Változó eluens összetétel ő szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás m ő velet vizsgálata
Doktori (PhD) értekezés
Készítette: Nagy Melinda
Témavezetık: Dr. Szánya Tibor, egyetemi docens Dr. Horváth Géza, egyetemi docens
Pannon Egyetem
Vegyipari Mőveleti Intézeti Tanszék
Veszprém, 2009
Változó eluens összetétel ő szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás m ő velet vizsgálata
Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta:
Nagy Melinda
Készült a Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Doktori Iskolája keretében Témavezetık: Dr. Szánya Tibor, egyetemi docens
Dr. Horváth Géza, egyetemi docens Elfogadásra javaslom (igen / nem)
………..
(aláírás) Elfogadásra javaslom (igen / nem)
………..
(aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton …... % -ot ért el,
Veszprém, ………..
a Szigorlati Bizottság elnöke
Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:
Bíráló neve: …... …... igen /nem
………..
(aláírás)
Bíráló neve: …... …... igen /nem
………..
(aláírás)
A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …...% - ot ért el
Veszprém, ……….
a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minısítése…...
……….
Tartalomjegyzék
KIVONAT ... 5
ABSTRACT... 6
AUSZUG... 7
1. BEVEZETÉS... 8
2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS ... 9
2.1.SZTEROIDOK... 9
2.2.A KROMATOGRÁFIÁS MŐVELETEK... 10
2.2.1. Kromatográfiás alapfogalmak... 13
2.2.2. Kromatográfiás eljárások... 16
2.2.3. Ipari adszorbensek... 20
2.2.4. A kromatográfiás mőveletek matematikai modellezése ... 21
2.3.A VALÓDI MOZGÓRÉTEGES ÉS A SZIMULÁLT MOZGÓRÉTEGES KROMATOGRÁFIÁS MŐVELETEK... 25
2.3.1. A valódi mozgóréteges (TMB) kromatográfia ... 26
2.3.2. A szimulált mozgóréteges (SMB) kromatográfiás mőveletek bemutatása ... 28
2.3.3. A szimulált mozgóréteges folyadék kromatográfia elméleti ciklusa ... 30
2.3.4. Elméleti analízis a karakterisztikák módszerével lineáris adszorpciós izotermák esetén... 32
2.3.5. A Morbidelli-féle paraméterek, az SMB-HPLC berendezés térfogatáramaira vonatkozó kritériumok ... 33
2.3.6. A szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás mővelet matematikai modellje és megoldása numerikus módszerrel... 38
2.3.7. Elméleti analízis nem lineáris adszorpciós izotermák és reális rendszerek esetén... 41
2.4.FİBB FEJLESZTÉSI IRÁNYOK... 43
2.4.1. Gradiens módszerek ... 43
2.4.1.1. Hımérsékletgradiens ... 44
2.4.1.2. Nyomásgradiens (SFC-SMB)... 44
2.4.1.3. Oldószergradiens (SG-SMB) ... 44
2.4.1.4. A gradiens és izokratikus SMB-HPLC eljárások elméleti és gyakorlati összehasonlítása... 47
2.4.2. VariCol-folyamat ... 48
2.4.3. A térfogatáramok változtatása... 49
2.4.4. ModiCon-folyamat... 50
2.4.5. Egyéb technikák... 52
2.5.JELENLEGI GYÁRTÓK, FORGALMAZÓK... 53
3. A VIZSGÁLT PROBLÉMA ... 55
3.1.A VIZSGÁLT PROBLÉMA ISMERTETÉSE... 55
3.2.AZ SMB SZIMULÁCIÓS SZOFTVER ISMERTETÉSE... 56
3.3.A SZIMULÁCIÓS ÉS KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE... 57
4. KÍSÉRLETI RÉSZ ... 59
4.1.YMCS-50 ÉS MERCK 60Å SZILIKAGÉL ADSZORBENS ÖSSZEHASONLÍTÁSA... 59
4.2.AZ RG-1040 SZÁMÚ „A”,„B” SZTEROIDOK ÉS AZ ACETON ADSZORPCIÓS EGYENSÚLYI ADATAINAK MEGHATÁROZÁSA... 60
4.3.NTP,HETP MÉRÉSEK YMCS-50 SZILIKAGÉLEN... 64
4.4.FRONTÁLIS ADSZORPCIÓS – ELÚCIÓS MÉRÉS... 64
4.5.SMB KÉSZÜLÉK TERVEZÉSE, KÉSZÍTÉSE ÉS ÜZEMBEHELYEZÉSE... 68
5. A SMB SZÁMÍTÓGÉPES SZIMULÁCIÓK ÉS MÉRÉSEK EREDMÉNYEI ... 70
5.1.A SZÉTVÁLASZTANDÓ SZTEROID KEVERÉK KONCENTRÁCIÓJÁNAK NÖVELÉSE SZIMULÁCIÓK ÉS MÉRÉSEK SORÁN... 74
5.1.1. A betáplálási koncentráció növelése SMB szimulációk során ... 74
5.1.2. A betáplálási koncentráció növelése SMB mérések során... 77
5.2.GRADIENS SMB VIZSGÁLATA... 79
5.2.1. Az aceton koncentráció növelésének hatása a szimulációk során ... 80
5.2.2. Az aceton koncentráció csökkentésének hatásai a szimulációk során ... 82
5.2.3. A szimulációs eredmények alapján végzett laboratóriumi mérések eredményei ... 83
5.3.„SAJÁT GRADIENS” JELENSÉGE... 89
5.4.DINAMIKUS SMB ... 91
5.4.1. Dinamikus SMB során végzett szimulációk ... 92
5.4.2. Dinamikus SMB során végzett mérések ... 92
5.5.GRADIENS SMB KÍSÉRLETEK 1:1:2:0 OSZLOPKONFIGURÁCIÓ, NYITOTT ELUENSKÖR ESETÉN... 93
5.5.1. Gradiens SMB szimulációk 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén ... 95
5.5.1. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén ... 101
5.6.GRADIENS SMB KÍSÉRLETEK 1:1:2:0 OSZLOP KONFIGURÁCIÓ ESETÉN, KAPCSOLÁSI IDİ CSÖKKENTÉS VIZSGÁLATA... 103
5.6.1. Gradiens SMB szimulációk 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata ... 103
5.6.2. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata 104 5.6.3. A kapcsolási idı csökkentés kísérleti és szimulációs eredményeinek összehasonlítása... 106
ÖSSZEFOGLALÁS... 111
JELÖLÉSMAGYARÁZAT ... 115
IRODALOMJEGYZÉK... 117
TÉZISEK ... 122
THESES ... 125
FÜGGELÉK ... 128
Kivonat
A gyógyszer hatóanyagok nagy tisztaságban történı elıállítása napjainkra alapkövetelménnyé vált. A szigorú minıségi elıírások teljesíthetısége miatt egyre fontosabbá és elterjedtebbé válnak a kromatográfiás elválasztási és tisztítási mőveletek, azaz a szakaszos preparatív folyadékkromatográfia (HPLC), illetve a folyamatos szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia (SMB). Az SMB ipari megvalósítások korábban szinte kizárólag a hagyományos izokratikus módszert alkalmazták, a közelmúltban azonban jelentıs eredmények születtek a mővelet továbbfejlesztése tekintetében.
A doktori értekezés egy Richter Gedeon Rt. által elıállított kétkomponenső nem izomer szteroid elegy (komponensek aránya „B:A” 80: 20 m/m%) elválasztását tanulmányozza. A szerzı vizsgálta a változó eluens összetételő (gradiens) szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás mővelet hatását a két szteroid komponens elválasztásának hatékonyságára vonatkozóan, mely módszer lehetıséget nyújt az eluens felhasználás csökkentésére, illetve a termelékenység növelésére. A cél olyan rendszer tervezése volt, amellyel a szétválasztás a lehetı legkisebb költséggel megoldható a szteroid elegy kevésbé kötıdı komponensének („B”) 99,9 m/m %-nál nagyobb tisztaságban történı kinyerése, illetve 90 %- nál nagyobb kihozatal mellett. Az izokratikus mérések vizsgálatakor kiderült a rendszernek az a sajátossága, hogy a berendezés hossza mentén az elválasztásnál használt gradiens képzı oldószer, az aceton koncentráció eloszlása nem egyenletes, az acetonnak
„saját gradiense” van.
A munka során nagy segítséget nyújtottak a rendelkezésre álló szimulációs szoftverek is (KROM-N, SMB4) melyekkel számos anyagáram rendszerre végeztem el szimulációkat. A legjobbnak ígérkezı beállításokkal SMB méréseket végeztem.
Kulcsszavak: preparatív folyadékkromatográfia, szimulált mozgóréteges kromatográfia (SMB), oldószer gradiens SMB
Study of the solvent gradient simulated moving bed preparative liquid chromatographic process
Abstract
Nowadays the production of API’s (Active Pharmaceutical Ingredients) with high purity is a basic requirement. To fulfill the strict quality specifications the batch preparative liquid (HPLC) and the continuous simulated moving bed chromatography (SMB) techniques are getting higher and higher significance. Previously most of the industrial-scale SMBs are used the original isocratic method, recent developments are focusing on the current procedure's technical improvement.
In the Ph.D. thesis the separation of a non-isomer steroid mixture (composition of the compounds was “B:A” 80:20 m/m%) produced by Gedeon Richter Ltd.was studied. I had investigated the effect of the changing solvent compound concentration (gradient) on the simulated moving bed chromatography, on the efficiency of the separation of the two steroid component. Gradient SMB-LC provides chance to reduce solvent consumption and increase product purity, yield and productivity. In my Ph.D. work I dealt with this gradient SMB-LC focusing on the determination of optimal cost minimized operating parameters and the goal was to produce the less retained compound (“B”) with purity higher than 99.9 m/m % beside higher than 90 % yield. During the evaluation of isocratic measurements it turned out that the system has a specific feature, namely acetone, the gradient forming solvent, used for the separation has uneven distribution along the length oh the equipment, that is it has a “self-gradient”.
The work was supported by simulation softwares KROM-N and SMB4, used for the investigation of several process parameters. Based on simulation results, the most favourable process parameters were tried in an SMB experiment.
Keywords: preparative liquid chromatography, simulated moving bed chromatography (SMB), solvent gradient SMB
Untersuchung zur Verwendungsmöglichkeit von SMB-Prozessen mit Gradienten Verfahren
Auszug
Die Herstellung von Wirkstoffen für Medikamente in hoher Reinheit ist eine unserer wichtigsten Aufgaben. Um die strengen Qualitätsvorschriften zu erreichen, haben die verschiedenen chromatographischen Trennverfahren mehr an Bedeutung und Raum gewonnen. Neben der klassischen Elutions Chromatographie ist die kontinuierliche Simulated Moving Bed (SMB) Chromatographie ein wichtiges chromatographisches Trennprozess. Früher waren die industriellen Anwendungen des SMB-Prozesses durch einen isokratischen Betrieb gekennzeichnet, aber man hat schnell wichtige Vorschritte im Weiterentwickelung des Prozesses gemacht.
In der vorliegenden Dissertation hatte ich die Trennung eines zweikomponenten Steroidengemisches von Gedeon Richter Ltd. studiert. Die Verwendungsmöglichkeit der SMB mit Gradient-methode wurde für dieses Gemisch experimentell untersucht. Die Methode verbesserte die Leistungskennzahlen (Produktivität, Lösemittelverbrauch) stark.
Das Zeil meiner Arbeit war, eine neue SMB Methode zu entwerfen, welche bei geringsten Betriebskosten, eine mehr als 99,9% Reinheit der weniger adsorbierten Komponente („B”) erzielt und bei der die Gesamt-Ausbeute bei mehr als 90% liegt. Bei der Untersuchung der isokratischen Experimente, wurde festgestellt, dass die Acetonkonzentration (Aceton ist das Lösungsmittel für Gradient, was ich bei der Trennung verwendet hatte) entlang sich des Apparats nicht gleichmäßig sondern mit eigenem Gradienten.
Zur Ausführung des Experiments hatte ich verschiedene Simulations-Software (KROM-N, SMB4) verwendet. Aufgrund der Simulationsergebnisse wurden SMB Experimente durchgeführt.
Schlüsselwörter: Präparative Flüssigkeitschromatographie, simulierte Gegenstromchromatographie (SMB), Lösungsmittel Gradient
1. Bevezetés
A finomkémiai mőveletek egyik fontos célja a nagytisztaságú termékek elıállítása, illetve az elıállításakor keletkezı, a termékeket és a melléktermékeket tartalmazó elegyekbıl a tiszta anyagok elıállítása. Ez különösen fontos például olyan esetekben, amikor az elıállított anyagot gyógyászati vagy élelmezési célra akarjuk felhasználni, hiszen ezekben az esetekben ma már alapkövetelmény a gyártó céggel szemben, hogy a végtermék a lehetı legkevesebb, esetenként akár káros hatású mellékterméket tartalmazzon.
Az egyik legnagyobb hazai gyógyszer elıállítással és hatóanyag kutatással foglalkozó cég a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Rt. A vállalat az új hatóanyagok kifejlesztésénél és azok elıállításánál felhasználja a legújabb vegyipari mőveleti megoldásokat is. A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár NyRt. a Pannoni Egyetem Vegyipari Mőveleti Tanszékével illetve a Kaposvári Egyetem Informatika Tanszékével közösen pályázatot nyújtott be a Széchenyi Terv Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Program 2002 keretében az Oktatási Minisztériumba „Új hulladékszegény kromatográfiás eljárások bevezetése a gyógyszeriparban” címmel, mely pályázat sikeres volt. A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár NyRt. a Pannon Egyetem Vegyipari Mőveleti Tanszékét bízta meg azzal a feladattal, hogy egy kétkomponenső szteroid elegy szétválasztását dolgozza ki szimulált mozgóréteges (SMB) folyadékkromatográfiás módszerrel, szilikagél adszorbenst és aceton, diklór-metán eluenst alkalmazva. A kutatás következı szakasza olyan üzemviteli paraméterek kiválasztása volt, amelynél az ipari megvalósítás gazdaságilag és minıségi szempontok figyelembevételével a legjobb feltételekkel rendelkezik.
Az SMB téma jelenlegi iránya a „gradiens” SMB, ahol igen lényeges a gradiensképzı oldószer komponens koncentráció változása az SMB készülék egyes szegmenseiben. Az oldószeres gradiens elúciós SMB kromatográfiás eljárás, mint lehetséges szétválasztási módszer alkalmazásával egy megfelelı tulajdonságokkal rendelkezı rendszernél megkereshetı az optimális üzemeltetési pont, ahol az elválasztás megfelelı, de a szétválasztás megvalósításához a lehetı legkevesebb friss oldószert kell a rendszerbe betáplálni és emellett a termelékenység is a lehetı legnagyobb. Rendszerünkben a gradiens alkalmazása megvalósíthatónak tőnt, mert az izokratikus mérések vizsgálatakor kiderült a rendszernek az a sajátossága, hogy a berendezés hossza mentén, az elválasztásnál használt gradiens képzı oldószer, az aceton koncentráció eloszlása nem egyenletes, az acetonnak
megvizsgáltam a rendszert számítógépes szimulációval, majd a kapott eredményeket a laboratóriumi berendezés segítségével ellenıriztem.
2. Irodalmi áttekintés
2.1. Szteroidok
A természetes szénvegyületek egyik legfontosabb csoportját képezı szteroidok elnevezése az elsıként megismert képviselıjük, az 1815-ben epekıbıl izolált koleszterin nevébıl származik. E vegyületcsalád alapját a szteránváz alkotja, amelyen a jellemzı szénatomokon különbözı szubsztituenseket tartalmazhat. A jellegzetes oldalláncok szerint a szteroidokat az alábbi csoportokba sorolhatjuk [1]:
• Szterinek (szteroid alkoholok)
Zooszterinek (állati eredető) Fitoszterinek (növényi eredetü)
Mikoszterinek (gombákból nyerhetık)
• Epesavak
• Szteroid hormonok
Férfi és nıi nemi hormonok Kortikoszteroid
• Szteroid glikozidok
Szívre ható glikozidok Szteroid-szaponinok
A szteroidok az el nem szappanosítható lipidek csoportjába tartoznak. Ezenkívül a növény- és állatvilágban sokoldalú hatóanyagok. Minden sejtben elıfordulnak.
Elıállításuk természetes anyagokból, de mesterséges úton is lehetséges.
Biológiai vagy más minták szteroid elemzése során sokszor állítanak elı módosított vegyületeket. E származékképzés célja hatékonyabb elválasztás szennyezésektıl vagy más szteroid csoportoktól, érzékenyebb vagy megbízhatóbb mennyiségi mérés kolorimetriás, fluorimetriás, gázkromatográfiás stb. módszerekkel, vagy egyszerően csak a szteránvázas vegyületek kromatográfiás elmozdulásának követése színes származékok kromatográfiájával. További oka a szteroid származékok kromatográfiás vizsgálatának az a körülmény is, hogy a szteroid hormonok, epesavak, szterolok közül számos észterifikált állapotban képzıdik vagy kerül kiválasztásra az emberi és állati szervezetbıl. Ezenkívül a szintetikus bioaktív anyagok biológiai hatásának fokozása, ill. elnyújtása is adhat okot a vizsgálatra [2].
Az általam elválasztott szteroid keverék a szteroid hormonok csoportjába tartozik.
2.2. A kromatográfiás m ő veletek
Kromatográfia győjtınévvel foglaljuk össze azokat az elválasztási módszereket, amelyekben az elválasztás az elválasztandó komponensek egy álló és egy mozgó fázis között létrejövı megoszlása következtében jön létre [3]. A folyamat során a komponensek az állófázison való áthaladás közben megkötıdnek annak felületén és eluálódnak a mozgóáramba. Ezen folyamatok az állófázison sokszor lejátszódnak és az egyes komponensek megoszlási tényezıje közötti különbsége miatt a gyengébben kötıdı komponens "elıresiet", vagyis gyorsabban fogja elhagyni az állófázist az erısebben kötıdı komponensnél.
A folyadékkromatográfia elsı gyakorlati megoldásai a századforduló körül kıolaj frakcionálásra [4] illetve levélzöld festékanyagának preparatív elválasztására [5]
irányultak. A kromatográfiás módszerek elterjedése csak a 30-as évek elején kezdıdött, amikor Kuhn és munkatársai [6], valamint a magyar Zechmeister és Cholnoky [7] munkái nyomán sok kutató kezdte alkalmazni festékek, cukrok, aminosavak elválasztására. Az 1950-60-as években a folyadékkromatográfia új fejlıdésnek indult a vékonyréteg- kromatográfia, az ioncserés kromatográfiával dolgozó aminosav-elemzık és polimerek vizsgálatára kidolgozott gélkromatográfiás berendezések és töltetek kifejlesztésével. Az 1960-as évek végén kezdıdött a nyomás alatti folyadékkromatográfiás készülékek és módszerek kifejlıdése és elterjedése. A korszerő nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (High Performance Liquid Chromatography (HPLC)) jellemzıje, hogy kis szemcsemérető (5-30 µm), szők szemcseméret-eloszlású töltetet használnak, a folyadék kényszeráramlással nagy nyomáson (50-300 bar) lép be és viszonylag nagy, állandó sebességgel (1-5 cm3/cm2 min) halad át az oszlopon. Az 1980-as évek elején a preparatív és ipari elválasztások területén jelentıs áttörés történt a nagyhatékonyságú, nyomás alatti módszerek kifejlesztésével és alkalmazásával. Ez a fejlıdés szorosan kapcsolódik a biotechnológia ipari bevezetéséhez. A HPLC technikák és módszerek széles választéka lehetıséget nyújt különbözı típusú kölcsönhatásokon alapuló elválasztások kombinált megvalósítására, nagy hatékonysággal , viszonylag rövid idı alatt, az értékes komponensek nagy tisztaságban való kinyerése és a termékek biológiai aktivitásának megtartásával [8- 11].
A kromatográfiát elnevezhetjük az alapján, hogy milyen folyamatok játszódnak le a mozgó és az álló fázisban, nevezetesen mi az a fı folyamat, amely eredményeként az egyik komponens több, míg a másik kevesebb idıt tölt az álló fázison. Ez utóbbi alapján a
kromatográfiában az elválasztás alapja fıként a minta komponenseknek az aktív szilárd felülethez való adszorpciós affinitása közötti különbség. A megoszlásos elválasztás alapját fıként a minta komponensek állófázisbeli oldékonyságainak különbsége – gázkromatográfia –, illetve a mozgó- és állófázisbeli oldékonyságainak különbsége – folyadékkromatográfia – képezi. Az ioncserés kromatográfia esetében pedig az elválasztás alapját a minta komponensek ioncserélıhöz való affinitásának különbsége adja [12].
Az elválasztási módszerek osztályba sorolása megtörténhet a két fázis minısége, vagy az eltérı vándorlási sebességet létrehozó erı megvalósítási módja szerint is (1. ábra).
A komponens vándorlását (migrációját) okozó erı
nyomáskülönbség hatására mozgó fázis
elektromos erıtér hatására mozgó fázis
kapilláris elektroforézis micelláris elektrokinetikus kromatográfia
kapilláris gélelektroforézis elektrokromatográfiás módszerek mozgófázis állófázis elnevezés
gáz folyadék gáz-folyadék kromatográfia gáz adszorbens gáz-szilárd
kromatográfia szilárd
folyadék folyadék
kromatográfia folyadék
szilárd
fluid szuperkritikus
kromatográfia folyadék
1. ábra Kromatográfiás módszerek osztályba sorolása a komponens mozgását létrehozó kényszererı és a fázisok minısége szerint
Az állófázis alakja szerint oszlop- és rétegkromatográfiát szoktunk megkülönböztetni. Az oszlopkromatográfia esetében az állófázist egy csıben helyezik el. A szilárd állófázist, vagy a folyadék állófázissal befedett szilárd hordozó részecskéit vagy oszlopba töltik (töltött oszlop), illetve a falon vagy annak belsı peremén koncentrálják, ezáltal a mozgófázis akadály nélkül halad át a nyitott, középen üres oszlopon (WCOT kolonnák). A rétegkromatográfiánál az állófázis egy síkfelület, vagy egy síkfelületen terül el. A felület
lehet papír-papír kromatográfia-, illetve lehet valamilyen hordozón, pl.: üvegen szétterített, szilárd szemcsékbıl álló réteg-vékonyréteg kromatográfia.
Megkülönböztethetünk normál és fordított fázisú kromatográfiás módszert. Normál fázisú kromatográfiáról akkor beszélünk, ha az álló fázis polárisabb, mint a mozgófázis. Fordított fázisú kromatográfiánál az álló fázis mindig apolárisabb jellegő, mint a mozgó fázis. A két fázis között kvázi egyensúlyi koncentráció viszonyok alakulnak ki. Ahhoz, hogy az oszlop mindenegyes pontján egyensúly alakuljon ki, a folyamatnak reverzibilisnek kell lennie.
Tehát ezeket a folyamatokat a fizikai szorpció kategóriájába sorolhatjuk. Kismértékő változtatás akár az álló fázis felületi tulajdonságaiban, akár a mozgó fázis összetételében megváltoztatja a molekuláris kölcsönhatásokat és ezzel a komponensek visszatartását. A folyadékkromatográfiában általában adszorpciós vagy ioncserés mőveleteket alkalmaznak a szétválasztásra, az álló fázis szilárd halmazállapotú. Az állófázis mind oszlopos, mind réteg lehet.
A klasszikus folyadékkromatográfiában (beleértve a rétegkromatográfiás eljárásokat is) a mozgófázis átfolyása az állófázison a gravitációs erı hatására valósul meg (emiatt gyakran gravitációs kromatográfiáknak is nevezik ıket). A folyadék áramlása és emiatt a szétválasztás is meglehetısen lassú lesz és az állófázis szemcséinek mérete is csak bizonyos mértékig csökkenthetı (dp > 200 µm).
Az analitikai és a preparatív elválasztás célja alapvetıen különbözı, így megvalósításuk eltérı megközelítést igényel. Míg analitikai elválasztásánál a cél a lehetı legtöbb információ elérése a minta komponenseinek minıségérıl és mennyiségérıl, a preparatív elválasztások célja a mintából egy vagy több komponens elválasztása, illetve adott tisztaságú anyagok kinyerése.
A HPLC-s módszerek alkalmazásakor analitikai mérések esetén az elválasztás hatékonyságának növelése miatt a detektor által legkisebb mérhetı mintamennyiségeket juttatnak fel az állófázisra, míg preparatív alkalmazásoknál mindig a lehetı legnagyobb beméréssel dolgoznak a gazdaságos üzemvitel miatt. Alkalmazzák még az ún. Overload Chromatography (túlterheléses kromatográfiás) technikát is, ekkor a töltet kapacitását meghaladó mennyiségő bemérést juttatnak az állófázisra. A termelı mérető ipari eljárásoknál alapvetı célkitőzés a maximális nyereség, vagyis az adott tisztaságú termék elıállítása minimális ráfordítási költséggel [13].
A HPLC módszerek egy új családját képezik a szimulált mozgóréteges berendezések
mozgatása mellett a szilárd fázis mozgatását is megvalósítják. A rendszer ezáltal kvázifolyamatos üzemővé válik és így a HPLC mővelet kisebb termelékenysége nagymértékben javítható.
2.2.1. Kromatográfiás alapfogalmak
A kromatográfiás módszerrel szétválasztandó elegy komponensei elvileg kétféleképpen mozoghatnak az állófázison való áthaladásuk során :
1. A komponens a mozgófázissal együtt mozog, ekkor sebessége a mozgófázis sebességével megegyezı nagyságú.
2. A komponens megkötıdik az állófázis felületén, ekkor sebessége kisebb a mozgófázis sebességénél.
A komponensek oszlopon való áthaladását ez a két folyamat határozza meg, így az áthaladáshoz szükséges idı az ún. visszatartási vagy retenciós idı két részbıl tevıdik
össze[14] (2.ábra): tR =t0 +t'R (2 – 1)
2. ábra Az elúciós kromatogram jellemzıi
Ha ezt az összefüggést az átáramoltatott mozgófázis áramlási sebességével megszorozzuk, akkor megkapjuk az adott komponens ún. retenciós térfogatát (VR):
N N
R
R t F t F t F V V
V = ⋅ = 0⋅ + ⋅ = 0 + (2 – 2)
Mivel tR függ az áramlási sebességtıl, továbbá a töltött ágy (kolonna) méreteitıl, a jellemzésre célszerő a dimenziómentes k kapacitásfaktort vagy retenciós faktort ' használni.
t K t k t
O O
R 1 *
' ε
ε
= −
= − (2 – 3)
A retenciós faktor tehát az állófázisban és a mozgó fázisban töltött idık hányadosa.
Egy komponensnek az álló- és a mozgófázis közötti egyensúlyi megoszlását az ún.
megoszlási hányados (K) jellemzi.
dc
K = dq (2 – 4)
Ebben a rendszerben a lineáris izoterma azért alkalmazható, mert a komponensek koncentrációja általában igen kicsi (c1 ≅c2 ≅0).
Egy kétkomponenső rendszer esetén definiálhatjuk az ún. elválasztási tényezıt is, amely arra ad felvilágosítást, hogy a két komponens (1 és 2 illetve A és B) tulajdonságai mennyire térnek el egymástól, és emiatt mennyire könnyen választhatóak el egymástól:
1 2 1 2 1 2 2
1 '
α '
R R
t t k k K
K = =
= ha c1 =c2 ≅0 (2 – 5)
Az elválasztás megvalósíthatóságáról elmondható, hogy:
– αBA >> 1 esetén (ha KB >> KA) a szétválasztás jól és könnyen megvalósítható, a két komponens a rendszerben jól elkülönül egymástól, ekkor a „B” komponens jobban kötıdik az állófázishoz, mint az „A” komponens.
Azonban amikor a két fázisban a vizsgált komponens koncentrációjának aránya változik, k’ és tR függnek a betáplált mennyiségtıl. Ez a túlterhelt kolonnákra jellemzı. Kétféle túlterhelés lehetséges: térfogati és koncentrációs. Túlterhelt állapotban két új jelenség lép fel. A kiszorítás (displacement) és az alácsúszás (tag along effect). A kiszorítás lényege, hogy a nagy koncentrációban jelenlévı, jobban szorbeálódó második komponens mintegy kiszorítja az elsı komponenst az állófázisból, és zónáját összenyomja. Az alácsúszás akkor lép fel, ha az elsı komponens koncentrációja lényegesen nagyobb, mint a második komponensé.
Ekkor ennek molekulái befedik, telítik az állófázist. A jobban szorbeálódó komponens molekulái csak részben férnek hozzá az állófázishoz, ezért gyorsabban
c = 0
haladnak, mint tiszta állapotban és egy elnyúlt zónát képeznek. Ennek következtében a két zóna egymásba tolódik, a második komponens mintegy alácsúszik az elsı komponens csúcsának, és az elválasztás lényegesen romlik.
– αBA << 1 esetén (ha KB<<KA) a szétválasztás ugyancsak könnyen megvalósítható, ekkor a „B” komponens kevésbé kötıdik az állófázishoz, mint az
„A” komponens. Ezekben az esetekben a komponensek kromatográfiás sávjai jól elkülönülnek egymástól.
– αBA ≈ 1 esetén a két komponens tulajdonságai nagyon hasonlítanak, a szétválasztás csak nehezen valósítható meg. A komponensek sávjai ebben az esetben csak részlegesen különülnek el, átfedés is létrejöhet közöttük.
– αBA = 1 esetén a két komponens nem választható szét az adott rendszerben. A két komponens sávjai nem különböztethetıek meg ebben az esetben.
A kromatográfiás oszlop hatékonyságának szempontjából fontos az is, hogy a kromatográfiás sávok milyen szélesek lesznek, vagyis a rendszer milyen kimenettel válaszol az igen rövid idejő, elvileg Dirac-delta alakú bemenetre. A sávszélesedés segítségével definiálható az oszlop hatékonyságára jellemzı érték, az elméleti tányérszám (NTP, Number of Theoretical Plates). Az elméleti tányérszám megmutatja, hogy az adott oszlopon a komponens hányszor fog adszorbeálódni és deszorbeálódni egyensúlyi körülmények között. Az elméleti tányérszám kiszámolása azon a feltételezésen alapul, hogy a rendszer a Dirac-delta bemenetre Gauss-féle eloszlású kimenettel válaszol:
2 2
σ tR
NTP= (2 – 6)
Ha az oszlop hosszát elosztjuk az elméleti tányérszámmal, akkor megkapjuk az elméleti tányérmagasságot, vagyis egy egyensúlyi egység magasságát (HETP, Height of Theoretical Plates):
NTP
HETP= L (2 – 7)
A van Deemter által levezetett egyenlet szerint az elméleti tányérmagasság és a mozgófázis lineáris áramlási sebessége között összefüggés van (3. ábra):
v v C A B
HETP= + + ⋅ (2 – 8)
Az elmélet szerint az oszlopban az adszorpciós-deszorpciós zóna szélesedése, vagyis az adott komponens sávszélessége az oszlopban végbemenı örvénydiffúzió (A), longitudinális diffúzió (B) és az anyagátadási folyamatok (C) eredıjeként jön létre.
3. ábra A van-Deemter egyenlet grafikus ábrázolása
• Örvénydiffúzióról akkor beszélünk amikor az oszlop töltet szemcséi közt a mozgó fázis örvényszerő mozgása (visszakeveredés) késlelteti a komponens elırehaladását (A).
• Longitudinális diffúzió esetén a komponens molekulái a sáv közepétıl a sáv két széle felé mozdulnak el (B).
• Anyagátadási gátlás esetén a két fázis közötti anyagátadás (transzport) nem pillanatszerő folyamat (C).
Az elválasztás hatékonyságának jellemzésére a felbontást (RS) használják, amely a két komponens egymástó való elválasztásának hatásosságát jellemzi. R=1-nél az átfedés körülbelül 2%, általános követelmény R>1,5.
1 1 4
1
' '
+
= −
k NTP k
Rs
α
α (2 – 9)
2.2.2. Kromatográfiás eljárások
Az iparban a kromatográfiás eljárásokat olyan esetekben alkalmazzák, ha egymástól kevéssé különbözı tulajdonságú anyagok elegyét akarják szétválasztani. A különbözı adszorpciós tulajdonságú anyagok szétválasztására különféle kromatográfiás mőveleteket alkalmaznak [15]:
1. Frontális kromatográfián értjük azt az eljárást, amikor az elválasztandó elegyet állandó sebességgel vezetjük az oszlopra. Az oszlopon való keresztülhaladás közben az
Tányérmagasság, [HETP]
Mozgófázis áramlási sebesség, [v]
különbözı mértékben kötıdnek meg az állófázison és emiatt különbözı mértékben lemaradnak egymáshoz képest a rendszerben. Az oszlop végén elıször a legkevésbé kötıdı komponens („B”) jelenik meg, majd az adszorpciós sorrendnek megfelelıen a többi komponens („A”) is kilép az oszlopból [13] (4. ábra).
4. ábra A frontális kromatográfia áttörési görbéje
2. Kiszorításos kromatográfiáról beszélünk abban az esetben, ha a szétválasztandó komponenseket tartalmazó elegy bevitele után olyan anyagot („C”) vezetünk át az oszlopon, amely jobban kötıdik az állófázishoz, mint a mintakomponensek, és ezáltal kiszorítja azokat a rendszerbıl.
5. ábra A kiszorításos kromatográfia áttörési görbéje
Az oszlop végén a kiszorítás következtében a komponensek a megkötıdési erısségük sorrendjében távoznak zónákat alkotva (5. ábra).
3. Az elúciós kromatográfia során a szétválasztandó elegyet egy adszorpciós szempontból indifferens oldószerrel (eluenssel) együtt áramoltatjuk át az oszlopon. A mővelet során adott mennyiségő elegyet visznek az oszlop elejére, és ezt az elegyet eluálják át az oszlopon.
Detektor jel Detektor jel
A komponensek az adszorpciós tulajdonságaiknak megfelelıen haladnak át az oszlopon, és egy adott oszlophossz után szétválnak egymástól. Az elúciós görbék alakja közelíti a Gauss féle eloszlási görbét. (6. ábra).
6. ábra Az elúciós kromatográfia áttörési görbéje Az elúciós kromatográfiát kétféleképpen valósíthatjuk meg:
– Izokratikus módszernél adott koncentrációjú, állandó összetételő oldószerelegyet vezetnek át az oszlopon. Ha az elválasztandó elegy komponenseinek megkötıdése, vagyis retenciós faktora nem tér el jelentısen egymástól (k’= 1-10), izokratikus elúcióval általában megfelelı elválasztást kapunk, és a bevitt anyag oszlopból való távozása után az oszlop ismételt bemérésre alkalmas állapotban van.
– Gradiens elúció esetén az eluens adszorpciós erısségét változtatjuk a mővelet során. Ebben az esetben az újabb mintabevitel elıtt a kolonnát az induló eluenssel egyensúlyba kell hozni.
Az oldószeres gradiens elúciót már negyven éve alkalmazzák a folyadékkromatográfiában olyan esetekben, ha a szétválasztandó folyadékelegy elválasztása még kromatográfiával is nehéz izokratikus körülmények között. Alkalmazzák még azokban az esetekben is, ha valamelyik komponens nagyon erısen adszorbeálódik a tölteten és emiatt a kromatográfiás folyamat nagyon elhúzódik.
A fı különbség az izokratikus és a gradiens elúció között az, hogy a gradiens módszernél a mozgófázisban levı oldószer adszorpciós erıssége (polaritása) változik a szétválasztás alatt, például lépcsıs függvény szerint.
A módszer fı elınye a jobb elválasztás. A könnyen eluálódó komponensek felbontása növekszik, a jól adszorbeálódó komponensek retenciós ideje pedig csökken. Emiatt a folyamatban kevesebb eluenst kell alkalmazni és a termékek töményebbek lesznek.
Az SMB mőveletekben is alkalmazható a gradiens módszer és elınyei miatt az iparban egyre népszerőbb eljárássá válik. A fı elınyei itt is a fent említettek, vagyis leginkább a
B
A
Detektor jel
Az eluens megválasztásánál többféle különbözı követelményt kell egyidejőleg figyelembe venni. Igen fontos az oldószer fizikai jellemzıinek hatása. A folyadékkromatográfiás detektor kiválasztása a használható oldószerek körét leszőkíti. UV detektor esetén csak az alacsony UV abszorpcióval rendelkezı oldószerek használhatók. RI detektor esetén a mintakomponensek törésmutatója határozza meg az oldószerek használható RI tartományát. Az egyéb detektoroknál is figyelembe kell venni az oldószer hatását (1.
táblázat).
A viszkozitás, hasonlóan a sebességhez mind a kolonna nyomásesését, mind az anyagátadás sebességét, tehát a kolonna hatékonyságát befolyásolja. Hasonló erısségő oldószereknél a legkisebb viszkozitásúval lehet a legjobb eredményt elérni. Az oldószer forráspontja elsısorban a preparatív munkáknál fontos, ahol a levett frakcióról el kell távolítani az oldószert.
A fenti jellemzık mellett az oldószer gıznyomása, lobbanáspontja és egészségvédelmi szempontok is befolyásolják az eluens kiválasztását. A gyakorlatban még két lényeges tényezı szerepel: az oldószer ára és a kereskedelmi termék tisztasága.
Folyadékkromatográfiás minıségő speciálisan tisztított oldószerekre van szükség, melyek jóval drágábbak a technikai minıségő oldószereknél.
Adott állófázison a komponensek abszolút és relatív retenciója az eluens minıségének megválasztásával befolyásolható. Az oldószer erısségének jellemzésére a Snyder-féle oldószer erısségi paraméter szolgál, melynek segítségével az oldószerek erısségük növekvı sorrendjében elutrop sorba rendezhetık. Minthogy azonban az egyes oldószerek szerkezetüktıl függıen különbözı típusú molekuláris kölcsönhatásba léphetnek az elválasztandó vegyületekkel, a különbözı típusú mintakomponensekre az oldószer minıségétıl függıen azonos erısségő eluenssel lényegesen eltérı retenciós adatok érhetık el.
Preparatív LC oldószer
Kapacitásfaktor k'
Forráspont [°C]
Molekulatömeg [g/mol]
Sőrőség [g/cm3]
Törésmutató
diklór-metán 1,3 40 85 1,34 1,424
aceton 156 56 58 0,79 1,359
1. táblázat A használt oldószerek tulajdonságai
Az állófázist úgy kell megválasztani, hogy a szétválasztási feladathoz a legkedvezıbb legyen.
A klasszikus- vagy normálfázisú folyadékkromatográfiában az állófázis erısen poláris
csoportokat tartalmaz és a mozgófázis apoláris oldószer. Ennél a módszernél elıször a legkevésbé poláris komponens fog eluálódni, mivel ez fog a legjobban oldódni az eluensben.
A fordított fázisú kromatográfiánál az állófázis felületét úgy módosítják, hogy az apoláris karakterő legyen és ebben az esetben poláris oldószereket alkalmaznak (pl. víz, metanol, acetonitril). Itt elıször a legpolárisabb komponens fog eluálódni.
Preparatív elválasztásoknál sok esetben a tisztítani kívánt komponensnél nehezebb komponensek is vannak az elegyben, melyek elúciója hosszú idıt és felesleges eluensfogyasztást igényel. Ilyen esetben az úgynevezett back-flush technika használható, amikor az értékes komponensek lejövetele után az eluens áramlási irányát az oszlopban szelepváltással megfordítják és a nehéz komponenseket, amelyek még az oszlop elsı részén vannak megkötve, visszafelé viszonylag gyorsan, egy frakcióban eluálják.
2.2.3. Ipari adszorbensek
A nagy átmérıjő és ezáltal nagy kapacitású, jó hatásfokú HPLC oszlopok készítéséhez fontos a homogén töltet elállítása és ennek mőködés közbeni stabilizálása. A 3-5 cm-nél nagyobb átmérıjő oszlopokban a hagyományos töltési módszerekkel (száraz töltés, zagy töltés), különösen kis szemcsékkel nem lehet kellıen egyenletes töltetet készíteni [16,17] – ez csak az 1970-es évek közepén kidolgozott kompressziós eljárással vált lehetıvé. Ez a lépés alapozta meg a nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia ipari elválasztó módszerré fejlıdését. A kompresszióval jelentısen csökkenteni lehet a rendezetlen helyek számát és el lehet kerülni a használat közbeni elmozdulást. A töltet komprimálásának három változata alakult ki. Az egyik a Waters cég által kidolgozott sugárirányú (radiális) kompresszió [18]. Francia kutatók dolgozták ki a tengelyirányú (axiális) kompressziót [19]. A módszert továbbfejlesztve, a Prochrom cég kidolgozta a dinamikus tengelyirányú kompressziót [20]. A két említett kompressziós elv között egyfajta átmenetet képez a vegyes (annuláris) kompresszió, amit a SepTech cég dolgozott ki és amely során hosszirányú és sugárirányú erık is hatnak.
A gyógyszeriparban legelterjedtebben alkalmazott adszorbensek oldhatatlan, nagy fajlagos felülettel rendelkezı szervetlen anyagok, vagy háromdimenziós keresztkötéseket tartalmazó szerves makropórusos szerkezető polimerek. Ezek az anyagok nem tartalmaznak ioncserélı és egyéb reaktív funkciós csoportokat.
A folyadékkromatográfiában leggyakrabban szilikagél alapú tölteteket alkalmaznak [13]. A szilikagél enyhén savas kémhatású, poláris adszorbens, a felületén a kialakításakor alkalmazott hımérséklettıl függıen 150 - 200 °C-os kezelés esetén szilanol- (-Si-OH), 200 -
500 °C-os kezelés esetén pedig sziloxán- (-Si-O-Si-) csoportokat tartalmaz. Az ilyen tölteteket a normál fázisú kromatográfiákban alkalmazzák
A fordított fázisú kromatográfiában módosított felülető szilikagéleket alkalmaznak. A felület módosítása kémiai módszerekkel érhetı el. Ezekben az esetekben a termikusan elıkezelt szilanol csoportokat tartalmazó szilikagélt mono-, di- és trifunkciós szilánokkal kezelik szerves oldószerekben. Az így kapott felületre kapcsolhatóak azok az apoláris csoportok (általában egyenes szénláncú C4, C8 vagy C18 vegyületek), amelyek a fordított fázisú felületet eredményezik.
Az elválasztástechnikában a szilikagél alapú adszorbensek mellett ipari méretekben a következı anyagokat alkalmazzák:
– Alumínium-oxid alapú adszorbensek: ezek poláris felülető és amfoter karakterő adszorbensek. Az alumínium-oxid a felületi adszorpciós aktivitás szempontjából az elektron-donor és elektron-akceptor centrumok miatt kevésbé heterogén, mint a szilikagél.
– Cellulóz alapú adszorbensek: a kelát-bázisú ioncserélı tölteteket elsısorban a biotechnológiai termékek szeparációjánál alkalmazzák az iparban.
– Polisztirol-divinil-benzol alapú (DIAION-SP) adszorbensek: ezeket az anyagokat az utóbbi idıben kezdte az ipar csak alkalmazni. Manapság a kémiai szerkezetátalakítással módosított szerves, aromás alapú adszorbensek a legtöbb elválasztási problémában sikerrel alkalmazhatóak, ezért széleskörben kezdenek elterjedni a gyógyszer- és élelmiszeriparban.
2.2.4. A kromatográfiás mőveletek matematikai modellezése
A kromatográfiás mőveletek leírásához szükségünk van a matematikai modellekre.
A modellek segítségével a mővelet végrehajtása elıtt kiszámíthatóak az eredmények, segítségükkel idı és költség takarítható meg [13].
A matematikai modelleket és megoldásaikat több szempont alapján lehet csoportosítani:
• A modell alapja szerint lehet:
– Egyensúlyi modell – Nem egyensúlyi modell.
• A modellben használt izoterma fajta szerint:
– Lineáris és
– Nem lineáris kromatográfiás modell.
• A megoldásuk szerint lehetnek:
– Analitikus megoldásúak
– Numerikus módszerrel megoldott modellek
– Karakterisztikák módszerével megoldott modellek.
A fenti modellek közül a kromatográfia egyensúlyi modelljét és annak analitikus megoldását mutatom be részletesebben.
Legyen az adszorbens szabadtérfogati tényezıje „ε”, az adszorpciós oszlop keresztmetszete
„Af”. A feldolgozandó folyadék térfogati sebességét, „Bf”-t állandónak tekintjük az idı és a hely függvényében. Az így definiált oszlopban a folyadékelegy k-adik komponensére a következı komponensmérleget írhatjuk fel, ha az oszlopban az axiális keveredést elhanyagoljuk:
(
1)
=0
∂
⋅ ∂
⋅
+
∂
⋅ ∂
⋅
− +
∂
⋅ ∂
z k f z
k f t
k
f t
A c t
A q z
B c ε ε (2 – 10)
Mivel egyensúlyi, ideális rendszert vizsgálunk, tételezzük fel a következıket. Kis térfogati sebességeknél a folyadék és a szilárd fázis az oszlop bármely pontjában, tetszıleges idıpillanatban egyensúlyban van egymással.
A k-adik komponensre nézve legyen az adszorpciós izoterma a következı alakú:
) ( k
k f c
q = (2 – 11 )
Ezt az összefüggést beírva a (2-10) egyenletbe:
(
1)
=0
∂
⋅ ∂
⋅ +
∂
⋅ ∂
∂
⋅ ∂
⋅
− +
∂
⋅ ∂
z k f z
k k c
k f t
k
f t
A c t
c c
A q z
B c
i
ε
ε (2 – 12)
Ezt átrendezve:
( )
0 1
=
∂ + ∂
∂
⋅ ∂
∂
⋅ ∂
− +
⋅ z
k t k
k c k f
f
t c z
c
c A q
B
k
ε ε
. (2 – 13)
Alkalmazzuk a parciális differenciálokra vonatkozó láncszabályt:
−1
=
∂
⋅ ∂
∂
⋅ ∂
∂
∂
k t c z
k
c z z
t t
c
k
. (2 – 14)
A (2-13) és (2-14) egyenletekbıl megkapjuk a kromatográfia alapegyenletét (de Vault egyenlet):
k k
k
k c k c
c
c q u v
t z
∂
⋅ ∂
− +
=
=
∂
∂
) 1 (
0
ε ε
. (2 – 15)
Ez az egyenlet azt fejezi ki, hogy a megfigyelt ck koncentrációjú folyadékelem haladási sebessége mindig kisebb, mint a v0 / ε lineáris haladási sebesség. A folyadékelem haladási sebességét az izoterma ck helyen vett meredekségétıl függ.
A haladási sebesség határozza meg az adszorpciós front alakját is. Ez a következı egyenlettel magyarázható.
Tekintsünk elıször egy olyan esetet, amikor az "i" komponens adszorpciós egyensúlya kedvezıtlen (7. ábra).
q
ic
i7. ábra Kedvezıtlen típusú adszorpciós egyensúlyi izoterma
A (2 - 15) egyenletet ck szerint deriválva az alábbi összefüggést kapjuk:
2 2 0 2
) 1 (
) 1 (
∂
⋅ ∂
− +
∂ ⋅
⋅∂
−
−
=
k k k
k c k k c
k
k c
c q
v c
q
dc du
ε ε
ε
. (2 – 16)
A (2 - 16) egyenlet fizikai tartalmának vizsgálata mutatja meg a front alakjának kialakulását.
A k-adik komponens kedvezıtlen adszorpciós egyensúlya a következı feltétel fennállása esetén valósul meg:
2 0
2 >
∂
∂
k k
c
q . (2 – 17)
Ebbıl következik, hogy:
<0
k c
dc du k
. (2 – 18)
A (2 – 18) azt jelenti, hogy a kis ck koncentrációjú folyadékelemek az adszorberben gyorsabban haladnak, mint a nagyobb koncentrációjúak. Emiatt az adszorpciós front elnyúlik a töltet hossza mentén (8. ábra), és az áttörési görbe nem lesz éles. A lépcsıs koncentráció függvény bemenetbıl úgynevezett „arányos alakú” adszorpciós frontok alakulnak ki.
c
i 0Z= 0 Z= H
t
0t
1t
2t
3t
4t
5c
i0Z= H
t
8. ábra Arányos alakú adszorpciós frontok kialakulása
A k-adik komponens kedvezı adszorpciós egyensúlya (9. ábra) esetén igaz, hogy:
2 0
2
∂ <
∂
k k
c
q (2 – 19)
(2-19)-bıl az következik, hogy:
>0
k c
dc du k
(2 – 20) A (2 - 20) alapján a nagyobb ck koncentrációjú folyadékelemek fognak gyorsabban haladni az adszorbensben, és emiatt az adszorpciós front élesedni fog a töltet hossza mentén, vagyis tetszıleges ck(z, t0) koncentráció-eloszlású bemenetbıl lépcsıs függvény alakul ki megfelelıen hosszú oszlopban (9. és 10. ábra).
q
ic
i9. ábra Kedvezı típusú adszorpciós izoterma
c
i0z
t
0t
1t
2t
3Z=H
c
i0t
10. ábra Élesedı adszorpciós frontok kialakulása
A ci =
{
lépcsıs függvény u haladási sebességét az alábbi képlettel számíthatjuk:u
0 k 0 k 0
c ε) q (1 ε
v
⋅
− +
= (2 – 21)
A lépcsıs függvény haladási sebessége nem az adszorpciós egyensúlyi görbe deriváltja, hanem az ábrán látható húr alapján számítható (11. ábra).
q
i,0c
i,011. ábra Kedvezı típusú adszorpciós izoterma
2.3. A valódi mozgóréteges és a szimulált mozgóréteges kromatográfiás m ő veletek
Az eddigi mőveleteknél a szilárd fázis mindig nyugvó réteget alkotott. Az ilyen rendszerek csak félfolyamatos üzemmódban mőködnek, mert az állófázis telítése után mindig abba kell hagyni a betáplálást, mert regenerálni kell az adszorbenst. Emiatt a mővelet nem túl gazdaságos, és ezért az ipari kromatográfia költséges elválasztási mőveletnek számít.
Elméletileg a mővelet és az elválasztás hatékonysága nagyban megnövelhetı, ha olyan rendszert alkalmazunk, ahol az adszorbens és az oldószer egymással ellenáramban mozognak.
0, ha t < 0 ci0
, ha t ≥ 0
ci0
ci = 0
Ilyen rendszerben a betáplálás folyamatossá tehetı és folyamatos a termékelvétel is. A kutatók ennek a problémának a megoldására dolgozták ki a mozgóágyas kromatográfiák elméletét és ennek gyakorlati megvalósításait.
A mozgóágyas mőveletek közé tartozik a valódi mozgóágyas kromatográfia (TMB, True Moving Bed Chromatography) és a szimulált mozgóágyas kromatográfia (SMB, Simulated Moving Bed Chromatography).
2.3.1. A valódi mozgóréteges (TMB) kromatográfia
Az eljárás lényege egy olyan kromatográfiás mővelet kifejlesztése, amelyben a szilárd- és a folyadékfázis egymással ellenáramban mozog folyamatosan.
A mővelet megvalósításánál a szilárd fázis mozgatására fluidizációs mőveletet alkalmaztak, azonban az alkalmazás során derült fény a módszer nagy hibájára, ami a fluidizáció jellegébıl következik. A fluidizált szilárd fázis a mozgatás során számottevı mennyiségben visszakeveredik, és ez nagymértékben rontja az elválasztás hatékonyságát.
A probléma megoldására dolgozta ki 1964-ben Higgins a pulzáló ágyas mőveletet, melynek során a szilárd réteget pulzáló, egyenként fluidizált szakaszokra bontják, így akadályozva meg a visszakeveredést.
A legújabb TMB eljárások során mágnesesen stabilizált fluid ágyat alkalmaznak [21]. Elınye az, hogy a mágneses térben a megfelelıen elıkezelt adszorbens visszakeveredése minimális lesz, és kicsi a mővelet során fellépı nyomásveszteség, azonban hátránya a módszernek, hogy speciális mágneses tulajdonságú adszorbenst igényel. Az ilyen adszorbensek gyártása a mai korlátja a mővelet elterjedésének.
A TMB mővelet elvi sémája az ábrán látható (12. ábra).
Betáplálás (F)
Raffinátum (R)
Extraktum (E)
Friss eluens (S) Szilárd Folyadék
A+B
B
A
I II III IV
D
A mőveletet egy kétkomponenső, „A” és „B” komponenseket tartalmazó folyadékelegyre vonatkozóan mutatom be. Az „A” komponens legyen az adszorbensen az erısebben, a „B”
pedig a gyengébben kötıdı komponens.
A valódi mozgóréteges kromatográfia során az adszorbens folyamatosan mozog felülrıl lefelé az eluens pedig vele ellenáramban halad a berendezésben. Az „A” + „B” elegyet az oszlop adott pontján (F; Feed) folyamatosan adagolják be a rendszerbe. Az adszorpciós megoszlási jellemzık és a szilárd-folyadék fázisok áramlási sebességének arányában az „A” komponens erısebben kötıdik meg az adszorbensen, és emiatt azzal együtt az oszlop alja felé halad, míg a
„B”, mivel kevésbé jól adszorbeálódik, az eluenssel az oszlop teteje felé vándorol. Az oszlop két elvételi pontján, az extraktum és a raffinátum áramokban az „A” és a „B” komponens a betáplálástól eltérı koncentrációban fog megjelenni, Az extraktum az „A” komponensben lesz gazdag, a raffinátum pedig a „B”-ben.
A betáplálási és elvételi pontok négy részre osztják az oszlopot, ezek alapján mutatható be a mővelet elmélete.
Az oszlop I. szegmensében, amely a kolonna aljától az extraktum elvételi pontjáig tart, tisztítjuk meg az adszorbenst a megkötıdött komponensektıl az eluens segítségével. Az oszloprész feladata tehát a szilárd fázis teljes regenerálása, mert ha a regenerálás nem tökéletes, akkor a felsı ponton visszavezetett adszorbens „A” és „B” tartalma le fogja rontani a mővelet hatékonyságát.
A II. szegmens az extraktum kilépési pontjától a betáplálási pontig tart. Ebben a részben a lefelé haladó adszorbensrıl az összes „B” komponenst deszorbeáltatni kell az adszorbensrıl, azon csak „A” komponens maradhat, különben az extraktumáram „B” komponenssel lesz szennyezett.
A III. szegmens, amely a betáplálási pont és a raffinátum elvételi pont kötött helyezkedik el, feladata a betáplált elegy megtisztítása az „A” komponenstıl. Mivel a raffinátumban csak tiszta „B” komponenst szeretnénk kapni, ezért a szegmensben adszorbeáltatni kell a teljes „A”
mennyiséget.
A IV. szegmensben, amely a raffinátum elvételtıl az oszlop tetejéig tart, mindkét komponensnek tökéletesen meg kell kötıdni az adszorbensen. A recirkulálandó eluens nem tartalmazhat „A” és „B” komponenseket, mert azok az oszlop alján megjelenve szintén lerontják az elválasztás hatékonyságát.
A TMB technikában az I. - IV. szegmensek egyetlen oszlopon belül helyezkednek el, ezért a töltet visszakeveredése a rendszer egyik legnagyobb problémája. Ennek a problémának a
kiküszöbölése olyan rendszer megvalósításával érhetı el a legegyszerőbben, ahol a fenti szegmenseket térben elválasztjuk egymástól és az elválasztott részek megfelelı kapcsolásával valósul meg a mővelet. Az ilyen berendezéseket nevezzük szimulált mozgóágyas folyadékkromatográfiás mőveleteknek (SMB-HPLC).
2.3.2. A szimulált mozgóréteges (SMB) kromatográfiás mőveletek bemutatása A szimulált mozgóréteges kromatográfiát az 1960-as évek elején szabadalmaztatták [22].
Elsıként Broughton alkalmazta a petrolkémiai iparban para-xilol C8-as szénhidrogén elegybıl történı elválasztására. Az olajiparban még ma is eredményesen használják a módszert millió tonna/éves volumenő gyártásra, melynek során fıként zeolitokat alkalmaznak állófázisként.
Néhány évvel késıbb a berendezést sikeresen alkalmazták monoszacharidok szeparációjára is.
A cukoriparban ma is sikeresen használják az SMB-t többféle mono- és oligoszacharid elıállítására.
Késıbbi francia cégek (PROCHROM és NOVASEP) fejlesztettek ki egy készülék „családot”
a laboratóriumi mérettıl az ipari berendezésekig. Ezen berendezések esetén a nyugvóréteges oszlopokon az idıben és térben programozott betáplálásokat, valamint elvételeket számítógép irányítású automatika biztosítja.
Német fejlesztık (KNAUER) olyan SMB berendezést hoztak létre, ahol különleges szerelvény mozgatásával oldják meg a nyugvóréteges oszlopok bemeneteinek, illetve kilépı oldatainak programozott kapcsolását.
Amerikai kutatók, fejlesztık kis laboratóriumi méretekre 12-20 oszlopot, 30-100 cm oszlophosszt és 1-5 cm oszlopátmérıt ajánlanak. A nagymérető berendezések Db = 1-2 m, L = 1-3 m oszlopokat is tartalmaznak, az oszlopok száma a szétválasztási feladattól függıen 4-20 db.
A gyógyszeripari alkalmazások az 1990-es évektıl kezdıdtek fıként enantiomerek elválasztása céljából, amikor megindult a nagyszelektivitású királis töltetek fejlesztése. Ekkor hasonlítják össze elıször több publikációban az SMB technikát más kromatográfiás eljárásokkal és egyre inkább elınyben részesítik preparatív szétválasztásoknál [23, 24]. Két friss tanulmány született az enantiomerek szétválasztására SMB módszerrel [25, 26] de ezeken túl folyóiratokban sok más cikk található e témában [27, 28, 29, 30, 31, 32].
Enantiomerek szétválasztására a ’90-es évek végétıl szuperkritikus és GC-SMB-t is használnak [33, 34, 35].
A szimulált mozgóágyas elválasztási mőveletek biotechnológiai alkalmazási területe is egyre
anyagoktól, pl. fermentlevekbıl hatóanyag izolálásra [36]. Értékes szerves savak [37, 38, 39], enzimek [40], gyulladáscsökkentı szerek [41], antibiotikum [42], immunszupresszív hatóanyagok (pl. ciklosporin) [43], humán inzulin [44, 45, 46, 47, 48, 49, 50] SMB-vel történı elıállításával kapcsolatos publikációk olvashatók a 2000-es évek szakirodalmában.
A szimulált mozgóágyas mőveleteknél tehát a TMB-HPLC oszlop szegmenseit térben elkülönítjük egymástól. Az egyes szegmenseket nyugvóágyas adszorbenssel töltött oszlopok sorozata adja. A 13. ábrán az SMB mővelet elvi sémája látható.
13. ábra Szimulált mozgóréteges kromatográfia (SMB) Az SMB technika megvalósítása során két alapvetı eljárás terjedt el:
1. Az oszlopok mozgatása úgy valósul meg, hogy az oszlopok tetején található összekötési pontokat fizikailag mozgatják az oszlopok között. Ennek a módszernek hátránya, hogy a mőködésük során nyomás alatt levı oszlopokat fizikailag meg kell bontani és újrazárni, ami mőveleti és gépészeti problémát jelent
2. Az oszlopok mozgatása fizikailag nem történik meg, a kapcsolási sorrendet precíziós, nagynyomású, többállású szelepek segítségével valósítják meg. A gyakorlatban inkább ez a technológia terjedt el.
A legegyszerőbb SMB berendezés négy, egyenlı hosszúságú oszlop sorbakötésével valósítható meg. A berendezésben az adszorbens mozgatása az oszlopkaszkád betáplálási és elvételi helyeinek bizonyos idıközönkénti megváltoztatásával jön létre. Az oszlopok váltási idejét nevezzük léptetési idınek, taktus idınek vagy kapcsolási idınek.
A többállású szelepek megfelelı mőködtetése és a ciklusok közti váltás könnyen automatizálható, így az ipari gyakorlat könnyen adaptálhatja az eljárást.
![15. ábra Morbidelli-féle háromszög nemlineáris esetben A pontok koordinátái: „a” pont ( K , Λ K Λ ) „b” pont ( K ,B K B ) „f” pont ( ω G , ω G ) „r” pont [ ( )( ) ( ) ] ( ) −−+−−−ΛΛΛΛΛΛBFFGBBGFGGKKKKKKKKKωωωωωωω,2 (2 – 74) „w” pont [ ( ) (](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/9dokorg/876453.47167/43.892.314.628.164.492/ábra-morbidelli-háromszög-nemlineáris-esetben-pontok-koordinátái-λλλλλλbffgbbgfggkkkkkkkkkωωωωωωω.webp)
