СПОСОБ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ КОМПОНЕНТОВ Российский патент 2009 года по МПК B01D11/04 G01N30/38 

Изобретение относится к области процессов разделения веществ методами хроматографии, в частности к способам проведения процессов жидкость-жидкостной хроматографии, и может быть использовано в химической, гидрометаллургической, микробиологической, фармацефтической и других отраслях промышленности для извлечения, разделения, очистки и концентрирования веществ.

Известны экстракционно-хроматографические способы разделения смеси компонентов в центробежных устройствах. Смесь компонентов распределяют между двумя жидкими фазами в спиральной трубке или в цепочке камер, закрепленных на валу центрифуги. Смесь подают с одной из фаз, которая является подвижной фазой и прокачивается через другую (неподвижную) фазу, удерживаемую в устройстве с помощью центробежных сил. На выходе из устройства отбирают фракции компонентов (Jean-Michel Menet, Didier Thiebaut Countercurrent Chromatography // Chromatographic science series. Volume 82. 1999. Marcel Dekker, Inc. New York. Basel.). Недостатком этих способов является сложность используемых для их реализации центробежных устройств, связанная с выводом подвижной фазы.

Известны также хроматографические способы разделения смеси компонентов путем распределения их между легкой и тяжелой жидкими фазами в спиральной трубке, намотанной на барабан планетарной центрифуги. Трубку заполняют неподвижной жидкой фазой, через которую прокачивают подвижную фазу. Барабану с намотанной трубкой с помощью планетарного механизма придают сложное вращательное движение вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси центрифуги. Смесь компонентов (пробу) вводят в форме импульса с подвижной фазой в спиральную трубку, где в результате многократного распределения и перераспределения компонентов между двумя жидкими фазами происходит их разделение. На выходе подвижной фазы из устройства отбирают обогащенные фракции отдельных компонентов (1. Journal of liquid chromatography & related technologies. Special Issue on CCC 2002: 2^nd International Symposium on Countercurrent Chromatography. 2003. V.26. N.9&10).

Недостатком этих известных способов является сложность и дороговизна. Хотя при использовании планетарной центрифуги удается решить проблему вывода подвижной фазы из вращающегося устройства, при этом существенно усложняется организация и аппаратурное оформление процесса разделения и растет его стоимость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ хроматографического разделения смеси компонентов путем многократного нестационарного распределения их между двумя жидкими фазами, первую из которых удерживают в хроматографической колонке, а вторую прокачивают с постоянной скоростью через колонку и при этом ей сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью. Процесс проводят в трубке, намотанной в виде спирали на боковой поверхности цилиндра. Движение с периодически изменяющейся скоростью сообщают жидкими фазам с помощью планетарной центрифуги (А.Е.Костанян. Журнал «Химическая технология». 2004. №8. С.39).

Недостатком известного способа является недостаточно высокая скорость межфазного массообмена, уменьшающая эффективность процесса разделения компонентов смеси.

Изобретение направлено на повышение эффективности способа хроматографического разделения смеси компонентов путем интенсификации межфазного массообмена.

Технический результат достигается тем, что в известном способе хроматографического разделения смеси компонентов путем многократного нестационарного распределения их между двумя жидкими фазами, первую из которых удерживают в хроматографической колонке, а вторую прокачивают через колонку и при этом ей сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью, вторую фазу прокачивают в дискретном режиме подавая ее в колонку отдельными порциями.

В одном из предпочтительных вариантов первую фазу удерживают в колонке путем сообщения фазам движения с ускорением в канале спиралевидной формы.

Движение с ускорением фазам сообщают с помощью центробежных сил,

или фазам сообщают возвратно-поступательное движение в канале.

В качестве канала используют ряд последовательно соединенных камер

или трубку, намотанную на поверхность цилиндра.

В другом предпочтительном варианте исполнения первую фазу удерживают в колонке с помощью твердого носителя.

Нами обнаружено, что при замене режима непрерывного прокачивания второй фазы через хроматографическую колонку в известном способе на дискретный (прерывистый) режим прокачивания, при котором ее подают в колонку отдельными порциями, происходит существенная интенсификация межфазного массообмена и, как следствие, значительное повышение эффективности разделения смеси компонентов. Интенсификация межфазного массообмена в предложенном способе хроматографического разделения смеси компонентов выражается в увеличении числа теоретических тарелок в колонке. В зависимости от величины фактора емкости К, определяемого соотношением m - коэффициент распределения компонента, S - доля объема, занимаемого в колонке первой фазой), число теоретических тарелок в хроматографической колонке при использовании предложенного способа по сравнению с известным может увеличиться в несколько раз. При этом, как было обнаружено нами, с уменьшением К (т.е. с уменьшением и/или S) увеличивается разница в эффективности предложенного и известного способов хроматографического разделения смеси компонентов. Таким образом, увеличение числа теоретических тарелок в колонке при переходе на дискретный режим подачи второй фазы зависит от величины коэффициента распределения компонента m.

Описание проиллюстрировано следующими технологическими вариантами и примерами предложенного способа хроматографического разделения смеси компонентов.

Фиг.1 - вариант реализации способа, когда первую фазу удерживают в колонке в свободном состоянии путем сообщения фазам с помощью центробежных сил движения с ускорением в канале спиралевидной формы.

Фиг.2 - технологическая схема способа, когда фазам сообщают возвратно-поступательное движение с помощью пульсатора.

Фиг.3 - вариант способа хроматографического разделения компонентов, когда первую фазу удерживают в колонке с помощью твердого носителя.

Фиг.4 - хроматограммы к примерам 1-6.

Фиг.5 - хроматограммы к примерам 7-10.

В приведенном на фиг.1 варианте исполнения способа в качестве канала спиралевидной формы используют трубку, намотанную на поверхность цилиндра. Для сообщения фазам движения с ускорением цилиндр вращают вокруг его центральной оси. Возможен также вариант, когда цилиндру придают планетарное вращение с помощью планетарного механизма.

В представленном на фиг.2 варианте исполнения способа в качестве канала спиралевидной формы используют ряд последовательно соединенных камер, расположенных в виде спирали на боковой поверхности цилиндра. Для сообщения фазам движения с ускорением на жидкие фазы в канале накладывают низкочастотные колебания с помощью пульсатора.

Возможны также варианты, когда канал спиралевидной формы размещают на поверхности диска.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом:

Хроматографическую колонку, выполненную в форме спиралевидного канала 1 (фиг.1 и фиг.2) или в виде вертикальной цилиндрической трубки 1 с твердым пористым носителем 2 (фиг.3), заполняют первой фазой и по линии 3 начинают прокачивать через нее в прерывистом (дискретном) режиме вторую фазу, подавая ее отдельными порциями во входное сечение 4 колонки 1. Дискретное прокачивание второй фазы осуществляют с помощью клапана 5 и автоматического регулятора 6 или иного аналогичного устройства, включенного в линию подачи фазы 3, и обеспечивающего прерывистую ее подачу в колонку в виде отдельных порций.

Предпочтительный объем подаваемых в колонку порций второй фазы V_п определяют из соотношения

V_п=(1-10)×V_к/n,

где V_к - свободный объем колонки, n - достигаемое число теоретических тарелок в колонке в непрерывном режиме прокачивания второй фазы.

В случае проведения процесса разделения компонентов в хроматографической колонке со свободной первой фазой (фиг.1 и фиг.2) для ее удерживания в колонке жидким фазам сообщают движение с ускорением в канале спиралевидной формы 1 с помощью центробежных сил (фиг.1) или организуя возвратно-поступательное движение фаз в таком канале с помощью пульсатора 7 (фиг.2).

В случае проведения процесса разделения компонентов в хроматографической колонке с твердым пористым носителем 2 (фиг.3), первую фазу удерживают в колонке за счет капиллярных сил и/или за счет сил адсорбции и химической связи.

После организации дискретного режима прокачивания второй фазы в хроматографическую колонку по линии 8 вводят в виде импульса подлежащую разделению смесь компонентов. Перемещаясь по колонке 1 с потоком второй фазы, смесь компонентов многократно и в нестационарном режиме перераспределяется между фазами, благодаря чему компоненты с различными коэффициентами распределения движуться с различной скоростью и разделяются на фракции. Обогащенные фракции отдельных компонентов выводят из хроматографической колонки со второй фазой по линии 9.

В приводимых ниже примерах нестационарный процесс разделения компонентов проводят в спиралевидной хроматографической колонке, выполненной в виде намотанной на поверхность цилиндра трубки 1 (диаметр трубки - 3 мм, диаметр колец спирали - 30 мм), как показано на фиг.1. Колонку заполняют первой фазой и по линии 3 начинают прокачивать через нее в дискретном режиме вторую фазу, подавая ее отдельными порциями. Подлежащую разделению смесь компонентов вводят в виде импульса по линии 8. Для удерживания в колонке в свободном состоянии первой фазы жидким фазам сообщают движение с ускорением с помощью пульсатора 7, как показано на фиг.2. Объем дискретно подаваемых в колонку порций второй фазы, а также частоту их подачи регулируют с помощью клапана 5 и автоматического регулятора 6.

Пример 1. В качестве двухфазной жидкостной системы используют гептан-этилацетат/метанол-вода; разделяемые компоненты - Урасил (коэффициент межфазного распределения m₁=0.31) и п-крезол (m₂=1.1) в равных количествах присутствуют в исходной смеси. Хроматографический процесс разделения проводят, как описано выше, удерживая в колонке первую (органическую) фазу при амплитуде, создаваемых пульсатором пульсаций 2 мл и прокачивая через нее дискретно в виде порций по 1,5 мл вторую (водную) фазу со средним расходом 2 мл/мин. Получают хроматограмму 4.1a, показанную на фиг.4. Достигаемое число теоретических тарелок в колонке для Урасила составляет n₁=125, для п-крезола - n₂=60.

Пример 2 (сравнительный). Процесс разделения проводят, как в примере 1, но по известному способу непрерывно прокачивая вторую фазу с расходом 2 мл/мин. Получают хроматограмму 4.1б (фиг.4). Достигаемое число теоретических тарелок в колонке составляет n=30.

Пример 3. Процесс разделения проводят, как в примере 1, но при амплитуде, создаваемых пульсатором пульсаций 4 мл. Получают хроматограмму 4.2а (фиг.4). Достигаемое число теоретических тарелок в колонке для Урасила составляет n₁=168, для п-крезола - n₂=76.

Пример 4 (сравнительный). Процесс разделения проводят, как в примере 3, но по известному способу непрерывно прокачивая вторую фазу с расходом 2 мл/мин. Получают хроматограмму 4.2б (фиг.4). Достигаемое число теоретических тарелок в колонке составляет n=40.

Пример 5. Процесс разделения проводят, как в примере 1, но вторую фазу прокачивая дискретно в виде порций по 5 мл со средним расходом 6 мл/мин. Получают хроматограмму 4.3а (фиг.4). Достигаемое число теоретических тарелок в колонке для Урасила составляет n₁=340, для п-крезола - n₂=125.

Пример 6 (сравнительный). Процесс разделения проводят, как в примере 5, но по известному способу непрерывно прокачивая вторую фазу с расходом 6 мл/мин. Получают хроматограмму 4.3б (фиг.4). Достигаемое число теоретических тарелок в колонке составляет n=40.

Пример 7. В качестве двухфазной жидкостной системы используют: органическая фаза - 50% Аликват 336 в керосине / водная фаза с рН 3. Разделяют трехкомпонентную смесь, состоящую из молочной (коэффициент межфазного распределения m₁=0.31), уксусной (m₂=0.9) и пропионовой (m₃=3.6) кислот в соотношении 1/1/1. Хроматографический процесс разделения проводят, как описано выше, удерживая в колонке первую (органическую) фазу при амплитуде, создаваемых пульсатором пульсаций 2 мл, и прокачивая через нее дискретно в виде порций по 5 мл вторую (водную) фазу со средним расходом 6 мл/мин. Получают хроматограмму 5.1a, показанную на фиг.5. Достигаемое число теоретических тарелок в колонке составляет n₁=169, n₂=84, n₃=51.

Пример 8 (сравнительный). Процесс разделения проводят, как в примере 7, но по известному способу непрерывно прокачивая вторую фазу с расходом 6 мл/мин. Получают хроматограмму 5.1б (фиг.5). Достигаемое число теоретических тарелок в колонке составляет n=42.

Пример 9. Процесс разделения проводят, как в примере 7, но вторую фазу прокачивают дискретно в виде порций по 2 мл со средним расходом 2 мл/мин. Получают хроматограмму 5.2a (фиг.5). Достигаемое число теоретических тарелок в колонке составляет n₁=173, n₂=96, n₃=65.

Пример 10 (сравнительный). Процесс разделения проводят, как в примере 9, но по известному способу непрерывно прокачивая вторую фазу с расходом 2 мл/мин. Получают хроматограмму 5.2б (фиг.5). Достигаемое число теоретических тарелок в колонке составляет n=50.

Как видно из приведенных примеров, эффективность разделения компонентов по предлагаемому способу существенно выше, чем по известному способу. Благодаря тому, что вторую фазу прокачивают в прерывистом режиме через хроматографическую колонку, интенсивность нестационарного массообмена в ней резко усиливается (в несколько раз), что приводит к значительному повышению эффективности процеесса разделения смеси компонентов.

Изобретение может быть использовано в химической, гидрометаллургической, микробиологической, фармацевтической отраслях промышленности. Хроматографическую колонку 1 заполняют первой фазой, которую удерживают в ней. Вторую фазу прокачивают через колонку 1, подавая ее в дискретном режиме с периодически изменяющейся скоростью отдельными порциями во входное сечение 4. Дискретный режим осуществляют с помощью клапана 5 и автоматического регулятора 6, включенных в линию подачи второй фазы 3. Затем в хроматографическую колонку 1 по линии 8 вводят в виде импульса смесь компонентов. После многократного нестационарного распределения компонентов между первой и второй фазами обогащенные фракции отдельных компонентов выводят из колонки 1 со второй фазой по линии 9. Можно использовать спиралевидный канал хроматографической колонки 1, например, в виде трубки, намотанной на поверхность цилиндра; или канал в виде ряда последовательно соединенных камер. Первую фазу удерживают в хроматографической колонке 1 путем сообщения фазам движения с ускорением, например, с помощью центробежных сил. Первую фазу можно также удерживать в колонке 1 с помощью твердого носителя. Межфазный массообмен интенсифицируется за счет увеличения числа теоретических тарелок в хроматографической колонке 1. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ хроматографического разделения смеси компонентов путем многократного нестационарного распределения их между двумя жидкими фазами, первую из которых удерживают в хроматографической колонке, а другую прокачивают через колонку и при этом ей сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью, отличающийся тем, что вторую фазу прокачивают в дискретном режиме, подавая ее в колонку отдельными порциями.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую фазу удерживают в колонке путем сообщения фазам движения с ускорением в канале спиралевидной формы.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что движение с ускорением фазам сообщают с помощью центробежных сил.4. Способ по п.2, отличающийся тем, что фазам сообщают возвратно-поступательное движение в канале.5. Способ по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что в качестве канала используют ряд последовательно соединенных камер.6. Способ по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что в качестве канала используют трубку, намотанную на поверхность цилиндра.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую фазу удерживают в колонке с помощью твердого носителя.