DE1598049C - Verfahren und Vorrichtung zur technischen Durchführung der Säulenchromatographie - Google Patents

Description

Siebplatten (S) besonders bewährt, da hierbei mit konstruktiv einfachen, wartungsfreien Mitteln eine gründliche, radiale Vermischung gewährleistet wird. Bei sehr großen Säulendurchmessern empfiehlt es sich, unterhalb der Zentrierplatte noch einen Verteilerkopf zu montieren.

Eine radiale Vermischung kann auch (mit oder ohne zusätzliche Zentrierplatte) dadurch herbeigeführt werden, daß die Löcher der Siebplatte nicht achsenparallel gebohrt werden, sondern schräg zur Achse, so daß der durch die Löcher durchtretende Flüssigkeitsstrom eine Rotationsrichtung um die Achse erhält. Bei entsprechender Dicke der Siebplatte und genügender Schräge der Bohrungen wird durch die Rotation der Flüssigkeitssäule zwischen den beiden Siebplatten eine ausreichende Vermischung und gleichmäßige Auftragung über den ganzen Bereich der unteren Siebplatte gewährleistet.

Der Einbau der Siebplatten in die Säule kann durch Einflanschen erfolgen; es hat sich aber als besonders vorteilhaft erwiesen, nur eine lange Säuleneinheit zu verwenden und in diese an mehreren Stellen eine axial verschiebbare Kombination aus zwei Siebplatten und einer Zentrierplatte einzupassen, wobei die Fixierung durch die Runddichtung (4) erfolgt. Die beiden Siebplatten und die Zentrierplatte werden dabei gegebenenfalls mit einem oder zwei Distanzringen (5), deren äußerer Durchmesser etwas kleiner als die lichte Weite der Säule ist, zu einem Bauelement vereinigt. Diese bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nun an beliebigen Stellen variabel in die Säulen eingepaßt werden. Eine einmal installierte Säule läßt sich in dieser Weise schnell und einfach auf die jeweiligen Bedingungen, die sich aus der Art des Adsorptionsmittels, derDurchflußgeschwindigkeitusw. ergeben, umstellen, so daß man stets unter optimalen Bedingungen arbeiten kann. Bei Verwendung von stark quellenden und je nach Beladungsgrad stark »atmenden« Säulenfüllungen (beispielsweise Ionenaustauschern) empfiehlt es sich sogar, die quetschbaren Runddichtungen nur so weit anzuziehen, daß Adsorptionsmittel und Elutionsflüssigkeit nicht mehr am Rande vorbeiströmen können. Das obengenannte Bauelement kann dann der »Atmung« der Säulenfüllung durch axiale Bewegung leicht folgen.

Die Siebplatten bestehen im allgemeinen aus einer Lochplatte (1), die mit einem feinen, gegen das EIutionsmittel beständigen Metall- oder Kunststoffnetz (2) überzogen ist. Die Löcher in der Platte müssen ausreichend groß sein, damit das Elutionsmittel ohne großen Widerstand hindurchtreten kann, dürfen aber nicht zu groß sein, damit die Netzgewebe nicht zu stark mechanisch beansprucht werden. Bohrweiten von 2 bis 15 mm, vorzugsweise 5 bis 6 mm, haben sich bewährt. Stärke und Maschenweite der zu verwendenden Netze hängen von der Korngröße des verwendeten Adsorptionsmittels ab und können dementsprechend weitgehend variiert werden. Maschenweiten von 0,02 bis 1 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 mm, wurden mit Erfolg eingesetzt. Stets müssen jedenfalls die Dirnensionen von Lochplatte, Bohrlöchern und Netzen so gewählt werden, daß weder das Adsorptionsmittel hindurchtreten kann noch die Siebplatten verstopft werden; außerdem muß natürlich die Siebplatte als Ganzes der Druckbelastung der Säulenfüllung einschließlich Spüldruck ohne Durchbiegen standhalten.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können im Prinzip alle bislang nur im Laboratoriumsmaßstab durchführbaren Reinigungen und Trennungen mit Hilfe der Säulenchromatographie großtechnisch durchgeführt werden, wobei als Säulenfüllung die üblichen Adsorptionsmittel wie Kieselsäuren, Aluminiumoxyde, Zellulosepulver, Aktivkohle, Kreide sowie die verschiedenen Arten von Anionen- und Kationenaustauschern in Frage kommen.

Aus der Publikation »Chemie-Ingenieur-Technik«, 26. Jahrgang, 1954, S. 609 und 610, ist eine chromatographische Trennsäule bekannt, welche aus mehreren kürzeren Säuleneinheiten besteht. Die Säuleneinheiten sind im Betrieb fest miteinander verbunden, jedoch sind die Säulenfüllungen gemäß B i 1 d 2 durch eine mit einem Rundfilter belegte gelochte Glasplatte und eine darunterliegende Filterpapierkrone voneinander getrennt. Wie sich aus dem Text ergibt (vgl. Seite 610, 2. Absatz), befindet sich über der Füllung einer jeden Säuleneinheit ein Lösungsmittelspiegel von etwa 5 mm und ein Luftraum, in welchen die Spitzen der Filterpapierkrone hineinragen. Im Betrieb tropft das Lösungsmittel von den Spitzen der Filterpapierkrone. Diese Anordnung soll die gleichmäßige Füllung der Säuleneinheiten erleichtern und dadurch eine horizontale Ausbildung der Zonen begünstigen. Eine radiale Durchmischung der axial wandernden Flüssigkeit — wie sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wird — läßt sich mit dieser Anordnung nicht oder nur in völlig unzureichendem Maße erreichen. Es ist anzunehmen, daß sich durch die genannte Anordnung die sogenannte Randgängigkeit von Chromatographiesäulen bis zu einem gewissen Grade ausgleichen läßt, jedoch kann dieser Nivellierungseffekt für den Betrieb großtechnischer Anlagen keinesfalls ausreichen, da das Problem der Randgängigkeit mit wachsendem Säulendurchmesser mehr und mehr hinter den Störungen, welche durch Ungleichmäßigkeiten in der Füllung selbst verursacht werden, zurücktritt. Hierbei muß beachtet werden, daß sich derartige Ungleichmäßigkeiten meist auch bei ursprünglich sehr homogenen Säulen als Folge des Dauerbetriebs einstellen.

In den nachfolgenden Beispielen ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Durch Vergleichsversuche wird weiterhin die Überlegenheit des neuen Verfahrens gegenüber dem herkömmlichen Arbeiten bewiesen, und an Hand einer Zeichnung (F i g. 1) wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgezeigt.

W — Säulenwand
SF = Säulenfüllung

1 = Lochplatten

2 = Netzgewebe

3 = Zentrierplatte

4 = Runddichtung

5 = Distanzring

Siebplatte

Fig. la und 1 b zeigen weitere Ausführungsformen der Zentrierplatte 3.

Beispiel 1

a) Eine Chromatographie-Säule von 8 mm Höhe und 150 mm lichter Weite wird mit einem Kationenaustauscher in der H⁺-Form mit Wasser eingeschlämmt. Nach jeweils 1 m Austauscherhöhe wird eine Vorrichtung eingepaßt, die aus zwei mit einem Kunststoffnetz 2 (Polyvinylidenchlorid oder Polypropylen; Maschenweite 0,1 mm) überzogenen Lochplatten 1

(145 mm Durchmesser; Bohrlöcher 6 mm Durchmesser), einer Zentrierplatte 3 (145 mm Durchmesser), einem Distanzring 5 (145 mm Durchmesser, 60 mm Höhe) und einer Runddichtung 4 besteht (vgl. F i g. 1). Beim Einschlämmen ist darauf zu achten, daß der Austauscher stets mit Wasser bedeckt ist und keine Luftblasen einschließt. 21 einer wäßrigen Farbstofflösung (hochmolekularer Farbstoff auf PoIydextran-Basis, der vom Ionenaustauscher nicht irreversibel gebunden wird, werden auf die Säule aufgetragen und mit einer Geschwindigkeit von 18 bis 201/Std. mit Wasser eluiert. Die am unteren Säulenende austretenden Fraktionen werden fortlaufend photometrisch auf ihren Farbstoffgehalt untersucht. Die Werte sind in einem Konzentrations-Zeit-Diagramm eingetragen und zeigen den Verlauf einer nahezu idealen Gaußschen Glockenkurve (F i g. 2, Diagramm I, Kurve A).

b) Vergleichsversuch

20

Die gleiche Säule, wie unter a) beschrieben, wird mit demselben Ionenaustauscher beschickt, jedoch ohne Einfügung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die gleiche Menge Farbstoff wird unter identischen Bedingungen mit Wasser eluiert und der Farbstoffgehalt der austretenden Fraktionen in das gleiche Diagramm eingetragen (F i g. 2, Diagramm I, Kurve B).

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß beim herkömmlichen Arbeiten durch die schieflaufenden Fronten der Farbstoff nur sehr ungleichmäßig aus der Säule eluiert wird, während durch das gelegentliche radiale Vermischen gemäß vorliegender Erfindung dieser Fehler behoben wird.

Beispiel 2

35

a) Eine mit einem Heizmantel umschlossene Austauschersäule von 8 m Höhe und 150 mm lichter Weite wird mit einen Kationenaustauscher in der Calcium-Form beladen, wobei wiederum nach jeweils 1 ni Säulenfüllung eine Vorrichtung gemäß Beispiel l,a) eingefügt wird. Im Gegensatz zum Beispiel 1 werden aber die Runddichtungen nur so weit angezogen, daß jedes Bauelement sich noch axial in der Säule verschieben kann. Die Säule wird mit thermostatisiertem Wasser auf 6O⁰C aufgeheizt und mit 101 40%iger wäßriger Glukoselösung beladen. Mit einer Geschwindigkeit von 18 bis 20 1/Std. wird mit 6O⁰C warmem Wasser eluiert. Die am unteren Säulenende austretenden zuckerhaltigen Fraktionen werden analysiert. Die Werte sind in einem Konzentrations-Zeit-Diagramm eingetragen und zeigen den nahezu idealen Verlauf einer Gaußschen Glockenkurve (F i g. 2, Diagramm II, Kurvet).

b) Vergleichsversuch

Unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 2, a) beschrieben, wird Glukose über eine 60⁰C warme Ionenaustauscher-Säule geschickt, ohne daß die obengenannten Vorrichtungen eingefügt waren. Die Analysenwerte der austretenden zuckerhaltigen Fraktionen sind in das gleiche Diagramm (F i g. 2, Diagramm II, Kurve B) eingetragen.

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß ohne die erfindungsgemäßen Vorrichtungen der Zucker völlig ungleichmäßig aus der Säule austritt, was auf schieflaufende Fronten zurückzuführen ist.

Beispiel 3

a) Auf die gemäß Beispiel 2, a) vorbereitete, geheizte Austauschersäule werden 101 einer 50°/₀igen Invertzuckerlösung gegeben und mit warmem Wasser eluiert. Die austretenden Fraktionen werden getrennt aus Glucose und Fructose untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 2, Diagramm III (Kurven AG und AF) eingetragen.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, werden Glucose und Fructose weitgehend voneinander getrennt; beide Elutionskurven zeigen die Gaußsche Glockenform.

b) Vergleichsversuch

Beim Versuch, 101 Invertzuckerlösung analog Beispiel 3, a) an einer Ionenaustauschersäule, jedoch ohne die oben beschriebene Vorrichtung, aufzutrennen, treten die beiden Zucker völlig ungleichmäßig und wesentlich schlechter voneinander getrennt aus dem Säulenende aus (F i g. 2, Diagramm III, Kurven BG und BF).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 zeichnet, daß man die sich ausbildenden Teilbereiche Patentansprüche: unterschiedlicher Konzentration der axial wandernden Flüssigkeit in gewissen Abständen auf engem Raum

1. Verfahren zur technischen Durchführung der radial durchmischt und die so bezüglich der Konzen-Chromatographie in abschnittsweise unterteilten 5 tration vereinheitlichte Flüssigkeit .möglichst gleich-Säulen, dadurch gekennzeichnet, daß mäßig auf den nächsten Säulenabschnitt aufträgt,
man die sich ausbildenden Teilbereiche unter- Konzentrations-Zeit-Diagramme von Stoffen, die schädlicher Konzentration der axial wandernden eine derartig modifizierte Säule durchlaufen haben, Flüssigkeit in gewissen Abständen auf engem stellen nahezu ideale, steile Gaußsche Glockenkurven Raum radial durchmischt und die so bezüglich der i° dar. Man findet also die Trenn- und Reinigungs-Konzentration vereinheitlichte Flüssigkeit mög- effekte, die bei den wesentlich kleiner dimensionierten liehst gleichmäßig auf den nächsten Säulenabschnitt Chromatographiesäulen des Laboratoriums beobachtet aufträgt. werden, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch

2. Einbauelement für Chromatographiesäulen im technischen Maßstab.

zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 15 Dieses Ergebnis war nicht vorherzusehen, weil an

bestehend aus zwei im Abstand angeordneten Sieb- sich jede radiale Vermischung zwangläufig mit einer

platten (S). axialen Vermischung (Rückvermischung) verbunden

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch ge- ist; diese Rückvermischung bewirkt generell eine Verkennzeichnet, daß zwischen den Siebplätten (S) schlechterung der Trennleistung von Säulen und führt eine Mischvorrichtung angebracht ist. 20 obendrein zu einer Verflachung der Konzentrations-

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch ge- Zeit-Diagramme. Normalerweise versucht man also, kennzeichnet, daß die Mischvorrichtung eine Zen- Rückvermischungen zu vermeiden oder so klein wie trierplatte (3) ist. möglich zu halten. Bei dem erfindungsgemäßen Ver-

5. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 2 bis 4, da- fahren führt jedoch die in Abständen vorgenommene durch gekennzeichnet, daß die Kombination aus 25 radiale Vermischung überraschenderweise zu einer Siebplatten (S) und Zentrierplatte (3) mit einer Frontbegradigung und damit zu einer derartigen Runddichtung (4) gegen die Säulenwand (W) ab- Leistungssteigerung der Säule, daß die Rückvergedichtet ist. mischungseffekte nicht mehr ins Gewicht fallen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch ge- Die Abstände, in denen bei dem erfindungsgemäßen kennzeichnet, daß die Runddichtung (4) verstellbar 30 Verfahren die radialen Vermischungen durchgeführt ist. · werden sollen, sind in erster Linie abhängig vom

Säulendurchmesser; aber auch die Art und Korngröße

— des Adsorptionsmittels, die Durchflußgeschwindigkeit

der flüssigen Phase und die spezifischen Trennfaktoren 35 sind von Bedeutung. In der Praxis wird man die opti-

Die Säulenchromatographie ist in den letzten Jahren malen Abstände jeweils empirisch bestimmen. Sind zu einer geläufigen Laboratoriumsmethode zum Reini- die Abstände zwischen je zwei Mischzonen zu groß, so gen und Trennen von Substanzen geworden. Beim können immer noch Störungen durch »Schieflaufen« Versuch, diese Methodik in den technischen Maßstab der Fronten auftreten; sind die Abstände hingegen zu zu übertragen, treten eine Reihe von Schwierigkeiten 4° klein, so verflachen die Elutionskurven merklich, insauf, die bisher die Rentabilität und die Durchführbar- besondere wenn das Volumen der Mischzonen im keit der technischen Säulenchromatographie in Frage Verhältnis zum Volumen der Trennzonen zu groß stellen. Besonders große Schwierigkeiten bereitet mit wird. Gute Ergebnisse werden bei Abständen zwischen wachsender Länge und Durchmesser der Säulen das dem drei- bis fünfzehnfachen Durchmesser der Säule »Schieflaufen« der Fronten, was zu einer schlechten 45 gefunden.

Ausnutzung der Säulenkapazität führt und insbeson- Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah-

dere bei geringen Trennfaktoren technische Trennun- rens baut man in die Säule in gewissen Abständen je gen unmöglich macht. zwei Siebplatten (S) ein, zwischen denen eine radiale

Das »Schieflaufen« der Fronten ist auf die ver- Vermischung des. Elutionsmittels stattfinden kann, schiedensten Faktoren zurückzuführen, wie z. B. ün- 5° Durch die Siebplatten wird das Adsorptionsmittel aus gleichmäßige Füllung der Säule, Temperatur-, Visko- der Mischzone ferngehalten, und das Elutionsmittel sitäts- und Volumenschwankungen, Kanalbildung, kann nach erfolgter Durchmischung durch die untere Randgängigkeit usw. Dieses »Schieflaufen« läßt sich Siebplatte gleichmäßig verteilt wieder in die nächste erfahrungsgemäß auch bei noch so sorgfältigem Arbei- Trennzone der Säule eintreten,
ten nicht vermeiden. Während also im Idealfall das 55 Im einfachsten Fall genügt die Vermischung, die Konzentrations-Zeit-Diagramm eines Stoffes, der eine selbsttätig in einem solchen Raum zwischen zwei Sieb-Chromatographiesäule durchlaufen hat, eine mehr platten eintritt. Bei größeren Säulendurchmessern ist oder weniger steile Gaußsche Glockenkurve darstellt, diese freiwillige radiale Vermischung nicht mehr aussind bei technischen Säulen diese Diagramme zu völlig reichend. Es empfiehlt sich daher, zwischen den Siebungleichmäßigen, langgezogenen Gebilden entartet.' 60 platten eine Vorrichtung einzubauen, die eine gründ-

Es wurde nun gefunden, daß man die Störungen, die liehe Zwangsvermischung der Flüssigkeit innerhalb bei technischen Chromatographie-Säulen durch das des Zwischenraumes gewährleistet. Als Mischvorrich- »Schieflaufen« der Fronten entstehen, beseitigen kann, tungen kommen mechanisch angetriebene Rührer, wenn man die axial wandernde Flüssigkeit in gewissen Magnetrührer, Vibratoren, Ultraschall usw. in Frage, Abständen auf engem Raum radial durchmischt. 65 wobei natürlich die Dimensionen und das Baumaterial

Das erfindungsgemäße Verfahren zur technischen der Säule die Auswahl der möglichen und optimalen Durchführung der Chromatographie in abschnitts- Mischvorrichtung bestimmen. In der Praxis hat sich weise unterteilten Säulen ist demnach dadurch gekenn- der Einbau einer Zentrierplatte (3) zwischen den