DE69017190T2 - Entkoppelte Strömungs- und Drucksollwerte in einer Extraktionsvorrichtung unter Verwendung von kompressiblen Medien. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Extrahieren von Stoffen aus einer Substanz und insbesondere auf überkritische Flüssigkeitsextraktion.
Hintergrund der Erfindung
• Überkritische Flüssigkeiten können als Lösungsmittel in Extraktionsgeräten, Chromatographen und weiteren verwandten Geräten eingesetzt werden. Die kritische Temperatur ist diejenige Temperatur, oberhalb der der Unterschied zwischen Gasen und Flüssigkeiten verschwindet; es ist nur noch eine fluide Phase für alle Drücke vorhanden. Wie hoch die eingesetzten Drücke auch sind, eine flüssige Phase kann nicht kondensiert werden. Das überkritische Gebiet ist durch alle Temperaturen und Drücke oberhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Drucks definiert. Überkritische Fluide sind eine nützliche Mischung aus Gasen und Flüssigkeiten, wie man sie üblicherweise wahrnimmt, wobei sie gasähnliche Viskositäten, flüssigkeitsähnliche Dichten sowie Diffusivitäten aufweisen, die größer sind als die von flüssigen Lösungsmitteln. Die flüssigkeitsähnliche Dichte eines überkritischen Fluids verleiht diesem ein variables, flüssigkeitsähnliches Lösungsverinögen aufgrund einer im wesentlichen linearen Abhängigkeit von der Dichte. Dies ermöglicht, das Lösungsvermögen, das üblicherweise als chemische Interaktion betrachtet wird, einfach durch Einstellen eines physikalischen Parameters, nämlich Dichte oder Druck, einzustellen ("vorzuwählen"). Das veränderliche Lösungsvermögen ist am stärksten ausgeprägt bei Dichten, die Drücken von etwa dem 0,6 fachen des kritischen Drucks entsprechen, bis zu Drücken, bei denen die Lösungsmitteldichten nahezu flüssigkeitsähnlich werden.
• Ein weiterer wichtiger Aspekt überkritischer Fluide besteht darin, daß die Transporteigenschaften von überkritischen Fluiden, nämlich Viskosität und Diffusivität, im Vergleich zu typischen flüssigen Lösungsmitteln einen verbesserten Massetransport innerhalb komplexer Trägerstoffe, wie etwa Kohle, pflanzlichem oder tierischem Gewebe oder Bettpackungen ermöglichen. Mit anderen Worten dringen überkritische Fluide besser ein und lösen nahezu ebensogut wie typische Flüssigkeiten. Daher sind überkritische Fluide effizienter für die Verwendung zur Extraktion komplexer Gefüge bzw. Trägerstoffe.
• Obwohl das Lösungsvermögen eines überkritischen Fluids veränderlich ist, hat jedes überkritische Fluid ein maximales Lösungsvermögen, welches dem eines Stoffs wie einer Flüssigkeit nahekommt. Obwohl das Lösungsvermögen einer Flüssigkeit ebenfalls variabel ist und ebenfalls im wesentlichen eine lineare Funktion der Dichte darstellt, sind wesentlich größere Erhöhungen des Drucks notwendig, um signifikante Anstiege des Lösungsvermögens der Flüssigkeit hervorzurufen. Bei einem typischen, im Labor verwendeten flüssigen Lösungsmittel wie etwa Methanol kann der Druck bis zum Atmosphärendruck abgesenkt werden, wobei eine Lösung von Lösungsmittel und gelöstem Stoff stabil ist. Wärme muß zugeführt werden, um das Lösungsmittel zwecks Konzentration der Lösung oder zum Trocknen des gelösten Stoffs auszutreiben. Wenn eine Flüssigkeit mit einem sehr hohen Dampfdruck bei Umgebungstemperatur verwendet wird, wie etwa flüssiges Kohlendioxid oder Ammniak, wird das Lösungsmittel bei der Dekompression der Lösung rasch verdampft, wobei ein trockener, konzentrierter, geläster Stoff zurückbleibt. Es besteht allerdings eine Diskontinuität der Dichte entlang einer Isothermen, die Verbindungslinien zwischen gleichzeitig bestehenden flüssigen und gasförmigen Phasen entspricht. Aufgrund der Diskontinuität nimmt die Dichte und das Lösungsvermögen im wesentlichen einen hohen oder niedrigen Wert an, entsprechend "gut" oder "schlecht", wobei der größte Teil der Anpassungsfähigkeit der Steuerung des Lösungsvermögens verloren geht.
• Hinsichtlich der Massentransporteigenschaften stellt die Diffusivität einen wichtigen Parameter dar. Diffusivitäten von Flüssigkeiten liegen in einem weiten Bereich, wobei einige von ihnen (z.B. Kohlendioxid und Ammoniak) nahezu gleich groß sind wie die des überkritischen Fluids, wenn sich die Flüssigkeit in der Nähe des kritischen Zustands befindet. In solchen Fällen würde sowohl die Flüssigkeit als auch das überkritische Fluid für eine wirksame Extraktion ausreichen. Für die üblicherweise eingesetzten Flüssigkeiten sind die Diffusivitäten allerdings um einen Faktor von 10 bis 100 geringer als die von überkritischen Fluiden, weshalb diese Flüssigkeiten in Bezug auf die Extraktionszeit weniger wirkungsvoll sind.
• Überkritische Lösungsmittel sind daher dahingehend besser, daß sie (1) einen großen kontinuierlichen Bereich des Lösungsvermögens ermöglichen, so daß sie eine selektive Lösung von zu lösenden Stoffen über diesen Bereich hinweg bereitstellen, daß sie (2) ein Mittel zur schnellen und vollständigen Trennung von Lösungsmittel und gelösten Stoff bei minimaler Wärmezufuhr ermöglichen, und daß sie (3) die Extraktionszeit komplexer Gefüge um einen Faktor von 10 bis 100 verkürzen können.
• Kohlendioxid ist das hauptsächliche Extraktionsfluid, das bei mit überkritischen Flüssigkeiten arbeitenden Extraktionssystemen verwendet wird, da es preisgünstig, harmlos und bei hohen Reinheitsgraden leicht verfügbar ist und eine kritische Temperatur von etwa 31ºC hat, so daß es für thermisch labile Komponenten sehr geeignet ist. Darüber hinaus besteht mit zahlreichen üblichen flüssigen Lösungsmitteln eine wechselseitige Löslichkeit. Es ist herausgefunden worden, daß Kohlendioxid ein Lösungsvermögen besitzt, das ähnlich dem von Hexan ist. Es existieren zahlreiche Anwendungen, die ein großes Lösungsvermögen, die vorteilhaften Eigenschaften von überkritischen Fluiden sowie milde Arbeitstemperaturen für thermisch labile Komponenten erfordern. Mischungen von Kohlendioxid mit modifizierenden Stoffen können diese Erfordernisse erfüllen. Wie Fachleuten bekannt ist, können überkritische Fluide als Lösungsmittel bei Extraktionsvorgängen und bei der Chromatographie verwendet werden; bei solchen Anwendungen ist Kohlendioxid das bevorzugte Lösungsmittel. Andere Fluide, deren kritische Punkte in der Nähe der Umgebungstemperatur liegen (25ºC), wie etwa Ethan, Stickstoffoxydul, Ethylen oder Schwefelhexafluorid, könnten ebenso als Basislösungsmittel verwendet werden. Die Möglichkeiten, die in der Verwendung dieser alternativen Lösungsmittel stecken, werden bevorzugt aufgrund der diesen Lösungsmitteln innewohnenden Gefährlichkeit nicht ausgenutzt.
• Ein anderer Weg, die Lösungsfähigkeit für gelöste Stoffe in Systemen mit überkritischen Fluiden zu verbessern, besteht in der Temperaturregelung. Es ist nachgewiesen, daß für manche gelöste Stoffe eine bestimmte Minimaltemperatur erforderlich ist, um eine nennenswerte Löslichkeit des gelösten Stoffs in einem überkritischen Fluid zu erreichen, sogar bei größten Dichten, so daß die Temperatur über die einfache P-T-Beziehung über die Dichte hinaus ein Parameter für das Lösungsvermögen darstellt.
• Das Problem, das beim Aufbau von Extraktionssystemen, die kompressible Fluide bei Drücken oberhalb des Atmosphärendrucks (Umgebungsdrucks) verwenden, auftritt, besteht darin, daß der Druck des Fluidsystems mit dem Massenstrom des strömenden Fluids gekoppelt ist. Dies ist ein Ergebnis der Verwendung von Strömungsbegrenzern, die eine konstante Geometrie aufweisen, um einen Druckabfall von höheren Drücken zu niedrigeren Drükken zu erzielen, welche normalerweise Umgebungs- oder Unterdruckbedingungen sind, aber nicht darauf beschränkt sind, so daß der einzig gangbare Weg, höhere Drücke stromauf des Strömungsbegrenzers zu erzielen, darin besteht, den Massenstrom zu vergrößern. Beim Betreiben dieser Extraktionssysteme ist es allerdings höchst wünschenswert, bei allen Drücken stets den gleichen Massenstrom zu haben, d.h., die Zeit, die nötig ist, um eine gewählte Fluidmenge durchströmen zu lassen, kann bei den geringeren Massenstromwerten zur Erzielung geringerer Drücke wesentlich länger sein als bei hohen Drücken, beispielsweise Stunden gegenüber Minuten. In einem System, das so eingestellt werden kann, daß es nacheinander bei mehreren Drücken arbeitet (beispielsweise 77,4 bar (1100 psi), 91,4 bar (1300 psi), 105,5 bar (1500 psi), 211 bar (3000 psi), 422 bar (6000 psi)), und bei Massenströmen, die bei jeder Einstellung des Drucks für die gleiche integrierte Masse an entspanntem Trägerfluid sorgen, kann daher die Zeit zur Beendigung des Verfahrens so lang sein, daß das Verfahren ineffizient wird. Dies ist insbesondere beim Betrieb von Extraktionssystemen mit überkritischen Fluiden als auch bei der Extraktion mit nahkritischen Fluiden der Fall, die hinsichtlich der Zeit wesentlich effizienter sein können als Extraktionen unter Verwendung herkömmlicher Fluide, was an den Transporteigenschaften (beispielsweise Viskosität oder Diffusivität) von kritischen und nahkritischen Fluiden liegt. Diese Leistungsfähigkeit geht allerdings verloren, wenn die Parameter Druck und Durchfluß, aufgrund der baulichen Verwirklichung nicht entkoppelt werden können, z.B. aufgrund von Strömungsbegrenzern mit konstanter Geometrie.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gerät zur Extraktion von Komponenten aus einer Probe bereitzustellen, bei dem die Druck- und Strömungsparameter entkoppelt werden können, so daß sie unabhängig eingestellt und gesteuert werden können. Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.
• Aus der JP-A-62-148855 ist ein Chromatographiegerät bekannt, welches die Merkmale (a) bis (g) des Anspruchs 1 enthält. Aus der EP-A-0 275 933 ist ein Gerät zur Ausführung der Extraktion und chromatographischen Extraktion bekannt, welches die Merkmale (e) und (h) bis (m) des Anspruchs 1 nicht enthält.
• In der Vergangenheit haben die Betreiber von Geräten für die überkritische Fluidchromatographie (SFC) und die überkritische Fluidextraktion (SFE) die Parameter Druck und Temperatur so ausgewählt, daß der gewünschte Dichteparameter indirekt eingestellt wurde. Die Dichte ist üblicherweise ein aussagekräftigerer Parameter als der Druck in überkritischen (und nahkritischen) Systemen aufgrund ihrer einfachen linearen Beziehung zum Lösungsvermögen des Fluids. Häufig waren bei bekannten Bauformen von überkritischen Fluidsystemen ausschließlich Eingaben von Temperatur und Druck möglich; die Berechnung der sich ergebenden Dichte oder sogar das Verständnis der Beziehung zwischen Druck, Dichte und Temperatur wurde dem Anwender überlassen oder auch gelegentlich durch abgekürzte Nachschlagetabellen erleichtert. In solchen Fällen beruhte daher die Steuerung des Lösungsvermögens auf dem technischen Sachverstand und der Ausdauer des Betreibers hinsichtlich der richtigen Anwendung der Zustandsgleichungen.
• Die Extraktion von Feststoffen wurde bislang typischerweise von Hand in herkömmlichen labortechnischen Glasgeräten ausgeführt. Laborgeräte, die das Aufweichen der Probe in einem siedenden, flüssigen Lösungsmittel zusammen mit der daraufhin erfolgenden Konzentration der sich ergebenden Lösung automatisieren, werden im Handel als "Soxtec" von Tecator vertrieben.
• Dieses Gerät erlaubt keine Fraktionierung als Teil des Verfahrens; die Abgabe erfolgt nicht in Gefäßen, die mit einer automatischen Probeverarbeitung kompatibel sind, und die Proben sieden bei Temperaturen, die durch die Siedepunkte der Extraktionslösungsmittel festgelegt werden, was für thermisch labile Komponenten zerstörerisch sein kann. In neuerer Zeit haben mehrere Hersteller Geräte angeboten, die auf der Verwendung von überkritischen Fluiden basieren: Milton Roy, Suprex, CCS, Lee Scientific/Dionex und Jasco. Die Bauarten dieser Hersteller sind nicht besonders hochentwickelt oder automatisiert; sie erfordern einen unterschiedlichen Grad an manuellem Eingreifen. Bei diesen Bauarten wird die Leistungsfähigkeit, die in der Verwendung von überkritischen Fluiden für quantitative Extraktion steckt, nicht realisiert.
• Daher besteht ein seit langem vorhandenes Bedürfnis, ein Gerät zu erstellen, das dazu verwendet werden kann, unter Anwendung der überkritischen Fluidtechnologie verschiedene Stoffe aus festen Proben zu isolieren.
• Es können entweder die isolierten Stoffe (das Extrakt) oder das verbleibende Material (das Raffinat) von Interesse sein.
• Der Isolierungsvorgang wird als Extraktion bezeichnet. Es bestand ebenfalls das Bedürfnis, die Extraktion von Feststoffen zu automatisieren, da die Verfahren typischerweise arbeitszeitintensiv sind. Bei der Arbeit des Bereitstellens von Proben für analytische Instrumente wäre es in hohem Maße wünschenswert, die Probenherstellung von Rohproben zu automatisieren, um eine Form zu erhalten, die kompatibel zur Einführung in typische Analyseinstrumente ist, wie sie weltweit in analytischen Laboratorien verwendet werden. Die Extraktion von Feststoffen geht häufig mit anderen Arbeitsvorgängen, wie etwa der Fraktionierung (z.B. durch Säulenchromatographie), der Konzentration, des Lösungsmittelaustauschs und der Verdünnung zur ursprünglichen Konzentration einher. Ein Verfahren, das aus diesen drei generischen Arbeitsvorgängen besteht, kann tatsächlich aus zahlreichen (im Bereich von mehreren bis zu hunderten) von Hand ausgeführten Schritten bestehen. Es wäre daher wünschenswert, ein Gerät herzustellen, das die fünf erwähnten generischen Arbeitsschritte ersetzt, so daß der einzige erforderliche Schritt darin bestünde, eine Probe für das Extraktionsgerät bereitzustellen und Fraktionen von isolierten Stoff in Gefäßen zu erhalten, die mit der automatischen Probeverarbeitung analytischer Instrumente kompatibel sind.
• Verbesserungen bei der Isolierung ausgewählter Stoffe aus festen Proben sowie die Automatisierung der generischen Arbeitsvorgänge von Verfahren wie etwa Extraktion, Fraktionierung, Konzentration, Lösungsmittelaustausch und Verdünnung zur ursprünglichen Konzentration stellen wünschenswerte Ziele dar. Es wäre sinnvoll und würde einen beträchtlichen Vorteil darstellen, eine Technik einzusetzen, die sich von den herkömmlichen labortechnischen Handhabungsvorgängen, die dem Fachmann vertraut sind, unterscheidet, wenn eine solche unterschiedliche Technik eine größere Leistungsfähigkeit auf einem der folgenden Gebiete zeigte: Mengenbestimmung, Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit, Geschwindigkeit, Automatisierung, Automatisierbarkeit, Verminderung der gesundheitlichen Gefahren, sowie Kostenverminderung (Stoffe und Labor).
• Im Idealfall wäre ein Extraktionsgerät ein selbständiges Modul, d.h. eine Gerätekomponente innerhalb eines integrierten Systems. In solchen Systemen ist es ebenfalls in hohem Maße wünschenswert, eine Zugänglichkeit für Roboter zu schaffen, um Proben zuführen zu können und die Fraktion in einer automatisierten Weise wiederaufzufinden. Ein wichtiger Aspekt eines jeden Extraktionssystems liegt daher darin, daß es auf einen höheren Standard aufgerüstet werden kann, um die Probenzufuhr zu automatisieren (d.h. ein automatisches Probenahmegerät für feste Proben hinzuzufügen) und die Fraktionsausgabe zu automatisieren (d.h. die Ansammlung der Fraktion bei weiterer chemischer Bearbeitung und Sammeln (Queueing in großem Maßstab); ein externes Pumpenmodul zum Mischen einer Zusammensetzung des Extraktionsfluids könnte ebenfalls ein zukünftiger Beitrag sein.
• Eine weitere Verbesserung bei der Anwendbarkeit von Extraktionssystemen wäre die Verwendung von Standardeingabe- und Ausgabebehältern für die Probe, die eingegeben wird, und für die fraktionierten Lösungen, die abgegeben werden. Das Gerät wäre dementsprechend mit einer Extraktionskammer mit vielfach unterschiedlichen Abmessungen zu versehen, die die feste Proben aufnimmt.
• Ein verbessertes Extraktionsgerät würde auch ein automatisiertes "Verfahren" beinhalten, wobei ein Verfahren als diejenige Folge von Handhabungsschritten festgelegt wäre, die zu einer jeweiligen Probe gehört. Beispiel hierfür, die allerdings nicht beschränkend sind, beinhalten Ventilbetätigungen, Veränderungen der Einstellpunkte thermischer Zonen, Auswahl von Lösungsfluiden für die Extraktion, Auswahl von Lösungsmitteln für die Verdünnung zur ursprünglichen Konzentration, Auswahl von Strömungswegen, Bestimmungszweck der Fraktionsausgabe, Veränderungen der Einstellpunkte von Dichte und Druck, Veränderungen des Einstellpunkts der Strömungsmenge. Ein solches automatisiertes Extraktionsgerät würde auch automatisch auswählbare Bestimmungszwecke der Ausgabe sowohl innerhalb eines Verfahrens als auch von Verfahren zu Verfahren bereitstellen; eine automatisch auswählbare Zusammensetzung des eingegebenen Extraktionsfluids innerhalb eines Verfahrens und von Verfahren zu Verfahren; ein automatisch auswählbares Spüllösungsmittel für die Emulationsvorgänge bei Lösungsmittelaustausch und - verdünnung zur ursprünglichen Konzentration sowohl innerhalb eines Verfahrens als auch von Verfahren zu Verfahren.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Gerät zur Bereitstellung von Proben, welches Bestandteile von Proben aus komplexen Gefügen extrahiert, wobei überkritisches Kohlendioxid als hauptsächliches Extraktionslösungsmittel verwendet wird, und stellt das sich ergebende Extrakt in einem vom Benutzer ausgewählten Probenansammelgefäß dar (Fläschchen von automatischen Probenahmegeräten, Gefäß für größere Mengen, Küvette usw.), wobei die Fläschchen von automatischen Probenahmegeräten mit automatischen Injektionssystemen unserer analytischen Instrumente (CC, LC, SFC) unmittelbar kompatibel sind. Die vorliegende Erfindung ersetzt herkömmliche präparative Verfahren wie etwa Lösungsmittelextraktion, Soxhlet-Extraktion, flüssig/flüssig- Extraktion, Konzentration und Verdampfung. Da das Lösungsvermögen durch die Parameterdichte, Konzentration des Modifizierungsmittels und Temperatur schrittweise eingestellt werden kann, kann das Extraktionsgerät mit überkritischem Fluid in einigen Anwendungsfällen die Probenfraktionierung bei der Säulenchromatographie nachempfinden.
• Demgemäß werden Verfahren zum Extrahieren einer Komponente aus einer Probe offenbart, wobei ein Gerät mit einem Fluidströmungssystem verwendet wird, welches eine Regeleinrichtung enthält, wobei wenigstens ein Eleiiient eine veränderliche und regelbare Strömungsbegrenzung und einen Probebehälterabschnitt aufweist. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung umfassen die Schritte, die Probe in den Probebehälterabschnitt einzubringen, Vorgabewerte für Temperatur, Druck, Mengenstrom und Extraktionszeit in eine Regeleinrichtung einzugeben, und unter Druck stehendes Fluid bereitzustellen. Dadurch, daß das Fluid zu einer Pumpe geleitet wird, die das Fluid mit dem Vorgabewert für den Eingangsmengenstrom in das Strömungssystem des Geräts injiziert, wird der Extraktionsvorgang eingeleitet. Der Systemdruck wird erfaßt, sobald das Fluid in das System gepumpt wird, und die veränderliche Strömungsbegrenzung wird so geregelt, daß der vorgegebene Druck erreicht und eingehalten wird. Die Extraktion wird durchgeführt, indem das Fluid mit dem vorgegebenen Mengenstrom durch die Probe geleitet wird und eine Fluidmischung, die den Probebehälterabschnitt verläßt, zu einem Expansions-Düsenabschnitt geleitet wird. Die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten vorzugsweise das Aufrechterhalten der geregelten Vorgabewerte für Mengenstrom, Druck und Temperaturen, bis die eingegebene Extraktionszeit abgelaufen ist. Bei bestimmten Ausführungsformen wird der Schritt des Eingebens der Vorgabewerte wiederholt, um ein Verfahren zur Extraktion bereitzustellen, bei dem diese Parameter in der vorgeschriebenen Reihenfolge verändert werden. Die Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beinhalten ein Öffnen und Schließen der Öffnung zum Zwecke der Regelung der veränderlichen Strömungsbegrenzung, oder ein Schließen der Öffnung bis zum Erreichen des Vorgabedrucks und Regeln der Begrenzung der Öffnung, um den Vorgabedruck aufrechtzuerhalten.
• Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Gerät zur Extraktion von Komponenten aus einer Probe. Vorzugsweise ist eine Pumpe zum Verflüssigen eines Gases vorhanden, die aus einem Pumpenantrieb und einer Drehzahlregelung für den Pumpenantrieb besteht, sowie eine Einrichtung zum Einregeln des Abgabedrucks der Pumpe auf einen vorgegebenen Druck. Unter Druck stehendes Fluid gelangt zu einem Extraktionsbereich zum Zurückhalten einer Probe durch ein Strömungssystem. Das Gerät weist auch eine Düse mit einer veränderlichen Öffnung auf sowie einen Druck-Meßwertwandler zum Bereitstellen eines Drucksignals, welches an die Rückkopplungsschleife eines Reglers des Druck- Meßwertwandlers gelangt, der seinerseits ein Signal an die Drehzahlregelung des Pumpenantriebs abgibt. Der Druckabfall über die Düse ermöglicht die Gewinnung von gelösten Stoffen, die aus dem expandierenden Fluid ausgefällt werden, während die Parameter Mengenstrom und Druck entkoppelt sind. Bei einer anderen Ausführungsform steuert die Rückkopplungsschleife des Reglers die Drehzahl der Pumpe, so daß der Druck des Fluids bei einem vorbestimmten Wert gehalten wird, und die eine veränderliche Öffnung aufweisende Düse wird so eingestellt, daß eine Begrenzung erzeugt wird, die den Massenstrom des unter Druck stehenden Fluids auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Bei noch einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Pumpe eine Dosierungspumpe, um einen geregelten Wert des Massenstroms bereitzustellen, und die eine veränderliche Öffnung aufweisende Düse wird so eingestellt, daß eine Begrenzung erzeugt wird, so daß der Druck des unter Druck stehenden Fluids auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
• Somit wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Geräts zur Extraktion von Komponenten aus einer Probe, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, offenbart. Das beschriebene System beinhaltet eine oder mehrere Quellen eines Lösungsfluids und eine oder mehrere Eingangsöffnungen für das Extraktions-Lösungsfluid, die an eine Hochdruckpumpe angeschlossen sind. Ein Meßwertwandler für den Druck mißt den Druck des Fluids, das von der Hochdruckpumpe geliefert wird. Vorzugsweise ist ein Extraktionskammer-Strömungssystem vorhanden, welches eine Extraktionskammer beinhaltet, um die Probe in der Fluidströmung zurückzuhalten, sowie ein Eingabemodul für die Probe, um die Probe in der Extraktionskammer zu halten. Ein Strömungs-Bypass-System ist ebenfalls vorgesehen, welches die Fluidströmung um den Extraktionskammer-Abschnitt herumlenkt. Diese Strömungssysteme sind durch eine Vorrichtung zur Vereinigung des Strömungs-Bypass-Systems mit dem Extraktionskammer- Strömungssystem verbunden. Um die extrahierte Komponente zu isolieren, verwendet die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Ansammeln der Probe, um das Extraktions-Lösungsfluid von Komponenten der Probe zu trennen, welche mindestens eine Düsen- und Abscheider-Baugruppe umfaßt. Vorzugsweise ist auch ein Strömungs-Meßwertwandler vorhanden, sowie auch wenigstens ein Probenansammelgefäß. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform des Geräts nach der vorliegenden Erfindung strömt unter Druck stehendes Fluid unter unabhängig vorbestimmten und geregelten Bedingungen für Strömung und Druck durch die Probe, und das unter Druck stehende Fluid löst eine oder mehrere ausgewählte Komponenten aus der Probe, wobei die Komponenten im Probenansammelgefäß gesammelt werden. Zahlreiche Veränderungen und Zusätze zu dem beschriebenen, grundlegenden Gerät werden nachfolgend im einzelnen beschrieben.
• Schließlich offenbart die vorliegende Erfindung auch Verfahren zum Betreiben eines Extraktionssystems mit überkritischem Fluid, welches ein Druck- sowie ein thermisches Regelsystem enthält, die von einem Anwender auf vorbestimmte Werte programmierbar sind und das System so regeln, daß diese Werte eingehalten werden. Als erstes gibt der Anwender die Sollwertdichte des Betriebsfluids und die Temperaturen der Zonen ein, und das System rundet die Sollwertdichte auf einen Wert, der als ein Sollwert in dem gegebenen Bereich der Zustandsgleichung des Fluids unterscheidbar ist. Als nächstes berechnet das System die Betriebsdrücke, die der Sollwertdichte entsprechen, wobei bekannte Beziehungen zwischen diesen Variablen verwendet werden. Der Anwender wird informiert, wenn die Werte von Dichte und Temperatur zu Drücken führen, die außerhalb des Betriebsbereichs des Geräts liegen, wobei dann der Betriebsdruck und andere Werte angezeigt werden. Schließlich überträgt das System Werte an die Druck- und Temperatursteuersysteme, die die Sollwertdichte während des Extraktionsvorgangs innerhalb der Auslegungsvorschriften aufrechterhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine vereinfachte, schematische Darstellung eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Extraktionssystems.
• Fig. 2 zeigt eine andere, vereinfachte, schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Extraktionsgeräts.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen
• Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Sollwerte für Strömung und Druck entkoppelt werden. Ein Benutzer startet ein Verfahren zur Extraktion mit überkritischem Fluid gemäß der vorliegenden Erfindung durch Einsetzen der Probe in das Strömungssystem und durch Eingeben von Sollwerten für die Temperaturregelung sowie eines Sollwerts für die Druckregelung oder für die Dichte. Wenn letzteres gewählt wird, muß der Regeldruck berechnet werden, wobei die Eingabe für den Dichte-Sollwert verwendet wird. Die Bedienungsperson gibt dann einen Regelungswert für den Mengenstrom, einen Wert für die Länge der Extraktionszeit - der bestimmt, wie lange das Extraktionsfluid durch die Probe strömt - sowie Zeitparameter des Systems ein. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wiederholt dann die Auswahl der Sollwertparameter für alle Schritte, um einen vollständigen Extraktionszyklus zu erzeugen, der diese Parameter in der vom Anwender vorgegebenen Reihenfolge verändert. Nach Eingabe eines Startbefehls führt das Gerät dann die folgenden Schritte aus: (1) Abziehen des Fluids entweder als gasförmige oder als flüssige Schicht aus Standardgasflaschen, deren Inhalt sich bei Drücken oberhalb des Umgebungsdrucks bzw. Atmosphärendrucks befindet; (2) Leiten des abgezogenen Fluids zu einer Pumpe, die elektronisch geregelt ist, um das Fluid mit dem ausgewählten Mengenstrom an den übrigen Teil des Extraktionssystems abzugeben; (3) Erfassen des Systemdrucks, wenn das Fluid in das System eingeführt wird; (4) Regeln der Düsenöffnung, die zu schließen ist, bis der Drucksollwert durch Einleiten von Fluid in ein geschlossenes System erreicht ist; (5) Starten der Zeitmessung, um die Zeit mit dem Sollwert der Extraktionszeit zu vergleichen; (6) Regeln der Düsenöffnung auf einen geeigneten Begrenzungsgrad, wodurch der Drucksollwert aufrechterhalten wird, sobald er erreicht ist, während die Einleitung von Fluid in das System mit dem Mengenstrom-Sollwert anhält. Das Fluid wird dann durch den ausgewählten Strömungsweg durch den Probenaufnahmeabschnitt geleitet. Das System leitet dann die Fluidmischung, die den Probenaufbewahrungsabschnitt verläßt, zum Expansions- Düsenabschnitt und hält weiterhin alle geregelten Sollwerte von Mengenstrom, Druck und Temperaturen aufrecht, bis die eingegebene Extraktionszeit verstrichen ist.
• Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 1, ist eine Ausführungsform des Extraktionssystems nach der vorliegenden Erfindung, welches überkritische und nahkritische Fluide verwendet, dargestellt. Das System setzt zunächst Kohlendioxid oder andere Fluide oder Fluidmischungen aus Gasflaschen 100 unter Verwendung einer Pumpe 102 unter Druck, die einen Regler 104 aufweist, der auf den Drucksollwert einregelt. Das Strömungssystem leitet das unter Druck stehende Fluid zu einem Extraktionsabschnitt 106, der eine Probe enthält, welche ihrerseits die zu isolierenden Komponenten enthält. Das System leitet dann die Fluidlösung zu einer Düse 108, wo sie auf niedrigere (d.h. atmosphärische) Drücke entspannt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Düse 108 eine veränderliche Öffnung, die so eingestellt ist, daß eine Begrenzung erzeugt wird, die den Massenstrom der Strömung begrenzt. Die Einhaltung des Drucksollwerts wird dadurch erzielt, daß die Drehzahl der Pumpe 102 mittels des Reglers 104 geregelt wird; die beiden entkoppelten Parameter werden unabhängig eingestellt. Der Regler 104 bildet ein Teil einer Rückkopplungsschleife von einem Druck-Meßwertwandler 112, der ein Signal zur Drehzahlregelung 104 des Pumpenantriebs abgibt, um einen stabilen Betrieb bei dem ausgewählten Drucksollwert zu erzielen. Ein Strömungs-Meßwertwandler 118 ist als Teil eines Regelkreises 116 vorhanden, der die physikalische Begrenzung der veränderlichen Öffnung der Düse regelt, um auf den Sollwert des Mengenstroms einzuregeln.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, wird Fluid von einer Dosierungspumpe 102 mit einen vorgegebenen Mengenstrom gefördert, um den übrigen Teil des Strömungssystems mit einem kontrollierten Wert des Massenstroms zu versorgen. Wiederum strömt das Fluid in einem Extraktionsabschnitt 106, der in den Strömungsweg eingebettet ist, durch die Probe, löst Stoffe aus der Probe heraus und unterliegt an der Düse 108 einem Druckabfall. Die Düse 108 arbeitet sowohl als die Zone, ,die den Druckabfall in der unter hohem Druck stehenden Lösung bewirkt, um gelöste Stoffe wiederzugewinnen, die aus dem sich entspannenden Extraktionsfluid ausgefällt werden, als auch als Rückdruckregulierung für das unter Druck stehende System. Ein Regelkreis 110, der ein Signal von einem Druck-Meßwertwandler 112 verwendet, steuert die physikalische Öffnung in der Düse 108, um einen Drucksollwert für den ganzen Bereich der Massenstromwerte aufrechtzuerhalten, die durch das Pumpensystem dosiert werden und vom Wert 0 bis etwa 4 g/min. reichen. Wie für einen Fachmann selbstverständlich ist, kann eine Düse 108 mit einer veränderlichen, ringförmigen Öffnung auf zahlreiche Weisen eingebaut werden; beispielsweise kann ein modifiziertes Nadelventil gebaut werden, wobei der Ausleguhg des Entspannungsbereichs besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte.
• Wenn überkritische Fluide verwendet werden, steht der Parameter der Dichte, die eine Funktion des Drucks und der Temperatur darstellt, unmittelbar mit dem Lösungsvermögen bzw. der Lösefähigkeit des Fluids in Beziehung; daher kann das Lösungsvermögen eingestellt und ausgewählt werden, indem zwei der drei Parameter eingestellt und geregelt werden. Da Druck-Meßwertwandler übliche Bauteile sind, Dichte-Meßwertwandler bei den Betriebsbedingungen typischer Extraktionsgeräte hingegen nicht, ist es vorzuziehen, die gewünschte Betriebsdichte undtemperatur auszuwählen, den entsprechenden Betriebsdruck zu berechnen und dann auf diesen Druck einzuregeln.
• Die unabhängige Steuerung von Druck und Mengenstrom ermöglicht es dem Chemiker, das Lösungsvermögen des Extraktionsfluids zu variieren, indem der Betriebsdruck ausgewählt wird, und den Mengenstrom (oder den Wirkungsgrad) des Durchsatzes an Extraktionsfluid zu variieren, indem der Mengenstrom der Pumpe verändert wird. Da die Parameter entkoppelt sind, kann der Anwender über den Bereich der beiden Parameter während einer ausgewählten Zeitspanne die Extraktion durchführen, d.h. für eine bestimmte Menge an Extraktionsfluid. Im wesentlichen sind nun alle die Parameter unabhängig: Mengenstrom, Druck und Zeit. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden weiterhin Temperaturen von zahlreichen Abschnitten des Strömungssystems ebenfalls unabhängig als vierter Parameter geregelt.
• Wie für einen durchschnittlichen Fachmann leicht verständlich ist, schafft die vorliegende Erfindung einen beträchtlichen Vorteil in der Entwicklung der Chromatographie mit überkritischen Fluiden (SFC), indem der chromatographische Wirkungsgrad maximiert wird. Bei typischen bekannten Bauformen von SFC-Extraktionsgeräten wurden feststehende Begrenzer (Bohrungen, Abschnitte von Kapillarröhren, Sinterkörper etc.) verwendet, um den erforderlichen Druckabfall vom Betrieb mit überkritischen und nahkritischen Trägerfluiden (auch als mobile Phasen bekannt) zu bewerkstelligen. Die Begrenzer wiesen typischerweise einen Durchmesser in der Größenordnung von Mikrometern auf. Bei der Anwendung der SFC ist die Nutzbarmachung der Parameter Dichte (Druck), Mengenstrom und Temperatur ebenso wichtig, wie dies bei der Extraktion mit überkritischen Fluiden (SFE) der Fall ist. Mit fixierten Begrenzern war man bei der Chromatographie gezwungen, die Betriebsdrücke dadurch zu erreichen, daß die Mengenströme variiert wurden. Dies ist allerdings unerwünscht, da bei chromatographischen Trennvorgängen der Mengenstrom einen wichtigen Paramater beim Abtrennungswirkungsgrad darstellt. Häufig sind die zur Erzielung hoher Drücke notwendigen Mengenströme viel zu hoch, um im effizientesten chromatographischen Gebiet zu arbeiten, d.h. dem Minimum einer Van-Deemter-Kurve. Die unabhängige Regelung des Drucks (der Dichte) und des Mengenstroms, wie sie von der vorliegenden Erfindung offenbart wird, ermöglicht daher einen günstigen chromatographischen Betrieb.
• Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Geräts nach der vorliegenden Erfindung zur Extraktion von Komponenten aus Feststoffen, halbfesten Stoffen und geringen Mengen von Flüssigkeiten dargestellt. Die Vorrichtung weist mehrfache Eingangsöffnungen für das Extraktionsfluid aus den Gasflaschen 100 auf, von denen jede eine Ventileinrichtung 101 und in manchen Fällen ein dazugehöriges Rückschlagventil 203 aufweist, welches sich stromab befindet, um eine Auswahl von einer der mehrfachen Öffnungen in gewünschter Weise vorzunehmen. Ein Wärmetauscher 204 zur Steuerung der Temperatur des Fluids stromauf und kurz vor der Einleitung in die Pumpe kann ebenfalls vorgesehen sein. Das Lösungsmittel strömt dann durch eine Hochdruckpumpe 202, die thermisch gesteuert werden kann, um die gewünschte Kompressibilität des Fluids innerhalb der Pumpenkammern zu erzielen. Um den wellenförmigen Druckverlauf aufgrund des Pumpens des Fluids zu dämpfen, ist stromab der Pumpe 202 ein Impulsdänpfer 205 angeordnet. Die Strömung wird dann in zwei Abschnitte aufgeteilt, die als "Bypass"- und " Kammer"-Abschnitte bezeichnet werden. Eine Ventileinrichtung 207, 209 dient dazu, die Strömung in den einen oder anderen, in beide in keinen der beiden oben erwähnten Abschnitte einzuleiten.
• Der Kammerabschnitt des Strömungssystems wird durch das untere, in Fig. 3 dargestellte Ventil 209 reguliert. Eine Vorwärmeinrichtung 211 kann wiederum in diesem Abschnitt des Strömungssystems vorgesehen sein, um die Temperatur des Lösungsmittels zu regeln. Eine zusätzliche Vorwärmeinrichtung 240 kann auch im Bypassabschnitt vorgesehen sein. Das Fluid strömt dann in die Kammer 210, wo die Extraktion stattfindet. Wie schematisch dargestellt, wird die Kammer der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zwischen zwei Positionen bewegt. Diese Bewegung ermöglicht es, daß die Kammer automatisiert werden kann und daß eine Vorrichtung zur automatischen Erzeugung der Hochdruckabdichtungen enthalten sein kann, die zwischen der Kammer 210 und dem Gefäß, das die Probe enthält, erforderlich sind.
• Da die Kammer zwischen den belden dargestellten Positionen bewegt wird, sind flexible Anschlüsse einschließlich der Leitungen für die Fluidverbindungen und flexible elektronische Verbindungen für thermische, Regel- und Leistungssignale vorhanden, da es erforderlich ist, daß das Gerät nach der vorliegenden Erfindung eine angesteuerte Sektion mit Fluid versorgt.
• Das Probeneingabemodul, das innerhalb der Kammer 210 enthalten ist, ermöglicht vorzugsweise, daß eine Probe über die Extraktionskammer 210 in den Fluidstrom eingesetzt wird, wobei die nachfolgende Bewirkung aller notwendigen Abdichtungen durch die erfolgte Betätigung geschieht. Die Auslegung der Schnittstelle des Probeeingabegefäßes und der Betätigungen ermöglicht vorzugsweise, daß unterschiedliche Größen zylindrischer Behälter aufgenommen werden können. Das Probeneingabegefäß, das auch als "Hülse" ("Thimble") bezeichnet wird, ist vorzugsweise ein gemeinsames Gefäß in einem automatisierten Gerät, was ermöglicht, daß das gleiche Gefäß als Teil einer Extraktionskartusche für feste Phasen, als Probentransportgefäß als auch als Teil einer Filtervorrichtung verwendet werden kann.
• Wie oben erläutert, beinhaltet das Strömungssystem der vorliegenden Erfindung einen Bypassabschnitt, der von dem in Fig. 3 dargestellten, oberen Ventil 207 gesteuert wird. Der Bypassabschnitt lenkt die Fluidströmung um den Extraktionskammerabschnitt 210, der die Probe enthält, herum, um eine Gleichgewichtseinstellung aller geregelten Sollwerte zu ermöglichen, bevor die Probenahme der Inhaltsstoffe der Lösung aus der Kammer bzw. aus dem zylindrischen Behälter beginnt. Der Druck des Fluids, das von der Hochdruckpumpe abgegeben wird, wird von einem Druck-Meßwertwandler 204a gemessen, der wie dargestellt innerhalb des Bypassabschnittes angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnte der Meßwertwandler 204a allerdings auch an anderen Stellen angeordnet sein, oder es könnten ein oder mehrere zusätzliche Meßwertwandler vorhanden sein, um den Druck an verschiedenen Punkten im Strömungssystem vollständiger zu überwachen.
• Durch Verwendung des Druck-Meßwertwandlers 204a wird eine sinnvolle Regelung des Lösungsvermögens des Extraktionsfluids über den Druck bzw. die Dichte erreicht. Wie der Fachmann ohne weiteres einsieht, muß die Bauart eines solchen Druck-Meßwertwandlers 204a entsprechenden Genauigkeits- und Präzisionsvorgaben entsprechen. Es wird vorzugsweise ein mechanischer Meßwertwandler gewählt, um das tote Volumen des Fluidstroms zu minimieren, und er wird in der Nähe einer Unterbaugruppe zur Regulierung des Rückdrucks und relativ nahe am Ausgang der Kammer 210 angeordnet, um den Druckabfall dieser beiden Abschnitte zu minimieren. Für den Fachmann ist problemlos klar, daß Fig. 3 daher eine Schemadarstellung der vorliegenden Erfindung ist, und daß die relative Anordnung der beschriebenen Bauteile durch die betrieblichen Anforderungen an das System und die Leistungsfähigkeit der gewählten Bauteile bestimmt wird.
• Die vorstehend beschriebenen Strömungswege von Bypass und Extraktionskammer werden nachfolgend an einer Verbindung 213 miteinander vereinigt, so daß sie unter Verwendung geeigneter Ventil- und Filtereinrichtungen in die Düsen- und Abscheider- Baugruppe 214 strömen. Das Gerät nach der vorliegenden Erfindung enthält auch eine Ventileinrichtung, um den Strömungsweg mit hohem Druck von dem Spülungsabschnitt mit niedrigem Druck zu trennen. Um ein Versagen der Düsenbaugruppe 214 aufgrund von Partikeln zu minimieren, ist ein Filter 215 vorzugsweise unmittelbar stromauf der Düsen- und Abscheider-Baugruppe 214 angeordnet.
• Die Strömung wird dann zu den Unterbaugruppen gelenkt, die den Probenansammelabschnitt des Systems darstellen, indem das unter hohem Druck stehende Fluid, welches aus reinem Extraktionslösungsmittel, gemischten Extraktionslösungsmitteln und/oder Mischungen aus extrahierten Komponenten, die im Extraktionslösungsmittel gelöst sind, besteht, einen Druckabfall in der Düsen-Unterbaugruppe 216 erfährt. Der Druckabfall ermöglicht es, das Extraktionslösungsmittel von gelösten Komponenten abzuspalten, da Fluide mit hohem Dampfdruck wie etwa flüssiges Kohlendioxid oder überkritische oder nahkritische Mischungen von Fluiden wie etwa Kohlendioxid mit Methanol expandieren, wenn sie einem Druckabfall ausgesetzt werden.
• Die Düsen-Unterbaugruppe 216 stellt auch eine Rückdruck-Regulierungsfunktion als Teil des Regelkreises für den Druck und eines thermischen Regelbereichs bereit. Die Strömungsregelung ist allerdings unabhängig von der Regelung des Drucks bzw. der Dichte. In einer bevorzugten Ausführungsform des Geräts nach der vorliegenden Erfindung erfolgt die Strömungsregelung durch eine Pumpe 202; in anderen Ausführungsformen, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 erläutert, ist es allerdings möglich, die Düse 216 zur Strömungsregelung zu verwenden und die Pumpe 202 den Druck und die Dichte regeln zu lassen.
• Für solche Fluide, die beim Auftreten des Druckabfalls an der Düse 216 flüssig bleiben, wird eine Abscheider-Baugruppe 218 betätigt, um die Flüssigkeiten weiter stromab zu verdampfen. Die Abscheider-Baugruppe 218 stellt einen Abschnitt bereit, um die expandierende Gasströmung zu drosseln, in der ausgefällte, extrahierte Komponenten mitgenommen werden. Die Abscheider- Baugruppe 218 kann mit porösem oder körnigem Material gefüllt sein, das entweder inert ist oder eine gewisse chemische Aktivität besitzt, wie etwa ein Adsorbens, oder eine gewisse chemische Funktionalität, wie etwa stationäre oder gebundene, flüssige Phasen. Der Fachmann versteht ohne weiteres, daß die Füllung oder Packung, die innerhalb der Abscheider-Baugruppe 218 verwendet wird, ein Parameter ist, den der Anwender zur Fraktionierung ausnutzen kann.
• Die Abscheider-Baugruppe 218 ist ebenfalls eine unabhängig gesteuerte thermische Zone, die bei Beheizungsbedingungen unterhalb und oberhalb der Umgebungstemperatur betrieben werden kann. Für solche Extraktionsfluide, die bei Auftreten eines Druckabfalls nicht verdampft werden, wird die thermische Steuerung der Abscheiderbaugruppe 218 dazu verwendet, diese Fluide zu verdampfen, wie beispielsweise Hexan oder Modifizierungsstoffe, die zur Herstellung von Gemischen aus Modifizierungsstoffen mit Kohlendioxid verwendet werden.
• Das Gerät nach der vorliegenden Erfindung enthält vorzugsweise ein oder mehrere Umleitventil(e) 220, 234, deren Positionen es ermöglichen, entweichende Dämpfe beim Extrahieren zu Belüftungs- bzw. Abdampfpositionen zu leiten sowie Spüllösungen während der Spül-Verfahrensschritte zu Sammelgeräten unterschiedlicher Größe oder zur Entleerungsleitung abzuleiten. Die betä.tigbaren Urnschaltventile 220, 234 führen ihre Umschalttätigkeit vorzugsweise mit einem minimalen Totvolumen aus. Weiterhin sind Ventile vorgesehen, um die Ströme des Spülfluids oder die abgehenden Extraktionsfluide zu unterschiedlichen Bestimmungsorten zu leiten. Ein erster Bestimmungsort ist eine Abtrennsäule 222, die einerseits in einem flüssigen Abfallstrom 223 und andererseits in einer Ableitung für gasförmige Stoffe 224 endet. Ein zweiter Bestimmungsort ist eine entfernt liegende Öffnung 225. Die Abtrennsäule 222 wird vorzugsweise auf niedrige Temperaturen eingeregelt und verwendet Bauteile zur Entfeuchtung, um flüssige Modifizierungsstoffe aus dem zugrundeliegenden, verdampften Extraktionsfluid zu trennen oder um flüssige Lösungsmittel zu sammeln.
• Ein Strömungs-Meßwertwandler 226 oder Rotameter ist vorzugsweise mit dem oberen Ende der Abtrennsäule 222 verbunden. Die Abtrennsäule ist auch mit dem betätigbaren Umleitventil 220 verbunden, welches Anschlüsse aufweist, über die Spüllösungen zugeführt werden. Ein Ventil 227 (oder mehrfache Ventile) ist bzw. sind vorhanden, um einen Strom einer Spüllösung von einem oder mehreren Behältern 228 für Spüllösungsmittel auszuwählen, die zur Spüllösungspumpe 230 geleitet werden, welche den Systemdruck aushalten kann. Die Spüllösungspumpe 230 hat vorzugsweise eine variable Abgabeleistung, die für die Bewegung der Zone typischer Flüssig-Chromatographie geeignet ist und so eingestellt werden kann, daß sie die vom Verwender ausgewählten Sammelvolumina an den gewählten Bestimmungsort schicken kann. Die Spüllösungspumpe 230 kann mit einem aktiven Einlaßventil 231 oder einem aktiven Auslaßventil 232 zum Zwecke eines zuverlässigeren Betriebs ausgerüstet werden. Diese Ventile können typische Rückschlagventile oder Umschaltventile sein.
• Unter ausgewählten Bedingungen wird daher ein Spüllösungsmittel durch die Pumpe 230 und oas Umleitventil 220 in die Abscheider-Baugruppe geleitet, um ausgefällte Komponenten zu lösen und diese zu dem Fraktionssammlungs-Bestimmungsort zu bewegen, den der Verwender ausgewählt hat. Die Richtung der Spüllösung durch den Abscheider kann einer Vor- oder einer Rückspülung relativ zur Strömung des Extraktionsfluids während des Extraktionsschritts entsprechen. Fig. 3 zeigt ein rückgespültes System, wobei aber die Vorspülung ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
• Die Abscheider-Anordnung 218 ist mit einer Ableitung 223 für Flüssigkeiten, einem entfernten Anschluß 225 und Fläschchen 236 zur automatischen Flüssigkeitsprobenahme verbunden, vorzugsweise in einer Sammelvorrichtung (Queue) mittels eines betätigten Ventils 234. Das Ventil 234 versorgt ein Probenansammelgefäß 236, das zur Erleichterung der Automatisierung so betätigt wird, wie oben unter Bezugnahme auf die Extraktionskammer 210 erläutert wurde. Daher umfaßt das Gerät nach der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform eine Sammelvorrichtung (Queue), die in der Lage ist, Mehrfachfraktionen in Probensammelbehältern wie etwa den Fläschchen zur automatischen Probensammlung zu sammeln, die typischerweise in Gas- und Flüssigchromatographen verwendet werden.
• Während die primäre Form der Proben, die das Gerät nach der vorliegenden Erfindung verarbeiten kann, feste Proben sind, ist es möglich, kleine Mengen (d.h. Mikroliter bis Milliliter) an Flüssigkeit einzuführen, indem die Flüssigkeit auf einem festen Trägerstoff wie etwa einem Filterpapier, Adsorbenzien oder Pulvern verteilt wird. In ähnlicher Weise können auch halbfeste Stoffe wie Fette und Pasten zugeführt werden.
• In anderen Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung kann es erwünscht sein, zusätzlich zu der Düsen- und Abscheider- Baugruppe 214, die oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben worden ist, eine oder mehrere weitere Düsen- und Abscheider-Baugruppen vorzusehen. Solche zusätzlichen Düsen- und Abscheider-Baugruppen könnten entweder in das Gerät nach der vorliegenden Erfindung eingebaut werden oder sich an anderen Geräten befinden, die daran angekoppelt werden. In manchen Fällen könnte eine zusätzliche Düse die einzige zusätzliche Baugruppe sein. In anderen Ausführungsformen könnten die Düsen- und/oder Abscheider-Baugruppen, die sich auf anderen Geräten befinden, vollständig durch die ersetzt werden, die vorzugsweise als Teil eines erfindungsgemäß hergestellten Extraktionsgeräts vorhanden sind. Weiterhin könnte der Aufbau der Düsen- und Abscheider-Baugruppen dahingehend spezialisiert sein, daß Funktionen innerhalb des Geräts nach der vorliegenden Erfindung oder der Geräte, auf denen sie sich befinden, wahrgenommen werden, wobei Injektionsöffnungen an Gaschromatographen und Vorsäulen- oder Herzfraktionierung an Flüssigkeitschromatographen Beispiele sind.
• Eine weitere Modifizierung des offenbarten Geräts ist der Einbau einer Einrichtung zum Einschalten weiterer Anschlüsse zwischen der entfernten Öffnung 225 und/oder den Abscheider-Ausgängen 223, 224 und weiteren Analyseinstrumenten - beispielsweise und insbesondere Flüssigkeitschromatographen, spektrale Photometer im sichtbaren UV-Bereich und Probenahmegeräte für flüssige Proben -, so daß die aus dem Abscheider 218 ausgespülte Fraktion zur weiteren Verarbeitung und nachfolgenden Analyse zu diesen Geräten geleitet werden kann.
• In ähnlicher Weise kann das in Fig. 3 gezeigte Gerät modifiziert werden, um für eine Probenahme der flüssigen Lösung zu sorgen, die die Extraktionskammer 210 verläßt, bevor in der Düsen- und Abscheider-Baugruppe 214 gelöste Stoffe ausgebracht werden oder bevor die Lösung zu anderen Geräten geleitet wird. Beispielsweise kann der als Probe entnommene Strom, möglicherweise unter hohem Druck, zu einem spektralen Photometer im sichtbaren UV-Bereich oder durch Probenahmeventile an eine Vielzahl weiterer Analyseinstrumente geleitet werden, wie beispielsweise Flüssigchromatographen, Chromatographen mit überkritischem Fluid, oder Gaschromatographen.
• Wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert, kann der Abscheider 218 mit einem Packungsmaterial gefüllt werden. Andere Ausführungsformen des Geräts nach der vorliegenden Erfindung können hingegen weitere Zonen aufweisen, die gewisse chemisch aktive Packungsmaterialien enthalten (beispielsweise typische Pakkungsmaterialien für Säulen von Flüssigkeitschromatographen, Adsorbenzien oder andere poröse Materialen) sowie eine zusätzliche Steuerung für die thermischen Zonen, Geräte und zusätzliche Ventile, um die Strömungsrichtung zu diesen Zonen hin zu steuern. Die Beifügung solcher Geräte ermöglicht es, daß das Gerät eingesetzt werden kann, um eine Fraktionierung des Gemischs der Lösung zu bewirken, die die Probe enthaltende Extraktionskammer 210 verläßt, bevor diese Lösung zur Düsen- und Abscheider-Baugruppe 214 gelangt. Die Strömung durch die Kammer- und Bypass-Zonen, die oben besprochen wurden, wird mit dem Betrieb der thermischen Zonen koordiniert, um Probematerial in der Fraktionierungszone abzulagern und dann Komponenten aus dieser Zone selektiv zu entfernen. Die Komponenten werden in einer der oben beschriebenen Gerätekonfigurationen gesammelt.
• Die oben beschriebene Reihe von Probensammelgefäßen 236 kann durch zusätzliche Fraktionssammelvorrichtungen ergänzt werden, die eine der folgenden Funktionen ausführt: Sammeln von weiteren Fläschchen zur automatischen Probenahme, Lesen und/oder Beschreiben von Markierungen auf den Fläschchen zur automatischen Probenahme (Strichcode-Markierungen), weitere Fraktionierung der Komponenten in der Lösungsfraktion durch Extraktion aus der festen Phase oder durch andere typische naßchemische Verfahrensschritte, sowie typische naßchemische Verfahrensschritte und Reaktionen, die in analytischen Labors vorkommen, um Lösungen zu erhalten, die für ausgewählte analytische Verfahren einschließlich der quantitativen Bestimmung geeignet sind.
• Es kann auch ein automatisiertes Gerät bereitgestellt werden, um die Extraktionsbehälter in die Extraktionskammer 210 einzubringen, die Extraktionsbehälter aus der Kammer 210 zu entnehmen und die Extraktionsbehälter erneut in eine Sammel-/Lagerungszone zu bringen. In diesen Ausführungsformen kann auch ein Lesen und Beschreiben von Markierungen auf den Extraktionsbehältern (Probeneingabegefäßen) vorgesehen sein.
• In bestimmten Ausführungsformen kann die Pumpe 202 dadurch modifiziert sein, daß eine Pumpe vorgesehen ist, die zu einem Betrieb bei isokratischer, binärer oder ternärer Lösungsmittelabgabe an das Extraktionsgerät in der Lage ist, um Fluide und Fluidmischungen zu mischen, insbesondere solche, die bei Umgebungsbedingungen normalerweise flüssig sind. Das als Grundlage dienende Extraktionsfluid wird über eine geeignete Verrohrung und Ventile eingekoppelt, und eine koordinierte Betätigung wird über eine Workstation oder einen anderen Regler auf Computerbasis erzielt, der Steuerbefehle an die Lösungsmittelventile und die Pumpe abgibt. Daher kann in bestimmten Ausführungsformen die Beifügung zusätzlicher Pumpenkanäle zur Zumischung von Fluiden und Fluidmischungen (insbesondere solcher, die normalerweise bei Umgebungsbedingungen flüssig sind) zum als Grundlage dienenden Extraktionsfluid zur Bildung von mehrkomponentigen Extraktionslösungsmitteln durch den Einbau weiterer Pumpen und Ventile in das Extraktionsgerät erzielt werden, um ein Gemisch als Extraktionsfluid zu erhalten.
• Bevorzugt sind Ventile vorhanden, um den Strom des Spüllösungsmittels auszuwählen und die Spüllösungsmittelpumpe zu versorgen. Wie oben beschrieben, kann die Spüllösungsmittelpumpe dem Systemdruck widerstehen und hat eine variable Abgabeleistung, die zur Bewegung der typischen Zone der Flüssigkeitschromatographie geeignet ist. Es sind Ventile vorhanden, die das Fluid zu vom Benutzer ausgewählten Sammelvolumina und zu einem gewählten Bestimmungsort leiten können.
• Schließlich kann das Gerät nach der vorliegenden Erfindung, wie für einen Fachmann auf dem Gebiet der Auslegung solcher Systeme verständlich ist, mit anderen Geräten und Techniken in einer Weise gekoppelt werden, die als Strangaufbau (Hyphenation) bezeichnet wird. Beispiele für einen Strangaufbau, die im Bereich der vorliegenden Erfindung liegen, sind: Hochdruckextraktion aus der festen Phase, gekoppelt mit einer Extraktion mittels überkritischem Fluid aus Proben; Extraktion aus der festen Phase als Vorläufer einer Extraktion mittels überkritischem Fluid; Niederdruckfraktionierung, in manchen Ausführungsformen verfeinert als Extraktion aus der festen Phase auf dem Extraktionssammel-Abscheider 218 nach der Extraktion der Probe mittels überkritischem Fluid; ein Interface des Spüllösungsmittels (d.h. des Lösungsmittels zum Verdünnen auf die ursprüngliche Konzentration) zu anderen Geräten; Probenahme aus dem Hochdruckstrom zwischen der Kammer 210, die die Probe enthält, und der Probensammelanordnung 214 (der Düse 216 und des Abscheiders 218), die auch als Drucksteuerungsmechanisnus arbeitet, so daß andere Vorrichtungen den Hochdruckstrom überwachen können oder daraus Proben entnehmen können; Verwendung von Baugruppen zur mehrfachen Probesammlung; Verwendung eines Befehlssatzes mit den Merkmalen (a) Herstellung einer Verkettung mit anderen Befehlen vom Verwender zu anderen Bestimmungsorten, so daß Befehlsfolgen vom Extraktionsgerät mit anderen Befehlsfolgen koordiniert werden können, und (b) ursprüngliche Befehle, aus denen Befehlsfolgen erzeugt werden könnten.
• Die vorliegende Erfindung könnte gemeinsam mit anderen analytischen Instrumenten verwendet werden, von denen manche eine Düsen- und/oder eine Abscheider-Baugruppe aufweisen können, wie sie oben in Bezug auf die vorliegende Erfindung beschrieben worden ist. Solche analytische Instrumente sind z.B. Gaschromatographen, Flüssigkeitschromatographen und Chromatographen mit überkritischem Fluid. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung eine Einrichtung aufweisen, um das Extrakt vor dem Erreichen der Düse aus der Probe zu fraktionieren. Ein solches Fraktioniergerät weist Ventile und eine Einrichtung zur thermischen Steuerung auf, die zum Extraktionsabschnitt und zur Düse gehört.
• Die Technik des Geräts nach der vorliegenden Erfindung verwendet das Verstehen wichtiger Parameter und Begrenzungen auf unterschiedlichen Gebieten an: Überkritische Fluide, (Überschall-)Expansion von Fluiden, Sammlung/Verdünnung zur ursprünglichen Konzentration eines Extrakts, Pumpen von kompressiblen Fluiden, Regelung von Vorgabepunkten. Wie oben ausgeführt, verwendet das System einen Algorithmus für die Kompressibiliät eines Fluids, um das Lösungsmittel zu pumpen, und verwendet einen Druck-Volumen-Temperatur-Algorithmus, der es ermöglicht, die Dichte als den relevanten Parameter für das Lösungsvermögen (in Abhängigkeit vom Druck) einzugeben, während eine entkoppelte Regelung von Strömung und Druck/Dichte möglich ist. Vorzugsweise ermöglicht das System, daß eine Strömung im Bypass- und/oder Verdünnungsmodus auftritt. Bei bestimmten Ausführungsformen ist eine Auswahl der Zusammensetzung des Extraktionslösungsfluids durch mehrfache Eingänge möglich; in anderen Ausführungsformen wird eine Auswahl der Zusammensetzung des Extraktionsfluids durch zusätzliche Pumpenkanäle ermöglicht. In der oben beschriebenen Ausführungsform, bei der geeignete Ventile und eine Regelungssoftware vorhanden ist, kann sowohl eine statische Extraktion als auch eine dynamische Strömungsextraktion erzielt werden. Die Auslegung der vorliegenden Erfindung ermöglicht auch eine Regelung mit mehrfachen thermischen bzw. Druckzonen für Anforderungen, die auf dem Verständnis des Einflusses dieser Parameter auf die Dichteregelung, insbesondere in den kritischen, nahkritischen und überkritischen Gebieten, basieren.
• Die vorliegende Erfindung stellt auch Verfahren bereit, um einen Dichte-Druck-Temperatur-Algorithmus in ein Benutzer-Interface zur Eingabe von Vorgabepunkten und nachfolgender Regelung der Parameter einzubeziehen. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht es der Bedienungsperson, die Dichte als Parameter einer Instrumentierung einzugeben, die herkömmliche Druck-Meßwertwandler als Teil des elektronischen Regelkreises verwendet, um den Druck (und damit die Dichte) bei einer vom Benutzer vorgegebenen Temperatur aufrechtzuerhalten. Wie oben erläutert, sind gegenwärtig keine Dichte-Meßwertwandler in geeigneter Form für eine allgemeine Instrumentierung vorhanden, um die Dichte in einem elektronischen Regelkreis unmittelbar zu steuern, könnten aber in die vorliegende Erfindung einbezogen werden.
• Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit, um ein Extraktionssystem mit überkritischem Fluid zu betreiben, welches ein elektronisches Druckregelsystem zusammen mit einem thermischen Regelsystem aufweist, mit dem ein Benutzer eine gewünschte Dichte eingeben kann, um eine voreingestellte Dichte aufrechtzuerhalten, ohne daß es nötig ist, den Massenstrom des Extraktionsfluids zu regeln, um die vorgebene Dichte zu erreichen. Als erstes werden die Betriebsdichte und die Zonentemperaturen über ein Benutzer-Interface eingegeben. Die vorgegebene Dichte wird dann auf einen Wert gerundet, der als Vorgabewert unterscheidbar ist, wenn die Regelungsfähigkeit der Regelkreise für Temperatur und Druck im gegebenen Gebiet der Zustandsgleichung berücksichtigt wird. Als nächstes berechnet das System den entsprechenden Betriebsdruck und setzt den Benutzer in Kenntnis, wenn die Kombination der Vorgabewerte von Dichte und Temperatur zu Drücken führt, die sich außerhalb des Betriebsbereichs des Geräts befinden. Das System zeigt dann dem Benutzer den entsprechenden Betriebsdruck an, so daß alle Parameter sichtbar sind. Schließlich werden die Vorgabewerte für Druck und Temperatur zu den entsprechenden Regelkreisen weitergeleitet, um die Dichte während der Extraktion oder während eines anderen Zyklus aufrechtzuerhalten.
• Die offenbarten Verfahren stellen ein Mittel bereit, das dem Betreiber ermöglicht, sich auf den bedeutungsvolleren Parameter der Dichte zu konzentrieren, wenn er die Vorgabewerte für die Parameter zum Betrieb eines Extraktionsgeräts mit überkritischen Fluid auswählt. Der Betreiber vermeidet auf diese Weise, daß er in Nachschlagetabellen sehen muß, wobei notwendigerweise eine Interpolation zwischen Einträgen für solche Dichten erforderlich ist, für die die Temperaturen und Drücke in der Tabelle nicht dargestellt sind. Beim Betrieb gibt das System dem Benutzer sofort eine Rückmeldung, wenn eine vorgegebene Dichte aufgrund der Überschreitung der Betriebsgrenzen der interaktiven Parameter nicht erreicht werden kann, d.h. wenn gewisse Kombinationen von hohen Dichten und Temperaturen den möglichen Abgabedruck überschreiten.
• Auf diese Weise vermeidet die vorliegende Erfindung, daß der Benutzer einen Parameter (Druck) eingibt, dessen nichtlineare Beziehung zur Lösungsfähigkeit intuitiv nicht erfaßt wird und diese sich in Abhängigkeit von der gewählten Isoterme signifikant verändert, wenn die Lösungsfähigkeit (Lösungsvermögen) der Hauptparameter des Geräts ist. Stattdessen werden neue Benutzer mit der Bedeutung der Dichte als Parameter sowie mit der Art und Weise ihrer Verwendung vertraut gemacht.
• Auf der Grundlage der Zustandsgleichung eines besonderen Stoffs wird ein Regelprogramm erstellt, um die Eingabe der Dichte zu ermöglichen, wobei nachfolgend der entsprechende Druck bei einer gegebenen Temperatur berechnet wird. Ein solches Programm ist eine in höherem Maße automatisierte Arbeitsweise als eine Nachschlagetabelle und auch ein Werkzeug, um Auslegungsabweichungen und Anforderungen zu erforschen (Einfluß von Temperatur- und Druckwelligkeit auf die Dichte).
• Die vorliegende Erfindung erleichtert nicht nur die Verwendung der Dichte als ein nahezu unmittelbar dem Lösungsvermögen proportionaler Parameter, sondern regt die Verwender mittelbar auch dazu an, die Vorgabewerte für den Druck mehr unter Berücksichtigung ausreichender Sicherheit einzustellen, was zu einer höheren Lebensdauer der Geräte führt. Dieser letzte Punkt stammt von der S-förmigen Gestalt der Isothermen, wodurch bei höheren Dichten sehr große Druckanstiege zu sehr kleinen, entsprechenden Anstiegen der Dichte führen.

Claims (7)

1. Gerät zur Extraktion von Komponenten aus einer Probe mit

(a) einer oder mehreren Quellen eines Lösungsfluids (100)

(b) einer oder mehreren Extraktions-Lösungsfluids-Eingangsöffnungen (101),

(c) einer regelbaren Hochdruckpumpe (202),

(d) einem Druck-Meßwertwandler (204a) zur Messung des Druckes des Fluids, welches von der Hochdruckpumpe (202) geliefert wird,

(e) einem Strömungs-Meßwertwandler (226),

(f) einem Expansions-Düsenabschnitt, welcher eine veränderliche und regelbare Strömungsbegrenzung (108) hat,

(g) einer Regeleinrichtung (104,116) zur unabhängigen Regelung der veränderlichen Strömungsbegrenzung (108) und der Hochdruckpumpe (202), um einen Solldruck und eine Sollströmungsgeschwindigkeit zu erreichen und beizubehalten,

(h) einem Extraktionskammer-Strömungssystem (209), welches eine Extraktionskammer (210) zum Zurückhalten der Probe in der Fluidströmung und ein Probe-Eingabemodul zur Aufbewahrung der Probe in der Extraktionskammer (210) hat,

(i) einem Strömungs-Bypass-System (207) welches die Fluidströmung um den Extraktionskammer-Abschnitt herumlenkt,

(k) einer Vorrichtung (213) zur Vereinigung dem Strömungs-Bypass-Systems (207) mit dem Extraktionskammer-Strömungssystem (209),

(l) einer Probenansammelvorrichtung zum Trennen des Extraktions-Lösungsfluids von Komponenten der Probe, welche mindestens eine Düsen- und Abscheider-Baugruppe (216,218) umfaßt, wobei die Düse den Teil des Expansions-Düsenabschnitts bildet und

(m) mit mindestens einem Probenansammelgefäß (236) zum Sammeln der Komponenten der Probe.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (220,234) zum Leiten eines spüllösemittels durch die Abscheider-Baugruppe (216, 218), um abgesetzte Komponenten aufzulösen und sie zu einem Fraktionsansammlungs-Zielort zu bringen.

3. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Festhalten einer Sammelvorrichtung (queue), welche mehrere Fraktionen in einer Vielzahl von Probenbehältern sammeln kann.

4. Gerät nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionskammer zum Öffnen und Schließen betätigbar ist und außerdem flexible Verbindungen für das Fluid, die Regelung und die Stromsignale hat.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Vorrichtung (225) zum Verbinden der von dem Abscheider (218) ausgespülten Fraktion mit anderen Analysegeräten zur weiteren Verarbeitung und zu nachfolgender Analyse.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Probeentnahme aus der Fluidlösung, welche die Extraktionskammer (210) verläßt, vor der Wiedergewinnung der Lösungsprodukte in der Düse (216) und in dem Abscheider (218).

7. Gerät nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Fraktionieren des Extrakts von der Probe, welche eine Ventil-Vorrichtung und eine Wärmeregelvorrichtung hat, die mit dem Extraktionsabschnitt (210) und der Düse (216) in Verbindung sind.