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

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

Известны хроматографические способы разделения жидкой 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 & 10.2. Костанян А.Е. Журнал «Химическая технология». 2004. №8. С.39).

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 экстракционно-хроматографического разделения смеси компонентов путем нестационарного распределения их между легкой и тяжелой жидкими фазами, которым сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью в канале спиралевидной формы и прокачивают их в противотоке через канал, а смесь вводят в виде импульса в промежуточное сечение канала. Процесс проводят в спиральном канале, расположенном на боковой поверхности цилиндра. В качестве канала используют трубку. Фазы прокачивают с постоянной скоростью и в непрерывном режиме. Движение с периодически изменяющейся скоростью жидкостям в канале сообщают с помощью планетарной центрифуги (Y.W.Lee, С.Е.Cook, and Y. Ito. Dual countercurrent chromatography. // Journal of liquid chromatography. 1988. 11 (1). 37-53).

Недостатком известного способа является недостаточно высокая эффективность процесса разделения компонентов смеси.

Изобретение направлено на повышение эффективности способа экстракционно-хроматографического разделения смеси компонентов.

Технический результат достигается тем, что в известном способе экстракционно-хроматографического разделения смеси компонентов путем нестационарного распределения их между легкой и тяжелой жидкими фазами, которым сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью в канале спиралевидной формы и прокачивают их в противотоке через канал, а смесь вводят в виде импульса в промежуточное сечение канала, фазы прокачивают в дискретном режиме, подавая их в канал в виде отдельных порций.

В одном из предпочтительных вариантов исполнения способа фазы прокачивают в чередующейся последовательности.

В альтернативном варианте осуществляют синхронную подачу фаз.

Процесс проводят в поле центробежных сил, или фазам сообщают возвратно-поступательное движение в канале.

В качестве канала используют ряд последовательно соединенных камер или трубку, намотанную на поверхность цилиндра.

Было обнаружено, что при замене режима непрерывного противоточного прокачивания жидких фаз через экстракционно-хроматографическую колонну, выполненную в виде канала спиралевидной формы, в известном способе на дискретный режим прокачивания, при котором фазы подают в колонну отдельными порциями, происходит значительное повышение эффективности процесса разделения смеси компонентов.

Описание проиллюстрировано следующими примерами и технологическими вариантами предложенного способа экстракционно-хроматографического разделения смеси компонентов:

Фиг.1 - технологическая схема способа, когда в качестве канала используют трубку, намотанную на поверхность цилиндра.

Фиг.2 - технологическая схема способа, когда в качестве канала используют ряд последовательно соединенных камер.

В приведенном на фиг.1 примере исполнения способа процесс проводят в поле центробежных сил, для чего цилиндр с каналом спиралевидной формы вращают вокруг его центральной оси. Возможен также вариант, когда цилиндру придают планетарное вращение с помощью планетарного механизма.

В приведенном на фиг.2 примере исполнения способа фазам в канале, выполненном в форме ряда последовательно соединенных камер, расположенных в виде спирали на боковой поверхности цилиндра, сообщают возвратно-поступательное движение с помощью пульсатора.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Канал спиралевидной формы 1 (экстракционно-хроматографическую колонну, выполненную в виде канала спиралевидной формы) заполняют одной из фаз и по линии 2 начинают прокачивать через нее в дискретном режиме тяжелую фазу, а по линии 3 - легкую фазу. Фазы подают отдельными порциями в концевые сечения канала 1. Тяжелую фазу выводят по линии 4, а легкую - по линии 5. В случае проведения процесса в поле центробежных сил (фиг.1) устройству, содержащему канал спиралевидной формы, придают вращательное движение с помощью обычной или планетарной центрифуги. Дискретное прокачивание фаз осуществляют с помощью клапанов 6 и автоматических регуляторов 7 или аналогичных устройств, включенных в линии подачи фаз и обеспечивающих прерывистую подачу фаз в канал спиралевидной формы в виде отдельных порций. Дискретное прокачивание фаз осуществляют, подавая их в канал 1 либо в чередующейся последовательности, либо синхронно. В первом случае создается режим хроматографии с неподвижной фазой, в качестве которой выступает то одна, то другая фаза, во втором случае обе фазы движутся одновременно в дискретно-противоточном режиме. В обоих случаях интенсифицируется массообмен меду фазами.

После организации соответствующего режима прокачивания фаз в промежуточное сечение спиралевидного канала 1 по линии 8 вводят в виде импульса подлежащую разделению смесь компонентов. В случае, когда процесс проводят не в поле центробежных сил (фиг.2), фазам сообщают дополнительное возвратно-поступательное движение в канале 1 с помощью пульсатора 9.

Перемещаясь по каналу спиралевидной формы 1 с потоками тяжелой и легкой жидких фаз, смесь компонентов многократно в режиме нестационарного массообмена перераспределяется между фазами, благодаря чему компоненты с различными коэффициентами распределения движуться с различной скоростью и разделяются на фракции. Обогащенные фракции отдельных компонентов выводят из канала с потоками фаз по линиям 4 и 5.

В приводимых ниже примерах нестационарный экстракционно-хроматографический 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 одной из фаз и начинают прокачивать через нее в дискретном противоточном режиме тяжелую и легкую фазы, подавая их отдельными порциями в концевые сечения трубки 1. Подлежащую разделению смесь компонентов вводят в виде импульса в промежуточное сечение спиралевидной колонки 1, расположенное на равном расстоянии от ее концевых сечений, по линии 8. Для организации противоточного режима прокачивания фаз жидким фазам в колонке сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью с помощью пульсатора 9, как показано на фиг.2. Объемы дискретно подаваемых в колонку порций фаз, а также частоту и последовательность их подачи регулируют с помощью клапанов 6 и автоматических регуляторов 7.

Пример 1. В качестве двухфазной жидкостной системы используют: органическая фаза - гептан-этилацетат, водная фаза - метанол-вода; разделяемые компоненты - Урасил (коэффициент межфазного распределения m₁=0.31) и п-крезол (m₂=1.1), в равных количествах присутствуют в исходной смеси. Процесс разделения проводят, как описано выше, прокачивая противоточно фазы в колонке при амплитуде создаваемых пульсатором пульсаций 2 мл. Фазы прокачивают дискретно в чередующейся последовательности в виде порций по 1,5 мл со средним расходом 2 мл/мин. На выходе внизу колонки с водной фазой выводят все количество (100%) Урасила, а сверху колонки с органической фазой выводят все количество (100%) п-крезола.

Пример 2 Процесс разделения проводят, как в примере 1, но осуществляют синхронную подачу фаз. На выходе внизу колонки с водной фазой выводят все количество (100%) Урасила и 3,5% от общего количества п-крезола. Сверху колонки с органической фазой выводят 96,5% от общего количества п-крезола.

Пример 3 (сравнительный). Процесс разделения проводят, как в примере 1, но по известному способу, непрерывно прокачивая обе фазы с расходом 2 мл/мин. На выходе внизу колонки с водной фазой выводят все количество (100%) Урасила и 20% от общего количества п-крезола. Сверху колонки с органической фазой выводят 80% от общего количества п-крезола.

Пример 4 (сравнительный). Процесс разделения проводят, как в примере 1, но в условиях стационарного массообмена, подавая подлежащую разделению смесь компонентов в виде раствора постоянного состава с водной фазой по известному способу противоточной циклической экстракции. На выходе внизу колонки с водной фазой выводят 67% от общего количества Урасила и 2,5% от общего количества п-крезола. Сверху колонки с органической фазой выводят 33% от общего количества Урасила и 97,5% от общего количества п-крезола.

Благодаря тому, что тяжелую и легкую жидкие фазы прокачивают в дискретном режиме через канал спиралевидной формы, интенсивность нестационарного массообмена в ней резко усиливается, что приводит к значительному повышению эффективности процеесса разделения смеси компонентов.

Следует отметить, что противоточное движение фаз в канале спиралевидной формы можно обеспечить также за счет дискретного режима прокачивания фаз, поскольку при таком режиме жидким фазам уже сообщается движение с периодически изменяющейся скоростью, однако для интенсификации контакта фаз целесообразно придать системе дополнительное периодическое ускорение, как это показано на фиг.1 и фиг.2.

Изобретение может быть использовано в химической, гидрометаллургической, микробиологической, фармацевтической промышленности. Канал 1 спиралевидной формы экстракционно-хроматографической колонны заполняют одной из фаз. Через нее прокачивают в дискретном режиме с периодически изменяющейся скоростью в виде отдельных порций по линии 2 тяжелую фазу, а по линии 3 - легкую фазу. Фазы через канал 1 прокачивают в противотоке. Тяжелую фазу выводят по линии 4, а легкую - по линии 5. Дискретный режим осуществляют с помощью клапанов 5 и автоматических регуляторов 7. Фазы можно прокачивать синхронно или последовательно. В качестве канала можно использовать трубку, намотанную на поверхность цилиндра, или ряд последовательно соединенных камер. Процесс можно проводить в поле центробежных сил или сообщая фазам возвратно-поступательное движение. Затем в канал 1 по линии 8, расположенной в его промежуточном сечении, вводят в виде импульса смесь компонентов. После нестационарного распределения компонентов между фазами обогащенные фракции отдельных компонентов выводят с потоками фаз по линиям 4 и 5. Повышается эффективность процесса. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ экстракционно-хроматографического разделения смеси компонентов путем нестационарного распределения их между легкой и тяжелой жидкими фазами, которым сообщают движение с периодически изменяющейся скоростью в канале спиралевидной формы и прокачивают их в противотоке через канал, а смесь вводят в виде импульса в промежуточное сечение канала, отличающийся тем, что фазы прокачивают в дискретном режиме, подавая их в канал в виде отдельных порций.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фазы прокачивают в чередующейся последовательности.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют синхронную подачу фаз.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что процесс проводят в поле центробежных сил.5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что фазам сообщают возвратно-поступательное движение в канале.6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве канала используют ряд последовательно соединенных камер.7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве канала используют трубку, намотанную на поверхность цилиндра.