

Procede de chromatographie sur un garnissage multicapillaire

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EP3200889A1
EP3200889A1 EP15770952.8A EP15770952A EP3200889A1 EP 3200889 A1 EP3200889 A1 EP 3200889A1 EP 15770952 A EP15770952 A EP 15770952A EP 3200889 A1 EP3200889 A1 EP 3200889A1
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EP
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diameter
packing
ducts
molecular
separated
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EP15770952.8A
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François Parmentier
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Definitions

  • the present invention relates to optimizing the morphology and porosity of multicapillary packings in operation.
  • Chromatography is a particular technique, which has its own advantages and constraints and differs from other related techniques by the implementation of solid packings and fluids, such as adsorption and heterogeneous catalysis.
  • Patent application WO 201 1/1 14017 describes a multicapillary monolith.
  • This invention describes a monolith consisting mainly of silica or alumina whose walls are porous so as to allow rapid equilibration of the composition between adjacent conduits and its application to chromatography.
  • fluid streams are remixed by convection and form a continuum.
  • fluid streams are convectively independent and only communicate by molecular diffusion.
  • the porous structure of the walls therefore represents a fundamental character of the effectiveness of these packings.
  • An object of the invention is to define the properties of a multicapillary packing allowing to obtain an optimal efficiency for a given solute and hydrodynamic walking conditions.
  • the invention provides a chromatography process in which a gaseous, liquid or supercritical mobile phase containing species to be separated is circulated through a packing comprising a stationary phase, said packing being characterized in that:
  • the material of the walls of said conduits comprises a network of related pores, said pores forming passages from one conduit to the other allowing molecular diffusion to take place between adjacent conduits, said pores having an average diameter greater than twice the molecular diameter of at least one species to be separated,
  • the average diameter of the ducts is less than 50 ⁇ .
  • the capillary ducts pass through the packing from one side to the other between the upstream face and the downstream face.
  • the capillary ducts are included in the lining and have at least one end opening into said lining.
  • the ratio, referred to as the "relative dispersion height", of the theoretical plateau height (H dis p) due to the inhomogeneities of the lining on the total theoretical plateau height (H) of the lining is less than 0.66. preferably less than 0.3 and more preferably less than 0.1.
  • the species to be separated have a molecular radius R h in the elution solvent, a molecular diffusion coefficient D 0 in the elution solvent, a molecular diffusion coefficient D s in or on the stationary phase, a partition coefficient K between the stationary phase and the elution solvent, a retention factor k 'in the chromatographic column, and
  • the packing means comprises conduits diameter d c separated by medium wall thickness e of the irregularity is defined by a standard deviation of diameter d c returned to its average SigmaD.par a standard deviation of the thickness d e brought back to its average SigmaE, and by a standard deviation of the length of the ducts brought back to its average SigmaL,
  • the porous material constituting the walls has a porous volume fraction P, a stationary phase volume fraction V0 istat or an adsorption specific surface S, a tortuosity T, and the associated pore network has a diameter of:
  • the mobile phase flows with the average speed v c in the ducts and
  • the ratio called “relative dispersion height”, the theoretical plateau height (H di sp) due to the inhomogeneities of the packing on the total theoretical plateau height (H) of the packing is calculated at the optimum efficiency of the packing. given by the VanDeemter curve.
  • the conduits have an average diameter of less than 30 ⁇ , and preferably less than 10 ⁇ .
  • the capillary ducts are substantially rectilinear and parallel to each other
  • the ducts have a section that is substantially uniform with respect to each other
  • each duct is regular over its entire length
  • the pore network of the packing has an average diameter greater than 5 times the molecular diameter of the species to be separated and preferably greater than 10 times the molecular diameter of the species to be separated.
  • the mobile phase is in the condensed state and said pore network has an average pore diameter greater than 2 nanometers, preferably greater than 10 nanometers, and even more preferably greater than 100 nanometers. nanometers.
  • the mobile phase is in the gaseous state and the pores have a diameter greater than the average free path of the molecules.
  • FIG. 1 is a sectional view of a principle view of a cylindrical multicapillary packing in a direction parallel to its major axis.
  • FIG. 2 is a sectional view of a principle view of a cylindrical multicapillary packing in a direction perpendicular to its major axis;
  • FIG. 3 shows the physical scheme used to simulate the behavior of multicapillary packings.
  • FIG. 4 schematically shows the numerical scheme used to simulate the behavior of the multicapillary packings.
  • FIG. 5 shows the relationship between NEPT and the length of the lining for porous multi-capillary monoliths and non-porous multi-capillary monoliths.
  • FIG. 6 shows the appearance of transient diffusion phenomena.
  • FIG. 7 shows the same diffusive phenomenon projected on a set of adjacent ducts.
  • FIG. 8 shows the correlation between Hdisp and Dfactor.
  • FIG. 9 exemplifies the nature of the numbers characterizing a porous medium.
  • FIG. 10 schematizes the characteristic sizes of the molecules interacting with the walls in a porous medium.
  • FIG. 11 compares the pressure drop of multicapillary and particulate packings
  • FIG. 12 shows a Van Deemter curve obtained by simulation
  • FIG. 13 describes an elution chromatography method.
  • FIG. 14 schematically represents a computer simulation of the separation of two chemical species on a porous-walled multicapillary packing whose diameter of the communicating pores is greater than twice the molecular diameter of these two species.
  • FIG. 15 schematically represents a computer simulation of the separation of the same chemical species on a packing having identical dimensional characteristics to that used in the simulation of FIG. 14 but whose communicating pore diameter is greater than twice the molecular diameter. of one species and is less than twice the molecular diameter of another species.
  • FIG. 16 represents a sectional view in a direction parallel to its major axis of a variant of a packing for the chromatography according to the invention in which the conduits are included in a porous monolithic mass and are stacked and juxtaposed.
  • FIGS. 17 to 24 are views of the construction of a chromatography column
  • FIGS. 25 and 26 show a mode of assembly of precursor wires of the ducts of a monolith
  • FIG. 27 schematically represents the assembly of the bundle of wires in the part 90.
  • Figure 28 shows a perforated sheet whose holes are divided into layers of three different diameters.
  • FIG. 29 represents chromatographic responses of the same column in the case where the eluted molecule has a molecular diameter less than twice the pore diameter allowing diffusion between the adjacent ducts (dashed curve), and in the case or its molecular diameter, greater than twice the diameter of the pores, does not allow it (curve in solid line), the column containing three families of conduits of different diameters arranged in superimposed layers,
  • FIG. 30 represents chromatographic responses of the same column in the case where the eluted molecule has a molecular diameter less than twice the pore diameter allowing diffusion between the adjacent ducts (dashed curve), and in the case or its molecular diameter, greater than twice the diameter of the pores, does not allow it (curve in solid line), the column contains conduits whose diameters are distributed randomly according to a Gaussian law whose standard deviation corresponds to 5% of the average diameter of the ducts.
  • Figures 31 to 34 show chromatograms obtained using a device according to the invention.
  • a multicapillary packing comprising between the walls of the conduits a porous solid including at least one population of related pores through which the diffusion molecular species to separate can take place. These pores provide a free passage to molecular diffusion between adjacent conduits.
  • this process is continued until complete elution of the separated species out of the stationary phase.
  • the chromatographic method will advantageously be characterized by its behavior in the linear regime, ie for a brief injection in the form of a well of products to be separated. Under these conditions the dilution of the species is large and the partition coefficient of the species to be separated with the stationary phase does not depend on the concentration.
  • such a chromatographic separation or such a chromatographic method will be characterized in that it comprises at the optimum of efficiency advantageously at least 300 theoretical stages, and preferably at least 1000 theoretical stages.
  • the length of the lining will be greater than 10 mm.
  • the volume of the micropores and mesopores of the material constituting the walls of the packing measured by nitrogen absorption will be greater than 0.1 cm 3 / g and preferably greater than 0.2 cm 3 / g.
  • the ratio between the volume of the ducts of the lining material and the volume of the lining measured by the ratio between the volume calculated according to the geometrical dimensions of the conduits and the total volume of the packing is greater than 20%, preferably greater than 35%, even more preferably greater than 50% and particularly advantageously greater than 65%.
  • Chromatographic elution chromatography and affinity chromatography are distinguished in the field of the chromatographic process.
  • the invention involves an elution chromatography method.
  • the elution chromatography may be conducted by any known technique, such as, for example, batch chromatography, continuous radial or axial annular chromatography, and simulated moving bed.
  • Chromatography is applied in liquid, gas and supercritical phases.
  • the present invention is a chromatography process in which a gaseous mobile phase, liquid or supercritical containing species to be separated through a packing is circulated, said packing being characterized in that:
  • the material of the walls has a first population of related pores, ensuring passages from one conduit to the other allowing molecular diffusion to take place between adjacent conduits, pores having a mean diameter (d por e) greater than 2; times the molecular diameter of the molecules to be separated
  • the diameter of the ducts is less than 50 ⁇
  • the mobile phase penetrates the entire first population of related pores so as to produce a monophasic mobile phase continuum between the conduits.
  • the molecular diffusion of the species to be separated between the conduits takes place within said mobile phase continuum.
  • the ratio, referred to as the "relative dispersion height" of the theoretical plateau height (H di sp) due to the inhomogeneities of the packing over the total theoretical plateau height (H) is less than 0.66.
  • this formula comprises static terms connecting the morphological structure of the lining (ex d c, d e) diffusional terms at the molecular level (eg D 0 , D s , C) to hydrodynamic terms which describe its behavior in operation with respect to a fluid flow (ex v 0 ).
  • molecular diffusion is conventionally given by Fick's law. This formula applies for species to be separated characterized by a molecular radius R h in the elution solvent, a molecular diffusion coefficient D 0 in the elution solvent, a molecular diffusion coefficient D s in or on the phase stationary, a partition coefficient K between the stationary phase and the elution solvent, a retention factor k 'in the chromatographic column, for a lining comprising conduits of average diameter d c separated by walls of average thickness d e whose irregularity is characterized by a standard deviation of diameter d c returned to its average SigmaD, by a standard deviation of the thickness d e returned to its average sigmaE, and a standard deviation of the length of the ducts down to its average SigmaL upholstery which the constituent porous material of the walls is characterized by a pore volume fraction P, a volume fraction of stationary phase f V0 ist
  • the ratio known as the "relative dispersion height" of the theoretical plateau height (H di sp) due to the inhomogeneities of the packing on the total theoretical plateau height (H) is calculated at the optimum of the packing efficiency defined by the Van Deemter curve.
  • the material of the walls provides continuity in the condensed phase linking the conduits to each other.
  • These ducts will have a diameter adapted to a chromatographic separation, less than 500 ⁇ , preferably less than 250 ⁇ .
  • these conduits will have a diameter less than 50 ⁇ , preferably less than 30 ⁇ , and even more preferably less than 10 ⁇ .
  • this effective limit is between a conduit diameter of less than 50 ⁇ for the fluids commonly used, and preferably less than 30 ⁇ .
  • the upper limit of the diameter of the capillaries will be obtained when the flow of the fluid at the speed allowing the optimum of the effectiveness of the packing will cause a loss of load equal to the weight of the column of fluid considered on the height of the bed.
  • V R is in general between 2 and 5.
  • dma is the maximum diameter of the ducts allowing a natural balance of gravity chromatography
  • Another limit of the multicapillary packings has been discovered by the inventor. It has been found that when the walls of the ducts are porous the efficiency of the chromatographic process measured by its number of theoretical plates or NPT linearly increases with the length of the column instead of being limited by the imperfections of independent ducts not communicating by diffusion.
  • this consideration leads to selecting for a given separation a packing having a porosity adapted to the desired separation.
  • pores of the material constituting the walls of the conduits will therefore be adapted to the size of the molecules to be separated: for condensed phase separation, a related population of these pores advantageously has an average diameter greater than twice the molecular diameter of the molecules to be separated, and preferably between 2 and 1000 times the molecular diameter of the molecules to be separated. These pores provide a connected passage from one conduit to another allowing molecular diffusion to occur between adjacent conduits.
  • these pores constitute a continuum whose morphology and volume fraction are such that they make it possible to cross the percolation threshold making it possible to make the material permeable to diffusion between the adjacent ducts.
  • these pores have a diameter greater than the mean free path of the molecules for application in gas phase chromatography.
  • molecules of molecular weight between 0 and 1000 g / mol will be separated with communicating pore sizes of the material of the walls between the ducts of between 4 and 30 nm
  • molecules of molecular weight of 10000 g / mol will be separated with
  • the communicating pore sizes of the wall material between the ducts between 10 and 100 nm the molecular weight molecules of 100,000 g / mol will be separated with communicating pore sizes of the wall material between the ducts of between 30 to 300 nm.
  • conduits are essentially free to the circulation of a fluid.
  • free flow of a fluid is meant that the pressure drop of a fluid through a conduit is less than 3 times the pressure drop in said completely empty conduit of solid material.
  • the ducts are advantageously empty of solid matter.
  • its pore volume will advantageously be greater than 95% by volume, advantageously greater than 98% by volume.
  • the inventor has discovered that the diffusivity of the molecules to be separated through the walls of a multicapillary packing makes it possible to considerably increase the effectiveness of this packing in terms of separating power and to make this efficiency directly proportional to the length of this packing. .
  • the efficiency of the packing obtained is not equal to that of a single capillary, and the recorded loss of efficiency results in an additional theoretical plateau height which is added to the theoretical plateau height of the single capillary or a perfectly regular ideal filling.
  • a chromatographic process in a porous multicapillary packing is subjected to a diffusional remixing phenomenon between adjacent ducts.
  • Concentration x has the shape of a bell curve that spreads and collapses over time by diffusion of matter in the infinite medium.
  • this area is divided by the unit area of an elementary cell of the packing having the mean section of a conduit and its stationary phase, that is, the section of the packing divided by the number of conduits, a characteristic quantity of the number of conduits in interactions at time t is obtained.
  • SigmaD is defined in this text and in the claims as the relative standard deviation (standard deviation / mean) of the hydraulic diameter of the ducts.
  • k ' is calculated as the ratio of the amount of solute or species to be separated in the stationary phase to the amount of solute in the mobile phase at equilibrium.
  • K is the partition coefficient of the chemical species considered between the stationary phase and the mobile phase.
  • concentration in the stationary phase can be conveniently calculated on the basis of a ratio of the adsorbed component mass to the volume of the stationary phase. This allows to retain the definition of K.
  • SigmaE is defined in this text and in the claims as the relative standard deviation (standard deviation / mean) of the stationary phase thickness surrounding the duct between the different ducts.
  • SigmaL is defined in this text and in the claims as the relative standard deviation (standard deviation / mean) of the length of the conduits. It is noted that a set of full-walled capillaries will be very poor in terms of chromatographic performance, limited in practice to a few hundred theoretical plates. This results in the need to confer on the walls of the ducts a porous structure allowing the molecular diffusion of take place between adjacent ducts.
  • N linearly increases with time
  • the N max efficiency increases linearly with time and thus with the length of the lining, which is consistent with a partial dispersion height constant over time.
  • the number N can be correlated with the Gaussian spread by the formula: 2 * D real * t R
  • the number of e is calculated assuming all the volume contained in the walls of the ducts of the lining distributed uniformly and concentrically on the periphery of the ducts.
  • the number of e is equal to twice the thickness of this layer.
  • It can also be computed by computer.
  • the operating parameters and the morphology of the packing should be such that the Relative Dispersion Height does not exceed 0.66 for the species to be separated.
  • this Relative Dispersion Height will not exceed 0.5, and even more preferably will be less than 0.3.
  • Relative Dispersion will be less than 0, 1.
  • the dispersion height can be known from the following formula:
  • Such a column may comprise a central duct of diameter equal to the average of the diameter of the ducts equal to the square root of the arithmetic mean of the square of their diameters, on its periphery a thickness of a stationary phase identical to that of the actual packing and having a thickness equal to the arithmetic mean of its thickness in the packing, and having a length equal to the square root of the arithmetic average of the square of their length.
  • the same quantities can be used to simulate or measure on an ideal multicapillary packing.
  • Ht h eo can be calculated analytically, obtained by experience or obtained by a computer simulation.
  • porous fractions filled with mobile phases in the wall the tortuosity and the average pore size and pore size distribution of these porous fractions as well as the molecular diffusivity of the species to be separated measured in these phases under the conditions of the separation chromatographic.
  • tortuosity the tortuosity
  • average pore size and pore size distribution of these porous fractions as well as the molecular diffusivity of the species to be separated measured in these phases under the conditions of the separation chromatographic.
  • the geometry of the wall including details such as the position and the dimensions of the zones filled by the organic gel, the organic liquid and the mobile phase and any dead zones or filled by fluids or substrates other than the mobile phases, organic liquid and organic gel, as well as diffusivity
  • H theo for a non-retained compound can be advantageously calculated in a preliminary manner by the formula:
  • the medium in which the diffusion of the species to be separated occurs is not a homogeneous medium. It contains free conduits in which flows a fluid, or live volume containing a living mass, and a stagnant volume present in the pores comprising the eluent phase and the stationary phase.
  • the diffusion coefficient of the species to be separated in the actual medium of the packing can be modeled by the following formula corresponding to a conduction in parallel in the center of the conduits and in the walls of the packing associated in series with a conduction in a thickness of the material of the walls:
  • ConstProp constant The value of the ConstProp constant is found to be 0.778 by a computer simulation study.
  • Porosity is the proportion of related pore volume of the material constituting the walls of the packing, it is a characteristic published in the data sheets of the commercial materials.
  • Porosity P is measurable by mercury porosimetry for pores larger than 50 nm, by nitrogen adsorption for pores smaller than 50 nm.
  • the pore size is derived from these same techniques.
  • Tortuosity represents the spatial path that a molecule has to traverse to get from one point to another in the porous material by moving away from the straight line. It is a commonly accepted and documented value.
  • Factor C measures the reduction of solute molecular diffusivity related to the pore size of the wall material.
  • K r l- 2,104 * to + 2,089 * to 2 - 0,948 * to 3
  • R h is the molecular radius of the species molecule to be separated considered as a sphere and r 0 is the radius of the pores.
  • K p is a factor that accounts for a difference in equilibrium concentration between the pores and the infinite medium.
  • K r takes into account the steric genes of the molecules to be separated in the pore volume.
  • organic 0.15 2 0.15 0.72 0.73 0.53 organic 0.15 4 0.075 0.86 0.85 0.73 organic 0.15 6 0.05 0.90 0.90 0.81 organic 0.15 10 0.03 0.94 0.94 0.88 protein 1.5 6 0.5 0.25 0.35 0.09 protein 1.5 10 0.3 0.49 0.53 0.26 protein 1.5 0.1 0.81 0.81 0.66 protein 1.5 100 0.03 0.94 0.94 0.88 macromolecule 5 0.33 0.44 0.50 0.22 macromolecule 5 100 0.10 0.81 0.81 0.66 macromolecule 5 300 0.03 0.93 0.93 0.87
  • the tortuosity of the medium that is to say the length that the molecule must actually travel to join two points bypassing the obstacles formed by the walls of the pores. It is expressed as the ratio of the distance in a straight line to the distance actually traveled on average.
  • the effective diffusivity is considered to be written using the grouping in the formula giving FDiff: D e fpD 0 * P * C / T.
  • FDiff D e fpD 0 * P * C / T.
  • the partition coefficient is reduced to the volume of the liquid stationary phase or gel.
  • the partition coefficient is reduced to the volume of the gel or solid excluding the pores,
  • the partition coefficient is reduced to the volume of the gel or solid excluding the pores.
  • the volume taken into account is the unsolvated volume by the solute. It will be noted that the effect of solvation by the mobile phase is taken into account in the effective volume of the gel.
  • fvoistat is the volume fraction of the non-solvated stationary phase by a solute and excluding its pores in the walls of the conduits and K is the partition coefficient measured between the stationary phase considered as said homogeneous non-porous and unsolvated volume by the solute and containing said solute, and the mobile phase, and is expressed in (mole / m 3 ) / (mole / m 3 ).
  • conduits of circular, hexagonal or square sections will be made.
  • these ducts will be stacked at the vertices of a constant triangular or square mesh.
  • Duct openings shall be open and open on each side of the liner.
  • the variability (or standard deviation) on the diameter of the conduits will be less than 15% of their average diameter, preferably 5% of their average diameter, and more preferably 2.0% thereof.
  • the wall material will have a porosity greater than 15% by volume, and preferably greater than 40% by volume. This magnitude affects both the porosity factor P and the tortuosity factor T.
  • a packing having a high pore volume ratio will be less tortuous. It will be so much more effective.
  • packings having a porosity of approximately 60% by volume will be used.
  • the pores of the material will be adapted to the size of the molecules to be separated: for condensed phase separation, a population of these pores advantageously has an average diameter greater than twice the molecular diameter of the molecules to be separated, and preferably between 2 times and 1000 times the molecular diameter of the molecules to be separated. These pores provide a connected passage from one conduit to another allowing molecular diffusion to occur between adjacent conduits. Advantageously, these pores have a diameter greater than the mean free path of the molecules for application in gas phase chromatography.
  • the walls shall be made so as to give their thickness, topology and homogeneity a great regularity. This means that the thickness d e will have a standard deviation better than 30% of its average value between the ducts and for the same duct. Preferably, this standard deviation will be better than 10% of its mean value. This may be achieved for example by a coating process by continuous dipping of a regular and circular wire. The fibers are then removed as described in patent application WO 201 1/1 14017 for example.
  • the packing according to the invention is characterized in that it preferably develops more than 300 theoretical plates at the optimum of efficiency, preferably more than 1000 theoretical plates, and still more advantageously more than 10000 theoretical plates.
  • porous commercial monoliths are intended for a different use of chromatography, in general filtration or membrane separations, and have diameters of ducts greater than 0.5 mm and wall thicknesses of the order of a millimeter .
  • the packing walls resulting from sintering ceramics at high temperatures are generally non-porous and more particularly their porosity is not percolating with respect to diffusion.
  • the packings according to the invention may develop more than 500,000 trays.
  • the lining comprises at least part of which:
  • the capillary ducts are substantially rectilinear and parallel to each other
  • the ducts have a diameter which is substantially uniform with respect to each other
  • each duct is regular over its entire length
  • substantially uniform diameter is meant in the present text that the standard deviation on the diameter of the ducts does not differ by more than 15% of their average diameter, Advantageously not more than 5% and even more preferably not 2% of their average diameter.
  • substantially uniform section is meant that the section of a conduit does not vary by more than a factor 3 between two parts of the same conduit.
  • a porous material is selected from the walls having a first population of interconnected pores and with the conduits of diameters such that they allow effective diffusivity of the species to be separated in the walls of the packing at least equal to 10% of their diffusivity.
  • non-porous free medium are selected from the walls having a first population of interconnected pores and with the conduits of diameters such that they allow effective diffusivity of the species to be separated in the walls of the packing at least equal to 10% of their diffusivity.
  • non-porous free medium are non-porous free medium.
  • these pores have a mean diameter of between 1 and 2000 nanometers.
  • this population advantageously has an average pore diameter greater than 2 times, preferably greater than 5 times and even more preferentially greater than 10 times the molecular diameter of the molecules to be separated.
  • this population advantageously has an average pore diameter of less than 1000 times, more preferably less than 100 times and even more preferentially less than 30 times the molecular diameter of the molecules to be separated.
  • the average diameter of the communicating pores of the material are greater than 2 times and less than 1000 times, more preferably greater than 2 times and less than 100 times and even more preferably greater than 5 times and less than 30 times the molecular diameter of the molecules to to separate.
  • the molecules of organic chemistry are divided into small molecules with a molecular diameter of about 0.3 nanometers, large intermediate-sized molecules such as proteins, and large macromolecules.
  • molecules of molecular weight between 0 and 1000 g / mol will be separated with communicating pore sizes of the material of the walls between the ducts of between 4 and 30 nm
  • molecules of molecular weight of 10000 g / mol will be separated with
  • the communicating pore sizes of the wall material between the ducts between 10 and 100 nm the molecular weight molecules of 100,000 g / mol will be separated with communicating pore sizes of the wall material between the ducts of between 30 to 300 nm.
  • the optimum communicating pore size (in nm) of the material of the walls between the lining ducts will be expressed as a function of the molecular weight MW (in kg / mole) of the species to be separated by the law:
  • these pores have a diameter greater than the mean free path of the molecules for application in gas phase chromatography.
  • this material will contain a second population of pores in open contact with the first population.
  • this second population will have a pore diameter smaller than that of the first population.
  • the pore volume of the first population will represent more than 40%, preferably more than 50% and even more preferably more than 60% of the pore volume of the porous material of the packing, a pore volume calculated excluding the volume of the ducts. that is to say considering only the volume of the lining external to the walls of the ducts.
  • the pore volume of the second population will represent between 10% and 60% of the pore volume of the porous material of the packing.
  • bimodal monolithic silica gels will be used, the first population being macroporous and the second population mesoporous.
  • this monolith is made of a silica gel.
  • the first population consists of macropores, and the second population of mesopores.
  • the pore size of the packing according to the invention can be perfectly controlled by using a binder charge process for its manufacture.
  • a powdery filler is agglomerated by the action of an organic or inorganic binder.
  • the charge may advantageously consist of a porous stationary phase for chromatography such as silica, alumina, cellulose, etc.
  • the binder can be a soil, a soil gel process, a clay, a ceramic, a polymer, etc.
  • silicas can be crushed and sieved to obtain any desired particle size, for example between 0.2 ⁇ and 500 ⁇
  • Their shaping multicapillary packing can be done using a binder around bundled fibers to form a matrix. The fibers are then removed leaving their imprint in the form of conduits in the matrix.
  • this packing will be performed by a bimodal silica gel for separations of macromolecules:
  • this packing is made of a monolithic organic polymeric gel.
  • the organic gel is a copolymer of styrene and divinylbenzene.
  • the copolymers of styrene and divinyl benzene exhibit high diffusivity and permeability with respect to molecules dissolved in a solvent. In order to increase this diffusivity, the rate of styrene is decreased. This decrease has the effect of varying the pore size of the material.
  • the weight of divinylbenzene in styrene can be varied between 20% and 2%, a high rate reducing the pore size.
  • these organic gels can be made from monofunctional monomer mixtures and multifunctional monomers polymerized in a porogenic medium. The multifunctional monomers crosslink the polymer obtained.
  • These monomers can be acrylates, methacrylates, acrylamides, methacrylamides, vinyipyrrolidones, vinylacetates, acrylic acid, methacrylic acid, vinyl sulfonic acid, etc.
  • the monofunctional monomer level may vary between 2% and 98% by weight of the total monomers.
  • the bi or multifunctional monomers may be monomers based on benzene, naphthalene, pyridine, alkyl ethylene, glycol, etc. having two or more vinyl functional groups.
  • the level of bi or multifunctional monomer may vary between 100% and 2% by weight of the total monomers.
  • said content is between 98% and 60% by weight of the total monomers.
  • the porogen is any material or product that can be removed after the polymerization to generate porosity. It can be an organic solvent, water, a decomposable polymer, etc. The choice of the porogen and its quantity determines the average size and the size distribution of the pores obtained.
  • the volume of porogen is between 20% and 500% of the volume of the monomers or oligomers constituting the organic gel.
  • the volume of porogen is between 40% and 300% of the volume of the monomers or oligomers constituting the organic gel.
  • Crosslinked dextrans and agaroses are known under the trade names Sephadex and Sepharose (a trademark of GE Healthcare).
  • Figure 1 is a sectional view of a cylindrical multicapillary packing 3 in a direction perpendicular to its major axis.
  • the porous mass is advantageously monolithic.
  • the capillary ducts are straight, parallel, and spaced regularly.
  • the different ducts have morphologies and diameters as identical as possible.
  • Each duct passes through the material, that is to say, it advantageously has its ends open on each side 4 and 5 of the cylindrical packing, allowing the flow of fluid from the inlet side to the outlet side.
  • FIG. 2 is a view from above of a face 5 of the cylindrical packing seen in the direction 6.
  • the openings of the individual capillary ducts 1 can be distinguished in the mass 2.
  • Figure 3 shows the computer simulated physical schema.
  • the conduits distributed on a square or hexagonal mesh exchange material with their neighbors by molecular diffusion through their walls.
  • FIG 4 shows the computer simulated numerical scheme.
  • the multicapillary column is discretized into slices or cells along the axis of the fluid flow (arrow D1). Inside each slice the section of each conduit is discretized into cylindrical symmetry cells (arrow D2).
  • the porous material is characterized by a porosity or void volume fraction, a stationary phase fraction, a tortuosity and a correction coefficient C of the diffusivity calculated on the basis of an average pore size.
  • Ordinary differential equations (ODEs) describing the convective, diffusional material balance and the accumulation of each compound eluted or eluting in each cell are posed and solved sequentially by an explicit Euler numerical integrator with a small time step.
  • Figure 5 shows a first result of the simulations.
  • the curves are plotted with the length of the column (in ⁇ ) on the abscissa and the number of theoretical plates on the ordinate.
  • the diamond-bounded curve that capped at a theoretical number of plates independent of the length represents the behavior of an independent capillary bundle with solid walls.
  • Said curve represents a lining consisting of ducts of randomly varying diameter according to a Gaussian statistical law around an average of 10 ⁇ with a standard deviation of 0.5 ⁇ , for non-porous walls.
  • the diameter of the ducts varies statistically according to a normal distribution.
  • the line delimited by squares represents the behavior of the same column with porous walls allowing the molecules of the substances to be separated to diffuse between the ducts. Efficiency increases linearly with length. Diffusion levels differences in behavior between conduits.
  • This line represents the same beam as the lower curve with porous walls having 55% of pore volume, a wall thickness of 2 ⁇ and a pore size ten times greater than the molecular diameter of the species to be separated.
  • FIG. 6 represents the concentration profile resulting from the diffusion of a component present initially in a pipe after a time t.
  • the matter diffuses in the other conduits.
  • the bell curve Gaussian type obtained spreads and collapses over time.
  • the behavior of each duct becomes a cumulative average of contributions from an increasing number of ducts as time passes.
  • the independent behavior of each duct is leveled and permanently becomes the result of an average on a larger and larger sample of adjacent ducts.
  • Figure 7 shows this behavior.
  • a central duct diffuses into the peripheral ducts and receives material from them, the quantity of material being all the greater as the color attributed to the duct is dark.
  • FIG. 8 represents the correlation obtained between the theoretical plateau height attributable to the dispersion phenomenon Hdisp and the DFactor, both expressed in micrometres. The correlation is linear and excellent throughout the field of operating conditions numerically explored.
  • FIG. 9 represents the different characterization variables of a porous material according to the invention.
  • the material seen in section has solid parts 6 separated by a connected network of pores 7 of diameter 10.
  • the volume fraction of vacuum 7 is the porosity P.
  • the average ratio between the path 9 actually traveled by a diffusing molecule and the optimal path 1 1 is the tortuosity T of the material. It is assumed in this figure that the flow of fluid flows from the top to the bottom of the figure.
  • FIG. 10 schematically represents the ratios between the diameter of the condensed phase diffusing molecules and the diameter of the pores extending through a porous material 12.
  • the large molecules 14 whose diameter is of the order of magnitude the pore diameter is sterically hindered during diffusion.
  • the molecular diffusivity of small species 13 whose diameter is an order of magnitude below that of the pores is not significantly affected.
  • FIG. 11 shows the pressure drop of an aqueous solvent in two columns of the same length, one filled with a spherical particulate stationary phase (45 ° square points), the other with a multi-capillary monolith ( horizontal square points).
  • the abscissa carries the diameter of the particles or conduits in ⁇ , the ordinate the pressure drop in bar.
  • the pressure drop is calculated at the optimum efficiency of the column in both cases. It is found that the pressure drop is a lower order of magnitude with capillary ducts. The difference becomes significant in practice for a characteristic diameter of 30 ⁇ .
  • Figure 12 shows a Van Deemter curve obtained by simulation. This curve is obtained for a capillary diameter 10 ⁇ surrounded by a porous stationary phase film of 55% porous volume and 2 ⁇ thick.
  • the abscissa axis is the velocity of the mobile phase in the channel in ⁇ / s, the ordinate axis represents the theoretical plateau height in ⁇ .
  • the Van Deemter curve shows that the height of a theoretical plate has a minimum corresponding to the optimum efficiency of the column.
  • Figure 13 depicts an elution chromatography method.
  • a continuous flow of mobile phase 28 of composition and temperature possibly variable over time passes through the chromatography column 21 filled with a stationary phase 22.
  • a volume of charge to be separated 23 is injected into the feed stream .
  • the species migrate at different speeds along the column 21 and separate into bands or peaks of elutions 24,25,26, etc.
  • the separated species are isolated by fractionating the flow exiting the column so as to collect each band at the moment of its exit from the column in the elution solvent.
  • This fractionation can be temporal in the case of a discontinuous or angular process in the case of a continuous annular device. It can consist of the separation of a head fraction and a tail fraction for a simulated moving bed device.
  • the chromatogram represents the concentration peaks of the species 24, 25, 26 at the column outlet as a function of time.
  • FIG. 14 schematically represents a computer simulation of the separation of two chemical species on a porous wall-packed multicapillary packing whose diameter of the communicating pores is greater than twice the molecular diameter of these species.
  • the capillary ducts of the packing have a statistical variability on their diameter. These diameters are distributed on a gauss curve whose standard deviation is equal to 5% of their mean diameter.
  • These species are for example a mineral salt such as sodium chloride 40 and a peptide 41 dissolved in water.
  • FIG. 15 schematically represents a computer simulation of the separation of the same chemical species on a packing having identical dimensional characteristics but whose diameter of the communicating pores is greater than twice the molecular diameter of the species 40 and is less than twice the molecular diameter of the species 41.
  • the size of the related pores will be greater than twice the molecular diameter of each of said species.
  • FIG. 16 represents a sectional view in a direction parallel to its major axis of a variant of a packing for the chromatography according to the invention in which the ducts 61, 61 'are included in a porous monolithic mass 63 and are stacked and juxtaposed.
  • the ducts open in an orderly or random manner into the eluent-permeable material 62.
  • these conduits may be precursor fibers cut, stacked and juxtaposed directionally so as to impart an average direction parallel to the flow direction of the fluid in the lining.
  • the ducts are in this case anisotropic macropores, the extent, direction or morphology of which promotes an axial flow of the eluent phase in the packing, and included therein.
  • the ducts are of homogeneous lengths and diameters, and the most parallel possible.
  • FIGS. 17-18 and 19-20 respectively represent two elements constituting the body of the column, namely a lower block 90 and an upper block 91.
  • a housing or channel of rectangular section 93 is hollowed out in the lower block 90. Housing receives and molds the monolith.
  • the synthesis of the monolith is carried out.
  • Figure 17 is a side view of the part 90
  • Figure 18 is a view along its section.
  • L represents the length of the piece. The piece is provided with threaded perforations allowing its assembly.
  • Figure 19 is a view of the upper block 91 along its section
  • Figure 20 is a side view.
  • the part 91 comprises a part maie 94 intended to be embedded in the channel 93.
  • Figure 21 shows a sectional view of the parts 90 and 91 recessed. Their embedding provides a free channel 95 in which the monolith is housed.
  • Figures 22 and 23 respectively show in profile view and in front view the piece 92 of the tip of the column for connecting to the fluidic.
  • the part 92 comprises a welded or sealed tube 121 for bringing or discharging the mobile phase to the sintered filter 130 via an annular space 129.
  • the filter is housed in an annular space 128
  • the perforations 127 make it possible to assemble the column.
  • Figure 24 schematically shows the geometry of the final assembly of the elements 90, 91 and 92.
  • the seal of the assembly can be achieved simply by covering with a film of a two-component adhesive.
  • Figures 25 and 26 show a method of assembling son 152 precursors ducts of a monolith.
  • a sheet 150 is perforated with regular holes 151. Very fine holes of the order of a few tens of micrometers can be made by laser drilling in stainless steel sheet, brass sheet or polymer.
  • the wire 152 is passed between the perforations of two symmetrical opposite plates 150 spaced apart by the length L so as to produce a bundle of parallel wires.
  • the son can be subsequently welded or glued to the sheet 150 by a drop of glue.
  • FIG. 27 schematically represents the assembly of the wire bundle 152 in the part 90.
  • the bundle of wires 152 bounded by the sheets 150 is inserted under a slight tension at the bottom of the groove 93.
  • the sheets 150 provide a temporary seal to both ends.
  • the beam may be filled with stationary phase, and subsequently pyrolyzed, dissolved, melted, or removed by any suitable means.
  • FIG. 28 represents a perforated sheet 150 whose holes are divided into layers of three different diameters 153, 154, 155. It is thus possible to obtain bundles whose wires of three different diameters are arranged in alternating layers.
  • Figures 29 and 30 show chromatographic responses of the same column in cases where the eluted molecule has a molecular diameter less than half the pore diameter allowing diffusion between adjacent ducts (dotted line), and in the case where its molecular diameter greater than half the pore diameter does not allow it (curve in solid line).
  • the x-axis is time
  • the y-axis is the detector's response.
  • the column contains three families of conduits of different diameters arranged in superimposed layers. An example of such an arrangement is shown in section in FIG.
  • the column contains conduits whose diameters are distributed randomly according to a Gaussian law whose standard deviation corresponds to 5% of the average diameter of the ducts.
  • the molecular diameter will be calculated in two ways depending on the molecular weight and characteristics of the substance under consideration.
  • covolume For substances with a gaseous phase or for which we can calculate the coordinates of the critical point, we use the covolume, term b of the Van der Vais equation, divided by 4 and by the number of Avogadro, and we will calculate the diameter of a sphere of equivalent volume. It is known that the covolume b is equal to four times the molecular volume. The covolume is easily accessible from the critical coordinates of the body.
  • hydrodynamic diameter measured by dynamic light scattering will be used.
  • the average diameter and the standard deviation of the duct diameter are calculated as the average hydraulic diameter and its standard deviation measured by image analysis on one or more sections of the lining perpendicular to the ducts.
  • the average diameter is measured as the average hydraulic diameter of a multiplicity of slices along the lining so as to obtain a statistically significant sampling with respect to the variability measured, in order to know the volume and the wet peripheral surface of each pipe and knowing this one its average hydraulic diameter as four times their ratio.
  • the average thickness and the standard deviation of the thickness of the walls of the ducts are calculated. by image analysis obtained by scanning electron microscopy on a wafer of the packing perpendicular to the ducts.
  • the average wall thickness is measured on a multiplicity of slices along the lining so as to obtain a statistically significant sampling with respect to the thickness of the lining.
  • measured variability in order to know the volume of each wall and its wet peripheral surface and knowing it its average thickness on the basis of a constant thickness surrounding the wet peripheral surface of the ducts, obtained as the ratio of the wall volume on the wet peripheral surface.
  • the mean length and standard deviation of the mean duct length are calculated by scanning electron microscopy image analysis on one or more slices of the duct-parallel packing to obtain statistically significant sampling. in view of the measured variability.
  • the lengths are measured on a multiplicity of slices carried out in the packing parallel to its length in order to obtain a statistically significant sampling with regard to the measured variability, in order to know the average length of the conduits and its standard deviation.
  • the volume of the lining outside the duct volumes is easily calculated by subtracting the average volume of the ducts thus determined from the geometric volume of the lining.
  • the molecular diffusion coefficient in a liquid medium will be measured using the KCI calibrated porous diaphragm method for solutions with a concentration greater than 0.001 M, and by the open capillary method for lower concentration solutions and biological molecules (Measurement of coefficients Pierre Turq, Jean-Pierre Simonin, Engineering Techniques, ref. p1515, dated 10/01/1990), paragraphs 3, 21 1 and 3,212.
  • the gas phase molecular diffusion coefficient is measured using the Boardman and Wild editing (Proc., Roy Soc., London, 162, 1937, p 51 1).
  • the method described in the following document will preferably be used: (Measurement of diffusion coefficients, Pierre Turq, Jean-Pierre Simonin Engineering Techniques, ref p1515, dated 10/01/1990 ), 49 and 50 (4), 13.
  • Effective diffusion in a porous complex medium or a gel may alternatively be measured by the KCI calibrated porous diaphragm method, the diaphragm being made of the material to be tested.
  • the value chosen is the worst of the experimental values.
  • the mean of a set of values of a variable X is its arithmetic mean E [X].
  • the standard deviation is defined as the square root of the arithmetic mean of (XE [X ⁇ ) 2 .
  • distribution we mean in the present text a set of values of the variable X.
  • a 6-6 nylon thread is produced with a diameter of 0.043 mm.
  • This wire is arranged on a rectilinear needle frame 220 mm in length.
  • R10030 A are milled to an average particle diameter of about 3 ⁇ .
  • the powder is gradually suspended in 500 ml of a mixture of 200 ml of silica sol HS30 with 30% dry matter and 300 ml of demineralized water.
  • the nylon needles are soaked and covered with this suspension and are dried on their frame under a stream of dry air at 80 ° C.
  • the needles are then cut with an exact length of 200 mm and arranged in a square housing of 2.0 mm side and 200 mm long carved in a sheet of 20x10x200 mm 316L stainless steel, and a flat cover in a sheet of 20x10x200 mm PTFE (Teflon brand registered by DuPont de Nemours).
  • the needles are arranged parallel to each other and regularly in successive layers forming a square section in the lower stainless steel housing so as to fill it with needles.
  • a mixture of 5 ml of Ludox HS30 (trademark Grace, sol of amorphous silica particles 7 nm in diameter, with a specific surface area of 360 m 2 / g, 30% by weight of silica contained) and 0.1 ml of acetic acid is prepared.
  • the bundle of nylon needles in its stainless housing is impregnated with this mixture.
  • the liquid must fill the entire packing, which must be immersed in it.
  • Both parts, stainless steel and teflon are screwed against each other.
  • the mixture is maintained at 90 ° C until complete freezing of the soil.
  • the upper PTFE cover holding the beam is removed from the gel, the ends of the gel are released, and the bundle in its stainless steel housing is gradually carried with a temperature rise of 5 ° C / min up to 95 ° C in an oven . They are kept and dried for 5 hours at this temperature.
  • the dry beam in its stainless steel housing is gradually carried with a rise in temperature of 1 ° C / min up to 550 ° C in an oven to the atmosphere. They are kept 5 hours at this temperature.
  • a cover manufactured in a sheet of 20x10x200 mm of 316L stainless steel is replaced to close the packing in substitution of the PTFE half-shell.
  • the monolith is washed with percolated water percolated by the free ducts.
  • the monolith thus obtained can be used directly for the liquid chromatography of molecular weight molecules from 100 g / mol to 200 g / mol.
  • a 6-6 nylon filde is produced with a diameter of 0.043 mm.
  • This wire is arranged in straight needles 220 mm long.
  • silica gel for 30 nm pore size chromatography (SiliCycle ref S10070 M) is milled to an average particle diameter of approximately 3 ⁇ .
  • a silica sol having a particle size of 40 nm and a solids content of 50% is obtained by addition of deionized sodium silicate (by passage over a cation exchanger), so as to produce at pH 9 and at 90.degree. regular silica deposition on TM 50 soil of Grace in dilute solution.
  • the powder is gradually suspended in 500 ml of a mixture of 200 ml of silica sol at 50% solids and 40 nm particle size obtained above and 300 ml of demineralized water.
  • the nylon needles are soaked and covered with this suspension and are dried under a stream of dry air at 80 ° C.
  • the needles are then cut with an exact length of 200 mm (see FIGS. 25A and B), releasing each side and arranged in a square housing of 2.0 mm side and 200 mm long carved in a sheet of 20x10x200 mm. 316L stainless steel, and a flat cover in a sheet of 20x10x200 mm PTFE (Teflon brand registered by DuPont de Nemours).
  • the needles are arranged parallel to each other and regularly forming a square section in the lower stainless steel housing so as to fill it with needles.
  • a mixture of 5 ml of the sol of 40 nm to 50% dry matter and 0.1 ml of acetic acid is prepared.
  • the bundle of nylon needles in the stainless steel housing is impregnated with this mixture.
  • the liquid must fill the entire packing, which must be immersed in it.
  • Both parts, stainless steel and PTFE are screwed against each other.
  • the mixture is maintained at 90 ° C until complete freezing of the soil.
  • the upper PTFE cover holding the beam is removed from the gel, the ends of the gel are released, and the bundle in its stainless steel housing is gradually carried with a temperature rise of 5 ° C / min up to 95 ° C in an oven . They are kept and dried for 5 hours at this temperature.
  • the dry beam in its stainless steel housing is gradually carried with a rise in temperature of 1 ° C / min up to 550 ° C in an oven to the atmosphere. They are kept 5 hours at this temperature.
  • a cover manufactured in a sheet of 20x10x200 mm of 316L stainless steel is replaced to close the packing in substitution of the PTFE half-shell.
  • the monolith is washed with percolated water percolated by the free ducts.
  • the monolith thus obtained can be used directly for the liquid chromatography of molecular weight molecules of about 1000 g / mol.
  • a mixture containing 8 g of hydroxyethyl methacrylate, 32 g of divinylbenzene, 445 mg of azobisisobutyronitrile and 120 g of dodecanol is prepared and degassed under nitrogen for 20 minutes.
  • This mixture is heated at 70 ° C. for 24 hours.
  • the mixture polymerizes.
  • the monolith A thus produced is washed and percolated with THF for 30 minutes and dried in an oven at 90 ° C.
  • Monolith A is milled under liquid nitrogen until a grain diameter of 25 ⁇ is obtained.
  • the porosity of these grains is filled with a paraffin wax melting at 80 ° C by hot addition of the molten wax into the powder with stirring.
  • a polydioxanone wire is produced with a diameter of 0.05 mm.
  • the wire is covered by dipping and bonding using an aqueous polyvinyl alcohol solution previously deposited with a thin layer of grains of monolith B milled at 25 ⁇ . It is then cut into lengths of 120 mm and assembled into a bundle about 4 mm in diameter in a glass tube 75 mm long, 6.35 mm outer diameter and 4 mm inner diameter previously prepared.
  • a mixture containing 8 g of hydroxyethyl methacrylate, 32 g of divinylbenzene, 890 mg of azobisisobutyronitrile and 120 g of dodecanol is prepared in parallel and degassed under nitrogen for 20 minutes.
  • the previously prepared bundle is filled with this mixture and heated to 70 ° C for 24 hours.
  • the mixture polymerizes.
  • the composite thus produced is released by cutting the sections of wire on either side of the glass tube flush with its ends, perpendicular to said sections.
  • the monolith thus produced is washed with n-octane at 120 ° C. for 30 minutes and then with THF (tetrahydrofuran) at room temperature for 30 minutes.
  • the polydioxanone son are dissolved by 90 ° C N sodium hydroxide percolated through the packing for 1 hour, then the packing is washed with distilled water until neutral and dried at 105 ° C.
  • the monolith is heated in an oven under a high vacuum at 125 ° C, until melting and volatilization of the wax residues and light organic compounds.
  • the monolith thus obtained can be used directly for the liquid chromatography of molecules of molecular weight from 500 g / mol to 5000 g / mol.
  • a monolith is produced according to the protocol described by Example 3.
  • agarose beads are dissolved in one liter of deionized water at 95 ° C.
  • the porosity of the monolith is impregnated with this solution by soaking and drainage at 95 ° C of the core of the pipes and cooling.
  • the monolith is heated to 60 ° C for one hour.
  • the crosslinked gel obtained is washed with hot water until neutral.
  • the monolith thus obtained can be used as a basis for liquid chromatography of proteins.
  • a polymethyl methacrylate wire is produced with a diameter of 0.3 mm.
  • This wire is arranged on a frame.
  • the yarns are covered by dipping a thin film of gradual Araldite (Trade Mark) deposited solvent in methanol.
  • Silica grains for Supelco chromatography a spherical phase with a particle size of between 40 and 75 ⁇ , are adhered to the tensioned wires simply by contact with the Araldite film.
  • the assembly is polymerized 24 hours at 40 ° C
  • the needles are then cut into a beam of length 120 mm by releasing each side and arranged in a square housing of 2.0 mm side and 100 mm long dug in a sheet of 20x10x100 mm 316 stainless steelWorks in parallel with a lid plan in a sheet of 20x10x100 mm PTFE (Teflon brand registered by DuPont de Nemours).
  • the needles are arranged parallel to each other in the lower stainless steel housing so as to fill it with needles.
  • a mixture of 5 ml of Ludox TM50 soil (Grace brand) of 20 nm to 50% dry matter and the amount of glacial acetic acid sufficient to adjust its pH to 7 is prepared.
  • the bundle of nylon needles in the stainless steel housing is impregnated with this mixture.
  • the liquid must fill the entire packing, which must be immersed in it.
  • Both parts, stainless steel and teflon are screwed against each other.
  • the mixture is maintained at 90 ° C until complete freezing of the soil.
  • the upper PTFE cover holding the beam is removed from the gel, the ends of the gel are released, and the bundle in its stainless steel housing is gradually carried with a temperature rise of 5 ° C / min up to 95 ° C in an oven . They are kept and dried for 5 hours at this temperature.
  • the dry beam in its stainless steel housing is gradually carried with a rise in temperature of 1 ° C / min up to 500 ° C in an oven to the atmosphere. They are kept 5 hours at this temperature.
  • a cover manufactured in a sheet of 20x10x100 mm 316L stainless steel is replaced to close the packing in substitution of the PTFE half-shell.
  • the end pieces (FIGS. 22 and 23) are fixed (FIG. 24) on the column and the assembly is sealed with a film of two-component epoxy glue.
  • the column is connected to the chromatograph.
  • Figure 36 shows a chromatogram made with this monolith.
  • the separated species are polyacrylic acid (1) and acetic acid (2).
  • the axis of the abscissae represents the time in mn elapsed since the injection, the ordinate axis the response of the detector.
  • a 6-6 nylon thread is produced with a diameter of 0.050 mm.
  • This wire is arranged on a frame.
  • silica gel for the 6 nm pore size chromatography (SiliCycle) is milled to an average particle diameter of approximately 3 ⁇ .
  • the powder is gradually suspended in 500 ml of a mixture of 200 ml of 50% dry solids TM50 silica sol and 20 nm particle size and 300 ml of demineralized water.
  • the nylon needles are soaked and covered with this suspension and are dried under a stream of dry air at 80 ° C.
  • the needles are then cut into a 100 mm long bundle by releasing each side and arranged in a square housing 2.0 mm in length and 75 mm long cut in a sheet of 20x10x75 mm 316L stainless steel, and a flat cover in a 20x10x75 mm sheet of PTFE (Teflon brand registered by DuPont de Nemours).
  • the needles are arranged parallel to each other in the lower stainless steel housing so as to fill it with needles.
  • a mixture of 5 ml of the sol of 20 nm to 50% dry matter and the amount of glacial acetic acid sufficient to adjust its pH to 7 is prepared.
  • the bundle of nylon needles in the stainless steel housing is impregnated with this mixture.
  • the liquid must fill the entire packing, which must be immersed in it.
  • Both parts, stainless steel and teflon are screwed against each other.
  • the mixture is maintained at 90 ° C until complete freezing of the soil.
  • the upper PTFE cover holding the beam is removed from the gel, the ends of the gel are released, and the bundle in its stainless steel housing is gradually carried with a temperature rise of 5 ° C / min up to 95 ° C in an oven . They are kept and dried for 5 hours at this temperature.
  • the dry beam in its stainless steel housing is gradually carried with a rise in temperature of 1 ° C / min up to 550 ° C in an oven to the atmosphere. They are kept 5 hours at this temperature.
  • a cover manufactured in a sheet of 20x10x75 mm 316L stainless steel is replaced to close the packing in substitution of the half shell PTFE.
  • the monolith is washed with deionized water percolated by the free ducts and dried at 105 ° C for two hours.
  • the end pieces (FIGS. 22 and 23) are fixed (FIG. 24) on the column and the assembly is sealed with a film of two-component epoxy glue.
  • the column is connected to the chromatograph.
  • the silicic monolith is functionalized with octadecyl-trimethoxysilane (Aldrich, 90%).
  • octadecyl-trimethoxysilane Aldrich, 90%.
  • a solution of 50 ml of absolute ethanol containing an excess of 5 graft molecules per nm 2 of silicic surface is employed. This corresponds to recirculating a solution of 50 mL of ethanol containing 0.093 g (0.25 mmol) of octadecyl-trimethoxysilane.
  • the monolith is activated at 150 ° C. under vacuum for 4 hours before grafting in a Schlenk tube.
  • the monolith is then percolated with the solution containing the grafts using a recirculating HPLC pump for 14 hours with a flow rate of 0.25 ml / min and a temperature of 70 ° C.
  • the monolith is then washed continuously at a flow rate of 0.25 mL min-1 with ethanol (50 mL), a mixture of ethanol / water (50 mL / 50 mL) and acetone (50 mL).
  • the monolith is dried at 80 ° C for 2 days.
  • Figure 31 shows a chromatogram made with this monolith.
  • the separated species are acetylisalicylic acid (2) and salicylic acid (3).
  • a monolith is prepared according to the protocol described in Example 3, substituting ethylstyren for hydroxyethyl methacrylate.
  • Figure 32 shows a chromatogram made with this monolith.
  • the separated species are angiotensin II (1) and lysozyme (2).
  • the axis of the abscissae represents the time in mn elapsed since the injection, the ordinate axis the response of the detector.
  • a preform of the channels of the monolith is made by producing a beam composed of three families of nylon threads 66 of 50, 60 and 70 ⁇ in diameter, respectively.
  • the beam is made of a square beam of 12 side wires distributed in a square mesh of 120 ⁇ of pitch, using a support device of the type shown in FIG.
  • the son of the three families are alternately arranged in successive layers of 12 son of the same diameter in the sequence 50/60/70/60/50/60/70/6050/60/70/60.
  • the beam is made with a length of 75 mm long.
  • the needle beam is then inserted into a 1.5 mm square and 75 mm long square housing cut in a sheet of 20x10x75 mm 316L stainless steel, and a flat cover in a 20x10x75 mm sheet of PTFE. (Teflon trademark filed by DuPont de Nemours).
  • silica gel for the 6 nm pore size chromatography (SiliCycle) is milled to an average particle diameter of approximately 3 ⁇ .
  • the powder is gradually suspended in 500 ml of a mixture of 200 ml of 50% dry solids TM50 silica sol and 20 nm particle size and 300 ml of demineralized water.
  • the bundle of nylon needles in the stainless steel housing is impregnated with this mixture.
  • the liquid must fill the entire beam, which must be immersed in it.
  • Both parts, stainless steel and teflon are screwed against each other.
  • the mixture is kept at 90 ° C. under a saturated wet atmosphere until complete freezing of the soil.
  • the upper PTFE cover holding the beam is removed from the gel, the ends of the gel are released, and the beam in its stainless housing is gradually worn with a temperature rise of 5 ° C / min to 95 ° C in an oven . They are kept 5 hours at this temperature.
  • the dry bundle in its stainless steel housing is gradually raised with a rise in temperature of 1 ° C / min to 550 ° C in an oven under an air atmosphere. It is maintained for 5 hours at this temperature.
  • a cover manufactured in a sheet of 20x10x75 mm 316L stainless steel is replaced to close the packing in substitution of the half-shell PTFE.
  • the monolith is washed with deionized water percolated by the free ducts and dried at 105 ° C for two hours.
  • the end pieces (FIGS. 22 and 23) are fixed (FIG. 24) on the column and the assembly is sealed with a film of two-component epoxy glue.
  • the column is connected to the chromatograph.
  • a characterization of the silicic material of this monolith by adsorption with nitrogen shows a median mesopore diameter of 8 nm and a porous volume fraction of 55%.
  • Figures 33 and 34 show the chromatograms obtained using this monolith. The conditions are as follows:
  • Figure 34 microspheres tracer polystyrene latex (Applied Physics AP3100A) of 100 nm in diameter, 1000 ppm solution of dry matter.
  • the axis of the abscissae represents the time in mn elapsed since the injection, the ordinate axis the response of the detector.
  • a preform of the channels of the monolith is made by producing a beam composed of polydioxanone son 50 ⁇ in diameter.
  • the beam is made of a square bundle of 10 son of sides distributed in a square mesh of 100 ⁇ of pitch, using a support device of the type shown in FIGS. 27 to 29.
  • the perforated screen is made by drilling perforation laser of 55 ⁇ in a stainless steel sheet of 150 ⁇ thick.
  • the beam is made with a length of 75 mm long.
  • the needle beam is then inserted at the bottom of a housing 1.0 mm wide, 2 mm deep and 75 mm long cut in a sheet of 20x10x75 mm 316L stainless steel ( Figures 17 and 18).
  • a flat cover in a sheet of 20x10x75 mm stainless steel ( Figures 19 and 20) is prepared.
  • the resulting bar is washed with water and methanol, and then percolated with N sodium hydroxide at 90 ° C for 24 hours until the son dissolves.
  • Figure 35 shows a chromatogram made with this monolith.
  • the separated species are uracil (1) benzene (2) and hexylbenzene (3).
  • the abscissa axis represents the time in mn elapsed since the injection, the ordinate axis the response of the detector.
  • a preform of the channels of the monolith is made by producing a beam composed of nylon threads of 43 ⁇ in diameter.
  • the beam is made of a square bundle of 10 side wires distributed in a square mesh of 100 ⁇ of pitch, using a support device of the type shown in FIGS. 27 to 29.
  • the perforated screen is made by drilling laser perforations of 50 ⁇ in a stainless steel sheet of 150 ⁇ thick.
  • the beam is made with a length of 75 mm long.
  • the needle beam is then inserted at the bottom of a housing 1.0 mm wide, 2 mm deep and 75 mm long cut in a sheet of 20x10x75 mm 316L stainless steel ( Figures 17 and 18).
  • a flat cover in a 20x10x75 mm sheet of PTFE ( Figures 19 and 20) is prepared.
  • TEOS tetraethoxysilane
  • PEO polyethylene oxide
  • nitric acid 68%, Aldrich
  • NH40H purity analytic, Aldrich
  • a 250 ml Erlenmayer is placed in an ice bath at 0 ° C. with a magnetic bar. Then demineralized water (46.30 g, 2.57 mol) and nitric acid (68% HNO 3, 4.60 g, 49.63 mmol) are added and stirred at 500 rpm for 15 min. Then, the PEO (4.79 g PEO including 0.1 1 mol EO unit) is added and the mixture is stirred for one hour at 700 rpm so that all the PEO is dissolved. TEOS (37.70 g, 0.18 mol) is then added and the mixture is stirred for one hour.
  • the transparent solution obtained is then poured using a 10 ml pipette into the breast of the wire bundle obtained previously previously kept in a dry environment at 0 ° C. before filling.
  • the bar is then placed in an oven under an atmosphere saturated with water vapor at 40 ° C. for 72 hours.
  • PTFE cover is removed
  • the bar is immersed in a 2 L beaker with 1500 mL of deionized water at room temperature for 1 hour.
  • the monolith is then washed in the same manner four times by immersion in demineralized water (500 mL, 1 h) until a neutral pH is obtained.
  • the monolith is then subjected to a basic treatment. It is
  • the lid is repositioned with a PEEK seal at 340 ° C and cooled.
  • d c average diameter of the ducts, meter
  • d e average thickness of the wall separating the ducts, meter
  • volume fraction of stationary phase in the wall of the capillary ducts of the lining (m 3 / m 3 )
  • H ca p theoretical plateau height of a single capillary of average diameter
  • HdispD meter height of theoretical chromatographic plate related to the irregularities of the diameter of the different conduits
  • H d isp E : height of theoretical chromatographic plate related to the irregularities of the thickness of the walls between the different conduits, meter
  • H d isp L : height of theoretical chromatographic plate related to the irregularities of length of the different conduits, meter
  • H disp theoretical plateau height related to the irregularities of the capillary ducts
  • meter Hthe 0 theoretical plateau height of a perfectly regular multicapillary packing
  • KS partition coefficient of the species to be separated measured between the volume of the walls and the volume of the capillaries, (mole / m 3 of wall) / (mole / m 3 of conduits)
  • K partition coefficient of the species to be separated between the stationary phase and the eluent phase
  • K ads partition coefficient in adsorption of the species to be separated
  • L distance traveled by the peak eluted in the chromatograph during the time t
  • meter LG lining length , metre
  • NPT number of theoretical plates of the column.
  • NmaxD maximum number of trays of a chromatographic separation linked to irregular diameter ducts
  • NmaxL maximum number of trays of a chromatographic separation linked to ducts of irregular lengths
  • N equivalent number of interacting conduits
  • R h molecular radius of the molecules of the species to be separated, nanometer
  • SigmaD Relative standard deviation (standard deviation / mean) of the hydraulic diameter of the ducts.
  • SigmaE Relative standard deviation (standard deviation / mean) of the wall thickness.
  • SigmaL Relative standard deviation (standard deviation / mean) of the length of the ducts.
  • v c velocity of the mobile phase in the duct, m / s
  • V R reduced speed, adimensional
  • VM O IEI molar volume of the eluent phase, m 3 / mole
  • V M0 istat: molar volume of the stationary phase, m 3 / mole Vs stationary phase volume in column (m3)

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Abstract

Procédé de chromatographie dans lequel on fait circuler une phase mobile gazeuse, liquide ou supercritique contenant des espèces à séparer au travers d'un garnissage, ledit garnissage étant caractérisé en ce que : - il comporte une pluralité de conduits capillaires s'étendant dans le garnissage entre une face dite amont par laquelle la phase mobile pénètre dans le garnissage et une face dite aval par laquelle la phase mobile sort du garnissage - le matériau des parois comporte une première population de pores connexes, assurant des passages d'un conduit à l'autre permettant à la diffusion moléculaire de s'opérer entre conduits adjacents, pores présentant un diamètre moyen (dpore) supérieur à 2 fois le diamètre moléculaire d'au moins une espèce à séparer - le diamètre des conduits est inférieur à 50 μm.

Description

PROCEDE DE CHROMATOGRAPHIE SUR UN GARNISSAGE MULTICAPILLAIRE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne l'optimisation de la morphologie et de la porosité de garnissages multicapillaires en opération.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
La chromatographie est une technique particulière, qui a ses avantages et contraintes propres et se différencie par là même des autres techniques apparentées par la mise en oeuvre de garnissages solides et de fluides, comme l'adsorption et la catalyse hétérogène.
En adsorption on cherche à retenir un composé d'un effluent fluide sur la surface duquel il est adsorbé par l'intermédiaire d'un isotherme, ou sur laquelle il réagit. On cherche à purifier le fluide. On a besoin de hautes surfaces spécifiques. Il faut des lits de haute capacité. L'efficacité du garnissage n'est pas critique (nombre de plateaux théoriques) et l'on préfère utiliser des lits de granulés de 1 à 2 mm de diamètres. En effet l'efficacité n'a qu'une influence négligeable sur le dimensionnement du lit dans la mesure où elle ne jouera que sur la raideur du front de percolation, qui est bonne dès que l'on atteint 20 plateaux théoriques environ. Il faut ensuite régénérer l'adsorbant par une combinaison de moyens, température ou réaction chimique, qui élimine les impuretés adsorbées ou combinées. Le fonctionnement est donc séquentiel mais les temps de cycle se chiffrent en jours ou en semaines. On dimensionne sur la masse du lit. Les pertes de charge sont faibles.
En catalyse, on cherche à effectuer une réaction chimique sur la surface du solide. On désire que les réactifs restent un temps optimal en contact avec le solide. Il s'agit là encore de forces d'adsorption et de réactions chimiques. On est intéressé par des critères de temps de séjour. Le raisonnement en nombre de plateaux théoriques est inopérant. La régularité du garnissage est un facteur parmi d'autres et est secondaire devant la sélectivité catalytique. On ne cherche pas à séparer des molécules. Les pertes de charges sont faibles.
En chromatographie, on sépare plusieurs composants présents dans une charge fluide admise séquentiellement selon un intervalle de temps court se comptant en minutes, en la propageant d'un point d'entrée à un point de sortie d'une colonne de solide sous l'effet d'un fluide éluant. La séparation obtenue peut l'être par une très large variété de forces qui rentrent en compétition avec l'effet moteur de l'éluant, partage, adsorption, interactions stériques, interactions ioniques, etc.. Cette méthode offre un haut pouvoir séparateur, chaque composant se comportant de façon différente. Pour mettre en valeur ce pouvoir séparateur, il faut que la colonne présente un nombre de plateaux théoriques élevé, par exemple 1000. Cela signifie aussi que les résistances diffusionnelles doivent être minimisées, et donc que les distances de diffusion soient courtes, et que la colonne doit être longue. Ces facteurs combinés font que la chromatographie est une technique qui réclame une régularité excellente de l'écoulement et donc du garnissage, et une faible dimension caractéristique de celui-ci, conduisant à des pertes de charges qui deviennent rapidement critiques avec des solides particulaires. Ce sont ces problèmes qu'il faut résoudre en chromatographie.
On a décrit dans la demande de brevet WO 201 1/1 14017 un monolithe multicapillaire.
Cette invention décrit un monolithe constitué principalement de silice ou d'alumine dont les parois sont poreuses de façon à permettre un équilibrage rapide de la composition entre conduits adjacents et son application à la chromatographie.
On y décrit en particulier un procédé d'obtention de ce monolithe caractérisé en ce que l'on enrobe des fils précurseur dans une matrice poreuse, et en ce que l'on détruit les fibres pour ne laisser subsister que la matrice. On y mentionne comme matériaux de structure des sols ou gels de silice ou d'alumine.
Ce document et les suivants ne décrivent cependant pas les conditions hydrodynamiques, diffusionnelles au niveau moléculaire, et structurelles permettant de tirer le maximum de parti d'un garnissage multicapillaire poreux.
.En chromatographie sur un lit de particules les filets fluides se remélangent par convection et forment un continuum. Dans un garnissage multicapillaire les filets fluide sont indépendants sur le plan convectif et ne communiquent que par diffusion moléculaire. La structure poreuse des parois représente donc un caractère fondamental de l'efficacité de ces garnissages.
Il en résulte le besoin de caractériser et d'optimiser la nature et la distribution de la porosité du matériau séparant les conduits.
Les publications suivantes : K Nakanishi, Phase séparation in silica sol-gel System containing polyacrylic acid, Journal of non crystalline Solids 139 (1992, 1 -13 and 14-24, K. Nakanishi, Phase séparation in Gelling Silica-Organic Polymer Solution: Systems Containing Poly(sodium styrenesulfonate), J. Am. Ceram. Soc. 74 (10) 2518-2530-30 (1991 ) traitent de matériaux présentant deux familles de pores. Il s'agit de réaliser un garnissage monolithique en silice comprenant deux familles de pores, d'une part des macropores interconnectés par où peut s'écouler un liquide relativement librement, et d'autre part une famille de mésopores ou de micropores créant de la surface spécifique, et donc de l'activité vis-à-vis d'un échange de matière La publication suivante: Deen, W.M. Hindered transport of large molécules in liquid- filled pores, A.I .Ch.E Journal, 33, 1409-1425 décrit une relation entre la diffusivité dans des pores et le rayon de molécules dans des phases liquides.
On connaît d'autre part les relations liant le libre parcours moyen d'une molécule en phase gaz et le régime diffusionnel de cette molécule dans une matrice poreuse. On sait en particulier que lorsque la taille de pore devient proche du libre parcours moyen d'une molécule, la diffusion entre en régime de Knudsen et se trouve ralentie.
Il apparaît donc un besoin de définir la taille des pores et les paramètres dimensionnant et opérationnels d'un garnissage multicapillaire de façon à obtenir une efficacité optimale pour un soluté et des conditions de marche hydrodynamiques données.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de définir les propriétés d'un garnissage multicapillaire permettant d'obtenir une efficacité optimale pour un soluté et des conditions de marche hydrodynamiques données.
A cet effet, l'invention propose un procédé de chromatographie dans lequel on fait circuler une phase mobile gazeuse, liquide ou supercritique contenant des espèces à séparer au travers d'un garnissage comprenant une phase stationnaire, ledit garnissage étant caractérisé en ce que :
- il comporte une pluralité de conduits capillaires s'étendant dans le garnissage entre une face dite amont par laquelle la phase mobile pénètre dans le garnissage et une face dite aval par laquelle la phase mobile sort du garnissage,
- le matériau des parois desdits conduits comporte un réseau de pores connexes, lesdits pores formant des passages d'un conduit à l'autre permettant à la diffusion moléculaire de s'opérer entre conduits adjacents, lesdits pores présentant un diamètre moyen supérieur à deux fois le diamètre moléculaire d'au moins une espèce à séparer,
- le diamètre moyen des conduits est inférieur à 50 μηι.
Selon un mode de réalisation, les conduits capillaires traversent le garnissage de part en part entre la face amont et la face aval. Selon un autre mode de réalisation, les conduits capillaires sont inclus dans le garnissage et présentent au moins une extrémité débouchant à l'intérieur dudit garnissage.
De manière particulièrement avantageuse, le rapport, dit « hauteur relative de dispersion », de la hauteur de plateau théorique (Hdisp) due aux inhomogénéités du garnissage sur la hauteur de plateau théorique totale (H) du garnissage est inférieur à 0,66, de préférence inférieur à 0,3 et manière encore préférée inférieur à 0, 1 . Dans ledit procédé :
- les espèces à séparer présentent un rayon moléculaire Rh dans le solvant d'élution, un coefficient de diffusion moléculaire D0 dans le solvant d'élution, un coefficient de diffusion moléculaire Ds dans ou sur la phase stationnaire, un coefficient de partage K entre la phase stationnaire et le solvant d'élution, un facteur de rétention k' dans la colonne chromatographique, et
- le garnissage comporte des conduits de diamètre moyen dc séparés par des parois d'épaisseur moyenne de dont l'irrégularité est définie par un écart type du diamètre dc ramené à sa moyenne SigmaD.par un écart type de l'épaisseur de ramené à sa moyenne SigmaE, et par un écart type de la longueur des conduits ramené à sa moyenne SigmaL,
- le matériau poreux constitutif des parois présente une fraction volumique poreuse P, une fraction volumique de phase stationnaire fV0istat ou une surface spécifique d'adsorption S, une tortuosité T, et le réseau de pores connexes présente un diamètre dpore :
- la phase mobile s'écoule avec la vitesse moyenne vc dans les conduits et
- la hauteur de plateau théorique (Hdisp) due aux inhomogénéités du garnissage est définie par la relation : v0 * (FKD * SigmaD2 + FKE * SigmaE2 + FKL * SigmaL2) * (dc + de)2 Hdisp = 0,778 * FDiff * F D * (1 + k') * 2
Avantageusement le rapport dit « hauteur relative de dispersion », de la hauteur de plateau théorique (Hdisp) due aux inhomogénéités du garnissage sur la hauteur de plateau théorique totale (H) du garnissage est calculé à l'optimum d'efficacité du garnissage donné par la courbe de VanDeemter.
De manière avantageuse, les conduits ont un diamètre moyen inférieur à 30 μηι, et de préférence inférieur à 10 μηι.
Le garnissage comprend avantageusement au moins une partie dont :
- les conduits capillaires sont substantiellement rectilignes et parallèles entre eux
- les conduits présentent une section substantiellement uniforme les uns par rapport aux autres,
- la section de chaque conduit est régulière sur toute sa longueur,
- l'ensemble des conduits traversent ladite partie de part en part. Le réseau de pores du garnissage a un diamètre moyen supérieur à 5 fois le diamètre moléculaire des espèces à séparer et de préférence supérieur à 10 fois le diamètre moléculaire des espèces à séparer.
Selon une forme d'exécution de l'invention, la phase mobile est à l'état condensé et ledit réseau de pores présente un diamètre moyen de pores supérieur à 2 nanométres, de préférence supérieur à 10 nanométres, et encore plus préférentiellement supérieur à 100 nanométres.
Selon une autre forme d'exécution de l'invention, la phase mobile est à l'état gazeux et les pores ont un diamètre supérieur au libre parcours moyen des molécules.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe d'une vue de principe d'un garnissage multicapillaire cylindrique suivant une direction parallèle à son grand axe.
- la figure 2 est une vue en coupe d'une vue de principe d'un garnissage multicapillaire cylindrique suivant une direction perpendiculaire à son grand axe
- la figure 3 montre le schéma physique utilisé pour simuler le comportement des garnissages multicapillaires.
-la figure 4 montre schématiquement le schéma numérique utilisé pour simuler le comportement des garnissages multicapillaires.
-la figure 5 montre la relation entre NEPT (Nombre de Plateaux Théoriques) et longueur du garnissage pour des monolithes poreux multicapillaires et des monolithes multicapillaires non poreux.
-la figure 6 montre l'aspect des phénomènes diffusionnels transitoires.
-la figure 7 montre le même phénomène diffusif projeté sur un ensemble de conduits voisins.
-la figure 8 montre la corrélation entre Hdisp et Dfactor.
-la figure 9 exemplifie la nature des nombres caractérisant un milieu poreux.
-la figure 10 schématise les tailles caractéristiques des molécules interagissant avec les parois dans un milieu poreux.
-la figure 1 1 compare la perte de charge de garnissages multicapillaires et particulaires -la figure 12 montre une courbe de Van Deemter obtenue par simulation,
-la figure 13 décrit un procédé de chromatographie d'élution. -la figure 14 représente schématiquement une simulation sur ordinateur de la séparation de deux espèces chimiques sur un garnissage multicapillaire à parois poreuses dont le diamètre des pores communicants est supérieur à deux fois le diamètre moléculaire de ces deux espèces.
-La figure 15 représente schématiquement une simulation sur ordinateur de la séparation des mêmes espèces chimiques sur un garnissage présentant des caractéristiques dimensionnelles identiques à celui utilisé dans la simulation de la figure 14 mais dont le diamètre des pores communicants est supérieur à deux fois le diamètre moléculaire d'une espèce et est inférieur à deux fois le diamètre moléculaire d'une autre espèce.
-La figure 16 représente une vue en coupe suivant une direction parallèle à son grand axe d'une variante d'un garnissage pour la chromatographie suivant l'invention dans lequel les conduits sont inclus dans une masse monolithique poreuse et sont empilés et juxtaposés.
- les figures 17 à 24 sont des vues de la construction d'une colonne de chromatographie,
- les figures 25 et 26 représentent un mode d'assemblage de fils précurseurs des conduits d'un monolithe,
la figure 27 représente schématiquement l'assemblage du faisceau de fils dans la pièce 90.
la figure 28 représente une feuille perforée dont les trous sont répartis en couches de trois diamètres différents.
la figure 29 représente des réponses chromatographiques d'une même colonne dans le cas où la molécule éluée est d'un diamètre moléculaire inférieur à deux fois le diamètre des pores permettant la diffusion entre les conduits adjacents (courbe en pointillés), et dans le cas ou son diamètre moléculaire, supérieur à deux fois le diamètre des pores, ne le permet pas (courbe en trait plein), la colonne contenant trois familles de conduits de diamètres différents arrangés en couches superposées,
la figure 30 représente des réponses chromatographiques d'une même colonne dans le cas où la molécule éluée est d'un diamètre moléculaire inférieur à deux fois le diamètre des pores permettant la diffusion entre les conduits adjacents (courbe en pointillés), et dans le cas ou son diamètre moléculaire, supérieur à deux fois le diamètre des pores, ne le permet pas (courbe en trait plein), la colonne contient des conduits dont les diamètres sont répartis aléatoirement suivant une loi gaussienne dont l'écart type correspond à 5% du diamètre moyen des conduits. Les figures 31 à 34 représentent des chromatogrammes obtenus à l'aide d'un dispositif suivant l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On s'intéresse aux paramètres d'optimisation d'une séparation d'un corps chimique donné, molécule ou biomolécule, dans un garnissage multicapillaire comportant entre les parois des conduits un solide poreux incluant au moins une population de pores connexes au travers desquelles la diffusion moléculaire des espèces à séparer peut avoir lieu. Ces pores ménagent un passage libre à la diffusion moléculaire entre conduits contigus.
Une chromatographie est un procédé de séparation moléculaire particulier caractérisé en ce qu'il effectue une séparation d'un mélange de substances chimiques sous l'action contradictoire
• d'un entraînement dynamique de ces espèces par un courant d'une phase éluante
· d'une rétention de ces espèces par une phase stationnaire.
De préférence ce procédé est poursuivi jusqu'à élution complète des espèces séparées hors de la phase stationnaire.
Selon l'invention on caractérisera avantageusement le procédé chromatographique par son comportement dans le régime linéaire, c'est à dire pour une injection brève sous forme d'un puise de produits à séparer. Dans ces conditions la dilution des espèces est grande et le coefficient de partage des espèces à séparer avec la phase stationnaire ne dépend pas de la concentration.
Il va de soi que de telles colonnes pourront être utilisées dans des procédés préparatifs. Selon l'invention on caractérisera une telle séparation chromatographique ou un tel procédé chromatographique en ce qu'il comprend à l'optimum d'efficacité avantageusement au moins 300 étages théoriques, et de préférence au moins 1000 étages théoriques.
Ceci la différencie des séparations par membranes, des processus catalytiques et des séparations par adsorption ou échange d'ions en particulier.
Avantageusement suivant l'invention, la longueur du garnissage sera supérieure à 10 mm.
Avantageusement suivant l'invention, le volume des micropores et des mésopores du matériau constituant les parois du garnissage mesuré par absorption d'azote sera supérieur à 0,1 cm3/g et préférentiellement supérieur à 0,2 cm3/g.
Avantageusement suivant l'invention, le rapport entre le volume des conduits du matériau du garnissage et le volume du garnissage mesuré par le rapport entre le volume calculé d'après les dimensions géométriques des conduits et le volume total du garnissage est supérieur à 20 %, de préférence supérieur à 35 %, encore plus préférentiellement supérieur à 50 % et de façon particulièrement avantageuse supérieur à 65%.
On distingue dans le domaine du procédé chromatographique les chromatographies d'élution et les chromatographies d'affinités.
Avantageusement, l'invention met en jeu un procédé de chromatographie d'élution.
La chromatographie d'élution peut être conduite par toute technique connue, comme par exemple la chromatographie discontinue sur colonne, la chromatographie annulaire continue radiale ou axiale, le lit mobile simulé.
La chromatographie s'applique en phases liquide, gaz et supercritique.
La présente invention est un procédé de chromatographie dans lequel on fait circuler une phase mobile gazeuse, liquide ou supercritique contenant des espèces à séparer au travers d'un garnissage, ledit garnissage étant caractérisé en ce que :
- il comporte une pluralité de conduits capillaires traversant le garnissage entre une face dite amont par laquelle la phase mobile pénètre dans le garnissage et une face dite aval par laquelle la phase mobile sort du garnissage
- le matériau des parois comporte une première population de pores connexes, assurant des passages d'un conduit à l'autre permettant à la diffusion moléculaire de s'opérer entre conduits adjacents, pores présentant un diamètre moyen (dpore) supérieur à 2 fois le diamètre moléculaire des molécules à séparer
- le diamètre des conduits est inférieur à 50 μηι
Avantageusement la phase mobile pénètre la totalité de la première population de pores connexes de façon à réaliser un continuum de phase mobile monophasique entre les conduits.
Avantageusement la diffusion moléculaire des espèces à séparer entre les conduits s'effectue au sein dudit continuum de phase mobile.
Avantageusement le rapport, dit « hauteur relative de dispersion », de la hauteur de plateau théorique (Hdisp) due aux inhomogénéités du garnissage sur la hauteur de plateau théorique totale (H) est inférieur à 0,66 .
Avantageusement la hauteur de plateau théorique (Hdisp) due aux inhomogénéités du garnissage est définie par la relation
_ v0*(FKD*SigmaD2 +FKE*SigmaE2 +FKL*SigmaL2)*(dc+de)2
= (J,77o *
alsv FDiff*FDil*(l + k')*2
On notera que cette formule comprend des termes statiques reliant la structure morphologique du garnissage (ex dc, de), des termes diffusionnels au niveau moléculaire (ex D0, Ds, C) à des termes hydrodynamiques qui décrivent son comportement en opération vis- à-vis d'un écoulement fluide (ex v0).
Elle décrit donc un domaine de conditions de marche hydrodynamiques et en opération. On notera que la diffusion moléculaire est donnée classiquement par la loi de Fick. Cette formule s'applique pour des espèces à séparer caractérisées par un rayon moléculaire Rh dans le solvant d'élution, un coefficient de diffusion moléculaire D0 dans le solvant d'élution, un coefficient de diffusion moléculaire Ds dans ou sur la phase stationnaire, un coefficient de partage K entre la phase stationnaire et le solvant d'élution, un facteur de rétention k' dans la colonne chromatographique, pour un garnissage comportant des conduits de diamètre moyen dc séparés par des parois d'épaisseur moyenne de dont l'irrégularité est caractérisée par un écart type du diamètre dc ramené à sa moyenne SigmaD, par un écart type de l'épaisseur de ramené à sa moyenne SigmaE, et par un écart type de la longueur des conduits ramené à sa moyenne SigmaL, garnissage dont le matériau poreux constitutif des parois est caractérisé par une fraction volumique poreuse P, une fraction volumique de phase stationnaire fV0istat ou une surface spécifique d'adsorption S, une tortuosité T, et comportant au moins une population de pores connexes de diamètre dpore, et pour une phase mobile de viscosité μ s'écoulant avec la vitesse moyenne vc dans le conduit.
Avantageusement le rapport dit « hauteur relative de dispersion », de la hauteur de plateau théorique (Hdisp) due aux inhomogénéités du garnissage sur la hauteur de plateau théorique totale (H) est calculé à l'optimum d'efficacité du garnissage défini par la courbe de Van Deemter.
Avantageusement le matériau des parois assure une continuité en phase condensée liant les conduits entre eux.
Ces conduits auront un diamètre adapté à une séparation chromatographique, inférieur à 500 μηι, de préférence inférieur à 250 μηι.
Cependant, de façon très préférentielle pour la réalisation de l'invention, ces conduits auront un diamètre inférieur à 50 μηι, de préférence inférieur à 30 μηι, et encore plus préférentiellement inférieur à 10 μηι.
En effet un facteur différenciant essentiel entre les garnissages multicapillaires et les garnissages particulaires vis-à-vis d'un procédé chromatographique réside dans la perte de charge beaucoup plus faible des premiers.
A l'optimum d'efficacité cela signifie aussi qu'un garnissage multicapillaire fonctionnant sous une perte de charge identique à celle d'un garnissage particulaire présentera un nombre de plateaux théoriques 3 à 4 fois plus élevé, et une productivité (en débit/unité de surface de sa section) également 3 à 4 fois plus élevée. Ces avantages deviennent pertinents lorsque la perte de charge du lit devient un paramètre opératoire sensible nécessitant un outillage spécial pour devoir être imposée.
Elle a donc pour limite basse pour une chromatographie en phase condensée et plus avantageusement en phase liquide la simple hauteur manométrique du lit de phase stationnaire lui-même permettant un écoulement gravitaire. Pour un garnissage multicapillaire cette limite efficace se situe entre un diamètre de conduit inférieur à 50 μηι pour les fluides couramment utilisés, et de préférence inférieur à 30 μηι.
En effet la chromatographie s'effectue de façon simple dans des appareils gravitaires, ou le poids de la colonne de fluide sur le garnissage provoque son écoulement.
La limite haute du diamètre des capillaires sera obtenue lorsque l'écoulement du fluide à la vitesse permettant l'optimum de l'efficacité du garnissage provoquera une perte de charge égale au poids de la colonne de fluide considérée sur la hauteur du lit.
On sait que pour un garnissage multicapillaire à l'optimum d'efficacité :
La loi de Poiseuille s'écrit
La pression provoquée par une hauteur de fluide LG s'écrit
AP = p * g * LG
Le tableau ci-dessous exemplifie dma pour différents liquides courants en
chromatographie.
VR est en général compris entre 2 et 5.
dma est le diamètre maximal des conduits permettant un équilibrage naturel d'une chromatographie gravitaire Une autre limite des garnissages multicapillaires à été découverte par l'inventeur. On a découvert que lorsque les parois des conduits sont poreuses l'efficacité du procédé chromatographique mesurée par son Nombre de Plateaux Théorique ou NPT croit linéairement avec la longueur de la colonne au lieu d'être limité par les imperfections de conduits indépendants ne communiquant pas par diffusion.
Il s'avère après étude, et cela constitue un point essentiel de la présente invention, que cette considération s'applique essentiellement aux espèces à séparer et non au solvant d'élution.
Suivant l'invention cette considération conduit à sélectionner pour une séparation donnée un garnissage présentant une porosité adaptée à la séparation souhaitée.
Les pores du matériau constituant les parois des conduits seront donc adaptées à la taille des molécules à séparer : pour une séparation en phase condensée une population connexe de ces pores présente avantageusement un diamètre moyen supérieur à 2 fois le diamètre moléculaire des molécules à séparer , et préférentiellement compris entre 2 fois et 1000 fois le diamètre moléculaire des molécules à séparer. Ces pores assurent un passage connexe d'un conduit à l'autre permettant à la diffusion moléculaire de s'opérer entre conduits adjacents.
Suivant l'invention, ces pores constituent un continuum dont la morphologie et la fraction volumique sont telles qu'elles permettent de franchir le seuil de percolation permettant de rendre le matériau perméable à la diffusion entre les conduits adjacents.
Avantageusement ces pores ont un diamètre supérieur au libre parcours moyen des molécules pour une application en chromatographie en phase gaz.
Avantageusement les molécules de poids moléculaire compris entre 0 et 1000 g/mole seront séparée avec des tailles de pores communicantes du matériau des parois entre les conduits comprises entre 4 et 30 nm, les molécules de poids moléculaire de 10000 g/mole seront séparées avec des tailles de pores communicantes du matériau des parois entre les conduits comprises entre 10 et 100 nm, les molécules de poids moléculaire de 100000 g/mole seront séparées avec des tailles de pores communicantes du matériau des parois entre les conduits comprises entre 30 à 300 nm.
Selon l'invention les conduits sont essentiellement libres à la circulation d'un fluide.
Par libres à la circulation d'un fluide on entend que la perte de charge d'un fluide au travers d'un conduit est inférieure à 3 fois la perte de charge dans ledit conduit totalement vide de matériau solide.
Selon l'invention les conduits sont avantageusement vides de matière solide. En particulier dans le cas ou les conduits contiendraient de la matière solide, son volume poreux sera avantageusement supérieur à 95% en volume, avantageusement supérieur à 98% en volume.
L'inventeur a découvert que la diffusivité des molécules à séparer au travers des parois d'un garnissage multicapillaire permettait d'augmenter considérablement l'efficacité de ce garnissage en termes de pouvoir séparateur et de rendre cette efficacité directement proportionnelle à la longueur de ce garnissage.
L'efficacité du garnissage obtenu n'est cependant pas égale à celle d'un capillaire unique, et la perte d'efficacité enregistrée se traduit par une hauteur de plateau théorique supplémentaire qui s'ajoute à la hauteur de plateau théorique du capillaire unique ou d'un garnissage idéal parfaitement régulier.
L'inventeur a mis en évidence que cette hauteur de plateau théorique est dépendante de plusieurs facteurs liés intimement à la géométrie des conduits et du solide poreux qui les sépare.
Des simulations sur ordinateur ont été effectuées et ont montré que l'efficacité d'un processus chromatographique dans un monolithe poreux était constante et indépendante de sa longueur.
Or on démontre que l'efficacité d'un garnissage multicapillaire à parois pleines non poreuses dont l'épaisseur de phase stationnaire est constante et le diamètre des capillaires aléatoirement variable doit tendre vers un maximum donné par la formule :
N maxD —
FKD * SigmaD2
On démontre également que l'efficacité d'un garnissage multicapillaire à parois non poreuses dont les diamètres des conduits capillaires sont égaux et l'épaisseur de phase stationnaire aléatoirement variable suivant les conduits doit tendre vers un maximum donné par la formule :
1
NmaxE ~ FKE * SigmaE2
On démontre de plus que l'efficacité d'un garnissage multicapillaire à parois non poreuses dont les diamètres des conduits capillaires sont égaux, l'épaisseur de phase stationnaire constante et dont la longueur des conduits est aléatoirement variable doit tendre vers un maximum donné par la formule : NmaXL ^ SigmaL2
Une analyse du phénomène de diffusion moléculaire entre les conduits permet de comprendre le phénomène.
On considère que les mêmes espèces injectées dans chaque conduit se voient affectées un numéro de conduit fictif permettant de les suivre de façon indépendante.
Un processus chromatographique dans un garnissage multicapillaire poreux est soumis à un phénomène de remélangeage diffusionnel entre conduits adjacents.
La diffusion d'un soluté injecté en quantité Q à l'instant to = 0 en un point central d'un milieu continu homogène diffusif à deux dimensions obéit à une loi gaussienne du type : x = exp
(4 * Π * D * t) 4 * D * t
La concentration x a la forme d'une courbe en cloche qui s'étale et s'affaisse dans le temps par diffusion de la matière dans le milieu infini.
On conçoit ainsi que les conduits individuels séparés par un milieu ouvert à la diffusion moléculaire reçoivent de la matière de la part des conduits qui les entourent.
On peut poser que cette contribution fait appel à une population de conduits environnants de plus en plus grande avec le temps.
Suivant cette analogie, le terme en 2*D*t est homogène à une surface moyenne recouverte par le phénomène d'étalement diffusionnel au bout d'un temps t.
Si l'on divise cette surface par la surface unitaire d'une cellule élémentaire du garnissage présentant la section moyenne d'un conduit et de sa phase stationnaire, c'est-à- dire la section du garnissage divisée par le nombre de conduits, on obtient une quantité caractéristique du nombre de conduits en interactions au temps t.
Ce nombre croit linéairement avec le temps.
D'autre part on peut calculer analytiquement que le nombre maximum de plateaux théoriques que peut produire un ensemble de capillaires indépendants à parois pleines de diamètres variables suivant une loi de probabilité gaussienne comportant une épaisseur constante de phase stationnaire sur leur paroi est donné par la formule faisant intervenir le facteur défini par le nom FKD dans ce texte et dans les revendications:
1
NmaxD ~ FKD * SigmaD2
Avec
Dans le cas ou deest petit devant dc cette formule se réduit à
2 + 3 * k'
FKD =
1 + k'
SigmaD est défini dans ce texte et dans les revendications comme étant l'écart type relatif (écart type/moyenne) du diamètre hydraulique des conduits.
k' est calculé comme le rapport entre la quantité de soluté ou espèce à séparer dans la phase stationnaire à la quantité de soluté dans la phase mobile a l'équilibre.
On mesure classiquement k' par la relation
Dans le cas de la chromatographie de partage
Vs
k' = K—
Vm
K est le coefficient de partage de l'espèce chimique considérée entre la phase stationnaire et la phase mobile. Dans le cas d'un partage par adsorption sur une phase stationnaire solide, on pourra commodément calculer la concentration dans la phase stationnaire sur la base d'un rapport de la masse de composant adsorbée sur le volume de la phase stationnaire. Ceci permet de conserver la définition de K.
On peut également calculer analytiquement que le nombre maximum de plateaux théoriques que peut produire un ensemble de capillaires indépendants à parois pleines de diamètres constants comportant une épaisseur de phase stationnaire variable suivant une loi de probabilité gaussienne sur leur paroi est donné par la formule faisant intervenir le facteur défini par le nom FKE dans ce texte:
1
*maxE
FKE * SigmaE2
Avec Uvois * dc + de)
k0 =
dc 2
(2 * dc + 2 * de)
PB =
(2 * dc + de) Ces formules tiennent compte de la porosité P, de l'épaisseur de la paroi et de la fraction volumique de phase stationnaire.
SigmaE est défini dans ce texte et dans les revendications comme étant l'écart type relatif (écart type/moyenne) de l'épaisseur de phase stationnaire entourant le conduit entre les différents conduits.
On peut calculer analytiquement que le nombre maximum de plateaux théoriques que peut produire un ensemble de capillaires indépendants à parois pleines de longueurs variables suivant une loi de probabilité gaussienne comportant des épaisseurs constantes de phase stationnaire sur leurs parois et des diamètres de conduits capillaires constants est donné par la formule faisant intervenir le facteur défini par le nom FKL dans ce texte et dans les revendications:
1
NmaxL ~ FKL * SigmaL2
On calcule que :
FKL = 4
SigmaL est défini dans ce texte et dans les revendications comme étant l'écart type relatif (écart type/moyenne) de la longueur des conduits. On note qu'un ensemble de capillaires à parois pleines sera très pauvre en termes de performances chromatographiques, limité en pratique à quelques centaines de plateaux théoriques II en résulte la nécessité de conférer aux parois des conduits une structure poreuse permettant à la diffusion moléculaire d'avoir lieu entre conduits adjacents.
On sait que si l'on analyse le comportement de N capillaires dont les conduits ont un diamètre ou une autre grandeur aléatoirement variable suivant une loi normale, le comportement obtenu est celui d'une nouvelle loi normale dont la variance est la variance élémentaire divisée par N. C'est la variance d'un tirage multiple d'une même variable aléatoire gaussienne.
Le comportement de ce tirage multiple se traduit par la loi :
N
Nmax ~ FK * Sigma2
La diffusion moléculaire se traduisant par un nombre de conduits en interaction linéairement croissant avec le temps, N croit linéairement avec le temps, et l'efficacité Nmax croit linéairement avec le temps et donc avec la longueur du garnissage, ce qui s'accorde avec une hauteur partielle de dispersion constante dans le temps.
Le nombre N peut être corrélé à l'étalement gaussien par la formule : 2 * Dréel * tR
N oc —
(dc + de)2
Le nombre de se calcule en supposant tout le volume contenu dans les parois des conduits du garnissage réparti uniformément et concentriquement sur la périphérie des conduits. Le nombre de est égal à deux fois l'épaisseur de cette couche.
La contribution de l'inhomogénéité des conduits à l'efficacité, ou hauteur partielle de plateau théorique liée à ce phénomène, reste donc constante au cours du temps pour une vitesse de phase mobile constante.
L L * FKD * SigmaD2 L * FKD * SigmaD2 * (dc + de)2
NmaxD N 2 * Dréel * tR
L L * FKE * SigmaE2 L * FKE * SigmaE2 * (dc + dey
'dispE Aj ^
R
L L * F/fL * SigmaL L * FTfL * SigmaL * (dc + de)^
HdispL ~ ~
NmaxL ^ 2 * Dréei * tfi
L'efficacité d'un garnissage chromatographique se mesure par la hauteur de plateau théorique.
Celle-ci peut être écrite dans le cadre de la chromatographie en régime linéaire comme la contribution de plusieurs termes ou hauteurs partielles, comprenant un terme se rapportant à un garnissage virtuel de capillaires de diamètres rigoureusement égaux et égaux à la moyenne des conduits du garnissage réel, comportant une épaisseur de paroi uniforme égale à la moyenne des conduits du garnissage réel, et de même longueur égale à la moyenne des conduits du garnissage réel, et un terme d'interaction entre conduits ou de dispersion lié à l'inhomogénéité de ceux-ci. :
H — Hcap + Hdisp
Hdisp ~ HdispD ^dispE ^dispL
La hauteur de plateau théorique Hcap d'un capillaire unique moyen est facilement accessible pour tout matériau, documentée, et sa théorie est connue.
Elle peut également être calculée par ordinateur.
La hauteur de plateau théorique totale est facilement mesurable expérimentalement à l'aide de la largeur à mi hauteur LMH du pic chromatographique issu d'un appareil commercial, suivant la formule :
NPT=5.54*(tr / LMH)2
Et
H=LG/NPT
Il sera nécessaire pour un bon fonctionnement d'un garnissage multicapillaire que la hauteur de plateau liée au terme de dispersion Hdisp ne devienne pas très élevée au regard du terme d'efficacité global H, c'est-à-dire qu'elle ne représente pas une fraction trop élevée de la hauteur de plateau théorique totale.
Cela se caractérise par la valeur de la Hauteur Relative de Dispersion donnée par la formule suivante :
Hauteur Relative de Dispersion =— -—
H
Suivant l'invention, les paramètres opératoires et la morphologie du garnissage devront être tels que la Hauteur Relative de Dispersion ne dépasse pas 0,66 pour les espèces à séparer.
Avantageusement, pour une meilleure efficacité du garnissage, cette Hauteur Relative de Dispersion ne dépassera pas 0,5, et encore plus préférentiellement sera inférieure à 0,3.
On tirera pleinement partie des caractéristiques d'un tel garnissage lorsque la Hauteur
Relative de Dispersion sera inférieure à 0, 1.
La hauteur de dispersion peut être connue d'après la formule suivante :
H = HdiSp + Htheo
Connaissant H par une mesure et en calculant Htheo comme la hauteur de plateau théorique d'une colonne capillaire unique présentant des caractéristiques identiques à une colonne capillaire moyenne représentative du garnissage réel, ou si les détails de structure ne le permettent pas en calculant Htheo comme la hauteur de plateau théorique d'une garnissage présentant des caractéristiques moyennes uniformes représentatives du garnissage réel, on en déduit Hdisp comme leur différence.
Une telle colonne pourra comprendre un conduit central de diamètre égal à la moyenne du diamètre des conduits égale à la racine carrée de la moyenne arithmétique du carré de leurs diamètres, sur sa périphérie une épaisseur d'une phase stationnaire identique à celle du garnissage réel et présentant une épaisseur égale à la moyenne arithmétique de son épaisseur dans le garnissage, et présentant une longueur égale à la racine carrée de la moyenne arithmétique du carré de leur longueur.
On pourra utiliser les mêmes grandeurs pour simuler ou effectuer des mesures sur un garnissage multicapillaire idéal.
Pour calculer une estimation desdites moyennes sur un garnissage réel on se référera aux indications données en fin de ce texte.
Htheo peut être calculé analytiquement, obtenu par l'expérience ou obtenu par une simulation sur ordinateur.
Afin de connaître Htheo d'un garnissage multicapillaire présentant une structure de paroi réelle, on pourra faire appel à une simulation sur ordinateur comportant tous les détails morphologiques, géométriques et constitutifs, physiques et physico-chimiques de ladite paroi et du garnissage, ainsi que les paramètres des fluides en écoulement et la thermodynamique des espèces à séparer . Des logiciels comme COMSOL multiphysics permettent de réaliser aisément de telles performances.
Les données d'entrées d'une telle simulation sont essentiellement
• les fractions poreuses remplies par des phases mobiles dans la paroi, la tortuosité et la taille de pore moyenne et répartition en taille de pores de ces fractions poreuses ainsi que la diffusivité moléculaires des espèces à séparer mesurées dans ces phases dans les conditions de la séparation chromatographique. Lorsque celles-ci ne sont pas disponibles expérimentalement, on pourra les estimer par la méthode de Wilke et Chang.
• Les fractions poreuses remplies par du gel organique ou une phase stationnaire liquide organique dans la paroi, ainsi que la diffusivité moléculaires des espèces à séparer mesurées dans ces gels si il y a lieu dans les conditions de la séparation chromatographique.
• La géométrie de la paroi incluant des détails tels que la position et les dimensions des zones remplies par le gel organique, le liquide organique et la phase mobile et d'éventuelles zones mortes ou remplies par des fluides ou substrats autres que les phases mobile, liquide organique et gel organique, ainsi que la diffusivité
moléculaires des espèces à séparer mesurées dans celles-ci dans les conditions de la séparation chromatographique.
• Les coefficients de partage des espèces à séparer entre les différentes phases en présence dans le domaine de concentration rencontré durant le processus
chromatographique.
· La perte de charge appliquée au garnissage et la composition du fluide éluant ainsi que sa viscosité dans les conditions de la séparation chromatographique
A l'optimum d'efficacité du garnissage, Htheo pour un composé non retenu peut être avantageusement calculé de façon préliminaire par la formule:
LG
NTHMax = * 1,6
dc + de * P
Htheo = LG/ NT H Max
On en déduit
H<Hs LG
Hauteur Relative de Dispersion =— -— = 1
H NTHMax * H La hauteur relative de dispersion peut également être avantageusement calculée au moyen des formules suivantes.
Le milieu dans lequel se produit la diffusion des espèces à séparer n'est pas un milieu homogène. Il contient des conduits libres dans lesquels s'écoule un fluide, ou volume vif contenant une masse vive, et un volume stagnant présent dans les pores comprenant de la phase éluante et de la phase stationnaire.
Si l'on considère la Gaussienne précédente, plusieurs facteurs de correction sont à prendre en compte.
Le coefficient de diffusion des espèces à séparer dans le milieu réel du garnissage peut être modélisé par la formule suivante correspondant à une conduction en parallèle dans le centre des conduits et dans les parois du garnissage associée en série à une conduction dans une épaisseur du matériau des parois:
Dréel = Fdiff = -j- DC + DE
Avec
DC _ dc * dc * D0 + [(dc + de) * (dc + de) - dc * dc] * DE
(dc + de) * (dc + de)
Et
D0 * P * C * (P + fvolStat) , Ds * fvolStat * * K * (P + fvolStat)
De— H
T * (P + fvolStat * K T * (P + fVolstat * K) L'effet de la masse vive et de la masse inerte se traduit par le coefficient de correction empirique suivant défini par le nom FDil dans ce texte et dans les revendications :
dc 2
FDil =
dc + ((dc + de - dc 2) * (p + fvolstat * K))
La formule finale s'écrit :
ConstPropD * L * FKD * SigmaD2 * (dc + de)2
Hdisp ~ 2 * FDiff * FDil * tR
ConstPropE * L * FKE * SigmaE2 * (dc + de)2
2 * FDiff * FDil * tR
ConstPropL * L * F KL * SigmaL2 * (dc + de)2
2 * FDiff * FDil * tR
On peut poser :
ConstPropD = ConstPropE = ConstPropL = ConstProp
Soit avec :
v0 * FKD * SigmaD2 + FKE * SigmaE2 + FKL * SigmaL2) * (dc
DFactor =
2 * FDiff * FDiZ * (1 + k')
pour Hdis = ConstProp * DFactor
La valeur de la constante ConstProp est trouvée égale à 0,778 par une étude de simulation sur ordinateur.
Toutes les grandeurs présentes dans ces formules sont bien connues de l'homme de l'art et accessibles à la mesure, couramment caractérisées ou facilement déduites des caractérisations usuelles.
La porosité est la proportion de volume poreux connexe du matériau constituant les parois du garnissage, c'est une caractéristique publiée dans les fiches techniques des matériaux commerciaux.
La porosité P est mesurable par porosimétrie au mercure pour les pores de tailles supérieures à 50 nm, par adsorption d'azote pour les pores de tailles inférieures à 50 nm.
La taille des pores est issue de ces mêmes techniques.
La tortuosité représente le trajet spatial que doit parcourir une molécule pour aller d'un point à un autre dans le matériau poreux en s'écartant de la ligne droite. C'est une valeur couramment admise et documentée.
En particulier de nombreuses lois ont été proposées pour relier la porosité à la tortuosité.
On consultera « Tortuosity-porosity relation in the porous média flow », Maciej Matyka, Arzhang Khalili, Zbigniew Koza, 22/01/2008.
Sans prétendre être exhaustif on pourra citer la loi suivante, qui sera celle utilisée pour les définitions de ce texte lorsqu'une mesure directe ne sera pas disponible :
T = 1 - p * ln(P)
Dans laquelle on pourra prendre pour p une valeur de 0,80.
Le facteur C mesure la réduction de la diffusivité moléculaire du soluté liée à la taille des pores du matériau constituant les parois.
Cette grandeur se calcule différemment en phase condensée dense (supercritique ou liquide) et en phase diluée (gaz).
En phase gaz la diffusion devient gênée lorsque le flux diffusif entre en écoulement de Knudsen. Ceci survient lorsque le libre parcours moyen des molécules devient de l'ordre de ou supérieur au diamètre des pores.
La diffusivité de Knudsen s'écrit : Lorsque la diffusivité de Knudsen et la diffusivité moléculaire sont en compétition, écrit
1 1 1— a *yA
D A. e D KA D 'A, B
Avec
En général on simplifie cette formule par :
1 1
¾e DKA DAB
Le coefficient C s'en déduit
¾e DKA
C =
DAB DAB + DKA
En phase condensée C se calcule différemment. De nombreuses corrélations sont disponibles dans la littérature. On citera celle-ci comme définition pour les formules du présent texte (Deen, 1987) :
C— K p * Kr
Avec
κν = (î -
Et
Kr = l- 2,104 * À + 2,089 * À2 - 0,948 * À3
λ =
Rh est le rayon moléculaire de la molécule d'espèce à séparer considérée comme une sphère et r0 le rayon des pores.
Kp est un facteur tenant compte d'un écart de la concentration à l'équilibre entre les pores et le milieu infini.
Kr prend en compte les gènes stériques des molécules à séparer dans le volume des pores.
Le tableau suivant calcule le rapport C pour différentes molécules et différentes tailles de pore.
organique 0,15 2 0,15 0,72 0,73 0,53 organique 0,15 4 0,075 0,86 0,85 0,73 organique 0,15 6 0,05 0,90 0,90 0,81 organique 0,15 10 0,03 0,94 0,94 0,88 protéine 1,5 6 0,5 0,25 0,35 0,09 protéine 1,5 10 0,3 0,49 0,53 0,26 protéine 1,5 30 0,1 0,81 0,81 0,66 protéine 1,5 100 0,03 0,94 0,94 0,88 macromolécule 5 30 0,33 0,44 0,50 0,22 macromolécule 5 100 0,10 0,81 0,81 0,66 macromolécule 5 300 0,03 0,93 0,93 0,87
Comme vu précédemment la diffusivité effective d'une molécule dans un milieu poreux est liée à plusieurs facteurs:
1 . A la fraction de volume du milieu poreux ouverte à la diffusion des molécules
2. A la tortuosité du milieu, c'est à dire à la longueur que la molécule doit effectivement parcourir pour joindre deux points en contournant les obstacles constitués par les parois des pores. Elle est exprimée sous forme du rapport entre la distance en ligne droite et la distance effectivement parcourue en moyenne.
3. A la diffusivité réelle des molécules dans les pores du milieu.
On considère que la diffusivité effective s'écrit à l'aide du groupement figurant dans la formule donnant FDiff : DefpD0*P*C/T. On pourra indifféremment utiliser Deff /D0 ou P*C/T dans ladite formule.
On utilise dans la formule donnant FDil le groupement de capacité suivant :
fvolStat * K
Ces deux termes reçoivent une acceptation précisée comme suit suivant le type de chromatographie utilisée.
On ramène l'étude du phénomène de rétention du soluté à un volume de phase stationnaire.
Par exemple
• pour une chromatographie de partage, le coefficient de partage est ramené au volume de la phase stationnaire liquide ou gel, • pour une fixation superficielle d'une masse de solutés sur la surface d'un gel ou d'un solide poreux, le coefficient de partage est ramené au volume du gel ou du solide en en excluant les pores,
• pour une fixation d'une masse de soluté dans des pores d'un gel ou d'un solide poreux, le coefficient de partage est ramené au volume du gel ou du solide en en excluant les pores. Dans le cas où il se produit un gonflement d'un gel lors de l'absorption d'un soluté ou d'un ion, le volume pris en compte est le volume non solvaté par le soluté. On notera que l'effet de la solvatation par la phase mobile est, lui, pris en compte dans le volume utile du gel. fvoistat est la fraction volumique de la phase stationnaire non solvatée par un soluté et a l'exclusion de ses pores dans les parois des conduits et K est le coefficient de partage mesuré entre la phase stationnaire considérée comme ledit volume homogène non poreux et non solvaté par le soluté et contenant ledit soluté, et la phase mobile, et est exprimé en (mole/m3 )/(mole/m3).
La réalisation de garnissages présentant les caractéristiques requises sera faite de préférence en respectant l'item 7 suivant, avantageusement les items 1 ,2,3,5, 6 et 7 simultanément, et, encore plus avantageusement la totalité des 9 items suivants
simultanément :
1. De préférence on réalisera des conduits de sections circulaires, hexagonales ou carrées.
2. De préférence ces conduits seront empilés aux sommets d'une maille constante triangulaire ou carrée.
3. Les conduits s'étendront de façon rectiligne et sans coude suivant toute la
longueur du garnissage
4. Les ouvertures des conduits seront ouvertes et débouchantes de chaque côté du garnissage.
5. La variabilité (ou écart type) sur le diamètre des conduits sera inférieure à 15% de leur diamètre moyen, de préférence à 5 % de leur diamètre moyen , et plus avantageusement à 2,0% de celui ci .
6. Le matériau des parois présentera une porosité supérieure à 15% en volume, et avantageusement supérieure à 40% en volume. Cette grandeur affecte à la fois le facteur de porosité P et le facteur de tortuosité T. Un garnissage présentant un taux de volume poreux élevé sera moins tortueux. Il sera donc d'autant plus efficace. De préférence on utilisera des garnissages présentant une porosité à 60 % en volume environ.
7. Les pores du matériau seront adaptées à la taille des molécules à séparer : pour une séparation en phase condensée une population de ces pores présente avantageusement un diamètre moyen supérieur à 2 fois le diamètre moléculaire des molécules à séparer , et préférentiellement compris entre 2 fois et 1000 fois le diamètre moléculaire des molécules à séparer. Ces pores assurent un passage connexe d'un conduit à l'autre permettant à la diffusion moléculaire de s'opérer entre conduits adjacents. Avantageusement ces pores ont un diamètre supérieur au libre parcours moyen des molécules pour une application en chromatographie en phase gaz.
8. Les parois seront réalisées de façon à conférer à leur épaisseur, à leur topologie et à leur homogénéité une grande régularité. Cela signifie que l'épaisseur de présentera un écart type meilleur que 30% de sa valeur moyenne entre les conduits et pour un même conduit. De façon préférentielle cet écart type sera meilleur que 10% de sa valeur moyenne. Ceci pourra être réalisé par exemple par une procédure d'enduction par trempage en continu d'un fil régulier et circulaire. Les fibres sont ensuite éliminées comme décrit dans la demande de brevet WO 201 1/1 14017 par exemple.
9. Avantageusement on réalisera dans les parois du garnissage une première
population connexe de pores d'adressage de fort diamètre (macroporeuses ou mésoporeuses) permettant la diffusion rapide des molécules dans le sein de la porosité et entre les conduits, et une seconde population de pores fonctionnelles contigues et communicantes avec celles de la première population, qui auront pour charge l'activité de la séparation et apporterons de la surface spécifique, et de la capacité.
Le garnissage suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il développe de préférence plus de 300 plateaux théoriques à l'optimum d'efficacité, de préférence plus de 1000 plateaux théoriques, et encore plus avantageusement plus de 10000 plateaux théoriques. En effet les monolithes poreux du commerce sont destinés à un usage différent de la chromatographie, en général la filtration ou les séparations par membranes, et présentent des diamètres de conduits supérieurs à 0,5 mm et des épaisseurs de paroi de l'ordre du millimètre. Les parois de garnissages issus d'un frittage de céramiques à haute températures sont en général non poreuses et plus particulièrement leur porosité n'est pas percolante vis à vis de la diffusion.
On calculera en première approche le nombre maximal de plateaux théorique optimal NTHMax d'un monolithe poreux suivant l'invention comme étant donné par la relation :
LG
NTHMax = * 1,6
dc + de * P
Pour tirer un plein parti des garnissages suivant l'invention, il sera caractérisé en ce qu'il développe plus de 100000 plateaux.
Les garnissages selon l'invention pourront développer plus de 500000 plateaux.
Parmi les méthodes utilisables pour réaliser ces garnissages multicapillaires, on citera en particulier les méthodes décrites dans la demande WO 201 1/1 14017.
Rappelons que ces méthodes comportent un procédé de fabrication d'un matériau poreux monolithique comprenant des conduits capillaires substantiellement rectilignes et parallèles entre eux, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :
- fourniture d'un faisceau de fibres dites précurseurs des conduits dont le diamètre est égal à celui des conduits capillaires,
- formation d'une matrice autour des fibres,
- élimination des fibres de façon à former lesdits conduits capillaires.
Avantageusement le garnissage comprend au moins une partie dont :
- les conduits capillaires sont substantiellement rectilignes et parallèles entre eux
-les conduits présentent un diamètre substantiellement uniforme les uns par rapport aux autres,
- la section de chaque conduit est régulière sur toute sa longueur,
- l'ensemble des conduits traversent ladite partie de part en part.
Par diamètre substantiellement uniforme on entend dans le présent texte que l'écart type sur le diamètre des conduits ne diffère pas de plus de 15% de leur diamètre moyen, Avantageusement pas de plus de 5% et encore plus avantageusement pas de 2% de leur diamètre moyen.
Par section substantiellement uniforme on entend que la section d'un conduit ne varie pas de plus d'un facteur 3 entre deux parties d'un même conduit.
Avantageusement on sélectionne un matériau poreux des parois présentant une première population de pores interconnectées entre elles et avec les conduits de diamètres tel qu'elles permettent une diffusivité effective des espèces à séparer dans les parois du garnissage au moins égale à 10 % de leur diffusivité en milieu libre non poreux. Avantageusement ces pores ont un diamètre moyen compris entre 1 et 2000 nanomètres.
De façon à ne pas perdre excessivement en surface spécifique, on opérera
avantageusement dans une fourchette de taille de pore dépendant de l'application.
Pour une séparation en phase condensée cette population présente avantageusement un diamètre moyen de pores supérieur à 2 fois, préférentiellement supérieur à 5 fois et encore plus préférentiellement à 10 fois le diamètre moléculaire des molécules à séparer.
Pour une séparation en phase condensée cette population présente avantageusement un diamètre moyen de pores inférieur à 1000 fois, plus préférentiellement inférieur à 100 fois et encore plus préférentiellement inférieur à 30 fois le diamètre moléculaire des molécules à séparer.
Avantageusement le diamètre moyen des pores communicantes du matériau sont supérieures à 2 fois et inférieures à 1000 fois, plus préférentiellement supérieures à 2 fois et inférieures à 100 fois et encore plus préférentiellement supérieures à 5 fois et inférieures à 30 fois le diamètre moléculaire des molécules à séparer.
Les molécules de la chimie organique se divisent en petites molécules dont le diamètre moléculaire est de 0,3 nanomètres environ, en grosses molécules de taille intermédiaire comme les protéines, et en macromolécules de grande taille.
Avantageusement les molécules de poids moléculaire compris entre 0 et 1000 g/mole seront séparée avec des tailles de pores communicantes du matériau des parois entre les conduits comprises entre 4 et 30 nm, les molécules de poids moléculaire de 10000 g/mole seront séparées avec des tailles de pores communicantes du matériau des parois entre les conduits comprises entre 10 et 100 nm, les molécules de poids moléculaire de 100000 g/mole seront séparées avec des tailles de pores communicantes du matériau des parois entre les conduits comprises entre 30 à 300 nm.
Avantageusement la taille de pores (en nm) communicantes optimale du matériau des parois entre les conduits du garnissage sera exprimée en fonction du poids moléculaire MW (en kg/mole) des espèces à séparer par la loi :
dpore = ÎO W
Avantageusement ces pores ont un diamètre supérieur au libre parcours moyen des molécules pour une application en chromatographie en phase gaz.
Avantageusement ce matériau contiendra une seconde population de pores en contact ouvert avec la première population.
Avantageusement cette seconde population aura un diamètre de pores inférieur à celui de la première population. Avantageusement le volume poreux de la première population représentera plus de 40 % , de préférence plus de 50% et encore plus préférentiellement plus de 60% du volume poreux du matériau poreux du garnissage, volume poreux calculé en excluant le volume des conduits, c'est-à-dire en ne considérant que le volume du garnissage externe aux parois des conduits.
Avantageusement le volume poreux de la seconde population représentera entre 10 % et 60% du volume poreux du matériau poreux du garnissage.
Avantageusement on utilisera des gels de silice monolithiques bimodaux dont la première population sera macroporeuse et la seconde population mésoporeuse.
Avantageusement ce monolithe est réalisé en un gel de silice.
Avantageusement la première population est constituée de macropores, et la seconde population de mésopores.
On trouvera dans les publications suivantes des exemples non limitatifs de
méthodologies pour contrôler la taille de pores de gels de silice. Ces publications sont citées à titre illustratif et ne constituent nullement une base exclusive pour fixer l'état de l'art.
« Shrinkage during drying of silica gel » de D.M. smith et ail, Journal of non crystalline solids, 188, (1995), 191-206,
« Pore structure évolution in silica gel during aging/drying Part I, Temporal and thermal ageing » Pamela J. Davis, Journal of non crystalline solids, 142, (1992), 189-196,
« Pore structure évolution in silica gel during aging/drying Part II, Effect of Pore fluids »
Pamela J. Davis, Journal of non crystalline solids, 142, (1992), 197-207,
« Pore structure évolution in silica gel during ageing/drying Part II, Effects of Surface Tension » Ravindra Deshpande, Journal of non crystalline solids, 144, (1992), 32-44.
De façon particulièrement avantageuse, on pourra parfaitement contrôler la taille de pore du garnissage selon l'invention en utilisant pour sa fabrication un procédé charge liant.
Dans un tel procédé on agglomère une charge pulvérulente sous l'action d'un liant organique ou minéral.
La charge peut consister avantageusement en une phase stationnaire poreuse pour la chromatographie comme une silice, une alumine, une cellulose, etc ..
Le liant peut constituer en un sol, un procédé sol gel, une argile, une céramique, un polymère, etc ..
Ces produits sont disponibles dans le commerce avec des tailles de pores et des caractéristiques poreuses (tortuosité, volume poreux ou porosité, etc ..) dans une large gamme et parfaitement définies. On trouvera en particulier chez la société Silicycle des silices de taille de pore définies de 40 Angstrôm, 60 Angstrôm, 80 Angstrôm 90 .Angstrôm _ 100 Angstrôm , 120 Angstrôm , 150 Angstrôm , 300 Angstrôm , 1000 Angstrôm . Ces silices pour la chromatographie sont sur leur catalogue disponible en ligne sur leur site internet avec des morphologies
(sphériques, irrégulières) et des granulométries variées (de 1 ,8 a 500 μηι).
Ces silices peuvent être broyées et tamisées pour obtenir toute granulométrie voulue, entre 0,2 μηι et 500 μηι par exemple
Leur mise en forme de garnissage multicapillaire peut se faire à l'aide d'un liant, autour de fibres assemblées en faisceau de façon à former une matrice. Les fibres sont ensuites éliminées laissant leur empreinte sous forme de conduits dans la matrice.
Avantageusement ce garnissage sera réalisé par un gel de silice bimodal pour des séparations de macromolécules :
On en trouvera des exemples utilisables dans le document suivant :
N. Ishizuka , Designing monolithic double pore silica for high speed liquid
chromatography, Journal of Chromatography A, 797 (1998), 133-137
Avantageusement ce garnissage est réalisé en un gel polymérique organique monolithique.
On choisira la nature du gel et son degré de réticulation pour sélectionner la taille de pores voulue. Cette taille de pores et la porosité sont bien documentées dans la littérature commerciale, la littérature scientifique et la littérature brevet.
Parmis les gels polymériques on citera en particulier de façon non limitative les polymères Polystyrène Divinylbenzene contenant de 2 à 8 % de DVB, les silices greffées cyclodextrine, la cellulose et ses dérivés, en particulier ses esters, carbamate ou amylase, les polyholosides, le polytriphenyl methyl methacrylate, le polypyridyl-2 diphenyl methyl methacrylate, les polyacrylates, les polyesters, les alcool polyvinyliques, les agaroses réticulés et leurs dérivés substitués, les dextranes réticulés.
Selon un mode de réalisation, le gel organique est un copolymère du styrène et du divinylbenzène.
Les copolymères du styrène et du divinyl benzène présentent une diffusivité et une perméabilité élevée vis à vis de molécules dissoutes dans un solvant. Afin d'augmenter cette diffusivité, on diminue le taux de styrène. Cette diminution a pour effet de faire varier la taille de pore du matériau.
Le taux pondéral de divinylbenzène dans le styrène pourra être fait varier entre 20%, et 2%, un taux fort réduisant la taille de pores. En particulier ces gels organiques peuvent être réalisés au départ de mélanges de monomères monofonctionnels et de monomères multifonctionnels polymérisés dans un mileu porogéne. Les monomères multifonctionnels réticulent le polymère obtenu.
Ces monomères peuvent être des acrylates, méthacrylates, acrylamides, methacrylamides, vinyipyrolidones, vinylacétates, acide acrylique, acide methacrylique, acide vinyl sulfoniques, etc ..
Le taux de monomère monofonctionnel peut varier entre 2% et 98% en poids des monomères totaux.
Avantageusement il est compris entre 2% et 40% en poids des monomères totaux. Les monomères bi ou multifonctionnels peuvent être des monomères basés sur du benzène, naphtalène, pyridine, alkyl éthylène, glycol, etc. comportant deux ou plusieurs groupements fonctionnels vinyl.
Le taux de monomère bi ou multifonctionnel peut varier entre 100% et 2% en poids des monomères totaux.
Avantageusement ledit taux est compris entre 98 % et 60% en poids des monomères totaux.
Le porogéne est tout matériau ou produit pouvant être éliminé après la polymérisation pour générer de la porosité. Ce peut être un solvant organique, de l'eau, un polymère décomposable, etc .. Le choix du porogéne et sa quantité détermine la taille moyenne et la répartition en taille des pores obtenus.
Avantageusement le volume de porogéne est compris entre 20% et 500% du volume des monomères ou des oligomères constituant le gel organique.
Encore plus avantageusement le volume de porogéne est compris entre 40% et 300% du volume des monomères ou des oligomères constituant le gel organique.
Les tailles de pores obtenues en faisant varier ces conditions sont bien documentées et font partie de l'état de la technique.
On consultera en particulier le document suivant pour la synthèse des agaroses réticulés :
« Agar derivatives for chromatography, electrophoresis and gel-bound derivatives » Jerker Porath, J.C. Janson, T. Laas, J. Chromatogr., 60 (1971 ), 167-177
Les dextranes et agaroses réticulés sont connus sous les noms commerciaux de Sephadex et Sepharose (marque de GE Healthcare).
La taille de leurs pores est parfaitement maîtrisée et déterminée par leur degré de réticulation. La figure 1 est une vue en coupe d'un garnissage multicapillaire cylindrique 3 suivant une direction perpendiculaire à son grand axe.
Il comprend une masse poreuse 2 et des conduits capillaires vides 1 où le fluide traversant le garnissage 3 peut circuler librement. La masse poreuse est avantageusement monolithique.
Dans le cas décrit, les conduits capillaires sont droits, parallèles, et espacés de façon régulière. Les différents conduits ont des morphologies et diamètres aussi identiques que possible. Chaque conduit traverse le matériau, c'est-à-dire qu'il a avantageusement ses extrémités ouvertes de chaque côté 4 et 5 du garnissage cylindrique, permettant la circulation du fluide du côté d'entrée vers le côté de sortie.
La figure 2 est une vue de dessus d'une face 5 du garnissage cylindrique vu suivant la direction 6. On distingue les ouvertures des conduits capillaires individuels 1 dans la masse 2.
La figure 3 représente le schéma physique simulé sur ordinateur. Les conduits répartis sur une maille carrée ou hexagonale échangent de la matière avec leur voisins par diffusion moléculaire au travers de leurs parois.
La figure 4 représente le schéma numérique simulé sur ordinateur. La colonne multicapillaire est discrétisée en tranches ou cellules suivant l'axe de l'écoulement du fluide (flèche D1 ). A l'intérieur de chaque tranche la section de chaque conduit est discrétisée en cellules de symétrie cylindrique (flèche D2). Le matériau poreux est caractérisé par une porosité ou fraction de vide volumique, une fraction de phase stationnaire, une tortuosité et un coefficient de correction C de la diffusivité calculé sur la base d'une taille de pore moyenne. Les équations différentielles ordinaires (ODE) décrivant le bilan matière convectif, diffusionel et l'accumulation de chaque composé élué ou éluant dans chaque cellule sont posées et résolues séquentiellement par un intégrateur numérique de type Euler explicite avec un faible pas de temps.
La figure 5 représente un premier résultat des simulations. Les courbes sont tracées avec la longueur de la colonne (en μηι) en abscisse et le nombre de plateaux théoriques en ordonnée.
La courbe délimitée par des losanges qui plafonne à un nombre de plateaux théorique indépendant de la longueur représente le comportement d'un faisceau de capillaires indépendant à parois pleines. Ladite courbe représente un garnissage constitué de conduits de diamètre aléatoirement variable suivant une loi statistique gaussienne autour d'une moyenne de 10 μηι avec un écart type de 0,5μηι, pour des parois non poreuses. Le diamètre des conduits varie statistiquement suivant une loi normale. La droite délimitée par des carrés représente le comportement de la même colonne avec des parois poreuses permettant aux molécules des substances à séparer de diffuser entre les conduits. L'efficacité croît linéairement proportionnellement à la longueur. La diffusion nivelle les différences de comportement entre les conduits. Cette droite représente le même faisceau que la courbe inférieure avec des parois poreuses présentant 55% de volume poreux, une épaisseur de paroi de 2 μηι et une taille de pore dix fois supérieure au diamètre moléculaire des espèces a séparer.
La figure 6 représente le profil de concentration résultant de la diffusion d'un composant présent initialement dans un conduit après un temps t. La matière diffuse dans les autres conduits. La courbe en cloche de type gaussien obtenue s'étale et s'affaisse dans le temps. De ce fait le comportement de chaque conduit devient une moyenne cumulée des contributions d'un nombre croissant de conduits lorsque le temps s'écoule. Le comportement indépendant de chaque conduit est nivelé et devient en permanence le résultat d'une moyenne sur un échantillon de plus en plus large de conduits voisins.
La figure 7 montre ce comportement. Un conduit central diffuse dans les conduits périphériques et reçoit de la matière de ceux-ci, la quantité de matière étant d'autant plus grande que la couleur attribuée au conduit est foncée.
La figure 8 représente la corrélation obtenue entre la hauteur partielle de plateau théorique attribuable au phénomène de dispersion Hdisp et le DFactor, tous deux exprimés en micromètre. La corrélation est linéaire et excellente dans tout le domaine de conditions opératoires numériquement exploré.
La figure 9 représente les différentes variables de caractérisation d'un matériau poreux suivant l'invention. Le matériau vu en coupe présente des parties solides 6 séparées par un réseau connexe de pores 7 de diamètre 10. La fraction volumique de vide 7 est la porosité P. Le rapport moyen entre le chemin 9 effectivement parcouru par une molécule diffusante et le chemin optimal 1 1 est la tortuosité T du matériau. On suppose sur cette figure que le flux de fluide s'écoule du haut vers le bas de la figure.
La figure 10 représente schématiquement les rapports entre le diamètre des molécules diffusantes en phase condensée et le diamètre des pores 15 s'étendant au travers d'un matériau poreux 12. Les molécules de grande taille 14 dont le diamètre est de l'ordre de grandeur du diamètre des pores 15 subissent une gêne stérique lors de leur diffusion. En revanche, la diffusivité moléculaire des espèces de petite taille 13 dont le diamètre est un ordre de grandeur en dessous de celui 15 des pores n'est pas significativement affectée. La figure 1 1 représente les pertes de charge d'un solvant aqueux dans deux colonnes de même longueur, l'une remplie d'une phase stationnaire particulaire sphérique (points carrés tournés à 45°), l'autre d'un monolithe multicapillaire (points carrés horizontaux). L'abscisse porte le diamètre des particules ou des conduits en μηι, l'ordonnée la perte de charge en bar. La perte de charge est calculée à l'optimum d'efficacité de la colonne dans les deux cas. On constate que la perte de charge est un ordre de grandeur plus faible avec des conduits capillaires. L'écart devient significatif en pratique pour un diamètre caractéristique de 30 μηι.
La figure 12 montre une courbe de Van Deemter obtenue par simulation. Cette courbe est obtenue pour un capillaire de diamètre 10 μηι entouré d'une pellicule de phase stationnaire poreuse de 55% de volume poreux et 2 μηι d'épaisseur. L'axe des abscisses est la vitesse de la phase mobile dans le conduit en μηι/s, l'axe des ordonnées représente la hauteur de plateaux théorique en μηι. La courbe de Van Deemter montre que la hauteur d'un plateau théorique présente un minimum correspondant à l'optimum d'efficacité de la colonne.
La figure 13 décrit un procédé de chromatographie d'élution. Suivant ce procédé un flux continu de phase mobile 28 de composition et de température éventuellement variables au cours du temps traverse la colonne de chromatographie 21 remplie d'une phase stationnaire 22. Un volume de charge à séparer 23 est injecté dans le flux d'alimentation. Sous l'effet antagoniste de la rétention réversible des espèces chimiques par la phase stationnaire et de l'élution ou entraînement de ces espèces par la phase mobile, les espèces migrent à des vitesses différentes le long de la colonne 21 et se séparent en bandes ou pics d'élutions 24,25,26, etc ..
Les espèces séparées sont isolées en fractionnant le flux sortant de la colonne de façon à recueillir chaque bande au moment de sa sortie de la colonne dans le solvant d'élution.
Ce fractionnement peut être temporel dans le cas d'un procédé discontinu ou angualire dans le cas d'un dispositif annulaire continu. Il peut consister en la séparation d'une fraction de tête et d'une fraction de queue pour un dispositif en lit mobile simulé.
Le chromatogramme représente les pics de concentration des espèces 24, 25, 26 en sortie de colonne en fonction du temps.
La figure 14 représente schématiquement une simulation sur ordinateur de la séparation de deux espèces chimiques sur un garnissage multicapillaire a parois poreuses dont le diamètre des pores communicantes est supérieur à deux fois le diamètre moléculaire de ces espèces. Les conduits capillaires du garnissage présentent une variabilité statistique sur leur diamètre. Ces diamètres sont répartis sur une courbe de gauss dont l'écart type est égal à 5% de leur diamètre moyen. Ces espèces sont par exemple un sel minéral comme du chlorure de sodium 40 et un peptide 41 dissous dans l'eau.
On constate une bonne séparation des deux pics d'élution permettant de séparer les deux espèces.
La figure 15 représente schématiquement une simulation sur ordinateur de la séparation des mêmes espèces chimiques sur un garnissage présentant des caractéristiques dimensionnelles identiques mais dont le diamètre des pores communicantes est supérieur à deux fois le diamètre moléculaire de l'espèce 40 et est inférieur à deux fois le diamètre moléculaire de l'espèce 41.
On constate que les deux pics se recouvrent et ne permettent plus une séparation efficace et complète des deux espèces. Cet effet est dû au fait que la nature poreuse du gel permet l'équilibrage des concentrations entre les conduits par diffusion moléculaire dans le cas de l'espèce 40 et ne le permet plus dans le cas de l'espèce 41. De ce fait l'espèce 41 est sujette à un important étalement supplémentaire du à la nature irrégulière des diamètres des conduits capillaires qui n'est plus compensée par la diffusion moléculaire entre les conduits adjacents.
Par conséquent, pour optimiser les performances de la séparation en présence de deux espèces (ou davantage) présentant des pics consécutifs, on fera en sorte que la taille des pores connexes soit supérieure à deux fois le diamètre moléculaire de chacune desdites espèces.
La figure 16 représente une vue en coupe suivant une direction parallèle à son grand axe d'une variante d'un garnissage pour la chromatographie suivant l'invention dans lequel les conduits 61 , 61 ' sont inclus dans une masse monolithique poreuse 63 et sont empilés et juxtaposés. Dans ce cas les conduits débouchent de façon ordonnée ou aléatoire dans le matériau 62 perméable à l'éluant. Afin de visualiser cette structure, on pourra considérer que ces conduits peuvent avoir pour précurseur des fibres coupées, empilées et juxtaposées de façon directionnelle de façon à leur conférer une direction moyenne parallèle au sens d'écoulement du fluide dans le garnissage. Les conduits sont dans ce cas des macropores anisotropes, dont l'étendue, la direction ou la morphologie favorise un écoulement axial de la phase éluante dans le garnissage, et inclus dans celui-ci. Avantageusement suivant l'invention, les conduits sont de longueurs et de diamètres homogène, et le plus parallèles possible.
Les figures 17 à 24 représentent des vues de la construction d'une colonne de chromatographie multicapillaire. Les figures 17-18 et 19-20, représentent respectivement deux éléments constituant le corps de la colonne, à savoir un bloc inférieur 90 et un bloc supérieur 91. Un logement ou canal de section rectangulaire 93 est creusé dans le bloc inférieur 90. Ce logement reçoit et moule le monolithe. Avantageusement la synthèse du monolithe y est réalisée. La figure 17 est une vue de côté de la pièce 90, la figure 18 en est une vue suivant sa section. L représente la longueur de la pièce. La pièce est munie de perforations taraudées permettant son assemblage.
La figure 19 est une vue du bloc supérieur 91 suivant sa section, la figure 20 en est une vue de côté. La pièce 91 comporte une partie maie 94 destinée à s'encastrer dans le canal 93.
La figure 21 représente une vue en coupe des pièces 90 et 91 encastrées. Leur encastrement ménage un canal libre 95 dans lequel se loge le monolithe.
Les figures 22 et 23 représentent respectivement en vue de profil et en vue de face la pièce 92 d'embout de la colonne permettant de la connecter à la fluidique. La pièce 92 comporte un tube 121 soudé ou collé de façon étanche permettant d'amener ou d'évacuer la phase mobile jusqu'au filtre fritté 130 par l'intermédiaire d'un espace annulaire 129. Le filtre est logé dans un espace annulaire 128. Les perforations 127 permettent d'assembler la colonne.
La figure 24 représente schématiquement la géométrie de l'assemblage final des éléments 90, 91 et 92. L'étanchéité de l'ensemble peut être réalisée simplement en le recouvrant d'une pellicule d'une colle bicomposant.
Le tableau ci-dessous explicite, dans un exemple, les cotes représentées sur les figures 17-24.
Référence Cote (mm) Commentaire
100 10
101 15
102 100
103 M3 Filetage3 mm profondeur 7 mm
104 7
105 10
106 4
107 2
108 4
109 6
1 10 12
1 1 1 3 mm Perforation (diamètre)
1 12 M3 Filetage3 mm profondeur 7 mm
1 14 1 ,98
1 15 2,0 1 16 2.0
1 17 20
1 18 4
120 20
121 1 ,58 Tube 1/16 pouce diamètre externe, diamètre interne 0,25 mm
122 1 ,25
124 2, 1 diamètre
125 3,2 diamètre
126 14
127 3 Perforation (diamètre)
129 0,3 Profondeur
130 1 ,0 Epaisseur du filtre fritté
131 2
132 4
133 20
134 12
135 14
136 0,25 Canal centré
Les figures 25 et 26 représentent un mode d'assemblage de fils 152 précurseurs des conduits d'un monolithe. Une feuille 150 est perforée de trous 151 réguliers. Des perçages très fins de l'ordre de quelques dizaines de micromètres peuvent être réalisés par perçage laser dans de la feuille d'acier inoxydable, de la feuille de laiton ou de polymère. Le fil 152 est passé entre les perforations de deux plaques opposées symétriques 150 espacées de la longueur L de façon à réaliser un faisceau de fils parallèles. Les fils peuvent être ultérieurement soudés ou collés à la feuille 150 par une goutte de colle.
La figure 27 représente schématiquement l'assemblage du faisceau de fils 152 dans la pièce 90. Le faisceau de fils 152 limité par les feuilles 150 est inséré sous une légère tension au fond de la rainure 93. Les feuilles 150 réalisent une étanchéité provisoire aux deux extrémités. Le faisceau peut être rempli de phase stationnaire, et ultérieurement pyrolysé, dissout, fondu, ou éliminé par tout moyen convenable.
La figure 28 représente une feuille perforée 150 dont les trous sont répartis en couches de trois diamètres différents 153, 154, 155. On peut ainsi obtenir des faisceaux dont des fils de trois diamètres différents sont disposés en nappes alternées.
Les figures 29 et 30 représentent des réponses chromatographiques d'une même colonne dans les cas où la molécule éluée est d'un diamètre moléculaire inférieur à la moitié du diamètre des pores permettant la diffusion entre les conduits adjacents (courbe en pointillés), et dans le cas ou son diamètre moléculaire supérieur à la moitié du diamètre des pores ne le permet pas (courbe en trait plein). L'axe des abscisses est le temps, l'axe des ordonnées est la réponse du détecteur. Dans le cas de la figure 29, la colonne contient trois familles de conduits de diamètres différents arrangés en couches superposées. Un exemple d'un tel agencement est représenté en coupe sur la figure 28.
On constate que lorsque la diffusion a lieu, un pic unique (courbe en pointillés) résulte de l'interaction des trois familles de conduits. Lorsque la diffusion est empêchée, trois pics (courbe en trait plein) se produisent pour un même composé, rendant impossible la lecture du chromatogramme.
Dans le cas de la figure 30, la colonne contient des conduits dont les diamètres sont répartis aléatoirement suivant une loi gaussienne dont l'écart type correspond à 5% du diamètre moyen des conduits.
On constate que lorsque la diffusion a lieu (courbe en pointillés) le nombre de plateaux théorique de la colonne est de 178. Lorsque la diffusion est empêchée (courbe en trait plein), le nombre de plateaux théorique de la colonne n'est plus que de 50, ce qui montre que la colonne est considérablement moins performante.
Dans le présent texte, on calculera le diamètre moléculaire suivant deux façons suivant le poids moléculaire et les caractéristiques de la substance considérée.
Pour les substances présentant une phase gazeuse ou dont on peut calculer les coordonnées du point critique, on utilisera le covolume, terme b de l'équation de Van der Vais, divisé par 4 et par le nombre d'Avogadro, et l'on calculera le diamètre d'une sphère de volume équivalent. On sait en effet que le covolume b est égal à quatre fois le volume moléculaire. Le covolume est aisément accessible à partir des coordonnées critiques du corps considéré.
Pour les macromolécules, les molécules biologiques (protéines, etc ..) et les molécules ne présentant pas de phase gazeuse, on utilisera le diamètre hydrodynamique mesuré par diffusion dynamique de la lumière.
Dans le présent texte, on calcule le diamètre moyen et l'écart type du diamètre des conduits comme le diamètre hydraulique moyen et son écart type mesuré par analyse d'image sur une ou plusieurs tranches du garnissage perpendiculairement aux conduits.
Lorsque les conduits individuels présentent une variabilité ou écart type sur leur diamètre le long du garnissage, on mesure le diamètre moyen comme le diamètre hydraulique moyen d'une multiplicité de tranches effectuées le long du garnissage de façon à obtenir un échantillonnage statistiquement significatif au regard de la variabilité mesurée, afin de connaître le volume et la surface périphérique mouillée de chaque conduit et connaissant celui-ci son diamètre hydraulique moyen comme quatre fois leur rapport. Dans le présent texte, on calcule l'épaisseur moyenne et l'écart type de l'épaisseur des parois des conduits par analyse d'image obtenue par microscopie électronique à balayage sur une tranche du garnissage perpendiculaire aux conduits.
Lorsque les conduits présentent une variabilité ou écart type sur l'épaisseur de paroi le long du garnissage, on mesure l'épaisseur de paroi moyenne sur une multiplicité de tranches effectuées le long du garnissage de façon à obtenir un échantillonnage statistiquement significatif au regard de la variabilité mesurée, afin de connaître le volume de chaque paroi et sa surface périphérique mouillée et connaissant celui-ci son épaisseur moyenne sur la base d'une épaisseur constante entourant la surface périphérique mouillée des conduits, obtenu comme le rapport du volume de paroi sur la surface périphérique mouillée.
Dans le présent texte, on calcule la longueur moyenne et l'écart type de la longueur moyenne des conduits par analyse d'image obtenue par microscopie électronique à balayage sur une ou plusieurs tranches du garnissage parallèle aux conduits de façon à obtenir un échantillonnage statistiquement significatif au regard de la variabilité mesurée.
Lorsque les conduits présentent une variabilité ou écart type sur la longueur des conduits le long du garnissage, ou que les conduits ont une direction qui n'est pas parfaitement alignée avec l'axe du garnissage, on mesure les longueurs sur une multiplicité de tranches effectuées dans le garnissage parallèlement à sa longueur de façon à obtenir un échantillonnage statistiquement significatif au regard de la variabilité mesurée, afin de connaître la longueur moyenne des conduits et son écart type.
Par échantillon statistiquement significatif on entend un échantillon représentant plus de
100 conduits indépendants.
Le volume du garnissage extérieur aux volumes des conduits se calcule aisément en soustrayant au volume géométrique du garnissage le volume moyen des conduits ainsi déterminé.
Le coefficient de diffusion moléculaire en milieu liquide sera mesuré par la méthode du diaphragme poreux étalonné par KCI pour les solutions de concentration supérieures à 0.001 M, et par la méthode du capillaire ouvert pour les solutions de concentrations inférieures et les molécules biologiques (Mesure des coefficients de diffusion, Pierre Turq, Jean-Pierre Simonin, Techniques de l'ingénieur, ref p1515, en date du 10/01/1990), paragraphes 3 ,21 1 et 3,212.
Le coefficient de diffusion moléculaire en phase gaz est mesuré à l'aide du montage de Boardman et Wild (Diffusion of pairs of gases with molécules of equal mass, Proc. Roy. Soc. London A. 162 1937 p 51 1 ). Pour les gels et les milieux poreux on utilisera de préférence la méthode décrite dans le document suivant : (Mesure des coefficients de diffusion, Pierre Turq, Jean-Pierre Simonin Techniques de l'ingénieur, ref p1515, en date du 10/01/1990), eq 49 et 50 paragraphe 4, 13.
La diffusion effective dans un milieu complexe poreux ou un gel peut alternativement être mesurée par la méthode du diaphragme poreux étalonné par KCI, le diaphragme étant constitué du matériau à tester. La valeur retenue est la moins bonne des valeurs expérimentales.
Dans le présent texte, on entend par moyenne d'un ensemble de valeurs d'une variable X sa moyenne arithmétique E[X]. L'écart type est défini comme la racine carrée de la moyenne arithmétique de (X-E[X\)2. Par distribution, on entend dans le présent texte un ensemble de valeurs de la variable X.
Exemple de réalisation 1
Un fil de nylon 6-6 est produit avec un diamètre de 0,043 mm.
Ce fil est disposé sur un cadre en aiguilles rectilignes de 220 mm de longueur.
200 g de Gel de Silice pour la chromatographie de taille de pore 4 nm (SiliCycle ref
R10030 A) sont broyés jusqu'à un diamètre moyen de particules de 3 μηι environ.
La poudre est mise graduellement en suspension dans 500 ml d'un mélange de 200 ml de sol de silice HS30 de Grâce a 30% en matière sèche et de 300 ml d'eau déminéralisée,.
Une fois la mise en suspension terminée, les aiguilles de nylon sont trempées et recouvertes de cette suspension et sont séchées sur leur cadre sous un courant d'air sec à 80°C.
Les aiguilles sont ensuite coupées avec une longueur exacte de 200 mm et disposées dans un logement carré de 2.0 mm de côté et de 200 mm de long creusées dans une feuille de 20x10x200 mm d'acier inoxydable 316L, et d'un couvercle plan dans une feuille de 20x10x200 mm de PTFE (marque Teflon déposée par DuPont de Nemours). Les aiguilles sont disposées parallèlement les unes aux autres et régulièrement en couches successives formant une section carrée dans le logement d'inox inférieur de façon à le remplir d'aiguilles.
Une mixture de 5 ml de Ludox HS30 (marque Grâce, sol de particules de silice amorphe de 7 nm de diamètre, de surface spécifique de 360 m2/g, 30% en poids de silice contenue) et de 0, 1 ml d'acide acétique est préparée.
Le faisceau d'aiguilles de nylon dans son logement inox est imprégné avec ce mélange. Le liquide doit remplir la totalité du garnissage, qui doit s'y trouver immergé.
Les deux parties, inox et teflon sont vissées l'une contre l'autre.
Le mélange est maintenu à 90°C jusqu'à gel complet du sol. Le couvercle en PTFE supérieur maintenant le faisceau est extrait du gel, les extrémités du gel sont dégagées, et le faisceau dans son logement inox sont portés graduellement avec une montée en température de 5°C /mn jusqu'à 95 °C dans une étuve. Ils sont maintenus et séchés 5 heures à cette température.
Le faisceau sec dans son logement inox sont portés graduellement avec une montée en température de 1 °C /mn jusqu'à 550 °C dans un four à l'atmosphère. Ils sont maintenus 5 heures à cette température.
Un couvercle manufacturé dans une feuille de 20x10x200 mm d'acier inoxydable 316L est replacée pour refermer le garnissage en substitution de la demi coque en PTFE.
Le monolithe est lavé à l'eau desionisée percolée par les conduits libres.
Le monolithe ainsi obtenu peut être utilisé directement pour la chromatographie liquide de molécules de poids moléculaire de 100 g/mole à 200 g/mole .
Exemple de réalisation 2
Un filde nylon 6-6, est produit avec un diamètre de 0,043 mm.
Ce fil est disposé en aiguilles rectilignes de 220 mm de longueur.
200 g de Gel de Silice pour la chromatographie de taille de pore 30 nm (SiliCycle ref S10070 M) est broyé jusqu'à un diamètre moyen de particules de 3 μηι environ.
Un sol de silice de 40 nm de taille de particule et de 50% de matière sèche est obtenu par addition de silicate de soude désionisé (par passage sur un échangeur de cations), de façon à réaliser à pH 9 et à 90°C un dépôt de silice régulier sur un sol TM 50 de Grâce en solution diluée.
La poudre est mise graduellement en suspension dans 500 ml d'un mélange de 200 ml de sol de silice à 50% en matière sèche et 40 nm de taille de particule obtenu précédemment et de 300 ml d'eau déminéralisée.
Une fois la mise en suspension terminée, les aiguilles de nylon sont trempées et recouvertes de cette suspension et sont séchées sous un courant d'air sec à 80°C.
Les aiguilles sont ensuite coupées avec une longueur exacte de 200 mm (voir figures 25 A et B) en dégageant chaque côté et disposées dans un logement carré de 2.0 mm de côté et de 200 mm de long creusées dans une feuille de 20x10x200 mm d'acier inoxydable 316L, et d'un couvercle plan dans une feuille de 20x10x200 mm de PTFE (marque Teflon déposée par DuPont de Nemours). Les aiguilles sont disposées parallèlement les unes aux autres et régulièrement en formant une section carrée dans le logement d'inox inférieur de façon à le remplir d'aiguilles.
Une mixture de 5 ml du sol de 40 nm à 50% en matière sèche et de 0,1 ml d'acide acétique est préparée. Le faisceau d'aiguilles de nylon dans le logement inox est imprégné avec ce mélange. Le liquide doit remplir la totalité du garnissage, qui doit s'y trouver immergé.
Les deux parties, inox et PTFE sont vissées l'une contre l'autre.
Le mélange est maintenu à 90°C jusqu'à gel complet du sol.
Le couvercle en PTFE supérieur maintenant le faisceau est extrait du gel, les extrémités du gel sont dégagées, et le faisceau dans son logement inox sont portés graduellement avec une montée en température de 5°C /mn jusqu'à 95 °C dans une étuve. Ils sont maintenus et séchés 5 heures à cette température.
Le faisceau sec dans son logement inox sont portés graduellement avec une montée en température de 1 °C /mn jusqu'à 550 °C dans un four à l'atmosphère. Ils sont maintenus 5 heures à cette température.
Un couvercle manufacturé dans une feuille de 20x10x200 mm d'acier inoxydable 316L est replacée pour refermer le garnissage en substitution de la demi coque en PTFE.
Le monolithe est lavé à l'eau desionisée percolée par les conduits libres.
Le monolithe ainsi obtenu peut être utilisé directement pour la chromatographie liquide de molécules de poids moléculaire de 1000 g/mole environ..
Exemple de réalisation 3
On prépare un mélange contenant 8 g de méthacrylate d'hydroxyéthyle, 32 g de divinylbenzène, 445 mg d'azobisisobutyronitrile, 120 g de dodécanol et on le dégaze sous azote durant 20 minutes.
Ce mélange est porté à 70°C durant 24 heures. Le mélange se polymérise.
Le monolithe A ainsi réalisé est lavé y faisant percoler du THF durant 30 minutes et séché a l'étuve à 90°C.
Le monolithe A est broyé sous azote liquide jusqu'à obtenir un diamètre de grains de 25 μηι.
La porosité de ces grains est comblée d'une cire paraffinique fondant à 80 °C par ajout à chaud de la cire fondue dans la poudre sous agitation.
Un fil de polydioxanone est produit avec un diamètre de 0,05 mm.
Le fil est recouvert par trempage et collage à l'aide une solution d'alcool polyvinylique aqueux préalablement déposée d'une fine couche de grains du monolithe B broyé à 25 μηι. Il est ensuite coupé en longueurs de 120 mm et assemblés en un faisceau de 4 mm de diamètre environ dans un tube de verre de 75 mm de long, de 6.35 mm de diamètre externe et de 4 mm de diamètre intérieur préalablement préparé. On prépare en parallèle un mélange contenant 8 g de méthacrylate d'hydroxyéthyle, 32 g de divinylbenzène, 890 mg d'azobisisobutyronitrile, 120 g de dodécanol et on le dégaze sous azote durant 20 minutes.
Le faisceau préparé précédemment est rempli avec ce mélange et porté à 70°C durant 24 heures. Le mélange se polymérise.
Le composite ainsi réalisé est libéré en sectionnant les tronçons de fil de part et d'autre du tube de verre au ras de ses extrémités, perpendiculairement auxdits tronçons.
Le monolithe ainsi réalisé est lavé par un courant de n-octane à 120°C durant 30 minutes, puis par du THF (tetrahydrofurane) à température ambiante durant 30 minutes.
Les fils de polydioxanone sont dissous par de la soude N à 90°C percolée au travers du garnissage durant 1 heure, puis le garnissage est lavé par de l'eau distillée jusqu'à neutralité et séché à 105°C. Le monolithe est porté dans une étuve sous un vide poussé à 125°C, jusqu'à fusion et volatilisation des résidus de cire et des organiques légers.
Le monolithe ainsi obtenu peut être utilisé directement pour la chromatographie liquide de molécules de poids moléculaires de 500 g/mole à 5000 g/mole .
Exemple de réalisation 4
Un monolithe est produit suivant le protocole décrit par l'exemple 3.
Un litre de billes d'agarose sont dissoutes dans un litre d'eau déminéralisée à 95°C. La porosité du monolithe est imprégnée de cette solution par trempage et drainage à 95 °C du cœur des conduits puis refroidissement.
L'agarose occlus et gelé est lavé à l'eau distillée
Un litre de solution de NaOH 1 N contenant 20 ml d'epichlorohydrine et 5 g de NaBH4 est préparé. On en remplit les conduits du monolithe.
Le monolithe est porté à 60°C durant une heure.
Le gel réticulé obtenu est lavé à l'eau chaude jusqu'à neutralité.
Le monolithe ainsi obtenu peut être utilisé comme base pour la chromatographie liquide de protéines.
Exemple de réalisation 5
Un fil de polymethacrylate de methyle est produit avec un diamètre de 0,3 mm.
Ce fil est disposé sur un cadre .
Les fils sont recouverts par trempage d'une fine pellicule d'Araldite (marque déposée) progressive déposée par voie solvant dans le méthanol.
Des grains de silice pour chromatographie Supelco, phase sphérique de granulométrie comprise entre 40 et 75 μηι, sont collés sur les fils tendus par simple mise en contact avec le film d'Araldite. Le montage est polymérisé 24 h à 40°C Les aiguilles sont ensuite coupées en un faisceau de longueur 120 mm en dégageant chaque côté et disposées dans un logement carré de 2.0 mm de côté et de 100 mm de long creusé dans une feuille de 20x10x100 mm d'acier inoxydable 316LOn réalise en parallèle un couvercle plan dans une feuille de 20x10x100 mm de PTFE (marque Teflon déposée par DuPont de Nemours). Les aiguilles sont disposées parallèlement les unes aux autres dans le logement d'inox inférieur de façon à le remplir d'aiguilles.
Une mixture de 5 ml de sol Ludox TM50 (marque Grâce) de 20 nm à 50% en matière sèche et de la quantité d'acide acétique glacial suffisante pour ajuster son pH a 7 est préparée.
Le faisceau d'aiguilles de nylon dans le logement inox est imprégné avec ce mélange.
Le liquide doit remplir la totalité du garnissage, qui doit s'y trouver immergé.
Les deux parties, inox et teflon sont vissées l'une contre l'autre.
Le mélange est maintenu à 90°C jusqu'à gel complet du sol.
Le couvercle en PTFE supérieur maintenant le faisceau est extrait du gel, les extrémités du gel sont dégagées, et le faisceau dans son logement inox sont portés graduellement avec une montée en température de 5°C /mn jusqu'à 95 °C dans une étuve. Ils sont maintenus et séchés 5 heures à cette température.
Le faisceau sec dans son logement inox sont portés graduellement avec une montée en température de 1 °C /mn jusqu'à 500 °C dans un four à l'atmosphère. Ils sont maintenus 5 heures à cette température.
Un couvercle manufacturé dans une feuille de 20x10x100 mm d'acier inoxydable 316L est replacée pour refermer le garnissage en substitution de la demi coque en PTFE.
Les embouts (figures 22 23)sont fixés (figure 24) sur la colonne et l'ensemble est étanché par une pellicule de colle époxy bicomposants. La colonne est connectée au chromatographe.
La figure 36 représente un chromatogramme réalisé avec ce monolithe.
Les conditions sont les suivantes :
• Chromatographe Agilent 1 100, détecteur à barette de diode
• Mode isocratique
· Solvant Eau
• T° Ambiante
• Débit : 0,005 ml/s
• Longueur d'onde de détection : 210 nm
Les espèces séparées sont l'acide polyacrylique (1 ) et l'acide acétique (2). L'axe des abcisses représente le temps en mn écoulé depuis l'injection, l'axe des ordonnées la réponse du détecteur.
Exemple de réalisation 6
Un fil de nylon 6-6, est produit avec un diamètre de 0,050 mm.
Ce fil est disposé sur un cadre.
200 g de Gel de Silice pour la chromatographie de taille de pore 6 nm (SiliCycle) est broyé jusqu'à un diamètre moyen de particules de 3 μηι environ.
La poudre est mise graduellement en suspension dans 500 ml d'un mélange de 200 ml de sol de silice TM50 de Grâce à 50% en matière sèche et 20 nm de taille de particule et de 300 ml d'eau déminéralisée.
Une fois la mise en suspension terminée, les aiguilles de nylon sont trempées et recouvertes de cette suspension et sont séchées sous un courant d'air sec à 80°C.
Les aiguilles sont ensuite coupées en un faisceau de longueur 100 mm en dégageant chaque côté et disposées dans un logement carré de 2.0 mm de côté et de 75 mm de long creusé dans une feuille de 20x10x75 mm d'acier inoxydable 316L, et d'un couvercle plan dans une feuille de 20x10x75 mm de PTFE (marque Teflon déposée par DuPont de Nemours). Les aiguilles sont disposées parallèlement les unes aux autres dans le logement d'inox inférieur de façon à le remplir d'aiguilles.
Une mixture de 5 ml du sol de 20 nm à 50% en matière sèche et de la quantité d'acide acétique glacial suffisante pour ajuster son pH a 7 est préparée.
Le faisceau d'aiguilles de nylon dans le logement inox est imprégné avec ce mélange. Le liquide doit remplir la totalité du garnissage, qui doit s'y trouver immergé.
Les deux parties, inox et teflon sont vissées l'une contre l'autre.
Le mélange est maintenu à 90°C jusqu'à gel complet du sol.
Le couvercle en PTFE supérieur maintenant le faisceau est extrait du gel, les extrémités du gel sont dégagées, et le faisceau dans son logement inox sont portés graduellement avec une montée en température de 5°C /mn jusqu'à 95 °C dans une étuve. Ils sont maintenus et séchés 5 heures à cette température.
Le faisceau sec dans son logement inox sont portés graduellement avec une montée en température de 1 °C /mn jusqu'à 550 °C dans un four à l'atmosphère. Ils sont maintenus 5 heures à cette température.
Un couvercle manufacturé dans une feuille de 20x10x75 mm d'acier inoxydable 316L est replacée pour refermer le garnissage en substitution de la demi coque en PTFE.
Le monolithe est lavé à l'eau désionisée percolée par les conduits libres et séché à 105°C deux heures. Les embouts (figures 22 23) sont fixés (figure 24) sur la colonne et l'ensemble est étanché par une pellicule de colle époxy bicomposants. La colonne est connectée au chromatographe.
Le monolithe silicique est fonctionnalisé avec de l'octadécyl-triméthoxysilane (Aldrich, 90%). Pour le greffage, une solution de 50 mL d'éthanol absolu contenant un excès de 5 molécules de greffons par nm2 de surface silicique est employée. Ceci correspond à faire passer en recirculation une solution de 50 mL d'éthanol contenant 0.093 g (0.25 mmol) de l'octadécyl-triméthoxysilane. Le monolithe est activé à 150°Csous vide pendant 4 h avant le greffage dans un tube schlenk. Puis le monolithe est mis à percoler par la solution contenant les greffons à l'aide d'une pompe HPLC en recirculation pendant 14 h avec un débit de 0.25mL min-1 et une température de 70°C. Le monolithe est ensuite lavé en continu à un débit de 0.25 mL min-1 avec de l'éthanol (50 mL), un mélange d'éthanol/eau (50 mL/ 50 mL) et de l'acétone (50 mL). Le monolithe est séché à 80°C pendant 2 jours.
La figure 31 représente un chromatogramme réalisé avec ce monolithe.
Les conditions sont les suivantes :
• Chromatographe Agilent 1 100, détecteur à barette de diode
• Mode isocratique
• Solvant Eau/Acetonitrile/H3P04 : 600/400/2
• T° Ambiante
· Débit : 0.01 ml/mn
• Longueur d'onde de détection : 235 nm
Les espèces séparées sont l'acide acétylisalicylique (2) et l'acide salicylique (3).
Exemple de réalisation 7
On prépare un monolithe suivant le protocole décrit en exemple 3 en substituant l'ethylstyréne au méthacrylate d'hydroxyéthyle.
La figure 32 représente un chromatogramme réalisé avec ce monolithe.
Les conditions sont les suivantes :
• Chromatographe Agilent 1 100, détecteur UV a longueur d'onde variable
• Solvant A Eau/Acétonitrile 95/5(v/v) + 0.1 %Acide Trifluoroacétique
· Solvant B Eau/Acétonitrile 5/95(v/v) + 0.1 %Acide Trifluoroacétique
• Mode Gradient 1-65% B en 60 mn
• T° Ambiante
• Débit : 0,012 ml/mn
• Longueur d'onde de détection : 235 nm
Les espèces séparées sont l'angiotensine II (1 ) et le lysozyme (2). L'axe des abcisses représente le temps en mn écoulé depuis l'injection, l'axe des ordonnées la réponse du détecteur.
Exemple de réalisation 8
Une préforme des canaux du monolithe est réalisée en réalisant un faisceau composé de trois familles de fils de nylon 66 de respectivement 50, 60 et 70 μηι de diamètre.
Le faisceau est réalisé en un faisceau carré de 12 fils de cotés répartis suivant une maille carrée de 120 μηι de pas, a l'aide d'un dispositif support du type de celui présenté figure 30.
Les fils des trois familles sont disposés alternativement en couches successives de 12 fils de même diamètre suivant la séquence 50/60/70/60/50/60/70/6050/60/70/60.
Le faisceau est réalisé avec une longueur de 75 mm de long.
Le faisceau d'aiguilles est ensuite inséré dans un logement carré de 1.5 mm de côté et de 75 mm de long creusé dans une feuille de 20x10x75 mm d'acier inoxydable 316L, et d'un couvercle plan dans une feuille de 20x10x75 mm de PTFE (marque Teflon déposée par DuPont de Nemours).
200 g de Gel de Silice pour la chromatographie de taille de pore 6 nm (SiliCycle) est broyé jusqu'à un diamètre moyen de particules de 3 μηι environ.
La poudre est mise graduellement en suspension dans 500 ml d'un mélange de 200 ml de sol de silice TM50 de Grâce à 50% en matière sèche et 20 nm de taille de particule et de 300 ml d'eau déminéralisée.
Le faisceau d'aiguilles de nylon dans le logement inox est imprégné avec ce mélange. Le liquide doit remplir la totalité du faisceau, qui doit s'y trouver immergé.
Les deux parties, inox et teflon sont vissées l'une contre l'autre.
Le mélange est maintenu à 90°C sous atmosphère saturée humide jusqu'à gel complet du sol.
Le couvercle en PTFE supérieur maintenant le faisceau est extrait du gel, les extrémités du gel sont dégagées, et le faisceau dans son logement inox est porté graduellement avec une montée en température de 5°C /mn jusqu'à 95 °C dans une étuve. Ils sont maintenus 5 heures à cette température.
Le faisceau sec dans son logement inox est porté graduellement avec une montée en température de 1 °C /mn jusqu'à 550 °C dans un four sous atmosphère d'air. Il est maintenu 5 heures à cette température.
Un couvercle manufacturé dans une feuille de 20x10x75 mm d'acier inoxydable 316L est replacé pour refermer le garnissage en substitution de la demi coque en PTFE. Le monolithe est lavé à l'eau désionisée percolée par les conduits libres et séché à 105°C deux heures.
Les embouts (figures 22 23)sont fixés (figure 24) sur la colonne et l'ensemble est étanché par une pellicule de colle époxy bicomposants. La colonne est connectée au chromatographe.
Une caractérisation de la matière silicique de ce monolithe par adsorption à l'azote montre un diamètre médian des mésopores de 8 nm et une fraction de volume poreux de 55%.
Les figures 33 et 34 montrent les chromatogrammes obtenus à l'aide de ce monolithe. Les conditions sont les suivantes :
• Chromatographe Agilent 1 100, détecteur à barette de diode
• Mode isocratique
• Solvant Eau 100 %
• T° Ambiante
· Débit : 0.01 ml/mn
• Longueur d'onde de détection : 235 nm
Figure 33 : traceur acide acétique dilué 0.1 N
Figure 34 : traceur microsphéres de latex de polystyrène (Applied Physics AP3100A ) de 100 nm de diamètre, solution à 1000 ppm de matière sèche.
On note que la diffusion de l'acide acétique entre les canaux autorise une réponse chromatographique sous forme d'un pic unique. Au contraire, le diamètre des particules de polystyrène empêche les phénomènes diffusifs de se produire et chaque famille de canaux produit son propre pic d'élution. Il n'est plus possible dans ce dernier cas d'associer chaque pic a une espèce unique.
L'axe des abcisses représente le temps en mn écoulé depuis l'injection, l'axe des ordonnées la réponse du détecteur.
Exemple de réalisation 9
Une préforme des canaux du monolithe est réalisée en réalisant un faisceau composé de fils de polydioxanone de 50μηι de diamètre.
Le faisceau est réalisé en un faisceau carré de 10 fils de cotés répartis suivant une maille carrée de 100 μηι de pas, a l'aide d'un dispositif support du type de celui présenté figures 27 à 29. Le crible perforé est réalisé par perçage laser de perforations de 55 μηι dans une feuille d'acier inoxydable de 150 μηι d'épaisseur.
Le faisceau est réalisé avec une longueur de 75 mm de long. Le faisceau d'aiguilles est ensuite inséré au fond d'un logement de 1.0 mm de large, de 2 mm de profondeur et de 75 mm de long creusé dans une feuille de 20x10x75 mm d'acier inoxydable 316L (figures 17 et 18) . Un couvercle plan dans une feuille de 20x10x75 mm d'acier inoxydable (figures 19 et 20) est préparé.
On mélange dans un erlenmeyer à col rodé de 25 ml 7 g de polyethylene glycol ayant un poids moléculaire de 200 g , 0.37 g de 2,2,2-tri-(2,3-epoxypropyl)-isocyanurate et 1.6 g de bis(4-aminocyclohexyl)methane sous agitation jusqu'à dissolution sur un agitateur magnétique chauffant.
Après quoi le mélange est injecté dans le logement de la base en inox précédante comportant le faisceau de fils de 50 μηι et le couvercle est posé de façon à définir le canal du monolithe. L'ensemble est porté 20 h à 80°C pour être polymérisé.
Le barreau résultant est lavé à l'eau et au méthanol, puis mis a percoler par de la soude N à 90 °C durant 24 h jusqu'à dissolution des fils.
Après lavage à l'eau jusqu'à neutralité, le garnissage est séché à l'étuve sous vide. Les embouts (figures 22 23)sont fixés (figure 24) sur la colonne et l'ensemble est étanché par une pellicule de colle époxy bicomposants. La colonne est connectée au chromatographe.
La figure 35 représente un chromatogramme réalisé avec ce monolithe.
Les conditions sont les suivantes :
• Solvant Eau/Acétonitrile 60/40(100 ml/100 ml) + 20mM de tampon phosphate à pH7
• T° Ambiante
• Débit : 0.01 ml/mn
• Longueur d'onde de détection : 210 nm
Les espèces séparées sont l'uracile (1 ) le benzène (2) et l'hexylbenzene(3).
L'axe des abscisses représente le temps en mn écoulé depuis l'injection, l'axe des ordonnées la réponse du détecteur.
Exemple de réalisation 10
Une préforme des canaux du monolithe est réalisée en réalisant un faisceau composé de fils de nylon de 43 μηι de diamètre.
Le faisceau est réalisé en un faisceau carré de 10 fils de cotés répartis suivant une maille carrée de 100 μηι de pas, à l'aide d'un dispositif support du type de celui présenté figures 27 à 29. Le crible perforé est réalisé par perçage laser de perforations de 50 μηι dans une feuille d'acier inoxydable de 150 μηι d'épaisseur.
Le faisceau est réalisé avec une longueur de 75 mm de long. Le faisceau d'aiguilles est ensuite inséré au fond d'un logement de 1.0 mm de large, de 2 mm de profondeur et de 75 mm de long creusé dans une feuille de 20x10x75 mm d'acier inoxydable 316L (figures 17 et 18) . Un couvercle plan dans une feuille de 20x10x75 mm de PTFE (figures 19 et 20) est préparé.
Un monolithe silicique est synthétisé à partir de tetraéthoxysilane (TEOS, Aldrich 99%), de Polyéthylène oxyde (PEO, masse molaire =10 000, Aldrich 99%), de l'acide nitrique (68 %, Aldrich) et du NH40H (pureté analytique, Aldrich).
Un erlenmayer de 250 ml_ est placé dans un bain de glace à 0°C avec un barreau aimanté. Puis de l'eau déminéralisée (46.30 g, 2.57 mol) et del'acide nitrique (68% HN03 , 4.60 g, 49.63 mmol) sont ajoutés et agités à 500 rpm pendant15 min. Ensuite, le PEO (4.79 g PEO dont 0.1 1 mol unité EO) est ajouté et le mélange est agité pendant une heure à 700 rpm afin que tout le PEO soit dissout. Le TEOS (37.70 g,0.18 mol) est ensuite ajouté et le mélange est agité pendant une heure. La solution transparente obtenue est ensuite versée à l'aide d'une pipette de 10 mL dans le sein du faisceau de fils obtenu précédemment préalablement gardé dans un environnement sec à 0°C avant le remplissage. Le barreau est ensuite placés dans une étuve sous atmosphère saturée de vapeur d'eau à 40°C pendant 72 heures. Le couvercle en PTFE est enlevé
Le barreau est immergé dans un bêcher de 2 L avec 1500 mL d'eau déminéralisée à température ambiante pendant 1 h. Le monolithe est ensuite lavé de la même manière quatre fois par immersion dans de l'eau déminéralisée (500 mL, 1 h) jusqu'à obtention d'un pH neutre. Le monolithe est ensuite soumis à un traitement basique. Il est
alors immergé dans 400 mL d'une solution d'ammoniaque (0.1 M) dans un flacon en polypropylène (500 mL). Le flacon est ensuite mis dans une étuve à 40°C pendant 24 heures. Le monolithe récupérés est rincé à l'aide d'une pissette avec de l'eau distillée, séché à température ambiante pendant 48 h et à 40°C pendant 24 h sur une surface plane.
Il est calciné à 550°C sous air pendant 8 heures (rampe 1 °C min-1 ).
Un couvercle plan dans une feuille de 20x10x75 mm d'acier inoxydable (figures 19 et 20) est préparé.
Le couvercle est repositionné avec un joint de PEEK à 340°C et refroidi.
Les embouts (figures 22 23) sont fixés (figure 24) sur la colonne et l'ensemble est étanché par une pellicule de colle époxy bicomposants.
Glossaire
C : coefficient de correction de la diffusion en milieu libre liée à la taille des pores et au diamètre des molécules à séparer Dréel : diffusivité moléculaire ou coefficient de diffusion moléculaire d'une espèce à séparer dans le milieu réel du garnissage m2/s
D0 : diffusivité moléculaire ou coefficient de diffusion moléculaire en milieu libre dans la phase mobile d'une espèce à séparer m2/s
Ds : diffusivité moléculaire ou coefficient de diffusion moléculaire en milieu libre dans la phase stationnaire d'une espèce à séparer m2/s
DKA : diffusivité moléculaire ou coefficient de diffusion moléculaire de Knudsen, m2/s
DAB : diffusivité moléculaire ou coefficient de diffusion moléculaire, m2/s
DAe : diffusivité moléculaire ou coefficient de diffusion moléculaire en régime intermédiaire m2/s
Deff : coefficient de diffusion effectif dans un gel ou un solide poreux, m2/s
dc : diamètre moyen des conduits, mètre
de : épaisseur moyenne de la paroi séparant les conduits, mètre
dpore : diamètre des pores, m
dma : diamètre maximal des conduits permettant un équilibrage naturel d'une chromatographie gravitaire, m
fvoistat : fraction volumique de phase stationnaire dans la paroi des conduits capillaires du garnissage (m3/ m3)
g : constante gravitationnelle, égale à 9.81 m^kg ^s"2
H : hauteur de plateau théorique globale, mètre
Hcap : hauteur de plateau théorique d'un seul capillaire de diamètre moyen, mètre HdispD : hauteur de plateau théorique chromatographique liée aux irrégularités du diamètre des différents conduits, mètre
HdispE : hauteur de plateau théorique chromatographique liée aux irrégularités de l'épaisseur des parois entre les différents conduits, mètre
HdispL : hauteur de plateau théorique chromatographique liée aux irrégularités de longueur des différents conduits, mètre
Hdisp : hauteur de plateau théorique liée aux irrégularités des conduits capillaires, mètre Hthe0 : hauteur de plateau théorique d'un garnissage multicapillaire parfaitement régulier k' : facteur de rétention de la colonne (temps d'élution = temps de rétention minimal*(1 +k'))
KS : coefficient de partage de l'espèce à séparer mesurée entre le volume des parois et le volume des capillaires, (mole/m3 de paroi)/(mole/m3 de conduits)
K : coefficient de partage de l'espèce à séparer entre la phase stationnaire et la phase éluante, (mole/m3)/(mole/m3) Kads : coefficient de partage en adsorption de l'espèce à séparer, (mole/m2)/(mole/m3) L : distance parcourue par le pic élué dans le chromatographe durant le temps t , mètre LG : longueur du garnissage, mètre
LMH : largeur à mi-hauteur d'un pic chromatographique, seconde
NPT : nombre de plateaux théoriques de la colonne.
MA : masse molaire du composant A, kg/mole
M : masse moléculaire du composant à séparer, kg/mole
MW : masse moléculaire, kg/mole
NmaxD, :nombre de plateaux maximal d'une séparation chromatographique lié a des conduits de diamètre irrégulier
NmaxE nombre de plateaux maximal d'une séparation chromatographique lié a des conduits de parois irrégulières
NmaxL, : nombre de plateaux maximal d'une séparation chromatographique lié à des conduits de longueurs irrégulières
N : nombre équivalent de conduits en interaction
Nav : nombre d'Avogadro
P : porosité du matériau poreux constituant les parois du garnissage, fraction volumique Q : quantité de matière injectée dans le capillaire, mole
R : distance du point diffusif, mètre
Rh : rayon moléculaire des molécules de l'espèce à séparer, nanomètre
r0 : rayon des pores, nanomètre
SigmaD : écart type relatif (écart type/moyenne) du diamètre hydraulique des conduits.
SigmaE : écart type relatif (écart type/moyenne) de l'épaisseur des parois.
SigmaL : écart type relatif (écart type/moyenne) de la longueur des conduits.
S : surface spécifique du matériau poreux, m2/m3
t : temps depuis l'injection, seconde
to : temps de rétention d'un composé non retenu, seconde
tR : temps de rétention d'un composé R retenu, seconde
T : tortuosité
TK : température absolue, Kelvin
v0 : vitesse d'élution d'un composé non retenu, m/s
vc : vitesse de la phase mobile dans le conduit, m/s
VR : vitesse réduite, adimensionel
VMOIEI : volume molaire de la phase éluante, m3/mole
VM0istat : volume molaire de la phase stationnaire, m3/mole Vs volume de phase stationnaire dans la colonne (m3)
Vm volume de phase mobile dans la colonne (m3)
x : fraction molaire
K : constante de Boltzmann, MKSA
μ : viscosité de la phase mobile (Pa.s)
p : densité de la phase mobile, kg/m3
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Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de chromatographie dans lequel on fait circuler une phase mobile gazeuse, liquide ou supercritique contenant des espèces à séparer au travers d'un garnissage comprenant une phase stationnaire, ledit garnissage étant caractérisé en ce que :
- il comporte une pluralité de conduits capillaires s'étendant dans le garnissage entre une face dite amont par laquelle la phase mobile pénètre dans le garnissage et une face dite aval par laquelle la phase mobile sort du garnissage,
- le matériau des parois desdits conduits comporte un réseau de pores connexes, lesdits pores formant des passages d'un conduit à l'autre permettant à la diffusion moléculaire de s'opérer entre conduits adjacents, lesdits pores présentant un diamètre moyen (dpore) supérieur à deux fois le diamètre moléculaire d'au moins une espèce à séparer,
- le diamètre moyen des conduits est inférieur à 50 μηι.
2. Procédé chromatographique selon la revendication 1 , dans lequel le rapport, dit « hauteur relative de dispersion », de la hauteur de plateau théorique (Hdisp) due aux inhomogénéités du garnissage sur la hauteur de plateau théorique totale (H) du garnissage est inférieur à 0,66.
3. Procédé chromatographique selon la revendication 2, dans lequel :
- les espèces à séparer présentent un rayon moléculaire Rh dans le solvant d'élution, une diffusivité moléculaire D0 dans le solvant d'élution, une diffusivité moléculaire Ds dans ou sur la phase stationnaire, un coefficient de partage K entre la phase stationnaire et le solvant d'élution, un facteur de rétention k' dans la colonne chromatographique, et
- le garnissage comporte des conduits de diamètre moyen dc séparés par des parois d'épaisseur moyenne de dont l'irrégularité est définie par un écart type du diamètre dc ramené à sa moyenne SigmaD et par un écart type de l'épaisseur de ramené à sa moyenne SigmaE,
- le matériau poreux constitutif des parois présente une fraction volumique poreuse P, une fraction volumique de phase stationnaire fV0istat ou une surface spécifique d'adsorption S, une tortuosité T, et le réseau de pores connexes présente un diamètre dpore :
- la phase mobile s'écoule avec la vitesse moyenne vc dans les conduits et - la hauteur de plateau théorique (Hdisp) due aux inhomogénéités du garnissage est définie par la relation : v0 * (FKD * SigmaD2 + FKE * SigmaE2 + FKL * SigmaL2) * (dc + de)2 Hdisp = 0,778 * FDiff * F DU * (1 + k') * 2
où :
v0 est la vitesse d'élution d'un composé non retenu par la phase stationnaire
2 + 3 * k'^ 2
FKD = '
1 + k'
FKL = 4
(Jvoistat * K + P) * de * (2 * dc + de)
(2 * dc + 2 * de)
PB =
(2 * dc + de)
dc + de
"■c ,
DC DE
DC _ dc * dc * D0 + [(dc + de) * (dc + de) - dc * dc] * DE
(de + de) * (dc + de)
D0 * P * C * (P + fyoïstat) | Ds * fvolStat * C * K * (P + fvoistat)
T * (P + fvolStat * K T * (P + fVolstat * K)
d J22
F DU =
(d2 + ((dc + de - d2) * (p + fVolstat * K)
C est un coefficient de correction de la diffusivité en milieu libre lié à la taille des pores et au diamètre des molécules à séparer.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le rapport dit « hauteur relative de dispersion », de la hauteur de plateau théorique (HdisP) due aux inhomogénéités du garnissage sur la hauteur de plateau théorique totale (H) du garnissage est calculé à l'optimum d'efficacité du garnissage donné par la courbe de VanDeemter.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les conduits ont un diamètre moyen inférieur à 30 μηι, et de préférence inférieur à 10 μηι.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le garnissage comprend au moins une partie dont : - les conduits capillaires sont substantiellement rectilignes et parallèles entre eux
- les conduits présentent une section substantiellement uniforme les uns par rapport aux autres,
- la section de chaque conduit est régulière sur toute sa longueur,
- l'ensemble des conduits traversent ladite partie de part en part.
7. Procédé suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la hauteur relative de dispersion est inférieure à 0,3 et de préférence inférieure à 0,1.
8. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit réseau de pores du garnissage a un diamètre moyen (dpore) supérieur à 5 fois le diamètre moléculaire d'au moins une espèce à séparer et de préférence supérieur à 10 fois le diamètre moléculaire d'au moins une espèce à séparer.
9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la phase mobile est à l'état condensé et ledit réseau de pores présente un diamètre moyen de pores supérieur à 2 nanométres, de préférence supérieur à 10 nanométre, et encore plus préférentiellement supérieur à 100 nanométre.
10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la phase mobile est à l'état gazeux et les pores ont un diamètre supérieur au libre parcours moyen des molécules.
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