5. A SMB SZÁMÍTÓGÉPES SZIMULÁCIÓK ÉS MÉRÉSEK EREDMÉNYEI
5.5. G RADIENS SMB KÍSÉRLETEK 1:1:2:0 OSZLOPKONFIGURÁCIÓ , NYITOTT ELUENSKÖR ESETÉN
5.5.1. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén
10 15 20 25 30 35 40 45 50
540,00 562,50 585,00
Idı (min) cA, B (g/dm3)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
tisztaság B (m/m %)
B komponens A komponens m/m %B
58. ábra RG1040 SMB8/41 szimuláció LROUT áram AB komponens
0 1 2 3 4 5 6 7 8
540,00 562,50 585,00
Idı (min) cA, B (g/dm3)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
tisztaság A (m/m %)
B komponens A komponens m/m %B
59. ábra RG1040 SMB8/41 szimuláció Extraktum áram AB komponens A szimulációk során az LROUT frakciót 540-585 min között megvizsgálva azt látjuk, hogy a 22,5 min kapcsolási idın belül célszerő a frakció „A” komponenssel szennyezett részét elvenni (0-11,25 min), majd a 11,25 – 22,5 min frakciót egyesítve 100 ter%
tisztaságú B, kb. 35 g B/dm3 folyadék koncentrációjú raffinátumot lehet nyerni. Ezen utóbbi frakció átlagos aceton összetétele kb. 275 g aceton/dm3 elegy (34,7 %v/v aceton DKM-ban). Az elsı frakció vagy veszteség, vagy recirkuláltatni kell (58. ábra)!
Az E extraktum frakció a periódusidı (22,5 min) elsı 3 percében B komponenst tartalmaz.
Ha tiszta „A” komponensre van szükségünk, akkor ez a frakció elvehetı. A 3 – 22,5 min közötti frakció 100 ter% tisztaságú A kb. 5,5 g A/dm3 folyadék koncentrációval nyerhetı, melynek aceton tartalma kb. 432 g aceton/dm3 folyadék (54,5 v/v% aceton DKM-ban). Az elsı frakció vagy veszteség, vagy recirkuláltatni kell (59. ábra)!
5.5.1. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén
A 44. táblázat a mérések paramétereit, a 45. és 46. táblázat a fajlagosait tartalmazzák.
44. táblázat A mérések fontosabb mőveleti paraméterei Átlagos térfogatáramok
Extraktum LROUT Betáplálás Friss oldószer Mérés azonosító
cm3 / min
RG1040/SMB8-15 5,87 2,51 0,77 7,41
RG1040/SMB8-40 4,59 2,58 0,78 6,38
RG1040/SMB8-41 2,62 2,48 0,77 4,15
LROUT tisztasága
LROUT kihozatala
Termelékeny-ség
Fajlagos eluens felhaszn.
Mérés azonosító
m/m% % mg B/g töltet
min cm3/mg B
RG1040/SMB8-15 99,98 85,00 0,93 0,256
RG1040/SMB8-40 99,98 81,02 0,86 0,238
RG1040/SMB8-41 99,95 94,70 0,95 0,118
45. táblázat A mérések eredményei a „B” komponensre:
Extraktum tisztasága
Extraktum kihozatala
Termelékeny-ség
Fajlagos eluens felhaszn.
Mérés azonosító
m/m% % mg A/g töltet
min cm3/mg A
RG1040/SMB8-15 71,78 54,33 0,25 0,927
RG1040/SMB8-40 84,08 86,23 0,40 0,646
RG1040/SMB8-41 86,15 67,08 0,31 0,213
46. táblázat A mérések eredményei az „A” komponensre
A gradiens SMB alkalmazásával, nyitott eluenskör és 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén az extraktum áramának csökkentésével az RG 1040 GSMB 8/41 mérés esetén a „B”
komponensre elıírt követelményeket be tudtam tartani (Függelék 31-33.).
Megállapítottam, hogy az optimális mőveleti paraméterek a következık:
Betáplálás térfogati sebessége: F = 0,75 … 0,85 cm3/min
Betáplálás összetétele: 41-42 g B/dm3 19-18 g A/dm3 DKM-ben oldva
Hımérséklet: 20 oC
Eluens: D = 8,25 – 4,25 cm3/min 55 %v/v aceton–45 %v/v DKM Ekkor a következı fajlagos eredményeket kaptam:
Tisztaság: B > 99,9 % m/m
Kihozatal: ηB > 90 %
Termelékenység: PB = 0,92 – 1,09
min töltet g
B mg
Eluens felhasználás: SFB = 0,27 – 0,123
B mg
eluens friss
mg
5.6. Gradiens SMB kísérletek 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata
A vizsgálatot a Pannon Egyetem Vegyipari Mőveletek Tanszékének SMB OUT nevő programjával végeztem el. A szimuláció során megvizsgáltam (Függelék 34-35.), hogy a kapcsolási idı csökkentése, hogy befolyásolja a mőködési paramétereket illetve mekkora termelékenység növekedést okoz a követelmények betartása mellett majd ezek alapján méréseket végeztem (Függelék 36-38.) [95, 96, 97, 98].
5.6.1. Gradiens SMB szimulációk 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata
A rendszerben az optimális áramlási sebességeket a Morbidelli – kritériumok alapján lehet meghatározni. Ezek a következı értékek:
– Betáplálás: F: 0,80 cm3/min
– Extraktum elvét: E: 2,20 cm3/min – LROUT elvét: LROUT: 2,85 cm3/min
– Friss eluens: S: 4,25 cm3/min
– Recirkuláltatott oldószer: REC: 0 cm3/min
– Betáplálás összetétele: cF: 60 g„B”+„A”/dm3 tiszta DKM-ban oldva A 22,5 perces taktusidıbıl indulva vizsgáltam a taktusidı felét, negyedét, és 9 perces kapcsolási idıvel is végeztem szimulációkat. A 9 perces taktusidejő szimuláció paramétereit szimulációk sorozatával optimalizálva úgy állítottam be, hogy a számunkra támasztott követelményeket kielégítse.
A 47. táblázatban a szimulációk során beállított térfogatáram értékek láthatók, a 48. és 49.
táblázatban a szimulációk során kapott fajlagos értékek a „B” és az „A” komponensre vonatkozóan.
Térfogatáramok Oldószer
aceton
koncentrá-ciója
Kapcsolási
idı Betáplálás (F*)
Extraktum (E)
Friss oldószer (S) Szimuláció
azonosító
% (v/v)** min cm3 / min
SMB8/41 OUT 55 22,5 0,80 2,20 4,25
SMB8/42 OUT 55 11,25 1,60 4,40 8,50
SMB8/44 OUT 55 5,5 3,20 8,80 17,00
SMB8/46 OUT 55 9 1,50 8,50 13,50
* DKM-ban oldva 41 g B/dm3, 19 g A/dm3
** Aceton a friss eluensben (S) v/v %-ban DKM mellett
47. táblázat A szimulációk paraméterei a kapcsolási idı csökkentése során
Emellett a táblázatból az is kiderül, hogy szintén gradienst alkalmaztam, mivel a friss eluens 55 % (v/v) acetont tartalmazott, míg a 60 g/dm3 koncentrációjú belépı szteroid elegyet tiszta diklór-metánban oldottam.
Szimu-láció
Kapcso-lási idı
B komponens
tisztasága
B komponens
kihozatala
Termelékenység B komponens
Eluens fajlagos B komponens
% m/m % mg B/g töltet min cm3eluens/mgB SMB 8-41 22,5 min 97,4062 > 99,9 1,0892 0,1227 SMB 8-42 11,25min 96,6247 96,4115 2,0379 0,1312 SMB 8-44 5,5 min 97,6668 > 99,9 1,4856 0,1200 SMB 8-46 9 min 99,9914 > 99,9 2,1597 0,1966
48. táblázat A kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények a „B” komponensre a szimulációk során
Szimu-láció
Kapcso-lási idı
A komponens
tisztasága
A komponens
kihozatala
Termelékenység A komponens
Eluens fajlagos A komponens
% m/m % mg A/g töltet min cm3eluens/mgA SMB 8-41 22,5 min 98,7553 84,8891 0,3845 0,3477 SMB 8-42 11,25min 98,5619 86,9231 0,7874 0,3395 SMB 8-44 5,5 min 99,2380 85,0035 0,5150 0,3463 SMB 8-46 9 min 93,4947 98,2557 0,6954 0,6107
49. táblázat A kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények az „A” komponensre a szimulációk során
Termékként a „B” komponens 99,9 m/m% feletti tisztasága és > 90 % kihozatala a cél, ennek csak az SMB8-46 szimuláció felel meg (kék színnel jelölve).
5.6.2. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata
Összehasonlításképp mind a négy kapcsolási idıre elvégeztem a laboratóriumi méréseket.
Morbidelli háromszögben láthatóak az elvégzett mérések munkapontjai (60. ábra). Látható, hogy a 22,5 min, a 11,25 min és a 5,5 min mérések során a háromszögön kívül, míg a 9 min mérés esetén a háromszög csúcsába helyeztük el a munkapontokat. A mérések során a szimulációknál alkalmazott térfogatáramok beállítására törekedtünk.
60. ábra A munkapontok helye a Morbidelli háromszögben a kapcsolási idı csökkentése során
A kapcsolási idı (T) csökkentés során az alábbi paraméterekkel végeztem méréseket (50.
táblázat).
Mérés száma D E F LROUT
cm3/min cm3/min cm3/min cm3/min
8-41. mérés 22,5 min 4,15 2,62 0,77 2,48
8-42 mérés 11,25 min 8,47 5,30 1,42 4,59
8-46 mérés 9 min*** 13,55 7,83 1,95 7,67
8-44 mérés 5,5 min 14,15 9,67 3,19 7,67
50. táblázat A mőveleti paraméterek a kapcsolási idı csökkentésénél a mérések során Az alábbi táblázatokban a mérések során kapott fajlagos eredmények láthatók a „B” és az
„A” komponensre (51. és 52. táblázat). Az LROUT áramot, mivel ez tartalmazza a számomra értékes „B” komponenst az elıbbi fejezetben említett okok miatt két részletben győjtöttem, majd a már korábban említett gázkromatográfiás módszerrel vizsgáltuk. Mivel az „A” komponensre nem volt szükségem az extraktum áramot egybe győjtöttem.
Mérés száma
Kapcsolási idı
B komponens tisztasága
B komponens kihozatala
Termelékenység B komponens
Eluens fajlagos B komponens
Frakció* % m/m % mgB/g töltet min cm3el./mgB
1, 71,4250 10,6576 0,1355 0,9633
8-41. mérés 22.5 min
2, 99,9500 94,7000 0,9500 0,1175
1, 76,8601 6,4376 0,1713 1,5550
8-42 mérés 11.25 min
2, 99,2750 92,8504 1,9230 0,1220
1, 96,9552 6,4601 0,2265 0,9599
8-46 mérés 9 min***
2, >99.99 92,5774 2,1400 0,1340
1, 66,9085 11,4468 0,3863 1,2210
8-44 mérés 5.5 min
2, 95,0720 78,2013 2,6393 0,1787
51. táblázat A kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények
Mérés
A komponens kihozatala**
Termelékenység A komponens**
Eluens fajlagos A komponens**
* 1. A LROUT elsı frakciója "B" veszteség "A" veszteség.
2. A LROUT második frakciója "B" termék.
** A "A" komponens az extraktumban.
*** A mérés paraméterei számítógépes szimulációval lettek optimalizálva
52. táblázat A kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények az „A” komponensre a mérések során
5.6.3. A kapcsolási idı csökkentés kísérleti és szimulációs eredményeinek összehasonlítása Megállapítható, hogy a legkedvezıbb eredményt az RG-1040-GSMB 8/46 optimalizált (T
= 9 min) mérés adja. A 53. táblázatban a szimulációval együtt adom meg az eredményeket.
Látható, hogy az értékek kismértékben térnek el egymástól.
Mérés Szimuláció
Raffinátum
tisztaság (LROUT)
LROUT1 96,96 %m/mB Termelékenység LROUT 2
2,14
53. táblázat Az RG-1040-GSMB 8/46 mérés és szimuláció eredményeinek
A fenti méréssel sikerült a termelékenységet a Preparatív HPLC ipari méréshez képest ~700 %-al növelni (435 g B/kg töltet/nap-ról 3082 g B/kg töltet/nap-ra), míg a friss eluens felhasználást ~50 %-kal csökkenteni (0,354 m3 friss eluens/kg B-rıl 0,134 m3 friss eluens/kg B) (53. táblázat).
Az RG-1040 témában végzett mérések eredményei alapján (54. táblázat) megállapítható, hogy > 99,9 %m/m B termék > 90 % B kihozatal esetén elértem a 3,082 kg B/kg töltet/nap termelékenységet 0,134 m3 friss eluens/kg B fajlagos mellett.
A 54. táblázat az összes mérés fontosabb jellemzıit tartalmazza, az 55. táblázat az összes mérés fajlagos eredményeit mutatja a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC méréssel összehasonlítva.
A mérések fajlagos eredményeit diagramos formában is bemutatom, kék színnel kiemelve melyek kielégítik a tisztasági és kihozatali követelményeket és pirossal melyek nem (61.-64. ábra). A termelékenységi diagramon látható (63. ábra), hogy a mérések során jelentıs növekedést értünk el, míg az eluens felhasználás során nagymértékő csökkenést (64. ábra).
MintaMinta oldószerFriss eluensOszlopkonfigurációDEF**RLROUTTBemenı nyomásHımérsékletMegjegyzés g/dm3% v/v% v/vNyitott eluenskörcm3/mincm3/mincm3/mincm3/mincm3/minminbar°C SMB 14 B 1 A50 aceton 50 DKM50 aceton 50 DKM1:1:1:19,576,31,52,482,2922,51-520 SMB 28 B 2 A50 aceton 50 DKM50 aceton 50 DKM1:1:1:18,855,891,52,232,2322,51-520 SMB 316 B 4 A50 aceton 50 DKM50 aceton 50 DKM1:1:1:19,446,081,52,392,477,51-520 SMB 54 B 1 A50 aceton 50 DKM60 aceton 40 DKM1:1:1:16,785,791,342,332,357,51-520 SMB 64 B 1 A50 aceton 50 DKM70 aceton 30 DKM1:1:1:16,515,561,352,272,397,51-520 SMB 74 B 1 A50 aceton 50 DKM40 aceton 60 DKM1:1:1:17,446,31,272,392,5922,51-520 SMB 84 B 1 A50 aceton 50 DKM45 aceton 55 DKM1:1:1:17,216,211,382,382,2322,51-520 SMB 94 B 1 A50 aceton 50 DKM55 aceton 45 DKM1:1:1:16,795,861,362,292,3822,51-520 DSMB 114 B 6 A50 aceton 50 DKM50 aceton 50 DKM1:1:1:19,135,891,472,292,4922.5* (0-11.25-0)1-520 DSMB 214 B 6 A50 aceton 50 DKM50 aceton 50 DKM1:1:1:19,246,161,512,292,2822.5* (0-11.25)1-520 32 B50 aceton22,5* 8 A50 DKM(0-11.25) 40 B50 aceton22,5* 10 A50 DKM(0-11.25) 42 B55 aceton 18 A45 DKM 42 B55 aceton 18 A45 DKM 42 B55 aceton 18 A45 DKM 42 B55 aceton 18 A45 DKM 42 B55 aceton 18 A45 DKM 42 B55 aceton 18 A45 DKM Oszlop: Db= 1cm L=25 cm **22,5 min-ra átlagolt érték* A teljes 22,5 minT-idı belül a betáplálás ideje: Töltet:YMC -S-50 szilikagél0-5,6 min16,85-22,5 min0 cm3/min 5,6-16,85min2,94 cm3/min 0-11,25 min0 cm3/min 11,25-22,5min3,02 cm3/min 0-11,25 min0 cm3/min 11,25-22,5min1,62 cm3/min 0-11,25 min0 cm3/min 11,25-22,5min1,46 cm3/min
1-520
20 SMB 8/44100 DKM1:1:2:014,159,673,1907,675,5
07,6791-5
1-520 SMB 8/46100 DKM1:1:2:013,557,831,95 20 SMB 8/42100 DKM1:1:2:08,475,31,4204,5911,25
02,4822,51-5
22,51-520 SMB 8/41100 DKM1:1:2:04,152,620,77Gradiens SMB + 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció
SMB 8/40100 DKM1:1:2:06,384,590,7802,58
2,5122,51-520
1-520 SMB 8/15100 DKM1:1:2:07,415,870,770 20 DSMB 450 aceton 50 DKM1:1:1:18,955,890,732,051,69
0,812,11,31-5
RG 1040 Izokratikus SMB aceton sajátgradiens Gradiens SMB Dinamikus feed DSMB 350 aceton 50 DKM1:1:1:18,475,76
54. táblázat Az RG1040 témában végzett SMB mérések fontosabb mőveleti paraméterei
B A B A B A B A
0,303 0,35
Prep. HPLC > 99,9 95,00
RG 1040 Tisztaság (% m/m) Kihozatal (%) Termelékenység (mg/g min) Eluens fajlagos (dm3/g)
SMB 1 > 99,9 > 99,9 > 99,9 > 99,9 0,184 0,0466 1,25 4,59
SMB 2 > 99,9 99,50 > 99,9 > 99,9 0,368 0,0933 0,62 2,22
SMB 3 88,20 99,00 99,00 85,79 0,658 0,1933 0,45 1,40
SMB 5 99,88 99,56 99,36 99,73 0,1675 0,042 0,12 5,07
SMB 6 83,80 99,90 99,97 54,91 0,1698 0,0233 1,21 8,78
SMB 7 99,29 69,34 81,30 98,65 0,1298 0,0394 1,80 5,94
SMB 8 > 99,9 > 99,9 > 99,9 > 99,9 0,1738 0,0454 1,39 5,35
SMB 9 > 99,9 > 99,9 > 99,9 > 99,9 0,1855 0,453 1,20 4,81
DSMB 1 87,27 > 99,9 > 99,9 63,00 0,718 0,178 0,40 1,62
DSMB 2 97,80 > 99,9 > 99,9 92,06 1,054 0,273 0,27 1,05
DSMB 3 > 99,9 98,15 98,70 > 99,9 0,906 0,343 0,29 0,78
DSMB 4 91,90 > 99,9 > 99,9 68,26 1,216 2,105 0,23 0,13
SMB 8/15 99,98 71,78 85,00 54,33 0,930 0,250 0,26 0,93
SMB 8/40 99,98 84,08 81,02 86,23 0,860 0,400 0,24 0,65
SMB 8/41 99,95 86,15 94,70 67,08 0,950 0,306 0,12 0,22
SMB 8/42 99,28 88,95 92,85 53,17 1,923 0,392 0,12 0,24
SMB 8/46 > 99,9 88,89 92,58 68,06 2,140 0,540 0,13 0,29
0,29
46,00 2,639 0,660 0,18
SMB 8/44 95,07 53,58 78,20
55. táblázat Az RG1040 témában végzett SMB mérések fajlagosai összehasonlítva a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC méréssel
0 20 40 60 80 100
Prep. H PLC
SMB1 SMB2
SMB3 DSMB1
DSMB2 DSMB3
DSMB4 GSMB8/41
GSMB8/42 GSMB8/44
GSMB8/46
Tisztaság B (m/m%)
R affinátum > 99,9 % m /m B ηB > 90 % R affinátum < 99,9 % m /m B vagy ηB < 90
%
61. ábra Különbözı SMB mérések tisztaság adatainak összehasonlítása
0 20 40 60 80 100
Prep. HPLC SMB1
SMB2 SMB3
DSMB1 DSMB2
DSMB3 DSMB4
GSMB8/41 GSMB8/42
GSMB8/44 GSMB8/46
Kihozatal B (%)
Raffinátum > 99,9 % m/m B ηB > 90 % Raffinátum < 99,9 % m/m B vagy ηB < 90
62. ábra Különbözı SMB mérések kihozatal adatainak összehasonlítása
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Prep. HPLC SMB1
SMB2 SMB3
DSMB1 DSMB2
DSMB3 DSMB4
GSMB8/41 GSMB8/42
GSMB8/44 GSMB8/46 Termelékenység B (mg B/g szil.gél min)
Raffinátum > 99,9 % m /m B ηB > 90 % Raffinátum < 99,9 % m /m B vagy ηB < 90
63. ábra Különbözı SMB mérések termelékenység adatainak összehasonlítása
0 ,0 0 0 ,2 0 0 ,4 0 0 ,6 0 0 ,8 0 1 ,0 0 1 ,2 0 1 ,4 0
Prep. HPLC SMB1
SMB2 SMB3
DSMB1 DSMB2
DSMB3 DSMB4
GSMB8/41 GSMB8/42
GSMB8/44 GSMB8/46 Eluens fajlagos B (cm3 eluens/mg B)
R a f f in á t u m > 9 9 ,9 % m /m B ηB > 9 0 % R a f f in á t u m < 9 9 ,9 % m /m B v a g y ηB < 9 0
Összefoglalás
Dolgozatom célja egy szteroid elegy két komponensének elválasztása szimulált mozgóréteges kromatográfiás (SMB) módszerrel, mely során a kevésbé kötıdı „B”
komponenssel szembeni követelmény a 99,9 m/m % -nál nagyobb tisztaság és 90 %- nál nagyobb kihozatal elérése.
Ismertettem az SMB szimulációkat és méréseket megelızı kísérleti eredményeket (például adszorbens vizsgálat, Langmuir állandók, NTP-HETP meghatározása, frontális adszorpciós-elúciós mérés, melyre szintén szimulációt illesztettem) melyeket mind a szimulációk mind a mérések során felhasználtam illetve alkalmaztam.
A különbözı SMB módszerek alkalmazását öt fejezetre bontottam. Kezdeti szimulációkkal megállapítottam a számomra legkedvezıbb mérési paramétereket, térfogatáramokat mind a termék követelményeire, mind a mérés gazdaságos mőködésére (maximális termelékenység, minimális eluens felhasználás) vonatkozóan.
• Az elsı részben a szétválasztandó szteroid elegy betáplálási koncentrációját növeltem szimulációk és mérések során a termelékenység növelése céljából. A szimulációk során a szétválasztandó RG-1040 számú A, B szteroid keverék összkoncentrációját növelve 10,…, 50 g/dm3 tartományban azt tapasztaltuk, hogy a Morbidelli tartomány jelentısen megváltozik, 50 g/dm3 betáplálási koncentráció esetén csökkenteni kell a betáplálás eredeti térfogati sebességét 1,5 cm3/min-rıl 0,5 cm3/min–re, hogy a munkapont a Morbidelli háromszögön belül helyezkedjen el, ezáltal mindkét komponenst tisztán tudjuk kinyerni. A preparatrív HPLC módszerhez képest a termelékenységet körülbelül kétszeresére növeltük 530,3 mg B/g szilikagél nap értékrıl 884,8 mg B/g szilikagél nap értékre, az eluens felhasználás pedig csökkent 0,62 cm3 eluens/ mg B értékrıl 0,37 cm3 eluens/ mg B értékre.
A mérések során a betáplálási koncentrációt növelve cF= 0, 5, 10, 20 g/dm3-re a megfelelıen beállított térfogati sebességek esetén, az SMB1 és SMB 2 mérésnél a számunkra elıírt 99,9 % m/m –nál tisztább szteroid terméket kaptunk 99,9 %–nál nagyobb kihozatallal. A termelékenység az SMB 2-es mérés esetén a kétszeresére nıtt 265,0 mg B /g szilikagél nap-ról 529,9 mg B /g szilikagél nap-ra , míg az eluens felhasználás a felére csökkent 1,248 cm3 eluens/mg B-rıl 0,623 cm3 eluens/mg B-re. Az SMB 3-as mérés esetén a munkapont a Morbidelli háromszög
feletti tartományba esett, így tiszta extraktumot („A” komponens) és 88 % m/m tisztaságú raffinátumot („B” komponens) kaptunk.
• A gradiens SMB vizsgálatakor a kapott szimulációs eredményekbıl megállapítható, hogy az aceton koncentráció friss eluensben történı növelésekor a raffinátumban kis mértékben csökken a „B” komponens tisztasága az egyre könnyebben deszorbeálódó „A” komponens megjelenése miatt. A kihozatal a „B”-re nézve kismértékben növekszik a gradiens alkalmazásakor, a termelékenység és a fajlagos eluens felhasználás gyakorlatilag nem változik. A másik oldalról vizsgálva a problémát látható viszont, hogy az eredeti cél (min. 99,9 %-os tisztaság a raffinátumban) 65 % v/v-os aceton diklór-metánban koncentráció felett már nem teljesíthetı. A fenti SMB rendszer az aceton mennyiségének növelését eddig a határig teszi lehetıvé.
Az aceton koncentráció csökkentése során mindkét komponensre nı a fajlagos eluens igény, csökken a termelékenység és a kihozatal. A raffinátum tisztasága javul, de a kulcskomponens („B”) kihozatala 30 %(v/v) alatti aceton koncentráció esetén már nagyon csökken. A vizsgálat második részének eredménye az a megállapítás, miszerint a csökkenı aceton koncentráció, mint változtatott paraméter-érzékenység vizsgálatakor a rendszer robosztusan viselkedik egészen a 30 % v/v aceton - 70 % v/v diklór-metán összetételig.
A gradiens SMB méréseket a 40, 45, 50, 55, 60 és 70 (v/v) %-os aceton tartalmú (diklór-metánban) friss eluens oldószerekkel vizsgáltam. A gradiens SMB mérési eredményeket összehasonlítva a szimulációs eredményekkel megállapítható, hogy a mőszaki optimumnak tekinthetı tartomány az 45-55 % v/v aceton – 55-45 % v/v diklór-metán oldószerösszetétel, mivel ebben a tartományban a „B” komponensre elıírt követelmények megfelelıek és a termelékenységnek maximuma, az eluens felhasználásnak minimuma van.
Az SMB mővelet esetén az oszlopok hossza mentén aceton gradienst észleltem, zárt eluenskörő, kvázi-stacioner esetben, melyet az SMB rendszer „saját gradiensének”
neveztem el . Az általunk felismert zárt eluens körő SMB mővelet esetén létezı
„saját gradiens” jelenségét ezideig a szakirodalomban nem írták le.
• A Dinamikus SMB vizsgálatakor négy szimulációt és mérést végeztem. A kiindulási szimuláció és mérés esetén a betáplálás sebessége 1,5 cm3/min, koncentrációja 20 g/dm3 volt. Elsı esetben a periódus közepén T/4 és 3T/4 között T/2 ideig emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3,0 cm3/min, 20g/dm3). A második esetben a periódus második felében T/2 után T/2 ideig emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3,0 cm3/min, 20g/dm3). A harmadik esetben a periódus felétıl T/2 után T/2 ideig emeltem kétszeresére a betáplálás koncentrációját (1,5 cm3/min, 40g/dm3). A negyedik esetben szintén a periódus második felétıl T/2 után T/2 ideig növeltem a betáplálás koncentrációját a termelékenység illetve kihozatal adatok növelése érdekében (1,5 cm3/min, 50g/dm3).
A harmadik mérési esetben (DSMB3) nagyon kedvezı eredményeket kaptunk. Az eredeti 20 g/dm3 koncentrációjú SMB3 mérés során 88,2 m/m %-os tisztaságú raffinátumot (B) kaptunk, ez az eredmény a harmadik esetben > 99,9 m/m % értékre javult.
A különbözı SMB módszerek (dinamikus SMB) alkalmazásával a szétválasztandó elegy (80%m/m B, 20%m/m A) mennyiségét meg tudtuk növelni (20 → 40 g/dm3) amellett, hogy a számunkra elıírt tisztasági és kihozatali követelményeket be tudtuk tartani (> 99,9 m/m% B tisztaság, 98,7 % B kihozatal, 1304 mg B/g szilikagél nap és az eluens fajlagos értéke 0,294 cm3 eluens/mg B).
• A gradiens SMB, 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció alkalmazásakor a szimulációk során megvizsgáltam a különbözı friss oldószer aceton koncentrációk 30, 45, 55, 60 % v/v, és különbözı betáplálási sebességek hatását (0,75; 0,80; 0,85; 0,90; 0,95; 1,00; 1,25;
1,50 cm3/min) a szétválasztás eredményeire vonatkozóan 60 g szteroid/dm3 diklór-metán betáplálási koncentráció esetén. A szimulációk során megállapítottam az optimális mőveleti paramétereket, melyek a betáplálás térfogati sebessége F = 0,75
… 0,85 cm3/min, a betáplálás összetétele 60 g szteroid/dm3 diklór-metán, a friss eluens D = 8,25 – 4,25 cm3/min 55 % v/v aceton–45 % v/v DKM, mely paraméterekkel az elıírt követelményeket teljesítettem (> 99,9 m/m% B tisztaság, >
90 % B kihozatal, 1325-1570 mg B/g szilikagél nap és az eluens fajlagos értéke 0,27-0,123 cm3 eluens/mg B).
Az extraktum áramának csökkentésével (6,2; 4,2; 2,2 cm3/min) három szimulációt és mérést végeztem, melyek jó egyezést mutatnak. Szimuláció során az elsı kettı a mérés során pedig az RG 1040 SMB 8/41 jelő az, amely a „B” komponensre elıírt
termelékenység 1368 mg B/g szilikagél nap, az eluens fajlagos értéke 0,118 cm3 eluens/mg B), a másik két mérés esetén csak a tisztaságra elıírt követelmények teljesültek a kihozatalra nem.
• A gradiens SMB, 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció, kapcsolási idı csökkentés vizsgálatakor a 22,5 perces taktusidıbıl kiindulva vizsgáltam a taktusidı felét (11,25 min), negyedét (5,5 min), és 9 perces kapcsolási idıvel is végeztem szimulációkat és méréseket. A 9 perces taktusidejő szimuláció paramétereit szimulációk sorozatával optimalizáltam, hogy a számomra támasztott követelményeket kielégítse.
Megállapítható, hogy a legkedvezıbb eredményt, amely megfelel a követelményeknek az RG-1040-GSMB 8/46 optimalizált (T = 9 min) mérés és szimuláció adja. A szimulációk és a mérések jó egyezést mutatnak. Ez a mérés ipari realizálásra alkalmas, mivel sikerült a termelékenységet a Prep HPLC ipari méréshez képest
~700 %-al növelni (435 g B/kg töltet/nap-ról 3082 g B/kg töltet/nap-ra), míg a friss eluens felhasználást ~50 %-kal csökkenteni (0,354 m3 friss eluens/kg B-rıl 0,134 m3 friss eluens/kg B), az elıírt követelmények betartása mellett.
Jelölésmagyarázat
Nagybetük
Bf: folyadék térfogati sebessége [cm3/perc]
D: az összes eluens térfogati sebessége [cm3/min]
E: az extraktum térfogati sebessége [cm3/min]
F: a betáplálás térfogati sebessége [cm3/perc]
K: a k-adik komponens megoszlási hányadosa az álló- és mozgófázis között [
szilikagél szilárd
cm
folyadék ogati
szabadtérf cm
3
3 ]
L: az oszlop hossza [cm]
PB: az eljárás termelékenysége a „B”-re nézve [mg B/g töltet·perc]
PA: az eljárás termelékenysége az „A”-ra nézve [mg A/g töltet·perc]
R: a raffinátum térfogati sebessége [cm3/perc]
RS: felbontás [dimenziómentes]
REC: a recirkuláltatott eluens térfogati sebessége [cm3/min]
S: Friss eluens térfogati sebessége [cm3/min]
F
S : A „B”-re vonatkoztatott eluensfajlagos [cmB 3 eluens/mg B termék]
F
S : Az „A”-ra vonatkoztatott eluensfajlagos [cmA 3 eluens/mg A termék]
Tl: léptetési idı [min]
V : a holtidıhöz tartozó retenciós térfogat [cmO 3] Vd: holttérfogat [cm3]
Vf: az áttörési görbe inflexiós pontja[cm3] V : a komponens nettó retenciós térfogata [cmN 3] VR: a bruttó retenciós térfogat [cm3]
Vsp: töltettérfogat a kolonnában [cm3] Kisbetük
c: a k-adik komponens koncentrációja a mozgófázisban [mg/cm3] ca: kezdeti oldatkoncentráció [mg/cm3]
cb: lépcsızetesen megnövelt oldatkoncentráció [mg/cm3]
R
c : átlagos „B” koncentráció a raffinátumban [mg/cmB 3]
R 3
E
c : átlagos „B” koncentráció az extraktumban [mg/cmB 3]
E
c : átlagos „A” koncentráció az extraktumban [mg/cmA 3] cF: a betáplálás koncentrációja [mg/cm3]
F
c : a „B” koncentráció a betáplálásban [mg/cmB 3]
F
c : az „A” koncentráció a betáplálásban [mg/cmA 3] db: az oszlop belsı átmérıje [cm]
'
k : kapacitásfaktort vagy retenciós faktort [
szilikagél szilárd
cm
folyadék ogati
szabadtérf cm
3
3 ]
q: a k-adik komponens koncentrációja az állófázisban [mg/g vagy mg/cm3 szilárd fázis]
q (ca): a ca koncentrációjú oldattal egyensúlyban lévı szilárdfázisbeli koncentráció [mg/cm3] q (cb): a cb koncentrációjú oldattal egyensúlyban lévı szilárdfázisbeli koncentráció [mg/cm3]
tR: a bruttó retenciós idı [perc]
t : a holtidı, vagyis a nem kötıdı komponens áthaladási ideje az oszlopon [perc] O
t'R: a komponensnek az állófázison való tartózkodási ideje [perc]
ck
u a folyadékelem lineáris haladási sebessége az oszlopban [cm/perc]
v: a mozgófázis lineáris áramlási sebessége [cm/perc]
v0: az oszlopban mérhetı üres térfogati sebesség [cm/perc]
vsz: adszorbeált fázis áramlási sebessége [cm/perc]
R
y ,B y : a „B” illetve az „A” komponens raffinátumbeli tisztasága [m/m%] EA Görög betők
2
α1 , αBA: a két komponens elválasztási tényezıje [dimenziómentes]
ε: szabadtérfogati tényezı [dimenziómentes]
ηB%, ηA%: a „B” illetve „A” komponens kihozatala [%]
ρh: a töltet halmazsőrősége [g/cm3]
σ: az adott komponens kromatográfiás sávjának szórása a retenciós idejéhez képest [perc]
Jelölések
A, B, C: van Deemter egyenlet állandói [cm], [1/perc], [perc]
HETP: az elméleti tányérmagasság [cm]
N: a rendszer oszlopainak száma
Irodalomjegyzék
[1] Markó L.-Farády L.: Szerves kémia II., Veszprémi Egyetemi Kiadó, 1987 [2] A rétegkromatográfia zsebkönyve , Mőszaki könyvkiadó, 1979
[3] Szepesy L.: Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia elmélete, gyakorlata, BME MTI Budapest 1986
[4] D.T. Day: Proc. Am. Phil. Soc. 36,112 (1897)
[5] M. Tswett: Ber. Deut. Botan. Ges. 21, 316 és 318 (1906)
[6] Kuhn, Winterstein, Lederer: Hoppe-Seylers’ Z. Physiol. Chem. 197, 158 (1931)
[7] L. Zechmeister, L. Cholnoky: Die chromatographische Adsorptionsmethode, Springer, Wien, 1936.
[8] Kroeff, Owens, Campbell, Johnson, Marks: J. Chromatogr. 161, 45 (1989) [9] Bonnerjea, Hoare, Dunnill: Biotechnol. 1 (11) 954 (1986)
[10] J.X. Huang, G. Guiochon: Bio Chromatography 3,140 (1988) 912, 431 (1989) [11] J.X. Huang, G. Guiochon: J. Chromatogr. 912, 431 (1989)
[12] Fekete J.: Folyadékkromatográfia, Jáva-98 Kft. Budapest 2003
[13] Szánya T., Hanák L.: Preparatív folyadékkromatográfia, Szakmérnöki jegyzet, 2000 [14] Kristóf J. dr.: Kémiai analízis II., (Nagymőszeres analízis),Veszprémi Egyetemi Kiadó,
Veszprém, 2000
[15] Szepesy L., Békássy S.: Magyar Kémikusok Lapja 2. (1992)
[16] M. Verzele, M. De Coninck., J. Vindevogel, C. Dewaele: J. Chromatogr. 450, 47. (1988) [17] G. Guiochon, A. Katti: Chromatographia 24, 165. (1987)
[18] J.W. Little, R.L. Cotton, , J.A. Pendergast, , P.D. McDonald: J. Chromatogr. 126, 439.
(1976)
[19] E. Godbille, P. Devaux: J. Chromatogr. Sci. 12, 565. (1974)
[20] H. Colin, P. Hilaireau, J. de Tournemire: LC-GC Intl. 3. (4), 40. (1990)
[21] Szánya T., Hanák L.: Szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia (SMB), Szakmérnöki jegyzet, Veszprémi Egyetem (2001).
[22] U.S. Patent No. 2.985.589 (1961) a UOP (Universal Oil Products Company) [23] C.M. Grill, L. Miller, T.Q. Yan: J. Chromatogr., A 1026 (2004) 101-108 [24] L. Miller, C. Grill, T. Yan: J. Chromatogr., A 1006 (2003) 267-280
[25] M. Juza, M. Morbidelli, M. Mazotti: Trends Biotechnol. 18 (3) (2000) 108-118 [26] M. Schulte, J. Strube: J. Chromatogr., A 906 (2001) 399-416
[28] E.R. Francotte, P. Richert: : J. Chromatogr., A 769 (1997) 101-107
[29] S. Khattabi, D.E. Cherrak, K. Mihlbachler, G. Guiochon: : J. Chromatogr., A 893 (2000) 307-319
[30] O. Ludemann-Hombourger, G. Pigorini, R.M. Nicoud, D.S. Ross, G. Terfloth: J.
Chromatogr., A 947 (2002) 59-68
[31] K.B. Lee, C.Y. Chin, Y. Xie, G.B. Cox, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. (2004) [32] M.A.G. Santos, V. Veredas, I.J. Silva, C. R. D. Correia, L. T. Furlan, C. C. Santana:
Braz. J. Chem. Eng. 21 (1) (2004) 127-136
[33] G. Biressi, F. Quattrini, M. Juza, M. Mazzotti, V. Schurig, M. Morbidelli: Chem. Eng.
Sci. 55 (2000) 4537-4547
[34] A. Depta, T. Giese, M. Johannsen, G. Brunner: 865 (1999) 175-186
[35] M. Johannsen, D. Peper, A. Depta: J. Biochem. Biophys. Methods 54 (2002) 85-102 [36] G. J. Rossiter, K. Keene, D. Paradis, S. Pease: Continuous process separation: chiral and
chromatographic with CSEP and ISEP, PREP97, Washington DC (1997)
[37] H. J. Lee, Y. Xie, Y, M. Koo, N.-H.L. Wang: Biotechnol. Prog. 20 (2004) 179-192 [38] Y. Xie, D. Wu, Z. Ma, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 39 (2000) 1993-2005 [39] Y. Xie, C. A. Farrenburg, C.Y. Chin, N.-H.L. Wang: AIChE J. 49 (2003) 2850-2863 [40] N. Gottschlich, S. Weidgen, V. Kasche: J. Chromatogr., A 719 (1996) 267-274 [41] E. Küsters, C. Heuer, D. Wieckhusen: J. Chromatogr., A 874 (2000) 155-165
[42] C. A. Farrenburg, N.-H.L. Wang, Y. Xie, B. J. Hritzko: US Patent Application 2003/0229213 (2003)
[43] U. Voight, J. Kinkel, R. Hempel, R.-M. Nicoud: US Patent 6,306,603 (2001) [44] S.-Y. Mun, Y. Xie, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 42 (2003) 3129-3143 [45] S.-Y. Mun, Y. Xie, N.-H.L. Wang: AIChE J. 49(8) (2003) 2039-2058
[46] S.-Y. Mun, Y. Xie, J.-H. Kim, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 42 (2003) 1977-1993
[47] N.-H.L. Wang, Y. Xie, S.-Y. Mun: US Patent Application 2003/0216543 (2003) [48] Y. Xie, S.-Y. Mun, J.-H. Kim, N.-H.L. Wang: Biotech. Prog. 18 (2002) 1332-1344 [49] Y. Xie, S.-Y. Mun, C.Y. Chin, N.-H.L. Wang: Simulated moving bed technologies for
producing high purity biochemicals and Pharmaceuticals. In: N. H.-C.Hwang, S. L.-Y.
Woo, Eds. New Frontiers in Biomedical Ehgineering. New York: Kluwer Academic Publishers (2003)
[50] Y. Xie, S.-Y. Mun, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 42 (2003) 1414-1425
[51] T. Szánya, A. Aranyi, S. Kováts, J. Argyelán, L. Hanák: Mathematical modelling of simulated moving bed chromatography, PREP 2001, International Symposium, Washington DC
[52] C. Migliorini,; M. Mazzotti,; M. Morbidelli: J. Chrom. A 827:2 161 (1998)
[53] D. A. Firoz, O. Dapremont: Workshop on Simulated Moving Bed Chromatography, PREP 2004, International Symposium,
[54] C. Migliorini, M. Wendlinger, M. Mazzotti, M. Morbidelli: Ind. Eng. Chem. Res. (2001) 40, 2606-2617
[55] Snyder-Kirkland: Bevezetés az intenzív folyadékkromatográfiába, New York, (1988) [56] T. Jensen, T. Reijns, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 873 (2000) 149-162
[57] J. Houwing, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 944 (2002) 189-201
[58] J. Houwing, S. Hateren, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 952 (2002) 85-98 [59] S. Abel, M. Mazzotti, M. Morbidelli: J. Chromatogr. A 944 (2002) 23-29
[60] O. Giovanni, M. Mazzotti, M. Morbidelli, F. Denet, W. Hauck, R. Nicoud: J. Chrom. A 919 (2001) 1-12
[61] D. Antos, A. Morgenstern: J. Chrom. 944 (2002) 77-91
[62] D. Antos, A. Morgenstern: Chem. Eng. Science 56 (2001) 6667-6682
[63] W. Hauck, O. Ludemann-Hombourger, R.M. Nicoud, O. Di Giovanni, M. Mazzotti, M.
Morbidelli, PREP 2001 14th International Symposium Exhibit & Workshop on PREPARATIVE/PROCESS CHROMATOGRAPHY, Washington, DC. USA
[64] D. Beltscheva, P. Hugo, A. Seidel-Morgenstern: J. Chromatogr. A 989 (2003) 31-45 [65] G. Ziomek, M. Kaspereit, J. Jezowski, A. Seidel-Morgenstern, D. Antos: J. Chrom. A
1070 (2005) 111-124 [66] US Patent 5,578,215 (1996)
[67] M.M. Kearney, K.L. Hieb:US Patent 5 102 553, (1992).
[68] E. Kloppenburg, E.D. Gilles: Chem. Eng. Technol. 70(12):1526-1529, (1998).
[69] M. Morbidelli, M. Mazotti: PREP, 15th International Symposium on Preparative/Process Chromatography, Ion Exchange, Adsorption/Desorption Processes and Related Separation Techniques, Washington DC, USA, June 16-19 (2002), Book of Abstracts, L-201, 53
[70] Y. Zang, P.C. Wankat, Ind. Eng. Chem. Res. (2002), 41, 2504 [71] Z. Zhang, M. Morbidelli, M. Mazzotti: AIChE J. (2004) Vol. 50 N°3
[72] H. Schramm, A. Kienle, M. Kaspereit, A. Seidel-Morgenstern: Patentanmeldung DE 102
[73] M. Mazotti, G. Storti, M. Morbidelli, J. Chromatogr., A 769, (1997) 3.
[74] F. Charton, R.M. Nicoud, J. Chromatogr., A 702 (1995).
[75] G. Biressi, O. Ludemann-Hombourger, M. Mazotti, R.M. Nicoud, M. Morbidelli:
J. Chromatogr., A (2000), 876, 3.
[76] A. Nicolaos, L. Muhr, P. Gotteland, R.-M. Nicoud, M. Bailly: J. Chromtogr. A, 908 (2001) 87-109
[77] L. O. Stine, D. J. Ward: Simulated moving bed reaction process. US Patent 4,028,430 (1977)
[78] D. C. S. Azevedo, A. E. Rodrigues: Chem. Eng. J. 82 (2001) 95-107
[79] H. Lorenz, P. Sheehan, A. Seidel-Morgentern: J. Chromtogr. A, 908 (2001) 201-214 [80] http://www.groupenovasep.com /2005
[81] http://www.knauer.net /2005 [82] http://www.astecusa.com /2005
[83] Tibor Szánya, Antal Aranyi, Sándor Kováts, János Argyelán, László Hanák, Melinda Nagy, Zoltán Molnár: SPICA 2002 9th International Symposium on Preparative and Industrial Chromatography and Allied Techniques, 2002 Heidelberg/Germany
[84] Tibor Szánya, Antal Aranyi, Sándor Kováts, János Argyelán, László Hanák, Melinda
[84] Tibor Szánya, Antal Aranyi, Sándor Kováts, János Argyelán, László Hanák, Melinda