DE3876200T2

DE3876200T2 - Umlaufchromatograph mit ueberkritischem fluid.

Info

Publication number: DE3876200T2
Application number: DE19883876200
Authority: DE
Inventors: Muneo Saito; Yoshio Yamauchi
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2008-09-27
Also published as: EP0309380B1; JPS6483152A; JPH0521504B2; EP0309380A3; DE3876200D1; EP0309380A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung:

Diese Erfindung betrifft einen Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid, der eine Mischung in Komponenten trennt, indem eine bewegliche Phase wiederholt durch eine Trennsäule in Umlauf gebracht wird, bis die Mischung genügend getrennt ist, wobei eine gewünschte Komponente fraktioniert werden kann.

Beschreibung des Standes der Technik:

Kohlendioxyd ist die Substanz, die weitgehend als bewegliche Phase in der Chromatographie mit überkritischen Fluiden verwendet wird. Obwohl Kohlendioxyd eine Lösungsfähigkeit zeigt, wenn es ein verflüssigtes Gas oder ein überkritisches Fluid ist, d.h. seine Dichte eine flüssigkeitsähnliche Dichte mit 0.3 bis 1.2 g/ml ist, wird seine Lösungsfähigkeit bezüglich des gelösten Stoffes im wesentlichen zu Null, wenn der Druck auf Atmosphärendruck reduziert wird, worauf es ein normales Gas wird. Daher kann der gelöste Stoff einer Probe leicht von dem Fluid mit hoher Reinheit separiert werden, wenn Kohlendioxyd als bewegliche Phase in der Chromatographie mit überrkritischen Fluiden verwendet wird.
Es sind jedoch viele konventionelle Chromatographen mit überkritischen Fluiden so konstruiert, daß sie nur als Analysegeräte, nicht jedoch als Fraktioniergeräte verwendet werden, d.h., als ein Gerät zum Abtrennen und Reinigen der gewünschten Komponente, die in einer Probenmischung enthalten ist. Der Hauptgrund hierfür liegt darin, daß eine geeignete Separierungseffizienz der Säule realisiert werden muß, indem eine relativ lange Säule mit großem Durchmesser für eine hohe Probenfüllkapazität, resultierend in hohe Flußraten der beweglichen Phase verwendet wird, wenn eine Fraktionierung beabsichtigt ist.
Aus FR-A-25 27 934 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fraktionierung einer Mischung durch Chromatographie einer Lösung bekannt, wobei das Lösungsmittel ein überkritisches Fluid ist, das eine chromatographische Säule mit einer konstanten Flußrate durchläuft. Am Kopf der Säule wird die zu fraktionierende Mischung in periodischer Weise eingespritzt und die Fraktionen der Mischung werden jeweils gesammelt, am Ausgang der Säule detektiert und selektiv zu einem Separator geführt, in dem durch Wiedererhitzen und Druckentlastung das Lösungsmittel von den Bestandteilen der Mischung separiert wird. Diese Bestandteile werden am Boden des Separators gesammelt. Das sich an der Oberseite des Separators ansammelnde Lösungsmittel wird gereinigt, in den überkritischen Zustand übergeführt und an der Oberseite der Säule wieder eingeführt. Eine solche Art von Verfahren und Vorrichtung bringt die oben beschriebenen Probleme betreffend die Säulen-Separationseffizienz mit sich.
Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, wird ein Umlauf-Verfahren in der Flüssigchromatographie in breitem Umfang angewendet. Dieses Umlauf-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem die effektive Länge der Säule durch ein wiederholtes Durchlauflassen der das Lösungsmittel enthaltenden beweglichen Phase durch die Säule über die Spenderpumpe für die bewegliche Phase erhöht wird, wobei die Separierung oder Auswaschung ohne jeglichen Lösungsmittelverbrauch stattfindet, und ein Teil des Säulenausflusses, der eine gewünschte Komponente enthält, zur Fraktionierung abgezogen werden kann, in welchem Zeitraum die gleiche Menge von Lösungsmittel eingespeist werden kann. Wenn dieses Umlaufverfahren bei einem Umlaufchromatograph mit einem überkritischen Fluid als bewegliche Phase angewendet werden kann, kann sein Anwendungsbereich erweitert werden.
Es ist gut bekannt, daß in der SFC ein hoher Druckabfall einen Dichteabfall entlang der Säule in Richtung ihres Auslasses verursacht, was zu einer Reduktion der Effizienz führt. Daher ist die verfügbare Bodenanzahl nicht in einem proportionalen Verhältnis zur Säulenlänge.
In dieser Hinsicht ist das Umlaufverfahren bei der SFC sehr vorteilhaft, da die Säuleneffizienz um einen Faktor erhöht wird, der der Zahl der Umläufe entspricht, ohne daß der Rückdruck erhöht wird, wenn eine Säulen-Bandverbreiterung außerhalb der Säule vernachlässigbar ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts dieser Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Umlaufchromatograph zu schaffen, der überkritisches Fluid als seine bewegliche Phase verwendet.
Zu diesem Zweck schafft die vorliegende Erfindung einen Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase, der umfaßt: Eine Umlaufpumpe zum Übertragen einer beweglichen Phase bei vorgegebener Durchflußrate; einen Probeninjektor, dessen Einlaß mit dem Auslaß der benannten Umlaufpumpe durch eine Leitung verbunden ist; eine Säule, deren Einlaß mit dem Auslaß des benannten Probeninjektors durch eine Leitung verbunden ist, wobei die benannte Säule mit einer stationären Phase gefüllt ist; einen Detektor, dessen Einlaß mit dem Auslaß der benannten Säule durch eine Leitung verbunden ist, wobei der Auslaß des benannten Detektors mit dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe verbunden ist und der benannte Detektor die Komponenten der Probe nachweist; einen Gegendruckregler, dessen Einlaß mit einer Leitung zwischen dem Auslaß des benannten Detektors und dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe durch eine Leitung verbunden ist, wobei der Auslaß des benannten Gegendruckreglers mit der Atmosphäre verbunden ist; eine Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase, die mit der Einlaßleitung der benannten Umlaufpumpe durch eine Leitung verbunden ist, wobei die Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase die benannte Umlaufpumpe mit der beweglichen Phase unter einem vorgegebenen Druck versorgt; eine Vorwärmschlange, deren Auslaß mit dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe verbunden ist; und eine Heizvorrichtung, um die bewegliche Phase als ein überkritisches Fluid zu erhalten, das eine kritische Temperatur innerhalb der benannten Umlaufpumpe, des Probeninjektors, der Säule und der Vorwärmschlange überschreitet.
Durch diesen Umlaufchromatograph kann (der Säulendruckabfall Δp)/(Säulen-Bodenanzahl) reduziert werden, worauf die effektive Säulenbodenanzahl erhöht werden kann. So kann eine ausreichende Auflösung zum Fraktionieren einer Komponente nach einer entsprechenden Umlaufanzahl erhalten weren. Darüber hinaus kann durch eine Kombination dieser Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase mit dem Gegendruckregler oder einer Widerstandsleitung der interne Druck der Säule und des Detektors oberhalb eines kritischen Druckes gehalten werden, sogar wenn unnötige Komponenten entfernt oder eine notwendige Komponente fraktioniert wird. Als Resultat davon kann eine Fraktionierung durchgeführt werden.
Die Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase umfaßt z.B.: Eine erste Pumpe zur Übertragung eines verflüssigten Gases bei vorgegebener Durchflußrate; einen zweiten Gegendruckregler, der mit der Auslaßleitung der ersten Pumpe durch eine Leitung verbunden ist, wobei der benannte zweite Gegendruckregler den Gegendruck auf einem vorgegebenen Niveau hält; und eine zweiten Pumpe, deren Auslaß mit einer Leitung zwischen einer Schnittstelle verbunden ist, die die Auslaßleitung der ersten Pumpe und die Einlaßleitung des zweiten Gegendruckreglers und den Auslaß der ersten Pumpe oder die Einlaßleitung der ersten Pumpe über eine Leitung verbindet, wobei die zweite Pumpe ein Modifizierlösungsmittel bei vorgegebener Flußrate transportiert.
Entsprechend der oben beschriebenen Konstruktion kann der Versorgungsdruck auf einem vorbestimmten Niveau gehalten werden und das Mischungsverhältnis zwischen dem verflüssigten Gas und dem Modifizierlösungsmittel kann auf dem vorbestimmten Verhältnis zwischen der vorbestimmten Flußrate der ersten Pumpe und der der zweiten Pumpe gehalten werden, sogar wenn der zugeführte Fluß von sehr geringer Menge von einigen ul/min oder weniger ist oder sogar wenn die Versorgungsflußrate variiert wird. Als Resultat davon können die Reproduzierbarkeit der Spitzen-Retentionszeiten verbessert und die Basislinie des Ausgangssignals des Detektors stabilisiert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt das Flußdiagramm eines Umlaufchromatographen mit überkritischem Fluid entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt das Flußdiagramm einer Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A zeigt ein Umlaufchromatogramm bei einer Wellenlänge von 245 nm;
Fig. 3B ist eine Hüllkurven-Darstellung des obengenannten Chromatogramms;
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl von Umläufen und der Bodenanzahl;
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm für einen Umlaufabschnitt entsprechend einem dritten Ausführungsform;
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm für einen Umlaufabschnitt entsprechend einer vierten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

(1) Erste Ausführungsform

Fig. 1 zeigt einen Umlaufchromatograph mit überkritischen Fluid (Umlauf-SFC) entsprechend einer ersten Ausführungsform. Dieser Umlauf-SFC umfaßt einen Umlaufabschnitt, einen Fraktionierabschitt und einen Versorgungsabschnitt für die bewegliche Phase.
Der Umlaufabschnitt enthält die folgenden Komponenten, die in der nachfolgend beschriebenen Reihenfolge über Röhren verbunden sind: Eine Umlaufpumpe 10 zum Transport einer vorgegebenen Strömungsmenge; einen Probeninjektor 12; eine Säule 14, die mit einer festen Phase gefüllt ist; einen Detektor 16, wie beispielsweise einen UV-Detektor, der eine Probenkomponente unter einem hohen Druck nachweisen kann; und ein Dreiwege-Ventil 18. Als Resultat davon wird eine geschlossene Schleife gebildet, die als Umlauf-Leitung dient. Das Dreiwege-Ventil 18 ist so angeordnet, daß ein Anschluß A davon mit dem Auslaß des Detektors 16 verbunden ist, während ein Anschluß B davon mit dem Einlaß der Umlaufpumpe 10 verbunden ist. Der Anschluß A ist selektiv entweder mit dem Anschluß B oder C verbunden.
Der Fraktionierabschnitt umfaßt: Einen Gegendruckregler 20, dessen Einlaß mit dem Anschluß C des Dreiwege-Ventils 18 verbunden ist, während sein Auslaß mit der Atmosphäre verbunden ist; und einen Behälter 23 zum Sammeln der fraktionierten Komponente. Der Gegendruckregler 20 umfaßt: Ein Druckregelventil 20a; und einen Druckanzeigeregler 20b, der den Druck des oberen Stromes detektiert und dem Druckregelventil 20a anzeigt sowie das Druckregelventil 20a zu dem Zweck steuert, daß der detektierte Druck auf einem vorbestimmten Niveau gehalten wird, das einen kritischen Druck überschreitet. Dieses Druckregelventil 20a ist ein Ventil, das eine relativ geringe Kapazität (z.B. 10 ul) aufweist und eine exzellente Rückstell-Effektivität bietet, z.B. ein elektromagnetisch betätigtes Ventil mit vibrierender Spindel, dessen Ventilspindel sich in seiner axialen Richtung bewegt, um die Leitung zu schließen, wenn der Druck unter einem vorgegebenen Druck fällt, während diese geöffnet wird, wenn der Druck einen vorgegebenen Druck überschreitet. Dieses elektromagnetisch betätigte Ventil mit vibrierender Ventilspindel wurde von einem Erfinder der vorliegenden Erfindung in EP-A-0 275 933 offenbart.
Der Versorgungsabschnitt für die bewegliche Phase umfaßt im Prinzip die folgenden Komponenten, die in Serie über Röhren in der hiernach beschriebenen Reihenfolge verbunden sind: Einen Zylinder 24, in dem ein verflüssigtes Gas 22 eingeschlossen ist, das als bewegliche Phase dient; ein Verschlußventil 26; ein Rückschlagventil 28, das einen Rückfluß zu dem Verschlußventil 26 verhindert, der eine Druckreduktion verursacht; eine Druckpumpe 30 zum Transportieren des verflüssigten Gases 22 zu dem Zweck, daß der Auslaßdruck auf einen vorgegebenen kritischen Druck angehoben wird; und eine Vorheizschlange 32. Der Auslaß der Vorheizschlange 32 ist mit dem Einlaß der Umlaufpumpe 10 verbunden. Die Funktion des Rückschlagventiles 28 kann genauso gut von dem Verschlußventil 26 übernommen werden. Das Verschlußventil 26 ist in üblicher Weise für den Zylinder 24 vorgesehen.
Um polare Komponenten mit einem nicht polaren Fluid wie z.B. Kohlendioxyd als beweglicher Phase zu eluieren, muß ein polares Lösungsmittel wie z.B. Alkohol als Modifizierlösungsmittel mit der beweglichen Phase vermischt werden. Um reproduzierbare Spitzen-Retentiruszeiten zu erhalten, muß das Mischungsverhältnis der beiden obengenannten Komponenten konstant gehalten werden.
Daher werden die folgenden Komponenten miteinander über Röhren in Serie in der hiernach beschriebenen Reihenfolge verbunden: Ein Resservoir 36, das ein Modifizierlösungsmittel 36 enthält; eine Fluid-Speisepumpe 38 zum Transport des Modifizier-Lösungsmittels 34 in einer Menge, die proportional zu der Abgabemenge der Druckpumpe 30 ist; ein Verschlußventil 40; und ein Rückschlagventil 42, das einen Rückfluß zum Verschlußventil 40 verhindert, der eine Druckreduktion verursacht. Der Auslaß des Rückschlagventils 42 ist mit der Leitung zwischen der Druckpumpe 30 und der Vorheizschlange 32 über eine Leitung verbunden. Es kann in einer Weise angeordnet sein, daß entweder das Verschlußventil 40 oder das Rückschlagventil 42 vorgesehen ist.
Um die bewegliche Phase als überkritisches Fluid aufrecht zu erhalten, sind die obenbeschriebene Umlaufpumpe 10, der Probeninjektor 12, die Säule 14, das Dreiwege-Ventil 18 und die Vorheizschlange 32 in einem Ofen 44 untergebracht, der seine vorgegebene interne Temperatur so aufrecht erhält, daß eine kritische Temperatur überschritten wird.
Eine Betätigung der so konstruierten ersten Ausführungsform wird nachfolgenden für den Fall beschrieben, daß nur das verflüssigte Gas 22 als bewegliche Phase verwendet wird.
Zuerst wird die Temperatur auf der Innenseite des Ofens 44 auf eine vorgegebene Temperatur erhöht, die die kritische Temperatur überschreitet. Der Druck des Druckreglers 20b wird auf das gewünschte vorgegebene Niveau gesetzt, das den kritischen Druck überschreitet. Danach werden der Durchfluß in dem Dreiwege-Ventil 18 zwischen den Anschlüssen A und C geöffnet, daß Verschlußventil 26 geöffnet und die Druckpumpe 30 und die Umlaufpumpe 10 in Betrieb gesetzt, um die Leitung zu reinigen.
Danach wird der Durchfluß in dem Zweiwege-Ventil 18 zwischen den Anschlüssen A und C geschlossen und der Durchfluß zwischen den Anschlüssen A und B geöffnet. Die bewegliche Phase wird zu einem überkritschen Fluid, nachdem es die Vorheizspule 32 passiert hat, und zirkuliert in der Schleife. Ein Zustand, in dem die Basislinie des Ausgangssignals des Detektors 16 stabilisiert ist, zeigt die Tatsache an, daß der Zustand ein stetiger Zustand geworden ist. In diesem Zustand wird die Probe in die Säule, die einen Teil der Schleife bildet, durch Drehen der internen Leitung des Probeninjektors 12 nach dem Eingeben der Probe eingespritzt. Als Resultat davon wird die Probenmischung in jede ihrer Komponenten in der Säule 14 aufgetrennt, und der Auflösungsfaktor erhöht sich, wenn sich die Umlaufzeit der beweglichen Phase durch die Schleife erhöht. Wenn die Spitzen-Bandverbreitung außerhalb der Säule 14 vernachlässigt wird, wird die effektive Länge der Säule 14 gleich dem Wert, der durch Multiplikation der Länge der Säule 14 mit der Anzahl der Umläufe der beweglichen Phase erhalten wird.
Für den Fall, daß eine unnötige Komponente durch den Detektor 16 detektiert worden ist, nachdem eine geeignete Auftrennung durchgeführt worden ist, wird der Durchfluß in dem Dreiwege-Ventil 18 in Richtung zum Gegendruckregler 20 gedreht, so daß die unnötige Komponente entfernt wird. Während dieses Ausströmens kann die unnötige Komponente ohne jegliche Druckreduzierung auf der Innenseite der Schleife unter den kritischen Druck abgelassen werden, da die bewegliche Phase von einer Fluidversorgungsvorrichtung zur Innenseite der Schleife zum Zweck der Aufrechterhaltung des Einlaßdruckes der Zirkulierpumpe 10 auf den vorbestimmten Druck der Druckpumpe 30 eingespeist wird.
Andererseits wird der Durchfluß in dem Dreiwege-Ventil 18 zur Umlaufpumpe 10 gedreht, wenn die abzutrennende und zu reinigende Komponente von dem Detektor 16 detektiert wird. Wenn der Auflösungsfaktor dieser Komponente ein geeignetes Niveau erreicht, wird danach das Dreiwege-Ventil 18 in Richtung zum Druckregler 20 gedreht, um nur die gewünschte Komponente in den Behälter 23 abzutrennen.
Für den Fall, daß ein Modifizierlösungsmittel 34 verwendet wird, wird das Modifizierlösungsmittel 34 durch die Pumpe 38 mit einer vorgegebenen Rate bezüglich der Ausgabe der Druckpumpe 30 transportiert.
Es ist bestens bekannt, daß bei der SFC ein hoher Druckabfall eine Dichteverringerung entlang der Säule in Richtung zu ihrem Auslaß hervorruft, was zu einer Reduktion der Effizienz führt. Daher ist die erhältliche Bodenzahl nicht in einem proportionalen Verhältnis zur Säulenlänge.
Entsprechend der ersten Ausführungsform kann jedoch dadurch ein Vorteil erzielt werden, daß die Druckreduktion in der Säule 14 reduziert und die effektive Länge der Säule erhöht werden können, wodurch eine ausreichende Trennrate zur Durchführung einer Fraktionierung erhalten werden kann.
Weiterhin wird entsprechend dieser ersten Ausführungsform die bewegliche Phase nur in einer Menge verbraucht, die notwendig ist, um die Schleife zu füllen und in einer Menge, die im Zeitpunkt des Abtrennens einer notwendigen Komponente oder Entfernen einer unnötigen Komponente abgelassen wird. Daher können die Betriebskosten niedrig gehalten werden, sogar wenn eine Trennsäule mit relativ großem Durchmesser verwendet wird.

(2) Zweite Ausführungsform:

In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform kann die Durchflußrate variieren und es wird die Durchflußrate der Versorgungspumpe 38 für das Modifiziermittel nicht konstant gehalten, da die Druckpumpe 30 so gesteuert wird, daß sie den Druck konstant hält. Daher ist es unmöglich, daß das Mischungsverhältnis zwischen dem verflüssigten Gas 22 und dem Modifizierlösungsmittel 34 im wesentlichen konstant gehalten wird, was zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Spitzen-Retentionszeiten führt.
In dieser zweiten Ausführungsform wird deshalb eine in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung als Fluid-Versorgungsvorrichtung verwendet, um das oben beschriebene Problem zu überwinden.
D.h., daß eine Kolbenpumpe 30A als Pumpe für den Transport des verflüssigten Gases 22 verwendet wird, welche Kolbenpumpe 30A eine vorgegebene Flußmenge transportiert. Um die bewegliche Phase in einem Pumpenkopf 30a der Kolbenpumpe 30A in flüssigem Zustand zu halten, ist eine Kühlschlange 30b mit dem Einlaß des Pumpenkopfes 30a verbunden, welcher Pumpenkopf 30a und die Kühlschlange 30b von einem Kühlmantel 30c bedeckt sind und wobei das Innere des Kühlmantels 30c unter einem Siedepunkt mittels eines Kühlers 46 gehalten wird. Im allgemeinen müssen Kühleinrichtungen des oben beschriebenen Typs für die Druckpumpe 30, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, vorgesehen sein.
Weiterhin ist als Pumpe zum Transport des Modifizierlösungsmittels 34 eine Kolbenpumpe 38A vorhanden, die dieses in einer vorgegebenen Menge im Verhältnis zu der vorgegebenen Abgabemenge der Kolbenpumpe 30A transportiert. Die Kolbenpumpen 30A und 38A stellen im allgemeinen eine Pumpe vom Tauchkolbentyp dar.
Der Einlaß eines Gegendruckreglers 48 ist in Punkt B mit dem unteren Strom des Schnittpunktes C zwischen dem verflüssigten Gas 22 und dem Modifizierlösungsmittel 34 verbunden. Der Auslaß des Gegendruckreglers 48 ist mit einem Anschluß D eines Dreiwege-Ventils 50 verbunden. Ein Anschluß E des Dreiwege-Ventils 50 ist mit der Leitung zwischen dem Rückschlagventil 28 und der Kühlschlange 30b verbunden. Der Gegendruckregler 48 enthält ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten Gegendruckregler 20 ein Druckregelventil 48a und einen Druckregler 48b. Entweder die Leitung zwischen den Anschlüssen D und E in dem Dreiwege-Ventil 50 oder die zwischen den Anschlüssen D und F ist gleichermaßen selektiv miteinander verbunden, so daß der Anschluß F im Dreiwege-Ventil 50 mit der Atmosphäre verbunden ist.
Die weitere Konstruktion ist die gleiche, wie die in Fig. 1 gezeigte. Der Schnittpunkt C zwischen dem verflüssigten Gas 22 und dem Modifizierlösungsmittel 34 kann in der Leitung zwischen dem Rückschlagventil 28 und dem Pumpenkopf 30a angeordnet sein.
Als nächstes wir die Betätigung der Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase bechrieben.
In einem Fall, wo nur verflüssigtes Gas 22 als bewegliche Phase verwendet wird, wird der Kühler 46 für den Zweck betrieben, daß das Innere des Kühlmantels 30c unter die kritische Temperatur gekühlt wird. Weiterhin wird der Auslaß der Kolbenpumpe 30A so eingestellt, daß er einem vorbestimmten Wert entspricht, der die Maximalversorgung zum Umlaufabschnitt überschreitet, der Druck des Druckreglers 48b ist so eingestellt, daß er auf einem vorbestimmten Niveau liegt, das den kritischen Druck überschreitet und die Leitung zwischen den Anschlüssen D und E in dem Dreiwege-Ventil 50 wird angeschlossen. Danach wird das Verschlußventil 26 geöffnet, um die Kolbenpumpe 30A anzutreiben.
Der Versorgungsdruck für die bewegliche Phase wird auf dem vorgegebenen Druck des Gegendruckreglers 48 gehalten, sogar wenn das Verhältnis (Teilungsverhältnis) zwischen dem dem Gegendruckregler 48 zugeführten Strom und dem Strom, der der Vorheizschlange 32 zugeführt wird, verändert wird. Weiterhin kann der Verbrauch an beweglicher Phase niedrig gehalten werden, da ein Teil der beweglichen Phase zu dem Einlaß der Kolbenpumpe 30A zurückgeführt wird.
In einem Fall, wo das verflüssigte Gas 22 und das Modifizierlösungsmitel 34 als bewegliche Phase verwendet werden, wird die Leitung zwischen den Anschlüssen D und F in dem Dreiwege-Ventil 50 verbunden, um das gemischte Fluid abzulassen. Der Grund dafür liegt darin, daß der Zustand des Mischungsverhältnisses zwischen dem verflüssigten Gas 22 und dem Modifizierlösungsmittel 34 konstant gehalten werden muß. D.h., daß in dem Zustand, in dem kein Fluid in der Umlaufschleife verbraucht wird, wenn die Anschlüsse D und F in dem Dreiwege-Ventil 50 miteinander verbunden sind, die Pumpe 30A die gleiche Menge des Fluids aufnimmt, wie sie von ihr selbst abgegeben wird, wogegen die Pumpe 38A immer neues Lösungsmittel abgibt. Daher sammelt sich Modifizierlösungsmittel in der Schleife umfassend die Elemente 48a, 50, 30b und 30a an. Daher sollte die überschüssige Menge an gemischtem Fluid abgelassen und nicht in das Versorgungssystem zurückgeführt werden.
Danach wird der für die Kolbenpumpe 38A eingestellte Fluß konstant gemacht bezüglich einer vorgegebenen (konstanten) Flußrate, die für die Kolbenpumpe 30A eingestellt ist, und das Verschlußventil 40 wird zusammen mit dem Verschlußventil 26 geöffnet.
In diesem Fall kann der Versorgungsdruck auf dem für den Druckregler 48b eingestellten, vorgegebenen Druck gehalten werden, sogar wenn das Teilverhältnis verändert wird. Weiterhin kann dadurch ein Vorteil erhalten werden, daß das Mischungsverhältnis zwischen dem verflüssigten Gas 22 und dem Modifizierlösungsmittel 34 entsprechend dem Verhältnis zwischen den Strömen der Kolbenpumpen 30A und 38A aufrecht erhalten werden kann, da die für die Kolbenpumpen 30A und 38A gegebene Flußrate konstant ist und jedes Teilverhältnis für das verflüssigte Gas 22 und das Modifizierlösungsmittel 34 den gleichen Wert annimmt, sogar wenn eine kleine Leckrate von einer Dichtung für die Kolbenpumpe 10 u.s.w. in einem stetigen Zustand kompensiert wird.

(3) Experiment

Experimentelle Resultate unter Verwendung einer Vorrichtung nach der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform werden nun beschrieben.

Testbedingungen:

Der Druck und die Modifiziermittelkonzentration des der Umlaufleitung zugeführten Fluids werden immer konstant gehalten, sogar wenn eine Spitzen-Komponente auf die folgende Weise gesammelt wird. Wenn die umlaufende bewegliche Phase für eine Spitzen-Ansammlung verbraucht wird, wird die bewegliche Phase automatisch dadurch kompensiert, daß die Menge an Fluid, die zur Pumpe 30A zurückgeführt wird oder von dem Gegendruckregler 48, der den Druck in der Umlaufleitung konstant hält, abgelassen wird, reduziert wird. Um den Fluidverbrauch zu reduzieren, können die Ströme der Pumpen erniedrigt werden, während der Umlauf ohne Sammeln durchgeführt wird.
Die SFC-Bedingungen waren die folgenden:
Säuleneinlaßdruck, 26.7 MPa; Säulenauslaßdruck, 25.0 MPa; Steuerdruck der Pumpen (30A) und (38A), 25.0 MPa; Flußrate der Umlaufpumpe (10), ca. 6 g/min; Flußrate des Modifizierlösungsmittels (34), 0.15 ml/min.
Kohlendioxyd wurde von Tokyo Kagaku, Kawasaki, Japan, bezogen und als mobile Phase verwendet. Ethanol, HPLC-Grad wurde mit Kohlendioxyd als Modifizierlösungsmittel gemischt.
Eine Testmischung enthaltend 1 mg von jeweils di-n-und di-iso-butylphthalat wurde zum Test der Separation durch Umlauf-SFC verwendet. Als Testlösung zum Messen der Säulenkoeffizienz wurde di-n-octylphthalat verwendet. Alle Chemikalien wurden von Wako Pure Chemicals, Osaka, Japan, mit Ausnahme des Kohlendioxyds bezogen.
Eine Jasco-SuperMegaPak-SIL-Säule, 10 mm I.D. x 250 mm Länge wurde verwendet, wobei der Füllkörper 5 um-Silikagel war.

Resultat:

Separation von Isomeren des Dibutylphthalats durch Umlauf-SFC.
Fig. 3A zeigt das Umlaufchromatogramm.
Wie gezeigt ist das Umlaufverfahren erfolgreich durchgeführt worden und symmetrische Spitzen wurden sogar nach zwölfmaligem Umlauf erhalten und die Auflösung erhöht sich mit der Anzahl der Umläufe. Die in Fig. 3B gezeigte Hüllkurvendarstellung zeigt drastisch, daß die zwei obengenannten Komponenten komplett auf die Basislinie nach zehnmaligem Umlauf getrennt werden, während die erste Spitze ohne Umlauf eine sehr schlechte Separation zeigt und fast wie eine verschmolzene Spitze aussieht.

Effizienz bezüglich der Anzahl von Umläufen:

Di-n-octylphthalat, das einen Kapazitätsfaktor von ca. 1 unter den selben Bedingungen wie oben angegeben ergab, wurde der Umlauf-SFC zur Berechnung der Säuleneffizienz unterworfen.
Die Beziehung zwischen der Anzahl von Umläufen und der Bodenzahl N ist in Fig. 4 gezeigt. Eine Bodenzahl wurde unter Verwendung der Maximum- Fläche und -Höhe unter der Annahme berechnet, daß die Konzentrationsverteilung eine Gaußsche ist.
Es ist bemerkenswert, daß 39.2 x10³Boden mit einem Säulendruckabfall PΔ von nur 1.7 MPa nach zehnmaligem Umlauf erreicht wurden, wogegen der erste Umlauf oder ein Eluieren ohne Umlauf nur 6.1 x 10³ Boden bei dem selben Druckabfall boten.
Die Beziehung ist nicht linear, aber in konvexer Form, wie in der Figur gezeigt. Das bedeutet unter der Annahme, daß die Streuungsadditivität erhalten bleibt, daß ein gewisser Effekt vorhanden ist, der die Spitzenbreite größer macht, wenn die Lösungsmittelverweilzeit in dem System länger wird, wobei die Band-Verbreiterung außerhalb der Säule, die durch apparative Streuungen verursacht wird, es verhindert, daß die Bodenzahl proportional zur Anzahl der Umläufe steigt. Diese Extra-Verbreiterung könnte auf eine hochmolekulare Diffusivität in überkritischem Kohlendioxyd und einer zu langsamen linearen Geschwindigkeit zurückzuführen sein.
Dieses neue Verfahren hat eine wirkungsvolle Eigenschaft, die eine neue Phase in der Anwendung von überkritischem Fluid für die präparative Separation eröffnet.

(4) Dritte Ausführungsform

Fig. 5 zeigt einen Umlaufabschnitt einer dritten Ausführungsform.
In dieser dritten Ausführungsform kann deren Konstruktion auf einfache Weise ausgebildet werden, da eine Widerstandsröhre 52 als Alternative zu dem Gegendruckregler 20, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet wird.
Da darüber hinaus eine Säule 54 in einer Leitung zwischen dem Anschluß B des Dreiwege-Ventils 18 und dem Einlaß der Umlaufpumpe 10 zwischengesetzt ist, kann ein Vorteil darin erhalten werden, daß eine notwendige Komponente für eine Zeit lang in der Säule 54 zurückgehalten werden kann, ohne daß diese abgelassen wird, wobei unnötige Komponenten, die auf die notwendige Komponente folgen, abgelassen werden können. D.h., daß eine notwendige Komponente in der Säule 54, ohne diese Komponente abzulassen, zurückgehalten werden kann, da das Fluid während dieses Ablassens nicht durch die Säule 54 hindurchtritt.
Diese Säule 54 kann natürlich auch gemäß der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion aufgebaut sein.

(5) Vierte Ausführungsform

Fig. 6 zeigt einen Umlaufabschnitt entsprechend einer vierten Ausführungsform.
In dieser vierten Ausführungsform wird ein Rückschlagventil 56 als Alternative zu dem in Fig. 1 gezeigten Dreiwege-Ventil 18 verwendet, so daß die bewegliche Phase daran gehindert wird, von der Vorheizschlange 32 zum Gegendruckregler 20 zu gelangen, während unnötige Komponenten entfernt oder eine notwendige Komponente fraktioniert wird. Darüber hinaus ist der Gegendruckregler 20 mit einer Leitung zwischen dem Auslaß des Detektors 16 und dem Einlaß des Rückschlagventils 56 verbunden. Dieses Druckregelventil 20 ist während des Umlaufs vollständig geschlossen. Dieses Rückschlagventil 56 muß nicht notwendigerweise vorgesehen sein.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können die Separationsbedingungen entsprechend den Anforderungen geändert werden, indem der Druck und die Temperatur des überkritischen Fluids entsprechend dem Ausgangssignal des Detektors 16 oder der vergangenen Zeit geändert werden.

Claims

1. Ein Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase bestehend aus

einer Umlaufpumpe (10) zum Übertragen einer beweglichen Phase bei vorgegebener Durchflußrate;

einem Probeninjektor (12), dessen Einlaß mit dem Auslaß der benannten Umlaufpumpe durch eine Leitung verbunden ist;

einer Säule (14), deren Einlaß mit dem Auslaß des benannten Probeninjektors durch eine Leitung verbunden ist, wobei die benannte Säule mit einer stationären Phase gefüllt ist;

einem Detektor (16), dessen Einlaß mit dem Auslaß der benannten Säule durch eine Leitung verbunden ist, wobei der Auslaß des benannten Detektors mit dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe verbunden ist und der benannte Detektor die Komponenten der Probe nachweist;

einem Gegendruckregler (20), dessen Einlaß mit einer Leitung zwischen dem Auslaß des benannten Detektors und dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe durch eine Leitung verbunden ist, wobei der Auslaß des benannten Gegendruckreglers mit der Atmosphäre verbunden ist;

einer Versorgungsvorrichtung (30, 38, 30A, 38A, 48) für die bewegliche Phase, die mit der Einlaßleitung der benannten Umlaufpumpe durch eine Leitung verbunden ist, wobei die Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase die benannte Umlaufpumpe mit der beweglichen Phase unter vorgegebenem Druck versorgt;

einer Vorwärmschlange (32), deren Auslaß mit dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe (10) verbunden ist; und

einer Heizvorrichtung (44), um die bewegliche Phase als ein überkritisches Fluid zu erhalten, das eine kritische Temperatur innerhalb der benannten Umlaufpumpe (10), des Probeninjektors (12), der Säule (14) und der Vorwärmschlange überschreitet.

2. Ein Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 1 bestehend aus

einer Leitungsschalteinrichtung (18) in der benannten Leitung zwischen dem Auslaß des benannten Detektors (16) und dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe (10), wobei der Einlaß der benannten Leitungsschalteinrichtung (18) mit dem Auslaß des benannten Detektors durch eine Leitung verbunden ist, und wobei einer der beiden Auslässe der benannten Leitungsschalteinrichtung mit der benannten Umlaufpumpe durch die benannte Leitung verbunden ist, und die beiden benannten Auslässe wahlweise mit deren benannten Einlaß verbunden sind,

wobei der Einlaß des benannten Gegendruckreglers (20) mit einem anderen Auslaß derbenannten Leitungsschalteinrichtung durch eine Leitung verbunden ist, deren Auslaß mit der Atmosphäre verbunden ist; und

wobei die Versorgungsvorrichtung (30, 38, 30A, 38A, 48) für die bewegliche Phase mit einer Leitung zwischen einem der zwei benannten Ausläße der Leitungsschalteinrichtung und dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe durch eine Leitung verbunden ist.

3. Ein Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 2, wobei die Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase besteht aus:

einer ersten Pumpe (30A) zur Übertragung eines verflüssigten Gases bei vorgegebener Durchflußrate; und

einem zweiten Gegendruckregler (48), der mit der Auslaßleitung der benannten ersten Pumpe durch eine Leitung verbunden ist, wobei der benannte zweite Gegendruckregler den Gegendruck auf einem vorgegebenen Niveau hält.

4. Ein Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 3, innerhalb dessen die Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase des weiteren besteht aus:

einer zweiten Pumpe (38A), deren Auslaß mit einer Leitung zwischen einer Schnittstelle der Auslaßleitung der benannten ersten Pumpe und der Einlaßleitung des benannten zweiten Gegendruckreglers und dem Auslaß der benannten ersten Pumpe durch eine Leitung verbunden ist, wobei die benannte zweite Pumpe ein Modifizierlösungsmittel bei vorgegebener Flußrate transportiert.

5. Ein Umlaufchromatorgraph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 3, wobei die Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase des weiteren besteht aus:

einer zweiten Pumpe (38A), deren Auslaß mit der Einlaßleitung der benannten ersten Pumpe verbunden ist, wobei die benannte zweite Pumpe ein Modifizierlösungsmittel bei vorgegebener Flußrate transportiert.

6. Ein Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 4 oder 5, innerhalb dessen die Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase des weiteren besteht aus:

einer Leitungsschalteinrichtung (50), deren Einlaß mit dem Auslaß des benannten zweiten Gegendruckreglers durch eine Leitung verbunden ist, wobei einer der zwei Auslässe der benannten Leitungsschalteinrichtung mit dem Einlaß der benannten ersten Pumpe verbunden ist, und wobei die zwei benannten Auslässe wahlweise mit deren Einlaß verbunden sind, und ein anderer Auslaß mit der Atmosphäre verbunden ist.

7. Ein Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 2, wobei die benannte Leitungsschalteinrichtung aus einem Dreiwegeventil (50) besteht.

8. Ein Umlaufchromatorgraph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 2 bestehend aus einem Rohrleitungswiderstand (52) als Gegendruckregler, dessen Einlaß mit einem anderen Auslaß der benannten Leitungsschalteinrichtung (18) durch eine Leitung verbunden ist, wobei der Auslaß des benannten Rohrleitungswiderstandes mit der Atmosphäre verbunden ist.

9. Ein Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 2 oder 8, wobei eine zweite Säule (54) in die Leitung zwischen einem der Auslässe der benannten Leitungsschalteinrichtung und dem Einlaß der benannten Umlaufpumpe zwischengeschaltet ist.

10. Ein Umlaufchromatograph mit überkritischem Fluid als beweglicher Phase gemäß Anspruch 1, wobei ein Rückschlagventil (56) in die Leitung zwischen einer Schnittstelle der Leitungen der benannten Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase und der benannten Umlaufpumpe und einer Schnittstelle der Leitungen des benannten Detektors und benannten Gegendruckreglers zwischengeschaltet ist, wobei benanntes Rückschlagventil (56) die bewegliche Phase davon abhält, von der benannten Versorgungsvorrichtung für die bewegliche Phase zum benannten Gegendruckregler zu gelangen.