BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Vorrichtung zur Durch führung dieses Verfahrens.
Bei Trennung der Komponenten von Stoffgemischen in flüssig-flüssig-Systemen wird, je nach Gemischmenge, entweder die Chromatographie oder die Extraktion angewendet. Eines der ersten Trennungssysteme dieser Art wurde von Craig (1956) beschrieben. Dabei wurde ein Stoffgemisch zwischen zwei nicht mischbaren Phasen verteilt, indem diese Phasen durch starkes Schütteln miteinander in innige Berührung gebracht wurden. Daraufhin wurden die zwei Phasen getrennt und der Vorgang wurde mehrfach wiederholt. Im Laufe der Zeit wurde die flüssig-flüssig Trennung mittels zwei Phasen derart weiterentwickelt, dass eine der Flüssigkeiten die stationäre Phase und die andere die durch letztere meistens in Tropfenform bewegte flüssige Phase darstellte.
Verschiedene Ausführungsformen dieser Zweiphasenmethode sind von Hostettmann, K; Hostettmann, N.; Marston, A.: Preparative Chromatography-Techniques, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1986 zusammenfassend beschrieben.
Nach einem der dort beschriebenen Verfahren (als DCCC-Verfahren bezeichnet) werden 200 bis 600 dünne Rohre, die ein zusammenhängendes Gefäss-System bilden, mit einer stationären Phase gefüllt, in die die mobile Phase in Tropfenform kontinuierlich eingeführt und mittels einer Pumpe durchgezwungen wird. Das zu trennende Stoffgemisch wird in der mobilen Phase gelöst aufgegeben, worauf im Zweiphasensystem eine Verteilung der Komponenten der Stoffmischung nach bekannten physikalischen Prinzipien zwischen der mobilen und der stationären Phase stattfindet.
Dieses bekannte Verfahren erlaubt die Trennung von Stoffgemischen im allgemeinen ohne Materialverlust. Nachteilig ist es jedoch, dass das Verfahren viel Zeit, z. B. mehrere Tage, beansprucht. Ausserdem verteilt sich die mobile Phase nicht immer ausreichend tropfenförmig in der stationären Phase, was dazu führen kann, dass die eingeführte mobile Phase die stationäre Phase vor sich schiebt und aus dem Gefäss hinausdrückt. Die mehrere hundert Einzelrohre in den bekannten Vorrichtungen verursachen apparative Probleme, insbesondere Dichtungsprobleme.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Verfahrens zu vermeiden. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, das eine schnellere, d. h. weniger Zeit beanspruchende Trennung in einer kleinen Anzahl von Gefässen ermöglicht. Weiterhin soll durch das erfindungsgemässe Verfahren die tropfenförmige Verteilung der mobilen Phase in der stationären Phase gesichert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 9 beansprucht.
Der erfindungsgemässe Einsatz von drei oder mehr flüssigen Phasen weicht grundsätzlich von den seit Jahrzehnten angewendeten und fortlaufend weiterentwickelten zweiphasigen flüssig-flüssig-Systemen ab. Durch die Anwendung eines Drei- oder Mehrphasensystems wird erfindungsgemäss eine unerwartet verbesserte und schnellere Trennung von Komponenten des Stoffgemisches mit einer kleineren Anzahl von Gefässen, d. h. mit einem kleineren apparativen Aufwand, erreicht. Dies wird einerseits erzielt indem der Stoffaustausch nicht wie bisher zwischen zwei, sondern zwischen mindestens drei flüssigen Phasen stattfindet, so dass anstelle eines einzigen Stoffaustauschvorganges mindestens drei Stoffaustausch-, d. h. Verteilungsvorgänge stattfinden.
Ausserdem entstehen im Drei- oder Mehrphasensystem starke Turbulenzen, wodurch der Weg der mobilen durch die stationäre Phase stark, bis auf das Mehrfache der Gefässlänge verlängert wird. Die infolge der Turbulenzen aufeinander oder auf die Grenzfläche zwischen zwei stationären Phasen auftreffenden Tropfen erfahren nicht nur eine intensive Berührung, sondern werden in eine Anzahl kleinere Tropfen aufgelöst, wodurch die gesamte austauschwirksame Oberfläche stark vergrössert wird. Gleichzeitig wird durch die Tur bulenz innerhalb der stationären Phase eine Durchmischung bewirkt, was wiederum zu einer besseren Verteilung und Trennung führt.
Ausserdem erlaubt die turbulente Bewegung der Tropfen die Verwendung von Gefässen mit grösseren Durchmessern, was wiederum eine Verringerung der Gefässzahl und die Trennung von grösseren Mengen eines Stoffgemisches erlaubt.
Durch den unerwartet intensiven und schnellen Verteilungsvorgang wird es möglich, die Anzahl der Einzelrohre oder Gefässe anstelle von mehreren hundert auf eine bedeutend niedrigere Zahl, z. B. auf 10 bis 50 einzuschränken, was die Überblickbarkeit und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens stark erhöht und gleichzeitig den apparativen Aufwand vermindert. Die gute Reproduzierbarkeit im Zusammenhang mit der verhältnismässig kurzen Trennzeit erlaubt es, das erfindungsgemässe Verfahren nicht nur im präparativen oder analytischen Labor, sondern auch in verfahrenstechnischem Massstab in der Produktion, insbesondere zur Grobfraktionierung von Extrakten, einzusetzen. Mit anderen Worten, das erfindungsgemässe Verfahren kann für Stoffgemische von Bruchteilen von ml bis für solche im hl Bereich eingesetzt werden.
Mithin ist es sowohl als Chromatographie- als auch als Extraktionsverfahren einsetzbar.
Nachfolgend wird der Einfachheit halber von drei Phasen gesprochen, obwohl dies nur die niedrigst mögliche Phasenzahl ist und höhere Phasenzahlen auch möglich sind.
Von den drei Phasen können entweder zwei Phasen im selben Gefäss aneinander anschliessend als stationäre Phasen angeordnet sein, die dann von einer mobilen Phase durchlaufen werden oder in einem Gefäss kann eine stationäre Phase angeordnet sein, die von zwei parallel oder im
Gegenstrom geführten mobilen Phasen durchlaufen wird.
Wenn die mobile Phase am Ende des Gefässes gesammelt wird, kann sie als zusätzliche stationäre Phase für eine weite re mobile Phase wirken. Dadurch kann die Verteilung/Tren nung weiter verbessert werden.
Zusätzlich zu den mindestens drei flüssigen Phasen kann noch eine Gasphase verwendet werden, die die Tropfenbildung und die Durchmischung der Phasen und die Verteilung der Komponenten des Stoffgemisches in den einzelnen Phasen zeitlich und quantitativ verbessert. Gleichzeitig beschleunigt sie die Trennung der flüssigen Phasen vor Verlassen des Gefässes. Hierfür eignen sich vor allem innerte Gase, die weder mit den Lösungsmitteln noch mit dem Stoffgemisch oder deren Komponenten eine Reaktion eingehen, wie z. B. Stickstoff.
Das Volumenverhältnis der stationären zu den mobilen Phasen kann im erfindungsgemässen Verfahren nach Bedarf auch von Einzelgefäss zu Einzelgefäss geändert werden.
Das mindestens aus drei flüssigen Phasen bestehende Sy stem ermöglicht ausserdem das Einführen des zu trennenden
Stoffgemisches in eine beliebige Phase des Phasensystems.
Dieses Stoffgemisch kann auch als Feststoff oder an eine
Matrix gebunden vorzugsweise in die stationäre Phase einge führt werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge mässen Verfahrens weist ein oder mehrere miteinander ver bundene, an ihren Enden Einlass- und Auslassmittel aufwei sende längliche Gefässe auf. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassmittel von veränderbaren Düsen gebildet werden. Diese Düsen sind derart ausgebildet, dass sie in ih rem Durchmesser, in ihrer Form und/oder in ihrer Anzahl variiert werden können.
Nach einer besonderen Ausführungsform ist am Ende des Einzelgefässes der erfindungsgemässen Vorrichtung ein
Auffangbereich für eine mobile Phase angeordnet. Dadurch wird eine Ansammlung der abzuführenden mobilen Phase an dieser Stelle erzielt. Der Auffangbereich kann ein Teil des Gefässes oder ein besonderer Behälter, der eine Fortsetzung des Gefässes bildet, sein. Bei zwei parallel geführten Phasen können am Ausgangsende des Gefässes zwei Auffangbereiche vorhanden sein. Bei zwei im Gegenstrom geführten mobilen Phasen kann an beiden Enden des Gefässes ein Auffangbereich angeordnet sein. Die Zuführung der einen mobilen Phase kann so angeordnet sein, dass letztere direkt in die stationäre Phase oder zuerst durch die angesammelte andere mobile Phase geführt wird.
Die einzelnen Gefässe könne die herkömmliche Rohrform, die auch spiralförmig gebogen sein kann oder eine geeignete andere längliche Form aufweisen.
Die Erfindung wird weiter anhand der Figuren einzeln veranschaulicht. Es zeigen rein schematisch
Fig. 1 ein Einzelgefäss zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;
Fig. 2 ein Gefäss-System mit zwei stationären und einer von unten nach oben geführten mobilen Phase;
Fig. 3 ein Gefäss-System mit zwei stationären und einer von oben nach unten geführten mobilen Phase;
Fig. 4 ein Gefäss-System mit einer stationären und zwei von unten nach oben geführten mobilen Phasen;
Fig. 5 ein Gefäss-System mit einer stationären und zwei von oben nach unten geführten mobilen Phase;
Fig. 6 ein Gefäss-System mit einer stationären und einer von oben nach unten und einer von unten nach oben geführten mobilen Phase, wobei die beiden mobilen Phasen in dasselbe Rohr eingeführt werden;
und
Fig. 7 ein Gefäss-System mit ebenfalls einer stationären und einer von unten nach oben und einer von oben nach unten geführten mobilen Phase, wobei die mobile Phasen an den entgegengesetzten Enden des Systems eingeführt werden.
Das rohrförmige Gefäss 11 in Figur 1 enthält eine erste durch die Leitung 12 im oberen Teil des Gefässes eingeführte und durch die Leitung 13 unten aus dem Gefäss weggeführte mobile Phase A und eine zweite durch die Leitung 14 von unten in das Gefäss eingeführte und oben durch die Leitung 15 aus dem Gefäss abgeführte zweite mobile Phase C. Im mittleren Bereich des Gefässes 11 ist eine schraffiert dargestellte stationäre Phase B angeordnet. Am unteren Ende des Gefässes befindet sich ein Auffangbereich 16 für die mobile Phase A und am oberen Ende des Gefässes ein Auffangbereich 17 für die mobile Phase C. Die in den Auffangbereichen vorliegenden mobilen Phasen A und C, durch die die in Tropfenform eingeführten mobilen Phasen C und A durchfliessen müssen, wirken als zusätzliche stationäre Phasen.
Die die jeweiligen gesammelten mobilen Phasen durchfliessenden Tropfen zerplatzen oder zerfallen an der Phasengrenze X und Y zur stationären Phase B in viele kleinere Tröpfchen und werden in Zickzack- und Raumkurvenform durch die stationäre Phase B gezwungen.
Das Trennen des z. B. mit der einen mobilen Phase eingeführten Stoffgemisches erfolgt zwischen den jeweiligen mobilen und stationären Phasen durch Stoffaustausch an den Grenzflächen.
Wie aus den Fig. 2 bis 7 hervorgeht, besteht das die Vorrichtung bildende Gefäss-System aus fünf Gefässen, die in der dargestellten Ausführung lange, geradlinige Rohre 1 sind, die vertikal zueinander parallel angeordnet sind. Die Rohre 1 sind durch Leitungen 2 miteinander verbunden, deren Durchmesser d wesentlich kleiner ist als der Durchmesser D der Rohre 1. Am einen Ende der Rohre 1 sind Einlassmittel 3, am anderen Ende der Rohre 1 Auslassmittel 4 ange- ordnet oder es können an beiden Enden der Rohre 1 Einlassmittel 3 und Auslassmittel 4 angeordnet werden. Eines der Rohre 1 ist zum Einführen des zu trennenden Mehrkompo nenten-Stoffsystems mit einem zusätzlichen Einlass 5 versehen. Dieser Einlass 5 ist zweckmässig an dem mittleren Rohr 1 oder an einem äussersten Rohre angebracht, zweckmässig im mittleren Bereich des Rohres.
Im folgenden werden die verschiedenen möglichen Betriebsarten in Verbindung mit den Fig. 2 bis 7 näher erläutert.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Betrieb sind die Gefässe, d. h. die Rohre 1, mit zwei stationären Phasen A und B und mit einer mobilen Phase C gefüllt. Das zu trennende Stoffgemisch wird auf einmal durch den Einlass 5 in die stationäre Phase A eingeführt. Das Stoffgemisch kann auch in die andere stationäre Phase B oder in die mobile Phase eingeführt werden. Die mobile Phase C wird kontinuierlich von unten immer in das erste Rohr la des Systems eingeführt. Die mobile Phase C bewegt sich in Form von Tropfen durch die zwei stationären Phasen A und B nach oben, wird im Auffangbereich 17 gesammelt und verlässt das erste Rohr la oben durch das Auslassmittel 4 und strömt durch die Leitung 2 in das zweite Rohr lb des Systems wieder von unten hinein. Dieser Vorgang wird in den übrigen Rohren lb, lc, ld, le wiederholt, bis die mobile Phase C das letzte Rohr le verlässt.
Die Vorrichtung der Fig. 1 arbeitet demnach in aufsteigendem Modus.
Die mobilen Phasen werden in allen Ausführungsformen zwangsweise auf bekannte Weise, z. B. mittels Pumpen, durch die stationären Phasen gefördert.
Im Gefäss-System in Fig. 3 sind die untere Phase B und die obere Phase C die stationären Phasen und die Phase A die mobile Phase, die sich, oben eingeführt, durch die stationären Phasen B und C nach unten bewegt, d. h. diese Vorrichtung arbeitet in absteigendem Modus.
Im Gefäss-System in Fig. 4 liegen zwei mobile Phasen B und C und eine stationäre Phase A vor. Das zu trennende Stoffgemisch wird durch den Einlass 5 in die stationäre Phase A eingeführt. Die mobilen Phasen B, C werden beide von unten in das erste Rohr eingeführt, an dessen oberen Ende abgeführt und am unteren Ende des folgenden Rohres eingeführt. Die mobilen Phasen C und B werden in den Auffangbereichen 16, 17 gesammelt. Die Folge der Schichten der mobilen Phasen in den Auffangbereichen wird durch das spezifische Gewicht der beiden Phasenflüssigkeiten bestimmt.
Im Gefäss-System in Fig. 5 sind eine stationäre Phase C und zwei mobile Phasen B, A vorhanden. Die Vorrichtung arbeitet in absteigendem Modus, wobei sich die zwei mobilen Phasen A und B in Form von Tropfen durch die stationäre Phase C nach unten bewegen.
Die Betriebsart der Fig. 1 bis 5 kann auch als relativer Gegenstrombetrieb bezeichnet werden, da hier die mobile Phase bzw. mobilen Phasen durch die stationäre Phase oder stationären Phasen geleitet werden. Die Ausführungsformen gemäss Fig. 6 und 7 können auch als absoluter Gegenstrombetrieb bezeichnet werden, da hier die zwei mobilen Phasen in entgegengesetzten Richtungen geführt werden.
Im Gefäss-System in Fig. 6 liegt eine stationäre Phase B und zwei in Gegenstrom geführte mobile Phasen A, C vor.
Letztere werden in Gegenstrom zueinander geführt, wobei beide in das erste Rohr la eingeführt werden. Die Einführung der Phase C erfolgt von unten und der Phase A von oben. Jede Phase wird vor dem Verlassen des Rohres la am auslassseitigen Ende gesammelt, so dass sie zusätzlich als stationäre Phase für die andere in Gegenstrom geführte mobile Phase dient. Das zu trennende Stoffgemisch wird am Einlass 5 in die stationäre Phase des ersten Rohres la eingeführt. Der Austauschvorgang im Rohr la wird in den nachfolgenden Rohren lb. Ic, ld und le wiederholt, bis die mobilen Phasen das letzte Rohr le an dem mit je einem Doppelpfeil bezeichneten Ort verlassen. Nachdem das Konzentrationsgefälle zwischen den mobilen Phasen A und C von Rohr zu Rohr abnimmt, nimmt auch die entsprechende Austauschgeschwindigkeit von Rohr zu Rohr ab.
Bis zum letzten Rohr le kann sich sogar ein Gleichgewichtszustand einstellen.
Dieser Gleichgewichtszustand kann für bestimmte Vorgänge vorteilhaft und erwünscht sein.
Im Gefäss-System gemäss Fig. 7 ist eine stationäre Phase B B vorhanden und es werden zwei mobile Phasen A und C eingesetzt. Die mobile Phase A wird von oben in das erste Rohr la eingeführt und unten in diesem Rohr gesammelt und dann weiter durch die übrigen Rohre Ib bis le geleitet.
Die zweite mobile Phase C wird von unten in der letzte Rohr le geleitet und, nachdem sie die stationäre Phase in diesem Rohr passiert hat, am oberen Ende dieses Rohres gesammelt und weiter durch die Rohre ld, lc, lb und la geführt. Das zu trennende Stoffgemisch wird im mittleren Rohr lc durch den Einlass 5 in die stationäre Phase in dieses Rohr eingeführt. Hier handelt es sich um ein vollständiges oder vollkommenes Gegenstromverfahren, da die mobilen Phasen nicht wie in Fig. 6 nur im einzelnen Rohr in Gegenstrom geführt werden, sondern in der ganzen Vorrichtung. Demzufolge ist das Konzentrationsgefälle überall so gross, dass ein optimaler Austausch und eine optimale Verteilung gewährleistet ist. Diese Verfahrensvariante wird im Anspruch 9 beansprucht.
Es versteht sich von selbst, dass die mobilen Phasen in die jeweiligen stationären Phasen in allen Figuren, wie be züglich Fig. 1 im einzelnen erläutert, in Tropfenform verteilt werden und an den Phasengrenzflächen bzw. beim Zusammenstossen zweier Tropfen in kleinere Tropfen aufgelöst werden.
Das zu trennende Stoffgemisch kann in ein beliebiges Rohr, vorzugsweise etwa in die Mitte, der erfindungsgemässen Vorrichtung eingeführt werden. Zweckmässig erfolgt die Einführung des Stoffgemisches in das mittlere oder in eines der äusseren Rohre. Wenn ein an einen Träger gebundenes Stoffgemisch eingeführt wird, können im Anschluss an den Einlass 5 Auffangmittel, z. B. Siebe, für den Träger angeordnet sein.
Das zu trennende Stoffgemisch kann aber auch in eine der mobilen Phasen oder zusammen mit einer der mobilen Phasen in die Vorrichtung eingeführt werden.
Es versteht sich von selbst, dass die Rohre des Gefäss Systems, d. h. der erfindungsgemässen Vorrichtung, nicht nur wie in den Figuren dargestellt in einer Reihe, sondern auch in Kreisform oder in einer beliebigen anderen Konfiguration angeordnet sein können. Die Zahl der Rohre oder beliebiger geeigneter Gefässe in der Vorrichtung beträgt zweckmässig 10 bis 50. Die Abmessung der einzelnen Rohre ist nicht kritisch, jedoch ist die Länge L (Fig. 6) des Rohres um Grössenordnungen grösser als ihr Durchmesser D. Geeignete Verhältnisse L: D sind 1 : 100 oder 1000 oder 10 000.
Da die Trennstrecke einer der wesentlichen Bestimmungsfaktoren für die Verteilung und mithin für die Trennung ist, wird eine möglichst grosse Rohrlänge L angestrebt.
Die Rohre oder andere Gefässe können vertikal oder horizontal angeordnet werden. Sie können stationär sein oder können um ihre oder eine beliebige andere, äussere Achse gedreht werden. Die Drehbarkeit ist besonders nützlich bei spiral- und wendelförmigen Gefässen.
Die Gefässe können aus beliebigen innerten Materialien, z. B. Glas, Quarzglas. Quarz oder Metallen, bestehen.
Selbstverständlich darf das Gefässmaterial nicht mit den verwendeten Phasen oder dem zu trennenden Stoffgemisch reagieren. Die Einlassmittel, die vorzugsweise als veränderbare Düsen ausgebildet sind, sind vorzugsweise derart bemessen, dass sie möglichst kleine Flüssigkeitstropfen erzeugen.
Die mobile Phase wird auf bekannte Weise, z. B. mit Hilfe einer Pumpe, durch die stationäre Phase gezwungen.
Gleichzeitig wirkt auf die Phasen, je nach Anordnung der Gefässe und apparativer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung, die Gravitationskraft, die Fliehkraft, ein zusätzlicher Druck oder Vakuum. Diese Kräfte bewirken auch die Trennung der mobilen Phasen nach dem Durchlaufen der stationären Phase.
Die Vorbereitung der einzelnen Phasen erfolgt nach bekannten Verfahren zweckmässig indem die die Phasen bildenden Flüssigkeiten innig, z. B. durch Schütteln, vermischt werden, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, worauf durch Stehenlassen sich die einzelnen Phasen trennen, die dann als stationäre bzw. mobile Phasen verwendet werden.
Die einzelnen Phasen können aus einem einzigen Lösungsmittel oder aus einer Anzahl von Lösungsmitteln bestehen.
Die Phasen können ausser den eingesetzten Lösungsmitteln noch weitere Stoffe enthalten, die ihre physikalischen oder chemischen Eigenschaften beeinflussen, wie z. B. solche, die die Einstellung einer bestimmten Viskosität bewirken. Die Zusammensetzung einzelner oder mehrerer Phasen kann während des laufenden Trennverfahrens durch Zugabe von einem Lösungsmittel und/oder von Additiven oder deren Mischungen geändert werden.
Die Temperatur in den Gefässen kann durch geeignete Vorrichtungen geregelt und den jeweiligen Wünschen angepasst werden. Die Zusammensetzung der einzelnen Phasen kann ebenfalls kontinuierlich oder periodisch geändert werden. Das Verhältnis der einzelnen Phasen zueinander in den einzelnen Gefässen kann auch nach Wunsch verändert werden.
Zusätzlich zu den mindestens verwendeten drei flüssigen Phasen kann ein Gas in das System mit eingeführt werden, das den Stoffaustausch und damit die Trennung begünstigt und gleichzeitig Schutzfunktion, z. B. gegen unerwünschte Oxidation, besitzt.
Der Vorrichtung kann eine herkömmliche Trennungssäule und/oder eine Detektiervorrichtung nachgeschaltet werden.
Nachfolgend werden verschiedene für das erfindungsgemässe Verfahren geeignete Lösungsmittelzusammensetzungen angegeben, die nach dem intensiven Vermischen und Stehenlassen drei im Gleichgewicht befindliche Phasen ergeben.
Beispiele 1 bis 8 Lösungsmittel Volumenteile
1) Nitromethan 1
Wasser 1
Hexan 1 2) 2,2,2 Trichlorethylen 1
Wasser 1
Hexan 1 3) Nitromethan 1
Wasser 1
Oktanol 1 4) Petrolether 1
Wasser 1
Nitromethan 1 5) Acetonitril 2
Hexan 2 Wasser
Chloroform 1 6) Acetonitril 2
Hexan 2
Wasser 1
Benzol 1 7) Äther 1
Wasser 1
Acetonitril 2
Hexan 2 8) Hexan 1
Butanol 1
Wasser 1
Nitromethan 1