Enantioszelektiv szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia gyógyszeripari alkalmazásának vizsgálata
Doktori (PhD) értekezés
Készítette: Gál Gábor
Témavezetők:
Dr. Szánya Tibor, egyetemi docens Dr. Argyelán János, egyetemi docens
Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Tudományok és Anyagtudományok Doktori Iskola Vegyipari Műveleti Intézeti Tanszék
Veszprém, 2010
Enantioszelektiv szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia gyógyszeripari alkalmazásának vizsgálata
Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében
Írta: Gál Gábor Készült a Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Tudományok és Anyagtudományok Doktori iskolája keretében Témavezető: Dr. Szánya Tibor, egyetemi docens Dr. Argyelán János, egyetemi docens Elfogadásra javaslom (igen / nem)
…………...……………. (aláírás)
Elfogadásra javaslom (igen / nem)
…………...……………. (aláírás)
A jelölt a doktori szigorlaton ........%-ot ért el, Veszprém,
…………...……………. a Szigorlati Bizottság Elnöke
Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve: ….........................…................. igen /nem ………………………. (aláírás) Bíráló neve: ….........................…................. igen /nem ………………………. (aláírás)
A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …..........%-ot ért el. Veszprém,
…………………………. a Bíráló Bizottság elnöke
A doktori (PhD) oklevél minősítése…................................. ………………………… Az EDHT elnöke
Tartalomjegyzék Kivonat...................................................................................................................................6 Abstract ..................................................................................................................................7 Auszug ...................................................................................................................................8 I. Bevezetés ............................................................................................................................9 II. SZAKIRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ ..........................................................................12 1. Enantiomerek ...............................................................................................................13 2. Enantiomerek elválasztási műveletei...........................................................................14 2.1. Enantiomerek elválasztása kristályosítással .....................................................17 2.1.1. Kristályosító berendezések ............................................................................17 2.1.2. Frakcionált kristályosítással kombinált szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia .................................................................................17 2.1.3. Kromatográfia és kristályosítás összekapcsolása...........................................20 2.1.4. Kinetikus rezolválás oltásos kristályosítással konglomerátum típusú racém rendszer esetén .............................................................................................21 2.2. Kromatográfiás enantiomer elválasztás ............................................................24 2.2.1. Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia ...................................................24 2.2.2. Kromatográfiás töltetek .................................................................................26 2.2.3. Adszorpciós izotermák ..................................................................................29 2.2.4. Preparatív folyadékkromatográfia .................................................................32 2.2.5. A frontális adszorpció matematikai leírása....................................................32 2.2.6. Az enantiomerek elválasztása kromatográfiás módszerrel ............................38 3. Mozgóréteges kromatográfia .......................................................................................40 3.1. Valódi mozgóréteges kromatográfia.................................................................40 3.2. A szimulált mozgóréteges (Simulated Moving Bed, SMB) folyadékkromatográfia.....................................................................................................42 3.3. Az SMB elméleti ciklusa ..................................................................................44 3.4. Elméleti analízis lineáris adszorpciós izotermák esetén ...................................47 3.5. Morbidelli-féle paraméterek meghatározása.....................................................48 3.6. Elméleti analízis nem lineáris adszorpciós izotermák esetén ...........................50 4. Enantiomerek SMB berendezéssel történő elválasztása..............................................53 4.1. A tervezési paraméterek rögzítése ....................................................................53 4.2. A királis állófázis és az eluensrendszer kiválasztása, az oldódási tulajdonságok és a szelektivitás vizsgálata................................................................................53 4.3. Az SMB berendezés állandósult állapotának meghatározására szolgáló szimulációs szoftver kiválasztása, a műveleti feltételek optimalizálása............55
III. KÍSÉRLETI RÉSZ ........................................................................................................59 5. Célkitűzés.....................................................................................................................59 6. Az SS és RS izomerek analitikai HPLC elválasztásának vizsgálata BÉ elegyből ......61 7. Az 4S6S és 4R6S izomerek analitikai HPLC elválasztásának vizsgálata AC elegyből .........................................................................................................................................63 8. Az S és R izomerek elválasztása az EÉ racém elegyből..............................................64 8.1. A királis kromatográfiás töltetek és eluensek kiválasztása analitikai HPLC-vel ...........................................................................................................................64 8.2. Töltetvizsgálatok...............................................................................................65 8.3. Adszorpciós egyensúly, elméleti tányérszám (NTP), elméleti tányér-magasság (HETP), szelektivitás, nyomásesés és a műveleti paraméterek meghatározása 66 8.4. Adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok meghatározása k’ alapján................69 8.5. Adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok meghatározása frontális adszorpciódeszorpció alapján..............................................................................................70 8.5.1. Mérési körülmények ......................................................................................70 8.5.2. RG OD FR EÉ 11 mérés................................................................................73 8.5.3. RG OD FR EÉ 12 mérés................................................................................74 8.5.4. RG OD FR EÉ 13 mérés................................................................................75 8.5.5. Mérési eredmények........................................................................................76 8.6. Adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok meghatározása „hodográf” módszerrel (hullámelmélet) ...............................................................................78 8.6.1. A számítások eredményeinek összefoglalása ................................................80 8.7. Adszorpciós egyensúlyi adatok meghatározása SOLVER-EXCEL programmal (bi-Langmuir izoterma, lineáris nem szelektív taggal) ......................................81 8.7.1. A SOLVER-EXCEL optimalizáló program alkalmazása abszolút hiba négyzetes célfüggvény minimalizáló programmal.......................................82 8.7.2. A SOLVER-EXCEL optimalizáló program alkalmazása relatív hiba négyzetes célfüggvény minimalizáló programmal.......................................83 8.7.3. A SOLVER-EXCEL optimalizáló programmal nyert eredmények összefoglalása...............................................................................................83 8.8. Adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok meghatározása tömegmérleg hiba módszerrel..........................................................................................................84 8.8.1. A számítógépes programok kibővítése ..........................................................84 8.8.2. χ2 tömegmérleg hiba módszer (bi-Langmuir izoterma, lineáris nem szelektív taggal ............................................................................................................87 8.8.3. Optimális szelektív, nem szelektív borítottság meghatározása .....................89 8.9. Adszorpciós egyensúlyi izotermák adatainak meghatározása inverz módszerrel ...........................................................................................................................91
9. SMB művelethez csatolt kristályosítás részletesebb vizsgálata ..................................95 9.1. Fázisdiagramok .................................................................................................97 9.2. Oldhatósági adatok meghatározása...................................................................99 9.3. Az oldhatósági kísérletek eredményeinek ábrázolása háromszög diagramon 101 9.3.1. Oldhatósági modell számítási eredmények..................................................102 9.4. A metastabil tartományok meghatározása n-hexánban hűtéses kristályosítással S enantiomerben dús SR racém esetén .............................................................103 9.4.1. A kísérleti berendezés ..................................................................................103 9.4.2. A KR4 mérés eredményei............................................................................104 9.4.3. A KR3 mérés eredményei............................................................................106 9.4.4. A KR1 mérés eredményei............................................................................107 9.4.5. A KR2 mérés eredményei............................................................................108 9.4.6. A kísérleti eredmények összefoglalása ........................................................109 10. SMB művelet és csatolt kristályosítás vizsgálata ....................................................112 10.1. A számításokhoz felhasznált adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok összefoglalása ..................................................................................................112 10.1.1. Adszorpciós izoterma adatok hatása a Morbidelli háromszögre ...............113 10.2. Az SMB művelet és a kristályosítás összekapcsolása ..................................114 10.2.1. Az SMB szimuláció rögzített paraméterei.................................................115 10.2.2. A szimulációk bemenő adatai ....................................................................116 10.2.3. A szimulációs eredmények kiértékelése ....................................................118 10.2.4. A raffinátum áramok kristályosításos tisztítása .........................................121 10.2.5. A kristályosítás optimalizálása ..................................................................123 11. SMB mérések...........................................................................................................125 11.1. Az SMB készülék .........................................................................................125 11.2. A RG OD SMB EÉ 01-04 mérések eredményei...........................................125 11.3. A RG OD SMB EÉ 06 mérés eredményei....................................................126 11.4. A RG OD SMB EÉ 07 mérés eredményei....................................................128 11.5. A RG OD SMB EÉ 08 mérés eredményei....................................................130 ÖSSZEFOGLALÁS ..........................................................................................................135 Irodalomjegyzék ................................................................................................................139 Tézisek ...............................................................................................................................144 Theses ................................................................................................................................146 MELLÉKLET ....................................................................................................................148
Kivonat Napjainkban a regisztrált gyógyszeripari termékek majdnem fele rendelkezik királis struktúrával, ezért a nagy tisztaságban való előállítás követelménye miatt a figyelem középpontjába kerültek. Gyógyszerészeti szempontból csak az egyik optikai izomer éri el a kívánt hatást, míg a másik gyógyászati szempontból inaktív, esetleg toxikus. Ebből adódik az enantiomerek optikai tisztaságának követelménye. Mivel az enantiomerek hasonló fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek és csak optikailag aktív környezetben mutatnak eltérő viselkedést, az elválasztásuk lehetetlen királis interakció nélkül. Az SMB elválasztás előnye a többi enantiomer-szétválasztási technikával szemben, hogy folyamatos a művelet, az oszlopok kihasználtsága teljes, a termelékenység és a kihozatal magasabb, az eluens felhasználás alacsonyabb, mint a többi kromatográfiás módszeré. A doktori értekezés a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. által előállított kétkomponensű optikai izomer keverékek elválasztását vizsgálja. A szerző a királis racém keverékek elválasztásának megvalósíthatóságát vizsgálta laboratóriumi méretű SMB készülékkel. A cél az értékes optikai izomer 99 m/m %-nál nagyobb tisztaságban történő kinyerése 90 % feletti kihozatallal. Az SMB méréseket előkészítő szimulációk pontosságát és hatékonyságát a rendelkezésre álló szoftverek továbbfejlesztésével sikerült növelni. Az eredeti szoftvert sikerült kiterjeszteni királisan szelektív és nem-szelektív adszorbensekre is. Az SMB berendezéshez kapcsolt kristályosítóval tovább sikerült növelni a művelet hatékonyságát.
Kulcsszavak:
gyógyszeripari
enantioszeparáció,
preparatív
enantiomerek,
királis
folyadékkromatográfia,
kromatográfiás szimulált
töltet,
mozgóréteges
folyadékkromatográfia (SMB-LC), kristályosítás
6
Study of enantioselective simulated moving bed liquid chromatographic process application for the pharmaceutical industry
Abstract Nowadays almost half of the registered pharmaceutical products have chiral structures,
accordingly
they
are
of
importance
in
pharmaceutical
industry.
Pharmacologically, most often only one optical isomer has proper activity, while the other one is inactive, and possibly toxic. As a consequence, the optical purity of enantiomers has significant importance. As the enantiomers have the same physicochemical properties and they show different characters only in optically active surroundings, the separation of them is unachievable without chiral interactions. The advantage of the SMB method is that the procedure can be made continuously, the columns are completely utilized, the productivity and yield is higher, and the consumption of the eluent is lower compared to the batch chromatographic process. The author investigated the separation of chiral racemic mixture - pharmaceutical enantiomers - on a laboratory scale SMB equipment. In the Ph.D. thesis binary optical isomer mixtures produced by Gedeon Richter Plc. were studied. The author investigated the feasibility of the separation of a chiral racemic mixture on a laboratory scale SMB equipment. The object was to produce the valuable optical isomer in higher than 99 % m/m purity besides higher than 90 % yield. The simulation programs were improved, thereby the precision and the efficiency of the calculations were raised. Additionally, new isotherm equations were implemented the computer simulation programs. The efficiency of the enantiomer separation can be increased by coupled crystallization of the enriched extract and raffinate fractions.
Keywords:
pharmaceutical
enantioseparation,
preparative
enantiomers, liquid
chiral
chromatography,
chromatographic simulated
packing,
moving
bed
chromatography, crystallization
7
Die Prüfung der Verwendung der enantioselektiven simulierten Flüssigkeitschromatographie mit bewegender Schicht in der Pharmaindustrie
Auszug Heutzutage verfügt fast die Hälfte der registrierten pharmazeutischen Produkte über die chiralische Struktur, deswegen gerieten sie in den Mittelpunkt der Beachtung wegen der Anforderung der Herstellung in großer Reinheit. Aus dem pharmazeutischen Gesichtspunkt erreicht nur eines von den optischen Isomeren die gewünschte Wirkung, während das anderes aus medizinischem Gesichtspunkte inaktiv, eventuell toxisch ist. Die Anforderung der optischen Reinheit der Enantiomeren ergibt sich daraus. Da die Enantiomeren ähnliche physikalische-chemische Eigenschaften haben und sie zeigen nur in optischer aktiver Umwelt ein verschiedenes Verhalten, ihre Trennung ist ohne chiralische Interaktion unmöglich. Der Vorteil der Trennung durch SMB ist gegenüber der anderen Trennungstechnik der Enantiomeren, dass der Vorgang kontinuierlich ist, die Auslastung der Säulen günstig ist, die Produktivität und das Herausholen höher sind, die Verwendung des Eluens niedriger als die andere chromatographische Technik ist. Die Doktorarbeit prüft die Trennung der von Gedeon Richter AG hergestellten Mischungen des optischen Isomers mit zwei Komponenten. Der Autor prüfte die Durchführbarkeit der Trennung der chiralischen Racemat-Mischungen mit einem SMB Apparat in Laborgröße. Das Ziel war, für uns wertvolle optisches Isomer in größere als 99 % m/m Sauberkeit zu gewinnen, mit höher als 90 % Ausbeute. Ich erhöhte mit dem Fortentwickeln der zur Verfügung stehenden Software die Genauigkeit und die Effektivität der Simulationen, die die SMB-Messungen vorbereiten. Ich erweiterte die ursprüngliche Software auf chiralisch selektiver und nicht-selektiver Adsorbent. Ich habe den SMB Apparat mit Kristallisation kombiniert, so konnte ich die Effektivität des Verfahrens weiter erhöhen. Schlüsselwörter: Packung,
pharmazeutische
Enantioseparationen,
Enantiomeren,
Preparative
chiralische
chromatographische
Flüssigkeitschromatographie,
simulierte
Flüssigkeits-chromatographie mit bewegender Schicht, Kristallisation
8
I. Bevezetés A kiralitás mindenütt jelen van a természetben, a mikroszkopikus méretű molekuláktól a makroszkópikus szinten élő szervezetekig. Molekuláris szinten, a királis vegyületeknek, mint például a tetraéderes szénatomhoz kötött négy különböző funkciós csoportnak van két egymással nem tükörképi formája. Ezek az úgynevezett enantiomer formák. Több az élő szervezetekben jelenlévő aminosav királis, kölcsönhatásuk más királis molekulákkal sztereospecifikus. Ez különösen fontos a racemátként számon tartott szintetikus gyógyszerek esetén (50:50 %-os keverék a két enantiomer formából), mivel az enantiomerek kölcsönhatása a biológiai receptorokkal különböző hatásokat tud előidézni. A legtöbb esetben, az egyik enantiomer adja a kívánt gyógyászati hatást, míg a másik a semleges, ártalmatlan. Például azonban a talidomid racém esetén az egyik enantiomer a gyógyszeripari céltermék, míg a másik toxikus méreg [1]. Bár a gyógyszerek sztereospecifikus hatása régóta ismert volt, hosszú ideig nem tanulmányozták, egészen az 1990-es évek elejéig, amíg nem írták elő, hogy tiszta enantiomereket gyártsanak [2]. Ezek az új szabályok már jelentős hatást gyakoroltak a gyógyszeriparra. Az enantiomer gyógyszerek piacának százalékos aránya az összes gyógyszer kereskedelmében az 1990 évi 10 %-ról mintegy 37 %-ra nőtt 2005-ben, amikor az enantiomer gyógyszeripari termékek értékesítése 225 milliárd USD volt [3, 4]. A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. a Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Intézet Vegyipari Műveleti Intézeti Tanszékét illetve a Kooperációs Kutatási Központot kérte fel a ”Királis vegyületek elválasztására alkalmas folyadékkromatográf (SMB-LC) fejlesztése” nevezetű kutatási téma kidolgozására 2004 és 2007 között. Ezen Ph.D. dolgozat a fenti K+F feladathoz kapcsolódik. A gyógyszeriparban, ezen belül a hazai gyógyszer gyártóknál az elmúlt években előtérbe került a közeli fizikai, illetve fizikai-kémiai tulajdonságú anyagok (izomerek, optikai izomerek, biomolekulák) nagytisztaságú előállítása, melyek egyik ígéretes vegyipari műveleti megoldása a preparatív folyadékkromatográfia. A hazai gyógyszeripar tervei
között
módszerének,
szerepel a
a preparatív
szimulált
folyadékkromatográfia
mozgóréteges
(Simulated
egyik
Moving
legkorszerűbb Bed,
SMB)
folyadékromatográfiás műveletnek laboratóriumi illetve ipari méretű megvalósítása.
9
A Ph.D. téma kidolgozása során a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. egyik komponensszétválasztási feladatának megoldása kapcsán egy gyógyszer hatóanyag intermedierjeinek - királis észter optikai izomerek (S és R, illetve SS és RS, valamint 4R6S és 4S6S) - elválasztásával foglalkoztam enantioszelektív kromatográfiás töltet és szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiás művelet illetve készülék alkalmazásával. Áttekintettem a téma szakirodalmát (Science Direct, Web of Science, EISZ, Chem. Abstr. Quick Search), mely az általam szétválasztandó molekulák tekintetében rendkívül hiányosnak mutatkozott. Megjegyezném, hogy egyébként az enantiomer elválasztás szakirodalma igen gazdag. Így a fentieknek megfelelően kísérletekkel kellet meghatároznom az optikai izomer keverékek és a tiszta komponensek oldhatósági adatait különböző, a preparatív kromatográfiában alkalmazott oldószerekben, majd meg kellett határozni különböző enantioszelektív kromatográfiás tölteteken [5] az adszorpciós egyensúlyi adatokat és egyéb vegyipari műveleti jellemzőket (k’, Langmuir állandók, bi-Langmuir állandók, izoterma adatok, NTP, HETP, porozitás (ε), halmazsűrűség (ρH), BET felület adatok, szemcseméret (dp), stb.). Ezt követően elúciós, frontális adszorpciós-deszorpciós mérésekkel készítettem elő az SMB művelet paramétereinek meghatározását. A Vegyipari Műveleti Intézeti Tanszéken rendelkezésre álló négy oszlopos, 1:1:1:1 oszlop konfigurációjú, nyitott eluens körű SMB készüléket jelentősen átalakítottam (DAICEL enantioszelektív kromatográfiás töltet, polarimetriás- és UV-detektor, digitális mérlegek, számítógépes adatgyűjtés megvalósítása), így lehetőségem nyílt a laboratóriumi kísérletek során a fontosabb műveletjellemzők enantiomer elválasztásra gyakorolt hatásainak részletes vizsgálatára. Az analitikai kémiai vizsgálatokat GILSON illetve MERCK Hitachi La Chrom HPLC készülékekkel illetve IBZ Chiralyser polariméterrel, ATLAS Betograph, illetve JEOL műszerekkel végeztem. Az SMB művelet számítására alkalmas számítógépi programot átírtam a művelet matematikai modelljének módosításával (az adszorbens töltet felületén királisan szelektív és nem szelektív felületi csoportokat vettem figyelembe), kompetitív bi-Langmuir adszorpciós izotermát alkalmazva, mely jelentősen javította az SMB kísérletek tervezését, a kísérleti paraméterek beállítását. A fenti matematikai modell alapján készítettem a KROM-Chir, SMB-Chir programokat DELPHI számítógépi nyelven illetve az Excel táblázatkezelő program SOLVER bővítményének alkalmazásával.
10
1. kép A kislaboratóriumi méretű SMB készülék
A számítógépes szimulációkkal előzetesen meghatározott kísérleti paraméterek felhasználásával laboratóriumi SMB kísérleteket végeztem az 1. képen látható készülékkel, mellyel sikerült mindhárom optikai izomer keverék esetében az előírt termék tisztaságot és kihozatalt elérnem. Az előírt termék tisztaságok (>99 m/m %) és kihozatalok (>90 %) mellett számítógépi szimulációkkal meghatároztam a termelékenység és oldószer fajlagos maximális illetve minimális értékeit. Ennek alapján javaslatot tettem a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. részére a gyógyszeripari hatóanyag kémiai szintézisen belül az enantioszelektív kromatográfiás művelet helyének kijelölésére. A Ph.D. téma kidolgozásának befejező részében az SMB művelethez csatolt bepárlásos-hűtéses
kristályosítással
foglalkoztam.
Ehhez
kapcsolódva
először
meghatároztam az S és R valamint a racém SR optikai izomerek oldhatósági adatait n-hexánban és megállapítottam, hogy az oldhatósági diagram kristályosítási szempontból konglomerátum típusú. A kristályosítási anyalúg recirkulációjával jelentősen növeltem a szétválasztási művelet gazdaságosságát, a termelékenységet, miközben az eluens felhasználást csökkentettem.
11
II. SZAKIRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ A Ph.D. dolgozat kidolgozása során három optikai izomer keverék (S és R, valamint SS és RS illetve 4S6R és 4R6S) elválasztását vizsgáltam királis töltetet alkalmazó kislaboratóriumi méretű SMB-LC készülékkel. A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. által átadott vegyületek (királis észterek) és az előállítandó gyógyszer hatóanyag kémiai összetételét, szerkezeti képletét ismerem, de a titkossági szerződésben leírtak miatt nem hozhatom nyilvánosságra. A Chemical Abstract illetve a Science Direct szakirodalom kereső programjaival végzett keresés során a fenti vegyületek kromatográfiás elválasztására vonatkozóan szakirodalmi hivatkozást nem találtam. Egyébként általában a királis vegyületekre vonatkozó szakirodalmi publikációk száma rendkívül nagy. A szakirodalmi összefoglalás elkészítése során áttekintettem a témához kapcsolódó fontosabb könyveket illetve publikációkat a Vegyipari Műveleti Intézeti Tanszék könyvei és publikációi mellett [6-20].
12
1. Enantiomerek Az olyan aszimmetriacentrumot tartalmazó királis vegyületeket, melyeknek két egymással fedésbe nem hozható és optikai aktivitást mutató tükörképi szerkezete lehetséges, enantiomer vegyületpárnak nevezzük. Egy aszimmetriacentrum esetén mindig csak két enantiomer térszerkezet lehetséges, melyekre jellemző, hogy kémiai tulajdonságaik akirális reagensekkel szemben azonosak, a fizikai
és termodinamikai állandóik azonosak illetve a fajlagos
forgatóképességük nagysága is azonos, csak irányuk ellentétes. A két aktív módosulat képződésének valószínűsége teljesen azonos. Így egy inaktív, úgynevezett „racém” módosulat alakul ki. Az egy aszimmetriacentrumot tartalmazó vegyületeknek tehát három módosulata lehetséges: két aktív enantiomer és az inaktív racém. Ha egy molekulában két aszimmetriacentrum van, ezek környezete lehet azonos vagy különböző. Ezenkívül mindegyik centrum rendelkezhet kétféle (R vagy S) konfigurációval. A két azonos környezetű aszimmetrikus szénatomot tartalmazó vegyületek klasszikus példája a borkősav. A két azonos környezetű aszimmetriacentrumot tartalmazó vegyületek esetén összesen négy módosulat lehetséges: két aktív [(R,R)- ill. (S,S)-], a mezo- [(R,S) = (S,R)] és a racém [(RS)-] módosulat, mely utóbbi a két aktív forma 50-50 %-os elegye. Az aktív formák egymásnak enantiomerjei, s a mezo-formával mindegyikük diasztereomer viszonyban van. Diasztereomer vegyületpárt alkotnak az olyan, több aszimmetriacentrummal rendelkező optikai izomerek, amelyek a teljes molekulát tekintve nincsenek tükörképi viszonyban egymással, csak részlegesen tükörképei egymásnak. A diasztereomer párok egymással fedésbe nem hozható, de nem is tükörképi szerkezetek. Ebből adódóan a molekulán belüli atomtávolságok sem mind azonosak, ezért nem azonosak a diasztereomerek kémiai tulajdonságai, fizikai állandói, a forgatás iránya és a forgatóképesség mértéke sem. A diasztereomer vegyületpárok egyszerű fizikai módszerekkel is elválaszthatók egymástól [21].
13
2. Enantiomerek elválasztási műveletei Közismert a hatvanas évek gyógyszerbotránya, a Contergan (Thalidomine) esete [1]. A nyugtató hatású gyógyszert széles körben alkalmazták terhes nők gyógyítására is, ám használatának következményeként több ezer csecsemő csökevényes végtaggal jött a világra. Ennek oka a hatóanyag két enantiomerjének eltérő biológiai hatásában keresendő: az egyik enantiomer nyugtató, a másik magzatkárosító hatású. Egyebek közt a Contergan irányította rá a figyelmet az enantiomerek fontos voltára, arra, hogy tiszta állapotban való gyártásuk mennyire szükségszerű. Gyógyszereink, növényvédő szereink jelentős része királis vegyület, enantiomerjeik biológia hatása között azonban nem mindig ilyen meglepő a különbség. Például több olyan vegyület van, melynek két enantiomerjét szervezetünk más illatként vagy más ízként érzékeli. Gyakori, hogy a kívánatos biológiai hatást kifejtő enantiomer mellett azonos mennyiségben megtalálható másik enantiomernek bizonyíthatóan nincsen semmiféle káros hatása. Egy statisztika szerint 1993-ban a szintetikus hatóanyagot tartalmazó gyógyszerek száma 1300 körül volt, közülük kb. 500 tartalmazott királis hatóanyag molekulát. De csak 61 hatóanyaga volt optikailag tiszta. A helyzet azóta sokat javult, de még mindig bőven vannak keverékek gyógyszertári forgalomban. A gyógyszeripart és piacot jelentős mértékben befolyásoló amerikai Federal Drug Administration néhány éve csak tiszta enantiomer hatóanyagot tartalmazó készítmények forgalmazását engedélyezi [7]. Tehát a kémiai reakció során, ha királis vegyületek keletkeznek, feltétlenül számolni kell mindkét konfigurációjú termék képződésével. Gyakorlat szempontjából két lehetséges megoldás létezik az optikai izomerek elválasztására az indirekt és a direkt szintézis. Indirekt szintézisről beszélünk, amikor a reakciót célirányosan végezzük. Amennyiben a molekula már tartalmazott aszimmetrikus szénatomot, azzal diasztereomert képzünk. Amennyiben egy új asszimetria centrumot akarunk létrehozni, akkor valamilyen módon kiralitást kell vinni a rendszerbe, például királis katalizátor vagy királis reagens segítségével. Direkt szintézis során racém elegy keletkezik és azt utólagosan kell elválasztani. A szerves kémiai szintézisek során általában az enantiomerek azonos arányban keletkeznek. Az így keletkezett racém elegy enantiomerekre való szétválasztása a rezolválás. A rezolválás számos ismert módszere közül a mechanikus eljárás kivételével
14
mindegyikre érvényes az, hogy az elválasztás csak valamilyen másik királis anyag közreműködésével valósítható meg. Ha az enantiomerek külön-külön kristályosodnak (konglomerátumot alkotnak), a fejlett enantiomorf kristályok kiválogathatók a halmazból. A mechanikus módszert azonban ritkán alkalmazzák, mert kevés olyan enantiomer van, ami külön-külön kristályosodik, illetve megfelelő méretű kristályok ritkán képződnek. Alkalmazzák viszont az átkristályosítást abban az esetben, amikor az egyik enantiomerből csak kevés van az elegyben. A biológiai módszer lényege, hogy az enantiomerek oldatából az egyik komponenst megfelelő mikroorganizmussal lebontjuk. Hátránya, hogy ez a komponens elvész. Valamilyen
optikailag
aktív
reagens
hozzáadásával
diasztereomer
sókat,
komplexeket vagy vegyület párokat képzünk. Ha egy A aszimmetria centrummal rendelkező vegyület racém formáját (A, A’) feloldás után B centrumú optikailag aktív vegyülettel reagáltatjuk, a keletkező AB és A’B vegyületek diasztereomer viszonyban lesznek egymással, tehát frakcionált művelettel elkülöníthetők. A diasztereomerek elválasztása történhet oldhatóság különbség alapján. Pasteur [22] volt az, aki az első fizikailag is megvalósított enantiomer elválasztást elvégezte borkősav kristályos Na és ammónium sóinak a szétválogatásával. A rezolválás egymással nem elegyedő oldószerek segítségével is megoldható. A diasztereomer mellől a szabad állapotú enantiomer elválasztását megoldhatjuk úgy is, hogy a rezolváló ágenst és a racém vegyületet megfelelő arányban összekeverjük, majd az oldószert eltávolítjuk és a maradék elegyet szuperkritikus állapotú oldószerrel extraháljuk. Így visszamarad a diasztereomer só, amely később frakcionált kristályosítással elválasztható az oldószertől. Amennyiben a királis kölcsönhatás szilárd fázisok között játszódik le, a rezolváló ágenssel diasztereomer komplex alakul ki, és a kapott keveréket frakcionált szublimációval elválaszthatjuk. Az enantiomer elválasztást frakcionált desztillációval is elvégezhetjük, ha a diasztereomer, mely az első frakció után visszamarad, magasabb hőfokon elbomlik, és a só bomlásával a lehetséges termék keletkezik. A rezolváló ágens kiválasztására különböző számítási módszereket dolgoztak ki, ugyanakkor a fázisdiagramok felhasználásával méréseken alapuló módszereket is javasolnak.
15
A gyógyszer- és a növényvédőszer-ipar egyre inkább a racém vegyület helyett annak csak egyik enantiomerjét használja fel, így szükség van a rezolválásra. A rezolválás megoldható a racém elegy optikailag aktív adszorbensen végzett kromatografálásával is. Ilyenkor az enantiomerek az adszorbens molekulákhoz eltérő módon illeszkednek, s így az adszorbensen különböző mértékben kötődnek meg. Részletes leírása a 2.2.6. fejezetben található. A királis vegyületek nagy enantioszelektivitással történő előállítása a tudományos érdekességen túl gyakorlati szempontból is igen fontos. A királis építőelemek szintézisét lehetővé tevő eljárások, köztük kiemelkedő helyen a homogénkatalitikus enantioszelektív szintézisek mind nagyobb jelentőségre tesznek szert [23]. A 2001-es év Kémiai Nobel-díj kitüntetettjei különböző kémiai reakciókban valósították meg a tükörképi párok szelektív szintézisét. Ezekben a reakciókban átmenetifémeket (ródiumot, irídiumot, titánt, ozmiumot) tartalmazó, úgynevezett enantioszelektív homogén katalizátorokat alkalmaztak. Ezek olyan - reakcióközegben oldott (azaz homogén, az oldószerrel egy fázist képező) - vegyületek (fém komplexek), amelyek a lehetséges két enantiomer közül csupán az egyik tükörképi formát képviselik. Katalitikus tulajdonságot mutatnak, azaz képesek vegyületeket úgy átalakítani, hogy eközben szerkezetüket és tulajdonságaikat változatlanul megőrzik. A katalitikus enantioszelektív szintézisek legnagyobb jelentősége abban áll, hogy kis mennyiségű optikailag aktív katalizátorral nagy mennyiségű anyagra vihető át a királis információ. Tiszta enantiomereket hosszú időn keresztül csupán biológiai rendszerek segítségével lehetett előállítani, melyek természetes anyagok szintézisére voltak csak alkalmasak. Ezek a rendszerek igen gyakran sérülékenyek. Az aszimmetrikus katalitikus módszerek azzal az előnnyel bírnak, hogy mind a természetben előforduló, mind a mesterséges vegyületek szintézisére alkalmasak.
16
2.1. Enantiomerek elválasztása kristályosítással 2.1.1. Kristályosító berendezések
A kristályosító berendezés olyan nyitott vagy zárt műveleti egység, amely keletkező gócok vagy beoltott kristályok segítségével kristályok növesztésére képes. Két típusú kristályosító létezik az oldatkristályosító és az olvadékkristályosító. A kristályosító után mindig kapcsolnak szűrőberendezést vagy centrifugát, ill. szárítókat és szitákat. A végrehajtott művelet alapján a kristályosítók lehetnek egyszerű elpárologtató
kristályosítók,
hűtőkristályosítók,
bepárló
kristályosítók,
vákuum-
kristályosítók [24].
2.1.2.
Frakcionált
kristályosítással
kombinált
szimulált
mozgóréteges
folyadékkromatográfia
Az enantiomerek tisztítására, elválasztására alkalmazott kristályosítási eljárások a két enantiomer olvadási viselkedését leíró megfelelő fázisdiagramok (biner olvadáspont diagramok) vagy a megfelelő oldószerbeli oldódási tulajdonságuk (terner oldhatósági diagram) alapos ismeretén alapulnak [25-37]. A fázisdiagramok telítési görbéinek jellege szerint az enantiomer rendszerek három alapvető típusát különböztetjük meg. Ezeket először Roozeboom [28] írta le. A konglomerátumok, racém vegyületek és szilárd oldatok által kialakított karakterisztikus biner fázisdiagramok láthatók a 2.1. ábrán.
2.1. ábra A racemát típusainak kételemű fázisdiagramjai: (a) konglomerátum, (b) racém vegyület és (c) pszeudoracemát
17
A racemátok mindössze 5-10 %-a tartozik a konglomerátumok közé, amely a legkedvezőbb csoport bizonyos, nem-racém elegyekből, frakcionális kristályosítással történő enantiomeres dúsítás megvalósítására. A racemátok 90-95 %-a tartozik a szilárd fázisban jelen levő, úgynevezett racém vegyületek, vagy más néven igazi racemátok közé. Az utóbbi esetben a fázisegyensúly ismerete még fontosabb, mivel a fázisdiagram tiszta enantiomerek tartománya, amit a biner/terner eutektikus pont helyzete határoz meg, még kisebb. A szilárd oldatok csoportját alkotó racemátok (ún. pszeudoracemátok) viszonylag ritkák. A terner (oldhatósági) fázis diagram megjelenési formája levezethető a fenti ábrán tárgyalt (2.1. ábra) biner diagramok alakjából. A biner fázisdiagramokra imént tett megállapítás szintén hozzájárul az oldhatósági adatok hozzávetőleges meghatározásához. Az olvadáspont diagramok meghatározása a terner rendszerek oldhatósági méréseihez képest könnyű. A 2.2. ábrán két enantiomer és egy oldószer által alkotott rendszer vázlatos oldhatósági diagramja látható a leggyakrabban használt egyenlő oldalú háromszög formájú diagramban. oldószer
2.2. ábra (+)- és (-)-enantiomert tartalmazó vegyület vázlatos terner oldhatósági diagramja (T = állandó)
18
A háromszög csúcsai reprezentálják a tiszta komponenseket: az oldószert a felső, míg a (+) és (–) enantiomert a jobb és bal alsók. A háromszög oldalai (mól vagy tömegtört skálával) a biner rendszereket mutatják: a (+) enantiomer/oldószer és (–) enantiomer/oldószer rendszert a bal illetve a jobb oldalai, míg a háromszög alapja a (+)/(–) enantiomer rendszert, R-rel jelölve azt a pontot, ahol a racém vegyület a mindkét enantiomert 50 %-ban tartalmazza. A háromszög minden egyes belső pontja egy terner elegyet jelöl, ami mind a három komponenst tartalmazza. Az A, A’ és C pontok jelentik a tiszta enantiomerek, illetve a racemát oldószerben való oldhatóságát adott hőmérsékleten, következetesen az A-E-C-E’-A’ a terner rendszer oldhatósági görbéje ugyanezen a hőmérsékleten. Ennek következtében az oldhatósági görbe felett telítetlen oldószer (egyfázisú tartomány) van. Az A-E-tiszta (+), A’-E’-tiszta (–) vagy az E-E’-R pontok által határolt területek olyan kétfázisú régiókat jelölnek, ahol az egyik tiszta enantiomerből vagy a racém vegyületből álló szilárd fázis egyensúlyban van az oldhatósági görbén levő összetételű telített oldószerrel. A tiszta enantiomer illetve a racemát tartományában a szakasz osztópontjait a P2’ és P2 pontok mutatják. A megfelelő összetételű folyékony fázist az M illetve az O pontok mutatják. A háromszög tiszta(+)-Eracemát vagy a tiszta(–)-E’-racemát által határolt területei háromfázisú tartományokat jelölnek, ahol két szilárd fázis (tiszta enantiomer és racém keverék) tart egyensúlyt az E vagy E’ pontokkal jelzett eutektikus összetételű folyékony fázissal. Ebbe a tartományba tartozó összetételű, részlegesen dúsított oldatból a tiszta enantiomer kinyerése nem lehetséges. A P3 és P3’ összetételű telített oldatok N vagy K összetételű szilárd fázisra tagolódnak, így jutunk a tiszta enantiomer és a racém elegy keverékéhez. A kapott anyalúg minden esetben eutektikus összetételű. A tiszta enantiomer kizárólag frakcionális kristályosítással állítható elő abban az esetben, amikor a kiindulási oldat összetétele az A-E-tiszta(+) vagy A’-E’-tiszta(–) pontok által határolt tiszta enantiomer tartományán belül helyezkedett el. Ennek következtében a kromatográfia és a kristályosítás műveletének sorbakapcsolásakor az első, kromatográfiás lépésben egy minimális enantiomeres dúsítást teljesíteni kell, amely meghaladja a terner fázisdiagram eutektikus pontját. Ezt követően az erősen felhígított, telítetlen oldatot (pl.: P1’-es pont) be kell párolni annak érdekében, hogy a tiszta enantiomer tartományát elérjük (pl: P2’-es pont), melynek eredményeképp lehetővé válik a tiszta enantiomer kinyerése a következő, kristályosítási lépés(ek)ben. A betáplált racém elegyet kromatográfiás úton nem lehet megfelelően a P1-es pontba (melynek tisztasága kisebb,
19
mint az E pontbelié) dúsítani, mivel a bepárlás olyan összetételű elegyet szolgáltat, mint amilyen a P2 vagy P3 pontokban van, melyből a tiszta enantiomerek nem nyerhetők ki kristályosítással. Ha a terner rendszerben az oldhatóság hőmérséklet függése ismert, más módszerek is számításba jöhetnek a kromatográfiásan dúsított oldat túltelítésének megvalósítására.
2.1.3. Kromatográfia és kristályosítás összekapcsolása
A hatékony enantiomer szeparációhoz a folyadékkromatográfia és a frakcionált kristályosítás összetett műveletét javasolják. Első lépésként az egyik enantiomer feldúsítására egy kromatográfiás elválasztó műveletet, főként a szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiát (SMB) ajánlják (Az SMB műveletet lásd részletesebben a 3. fejezetben). Következő lépésként frakcionált kristályosítással végezhető el a cél enantiomer tisztítása. A (+)/(–)-enantiomerek és az oldószer rendszere egy terner fázisdiagramot alkot. Látható a 2.2. ábrán, hogy az egyik enantiomert a kívánt tisztaságban akkor lehet kinyerni, ha egy aszimmetrikus összetételű elegyből indítjuk a kristályosítást. Tehát a kromatográfiás szeparációs művelet során nem szükséges magas tisztaságban kinyerni az enantiomert. A 2.3. ábrán látható az összekapcsolt művelet, amely során mind a két enantiomert tisztítják kristályosítással.
2.3. ábra Kétlépcsős enantiomer elválasztó rendszer
20
A
művelet
során
az
SMB
kromatográfiás
egységre
egy
50:50 m/m % összetételű racém elegyet táplálnak be. A folyamatos szeparáció után a két terméket a raffinátum és az extraktum áramokban vezetik ki. Ebben a két áramban dúsulnak fel a komponensek. Az enantiomerek feldúsulásának mértéke különböző a raffinátum és az extraktum áramokban. A raffinátumban például 80:20 m/m %, míg az extraktumban például 10:90 m/m % összetételűek. Ezt a két áramot betáplálják egy folyamatosan működő kristályosító rendszerbe, ahol a távozó szilárd fázis (kristályok) csak az egyik enantiomert fogja tartalmazni 100 m/m %-os tisztaságban. Az egyensúlyi fázisdiagramnak megfelelően a keletkezett anyalúg tartalmazza mindkét enantiomert. A keletkezett anyalúg összetétele hasonlít a kiindulási racém elegy összetételére, ezért ezt visszavezetik az SMB művelet betáplálási áramába (Az SMB és a csatolt kristályosítás részletezését lásd a 9. fejezetben).
2.1.4. Kinetikus rezolválás oltásos kristályosítással konglomerátum típusú racém rendszer esetén
Konglomerátum típusú racém rendszerek kristályosítással történő elválasztása esetén alkalmazhatjuk az oltásos kinetikus rezolválást (2.4. ábra). T1 hőmérsékleten legyen az enantiomereket tartalmazó oldat telített, melyet hűtsünk le T2 hőmérsékletre az úgynevezett metastabil zónában. Ha az „a” pontban levő oldatot úgy hűtjük, hogy homokirális (–)enantiomer kristályokat adunk az oldathoz a hűtés során, akkor az oldat összetétele nem jut át közvetlenül a „c” pontba, hanem az „a”, „b”, „c” trajektóriát követi. Ez az jelenti, hogy (–)enantiomer kristályban dúsabb frakciót kapunk a hűtés elején a „b” pontig, miközben a kristályosítási anyalúg (+)enantiomerre nézve dúsul. Ezt követően a kristályosítási anyalúg (+)enantiomer koncentrációja lecsökken a racém koncentrációt jelölő „c” pontig. Értelemszerűen a „b”, „c” trajektórián való mozgáskor is (–)enantiomerben dúsabb kristályt kapunk. A teljes „a”, „b”, „c” trajektórián való mozgás után nyert kristály integrálisan racém összetételű, hasonlóan a „c” pontbeli racém anyalúg koncentrációhoz. A fenti elveknek megfelelően létrehozható az úgynevezett “butterfly” kristályosítás, mely alkalmas konglomerátum típusú racém rendszerekben enantiomerek elválasztására kinetikus rezolválási oltásos kristályosítás alkalmazásával. A módszert a 2.5. és 2.6. ábrákon mutatom be.
21
2.4. ábra Oltásos kinetikus rezolválás elve [26]
2.5. ábra A “butterfly” kristályosítás elve háromszög diagrammon [26]
22
2.6. ábra A “butterfly” kristályosítás megvalósításának elve [26]
Az „a” pontban levő Trac hőmérsékletű telített oldatot TA hőmérsékletig hűtjük és (–)enantiomer kristállyal oltjuk be. Az oldatból kiváló (–)enantiomer kristályokat kiszűrjük és eltávolítjuk. A „b” pontba jutott TA hőmérsékletű anyalúghoz felmelegítés közben (TAról Trac-ra növeljük a hőmérsékletet) racém keveréket adunk. Ennek következtében az oldat összetétele a „c” pontba jut. A „c” pontban levő oldathoz (+)enantiomer oltókristályt adunk, miközben hőmérsékletét csökkentjük Trac értékről TB = TA értékig. A rendszer „c” pontból „d” pontba jut. Ezt követően felmelegítjük TB = TA hőmérséklet értékről az oldatot Trac értékig, miközben racém keveréket adunk az oldathoz. Ennek során „d” pontból visszajutunk az „a” pontba. Ilyen módon a ciklikus művelet első ciklusa befejeződött és a fentieknek megfelelően ismételhető [26].
23
2.2. Kromatográfiás enantiomer elválasztás 2.2.1. Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia 2.2.1.1. A HPLC elmélete
A HPLC olyan nagynyomású oszlopkromatográfia, amellyel a nem illékony illetve a termikusan nem stabil vegyületek hatékony elválasztása, mennyiségi meghatározása is megoldható. A nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia kifejlődése az 1960-as évek közepén kezdődött. Ekkor még poláris állófázisokat alkalmaztak (alumínium-oxid, szilikagélek). A 70-es évek végétől a technika ugrásszerű fejlődése indult meg. Megjelentek az ún. fordított fázisú töltetek, amelyeket a szilikagél felületének kémiai módosításával hoztak létre. A poláris szilikagél felületén apoláris csoportokat rögzítettek, így a hagyományos polaritásviszonyok (poláris töltet, apoláris mozgófázis – normál fázis) megváltozásával létrejött a fordított fázisú kromatográfia, ahol víz – szerves oldószer elegyeket használnak mozgófázisként. A klasszikus vagy más néven gravitációs áramlású folyadékkromatográfiával ellentétben a nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia esetében a szemcsés töltetet tartalmazó
kolonna
tetejére
feladott
elválasztandó
mintaelegy
öblítő
eluens
kényszeráramlásban van. Ez a kényszeráramoltatás szivattyúval valósítható meg. A HPLC előnye a klasszikus folyadékkromatográfiával szemben a töltet szemcseméretének jelentős csökkentése, illetve a folyamat felgyorsítása [38-40]. 2.2.1.2. A HPLC berendezés fő részei és működése
Az eluens tartályból egy kerámia vagy fém szűrőn keresztül szivattyúzzuk az oldószereket a pumpa segítségével. Az eluenst a mérés megkezdése előtt gázmentesíteni kell. A nagynyomású szivattyú (pumpa) a HPLC rendszer legfontosabb modulja. A mozgófázis
felszívását
és
áramoltatását
a
szivattyúval
végezzük.
Mivel
a
folyadékkromatográfiában gyakran kell korrozív illetve magas sótartalmú eluensekkel dolgozni, a pumpafejet, dugattyúkat és szelepeket speciális anyagokból készítik amelyek garantálják a tartós hibamentes működést.
24
Izokratikus üzemmódról beszélünk ha a nagynyomású szivattyú az elválasztás ideje alatt állandó mozgófázis összetételt szállít. Ennél az üzemmódnál megoldható az eluens visszaáramoltatása az eluenstartó palackba, amennyiben nem tartalmaz szennyező komponenst. Gradiens üzemmódról beszélünk ha időben változtatjuk (növeljük) az eluens erősségét. A modern pumpák 3-4 különféle oldószer keverését tudják elvégezni, a szivattyú szívó és nyomó oldalán egyaránt. Az injektor (mintaadagoló) a minta bevitelére szolgál. Megkülönböztetünk kézi vagy automata mintaadagolót. Az analitikai elválsztó kolonnán (oszlop) történik a minta elegy komponenseinek szétválasztása azok kémiai-fizikai tulajdonságai alapján. A kolonnák különféle töltettel (állófázis, szorbens) vannak megtöltve. A kolonna bemeneti részén és végén védő szűrőt alkalmaznak ami egyrészt megakadályozza a töltet kifolyását, másrészt védi a töltetet a mechanikai szennyeződésektől. A kolonnák védelmére ún. előtét vagy védő kolonnákat is alkalmazhatunk, amelyek sokkal rövidebbek mint az analitikai kolonna és ugyanolyan töltetet tartalmaznak (esetleg nagyobb szemcsemérettel). A detektorok a kolonnáról lejövő, szeparált komponensek detektálására alkalmasak. A nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiában mindig a vizsgálandó minta határozza meg az alkalmazott detektálási módot. A kölönféle detektorok más-más vegyületcsoportok különböző érzékenységgel történő detektálására alkalmasak. A legtöbb módszerleírás tartalmazza a detektálási módot. A méréseim során UV és Chiralyser detektorokat használtam. Az UV detektorok univerzálisan használhatók azoknál a mérendő komponenseknél amelyek UV fényt nyelnek el. Az UV detektorok a HPLC méréseknél leggyakrabban alkalmazott eszközök, melyek nagy érzékenységgel és alacsony zajszinttel rendelkeznek, így alkalmasak kis minta koncentrációk mérésére. Az UV detektor egy adott hullámhosszon működik, a mérések során mindig 254 nm hullámhosszon detektáltam. Vannak programozható hullámhosszú ill. spektrum felvételére alkalmas detektorok is. Az IBZ gyártmányú Chiralyser egy nagy teljesítményű polarimetriás detektor optikailag aktív vegyületek detektálására. A Faraday-kompenzáció elvén működő 426 nm LED fényforással rendelkező műszer lehetővé teszi az optikailag aktív molekulák nem csak az analitikus hanem preparatív detektálását is.
25
A HPLC technikában használatosak még a diódasoros (Dioda array, DA), a fluoreszcens (FL), az elektrokémiai EC (amperometriás), a tömegszelektív (Mass Spectrometer, MS), a vezetőképesség mérő (ionmérés), törésmutató mérő, radiokémiai és a fényszórásmérő detektorok [40]. A HPLC szoftverek legfőbb feladata a rendszer vezérlése, a detektor adatainak felvétele-tárolása az adatok kiértékelése és dokumentálása. A szoftverek felépítése, megjelenési formája sokféle lehet. A ma használatos modern HPLC szoftverek legtöbbje Windows operációs rendszer felhasználásával működik, ami megfelelő adatbiztonságot és egyszerű kezelhetőséget jelent.
2.2.2. Kromatográfiás töltetek A királis állófázisú kromatográfiát csakúgy, mint a kromatográfiát, általában már a kezdetektől is inkább tiszta komponensek előállítására alkalmazták, mint analitikai célokra. Ipari felhasználásuknak sokáig magas áruk szabott határt, emiatt csak különleges esetekben alkalmazták őket, mint például biomolekulák elválasztására, ahol más módszer nem volt alkalmazható. Ezzel szemben néhány petrolkémiai és cukoripari folyamat esetében nyilvánvalóvá vált, hogy az adszorpció illetőleg a kromatográfia elvének alkalmazásával még néhány kisebb értékű termék is nagyon gazdaságosan állítható elő. Kezdetekben a természetes polimereket – pl. cellulóz-triacetátot – és a mesterséges polimereket – pl. a poli-trifenil-metil-metakrilátot vagy a poli-aminosavészter-akrilamidot – hatalmas üvegkolonnákba töltve alkalmazták gyógyszeripari aktív komponensek tiszta enantiomerjeinek izolálására. Ezt követően Pirkle („brush type” királis állófázisok) és Okamoto (cellulóz- és amilóz-karbamátok és -észterek) úttörő munkája révén, akik a szilikagél felületére kötötték meg a királis elválasztó elemeket, vált lehetővé olyan kolonnák kifejlesztése, amelyek már használhatóak voltak a nagyhatékonyságú kromatográfiában [13]. Ezen állófázisok alkalmazásával a különböző farmako-kinetikai, farmakológiai és farmako-dinamikai tulajdonságokkal rendelkező enantiomerek is vizsgálhatóvá váltak. Királis állófázisnak nevezünk minden olyan kromatográfiás elválasztásra alkalmas állófázist, amely •
kismolekulájú királis monomerekből felépülő természetes, vagy szintetikus polimer szerkeztű anyag:
26
-tiszta polimerek -szervetlen váz polimer bevonattal
A legjelentősebbek az oligo- és poliszaharidok valamint ezek származékai, a poliakrilamidok, poliakril-észterek és a protein-alapú fázisok [14]. •
a hordozó fázis (polimer, szilika gél) felületére rögzített kismolekulájú szelektort tartalmaz: -szervetlen anyag (pl.: szilika gél) felületének módosításával -szerves polimer hálóba beültetett királis molekulákkal létrehozott fázisok Ilyenek: az aminosav származék, „brush type” CSP (Chiral Stationary Phase),
koronaéter, borkősav származék és ciklodextrin alapú fázisok. Az utóbbi években számos cég fejlesztett ki királis állófázisokat (2.1. táblázat). Jelenleg több, mint 100 - HPLC-hez alkalmazható - ipari CSP létezik.
Név Cellulóz tri-acetát Cellulóz trisz(3,5-dimetil-fenil-karbamát) Cellulóz trisz(4-metil-benzoát) Amilóz trisz(3,5- dimetil-fenil-karbamát), 10 µm Amilóz trisz(3,5- dimetil-fenil-karbamát), 5 µm Cellulóz trisz(3,5- dimetil-fenil-karbamát), 5 µm Cellulóz tri-benzoát Amilóz trisz[(S)-fenil-etil-karbamát] Poli[(S)-N-akril-oilfenil-alanin-etil-észter] 3,5-Dinitro-benzoil-fenil-glicin Keresztkötésű di-(3,5-dimetil-benzoil)-L dialliltartaramid Keresztkötésű di-(4-terc-butil-benzoil)-L dialliltartaramid Tetrahidro-aminofenantrén 3,5-dinitro-benzamid * - jó oldószerálló polimer alapú királis töltet
Márkanév Chiralcel OA Chiralcel OD Chiralcel OJ Chiralpak AD Chiralpak IA * Chiralpak IB * Chiralcel OB Chiralpak AS Chiraspher DNBPG Kromasil CHI-DMB Kromasil CHI-TTB WHELK-O I
2.1. táblázat Királis állófázisok Francotte szerint öt fő HPLC-CSP osztály létezik a kialakuló minta-CSP komplex alapján [14]. Az I-es típus (vagy Pirkle típus) vonzó-taszító, főleg Π-elektron donorakceptor mechanizmuson alapuló minta-állófázis komplexeket tartalmaz. A II-es típust egy
27
cellulózszármazékkal lehet szemléltetni, melyet a királis üregekben létrejövő vonzó kölcsönhatások jellemeznek. A III-as típusú CSP-k, mint a ciklodextrinek, koronaéterek „befogadó” komplexeket képeznek. A IV-es típusú CSP-knél a minta a diasztereomer fémkomplex része (királis ligandumcsere kromatográfia). Az V-ös típusú CSP egy protein (bovin szérum albumin), a minta-CSP komplexek létrejötte hidrofób és poláris kölcsönhatásokon alapszik. A méréseket egy részét a II-es típusú CHIRALCEL OD tölteten (2.7. ábra) végeztem. A töltet 5 vagy 20 µm-es szemcseméretű szilikagélre (fizikai lecsapással) felvitt cellulóz 3,5-dimetil-fenil-karbamátot tartalmaz. Ez egy normál fázisú analitikai oszlop, azonban jó kapacitása miatt preparatív elválasztásokra is alkalmazható. Főként szteroidok, egyszerű funkciós vegyületek elválasztására szolgál. A töltet hátránya, hogy az oldószereknek csak egy meglehetősen szűk csoportjánál alkalmazható. A legtöbb HPLCben eluensként gyakran alkalmazott oldószer (pl.: aceton, kloroform, dimetil-szulfoxid, etil-acetát, metilén-klorid, THF), még igen kis mennyiségben is tönkreteheti.
2.7. ábra A CHIRALCEL OD töltet felépítése
Ezt a hátrányt küszöbölték ki egy a közelmúltban forgalomba hozott töltettípusnál, a CHIRALPAK IB-nél. A töltet szinte teljesen megegyezik a CHIRALCEL OD-H töltettel, a különbség abból adódik, hogy ebben az esetben a 3,5-dimetil-fenil-karbamátot fizikai lecsapás helyett kémiai keresztkötéssel rögzítették a felületre, ezáltal növelve annak oldószer ellenállóságát [9, 14, 41, 42].
28
2.2.3. Adszorpciós izotermák Adszorpciós egyensúlyról akkor beszélünk, ha egy időegység alatt az aktív felületre érkező és onnan eltávozó molekulák száma megegyezik. Az adszorpciós egyensúly függvénye a hőmérsékletnek, a nyomásnak, valamint a megkötődő részecske folyadékfázisbeli koncentrációjának. Azt az összefüggést, amely megadja, hogy állandó hőmérsékleten hogyan változik az adszorbeált anyag mennyisége a folyadékfázisbeli koncentrációjának függvényében adszorpciós izotermának nevezzük (2.8. ábra). Jelentősége, hogy széles koncentrációtartományban leírja az adott komponens megoszlását a folyadék és az adszorpciós fázis között. Emiatt az adszorpciós izotermák átfogó vizsgálata és ismerete információt ad a folyamatban résztvevő anyagokról és az adszorpció során végbemenő kölcsönhatásokról [39, 43].
qk
8
q
ck, pk
2.8. ábra Langmuir izoterma Az adszorpciós izotermákat a hőmérséklettel (T), az adszorbeálandó komponens adszorbensbeli koncentrációjával (qk), és az adszorbeálódó komponens folyadékfázisbeli koncentrációjával (ck) jellemezik. A továbbiakban a mértékegységek: qk :
[mg adszorbeálódó komponens/cm3 adszorbens]
Kk :
[cm3 folyadék/cm3 adszorbens]
ck:
[mg komponens/cm3 folyadék]
ak:
[cm3 folyadék/cm3 adszorbens]
bk :
[cm3 folyadék/mg adszorbeálódó komponens]
N:
a komponensek száma
29
1. Lineáris-izoterma Lineáris izotermának nevezzük az olyan összefüggést, amelyben az adszorbeálandó komponens adszorbensbeli és folyadékfázisbeli koncentrációja között lineáris a kapcsolat: qk = K k ⋅ ck
(2-1)
A lineáris összefüggés általában a valós rendszerekre csak nagy körültekintés mellett használható, mert általában csak kis koncentrációknál érvényes.
2. Langmuir-izoterma A gázokra és a folyadékokra általánosan érvényes adszorpciós izoterma egyenletet Langmuir vezette le az alábbi egyszerűsítéseket feltételezve: • minden aktív centrum egy részecskét köt meg, az adszorpció legfeljebb monomolekuláris réteget alkothat a felületen, • az adszorbeált molekulák között nincs kölcsönhatás, • az adszorbens felületén adott számú, energetikailag egyenértékű aktív centrum található, • az adszorpciós réteg és az adszorbeálandó komponens között dinamikus egyensúly van.
A Langmuir - egyenlet matematikai alakja:
qk =
a k ck 1 + bk c k
(2-2)
3. bi - Langmuir-izoterma A kromatográfiás elválasztások esetében az adszorbens felülete nem tekinthető homogénnek. Ilyen eseteknél szokás alkalmazni ezt a fajta izotermatípust, amely két - adszorpciós szempontból eltérő - aktív centrummal rendelkező felületet feltételez. A modell így a két független részizoterma összegéből tevődik össze:
30
qk =
akS ck akNS ck + 1 + bkS ck 1 + bkNS ck
(2-3)
A bi-Langmuir-izotermák alkalmazása kevésbé elterjedt, de királis töltetek adszorpciós tulajdonságainak modellezésekor kifejezetten előnyösnek bizonyult.
4. kompetitív Langmuir-izoterma Az egykomponensű rendszerekre vonatkozó Langmuir-izoterma többkomponensű rendszerekre való kiterjesztése:
qk =
a k ck
(2-4)
N
1 + ∑ bk ck k =1
A kompetitív izotermák egyik fontos tulajdonsága, hogy az elválasztási tényező nagysága független lesz alkalmazásukkor az összetételtől.
5. kompetitív bi-Langmuir-izoterma Néha a kompetitív Langmuir izotermánál összetettebb adszorpciós izotermát kell alkalmazni, ami az izoterma kiterjesztését jelenti két adszorpciós helytípussal rendelkező modellre:
qk =
akS ck N
1+ ∑b c
S k k
k =1
+
akNS ck N
1+ ∑b c
(2-5)
NS k k
k =1
Ezt az összefüggést gyakran használják enantiomerek adszorptív elválasztása esetén, a változó szelektivitás leírására. Ekkor az izotermát lineáris taggal, vagy újabb Langmuir taggal egészítik ki.
31
2.2.4. Preparatív folyadékkromatográfia
Az elmúlt évtizedekben új feladatként jelentkező közeli fizikai, fizikai-kémiai tulajdonságú anyagok (izomerek, optikai izomerek) elválasztásának megoldása a hagyományos vegyipari műveletekkel (rektifikáció, folyadék-folyadék extrakció, folyadékszilárd extrakció, kristályosítás, stb.) nem lehetséges, mivel a szétválasztáshoz szükséges egyensúlyi egységek száma (NTP = Number of Theoretical Plates = elméleti tányérszám) 100-nál is nagyobb lehet. Ekkora elméleti tányérszámot a hagyományos vegyipari műveleti egységekben műszakilag igen nehéz megvalósítani, másrészt megvalósítás esetén a berendezések költségesen üzemeltethetők [38, 39]. Az elméleti tányérszám 102–105 is lehet olyan adszorbenssel töltött nyugvóréteges berendezésekben, ahol az aktív töltet szemcseméretét 5-200 µm közötti. Ezek a berendezések (folyadék adszorpciós berendezés, folyadék kromatográf stb.) alkalmasak a fenti elválasztási fokozatok megoldására. Az igen szerteágazó adszorpciós-ioncserés műveletek közül a Preparatív folyadék kromatográfia művelet az egyik legfontosabb a vegyészmérnöki gyakorlatban. A „preparatív” jelzőn – nem az analitikai készülékeket – a „termelő” folyadék kromatográfiás berendezéseket értjük.
2.2.5. A frontális adszorpció matematikai leírása A kromatográfiás elválasztások, csak úgy mint sok egyéb tisztítási folyamat az oldatban levő komponensek egyensúlyi illetve nem-egyensúlyi adszorpcióján alapulnak. A frontális adszorpció szükségképpen félfolyamatos üzemvitelű, mely során koncentráció-változtatást alkalmazunk lépcsős függvény szerint a műveleti egység belépő felületén. Tételezzük fel példaként, hogy az i komponenst folyadékból távolítjuk el adszorpcióval, izoterm körülmények mellett. Az adszorbenst előzetesen tökéletesen regeneráltuk. Az i komponens végighaladva az adszorbens tölteten megkötődik, majd az adszorbens kapacitásának kimerülése után áttör az adszorpciós oszlopon. Az áttörési görbe a z = H helyen felvett koncentráció-idő görbe (ci (H , t )) (2.9. ábra).
32
2.9. ábra Egyedi komponens frontális kromatogramja
Ha az adszorbens töltet porozitása ε , az adszorpciós oszlop keresztmetszete A és a feldolgozandó folyadék térfogati sebessége B állandó az idő és hely függvényében, akkor a következő differenciál-egyenletet írhatjuk fel az adszorpciós oszlopra:
∂c ∂q ∂c B ⋅ i + (1 − ε ) ⋅ A ⋅ i + ε ⋅ A ⋅ i = 0 ∂z t ∂t z ∂t z
(2-6)
Az axiális keveredést elhanyagoltuk és feltételeztük, hogy a szilárd fázis átlagos i komponens koncentrációja qi az adszorbens szemcsében. Az oszlop keresztmetszete A. Tételezzük fel, hogy kis térfogati sebességeknél a folyadék és szilárd fázis az i komponensre nézve bármely z helyen és bármely t időpontban egyensúlyban van egymással (lokális, pillanatszerű egyensúly feltétele). A továbbiakban ezt egyensúlyi adszorpciónak nevezzük. Az egyensúlyi adszorpciót leggyakrabban az adszorpciós izotermákkal ábrázolják. Az adszorpciós izoterma kapcsolatot teremt a folyadékban oldott anyag koncentrációja és a szilárd fázisban lévő koncentráció között, a teljes koncentrációtartományra állandó hőmérsékleten. Az adszorpciós egyensúlyi izoterma legyen az alábbi összefüggéssel megadva: qi = f (ci )
(2-7)
33
az egyensúlyi adszorpció feltétele alapján: ∂q ∂c ∂c ∂c B ⋅ i + (1 − ε ) ⋅ A ⋅ i ⋅ i + ε ⋅ A ⋅ i = 0 ∂t z ∂z t ∂ci ci ∂t z
(2-8)
a (2-8)-at átrendezve:
∂ci ∂ci =0 + ∂ ∂ z t z t ∂q + (1 − ε ) i ∂ci ci B
A ε
(2-9)
írjuk fel a ci = (z , t ) függvény teljes deriváltját: ∂ci ∂t ⋅ ∂t z ∂z ci
∂z = −1 ⋅ ∂ci t
(2-10)
A (2-7) egyenlet alapján mondhatjuk, hogy qi legfeljebb ci -n keresztül függ z-től. a (2-9) és (2-10) egyenletekből:
∂z i = u ci = ∂t ci
v0 ∂q ε + (1 − ε ) i ∂ci
ci
=
v 1+ k'
(2-11)
ha ci≈0 akkor k'=
1 − ε ∂qi ε ∂ci
1− ε = K ε ci
(2-12)
A megfigyelt ci koncentrációjú folyadékelem haladási sebessége ( uci ) az adszorbens töltetben kisebb, mint a v0 / ε lineáris sebesség. A haladási sebességet az adszorpciós egyensúlyi izoterma ci helyen vett deriváltja határozza meg. Tekintsünk először egy olyan esetet, amikor az i komponens adszorpciós egyensúlya kedvezőtlen (2.10. ábra).
34
2.10. ábra Kedvezőtlen típusú adszorpciós egyensúlyi izoterma
a (2-11) egyenletet ci szerint deriválva az alábbi összefüggést kapjuk:
∂uci ∂ci
− (1 − ε ) =
∂ 2 qi v0 ∂ci2
∂q ε + (1 − ε ) c ∂ i ci
2
(2-13)
mivel d 2 qi du 〉 0 , ezért 〈0 2 dc i dci
(2-14)
Ez azt jelenti, hogy a kis ci koncentrációjú folyadék elemek az adszorbens töltetben gyorsabban haladnak, mint a nagyobb ci összetételű folyadék elemek. Tehát az adszorpciós front elnyúlik az adszorbens töltet hossza mentén, és az áttörési görbe sem éles. Arányos alakú adszorpciós frontok (2.11. ábra) alakulnak ki a lépcsős koncentráció függvény bemenetből.
35
2.11. ábra Arányos alakú adszorpciós frontok kialakulása
kedvező adszorpciós egyensúly (2.12. ábra) esetén a
d 2 qi du 〈 0 , ezért 〉0 2 dc i dci
(2-15)
2.12. ábra Kedvező típusú adszorpciós izoterma
Ebben az esetben a nagyobb ci
koncentrációjú folyadékelemek haladnak
gyorsabban, mint a kis ci összetételű folyadékelemek. Ennek következtében egy kezdeti tetszőlegesen csökkenő ci ( z ,t0 ) koncentráció eloszlásból lépcsős függvény alakul ki
36
megfelelően hosszú adszorpciós oszlopban. Ezeket a frontokat állandó alakú adszorpciós frontoknak (2.13. ábra) nevezzük.
2.13. ábra Élesedő adszorpciós frontok kialakulása a lépcsős függvény u haladási sebességét az alábbi képlettel számíthatjuk:
0, ci = 0 ci ,
ha
t 〈0
ha
t≥0
u=
v0 q0 ε + (1 − ε ) i0 ci
(2-16)
A lépcsős függvény haladási sebességét nem az adszorpciós egyensúlyi görbe deriváltja, hanem a 2.14. ábráján látható húr (differencia hányados) alapján számíthatjuk.
2.14. ábra Kedvező típusú adszorpciós izoterma, húr-komcentráció differencia ábrázolás A lépcsős függvény bemeneti koncentráció szigmoid adszorpciós izotermák esetén az adszorpciós oszlopban olyan koncentráció fronttá alakul, amelynek arányos és állandó alakú része is van (Golden-szabály) [39].
37
2.2.6. Az enantiomerek elválasztása kromatográfiás módszerrel
Az optikailag aktív vegyületek folyadékkromatográfiás elválasztására két alapvető módszer ismeretes, az indirekt és a direkt elválasztás. Az indirekt eljárás során a racém elegyből királis reagens segítségével diasztereomer párokat képeznek, melyeket akirális oszlopon már könnyen szét tudnak választani kromatográfiás eljárással. Mivel a diasztereomer pároknak eltérőek a fizikai és kémiai tulajdonságai, szét lehet őket választani akirális környezetben. Az indirekt módszer előnye, hogy kevésbé drága, hagyományos kromatográfiás oszlop használható; flexibilisebb (mivel nagyon sok akirális oszlop és mozgófázis áll rendelkezésre), számos kémiai származék lehetséges; a reagensek kevésbé költségesek, mint egy királis oszlopnál és különböző szelektivitásokat lehet megvalósítani. Másrészről a módszer hátránya a hosszú elemzési idő (pl.: minta előkészítése). Hogy visszanyerjük a tiszta enantiomereket, szintetizálni kell a tiszta reagenst és az enantiomerek összetétele megváltozhat a származékképzés miatti részleges racemizáció vagy a nem azonos reakciókészség miatt. Az enantiomerek indirekt módszerrel történő szeparációját GC-s, illetve HPLC-s eljárásokban sokáig alkalmazták, és még napjainkban is alkalmazzák számos feladat elvégzésére. Bioanalitikai területen gyakran alkalmazzák az indirekt módszert, mert az akirális HPLC-n történő diasztereomer szeparáció egyszerűbb a megfelelő álló- és mozgófázis feltételek rugalmassága miatt. Sok racém elegyet szét lehet választani hagyományos, akirális LC oszlopon úgy, hogy megfelelő királis vegyületet adnak a mozgófázishoz. Ilyen adalékok, mint az α, β és γ-ciklodextrinek jól beváltak ezen a területen. Ennek a technikának az előnye, hogy kevésbé drága, hagyományos LC kolonna és számos adalék alkalmazható és más-más szelektivitást lehet megvalósítani. Azonban ennek a technikának is vannak hátrányai; a sok királis segédanyag költséges és néha szintetizálni kell őket, az üzemeltetés bonyolult és alkalmatlan preparatív célokra, mert a királis adalékot el kell távolítani az enantiomereket tartalmazó oldatból. A
királis
oszlopon
történő,
királis
mozgófázist
alkalmazó
direkt
enantiomerszeparációt csak HPLC-ben alkalmaznak. A gázkromatográfiában a mozgófázis egy inert gáz, ahol a szelektív kölcsönhatás lehetősége a mintával vagy az állófázissal minimális. A HPLC-ben a mozgófázis dinamikus része a rendszernek, mely befolyásolja
38
mind a mintabeli, mind az állófázisbeli kölcsönhatásokat. Ennél a módszernél az enantiomer szeparáció úgy valósul meg, hogy egy átmeneti diasztereomer komplex jön létre a racém minta és a királis mozgófázis között. A királis szeparáció a diasztereomer komplexek közötti stabilitáskülönbségeken, a mozgófázisbeli oldhatóságon és/vagy a szilárdfázishoz való kötődésen alapszik. A diasztereomer komplex kialakulásának három lehetősége az átmenetifémion komplexek (ligandumcsere), ionpárok, és „befogadó” komplexek. Az általam használt királis HPLC állófázist alkalmazó enantiomerszeparáció egy átmeneti diasztereomer komplex kialakulásán alapszik. A diasztereomer komplex egy minta-CSP (Chiral Stationary Phase-királis állófázis) komplex, mely az enantiomerek és az állófázis nélkülözhetetlen részét képező királis molekulák között jön létre. Dolgozatomban többféle királis állófázist vizsgáltam analitikai HPLC-vel („screening”), ezek bemutatását a 6-8. fejezetekben részletezem [7, 9, 42, 44].
39
3. Mozgóréteges kromatográfia
3.1. Valódi mozgóréteges kromatográfia A szakaszos elúciós kromatográfia esetén az adszorbenssel töltött elválasztó oszlopon keresztül eluenst szivattyúzunk. Ebbe az eluens áramba adagoljuk a szétválasztandó elegyet, melynek komponensei a szilárd fázison való eltérő mértékű megkötődés következtében más-más időben hagyják el az oszlopot (3.1. ábra). Ebben az esetben a töltetnek csak az a része kihasznált, ahol a komponensek sávjai éppen tartózkodnak, illetve sok esetben a töltet regenerálására és ismételt előkészítésére is szükség van. Ez nagyban hozzájárul az ipari kromatográfiás elválasztás költségeinek növekedéséhez.
3.1. ábra A szakaszos kromatográfia elvi vázlata
Az elválasztás hatékonysága növelhető, és a művelet folyamatossá tehető, egy olyan rendszer alkalmazásával, ahol az adszorbens és az oldószer egymással ellenáramban mozog (3.2. ábra).
3.2. ábra A folyamatos kromatográfia elvi vázlata
40
A
folyamatos
kromatográfia
a
gyakorlatban
a
valódi
mozgóágyas
kromatográfiaként képzelhető el (3.3. ábra). A valódi mozgóágyas kromatográfiában (True Moving Bed chromatography, TMB) szilárd- és folyadékfázis egymással ellenáramban halad, miközben az elválasztandó elegy erősebben adszorbeálódó komponense („A”) a szilárd fázissal az extraktum (E) irányába, a kevésbé adszorbeálódó („B”) pedig az eluensárammal (S) a raffinátum (R) irányába mozog.
Szliárd recirkuláció
R B III
F A+B
II
E A
Folyadék recirkuláció
IV
I
D
S=E-F+R
3.3. ábra A True Moving Bed (TMB) kromatográfia elvi sémája (zárt eluens kör)
Mint ahogy az a 3.3. ábrán is látható, a szétválasztandó elegyet (Feed, A+B) folyamatosan a II. és III. zóna közé adagolják. Mivel az „A” anyag erősebben kötődik a szilárd fázis felületéhez, mint a „B”, ezért az előbbi a szilárd fázissal, míg utóbbi a folyadékfázissal
megegyező
irányba
fog
mozogni
a
készülékben,
megfelelően
megválasztott szilárd- és folyadékfázis sebességek esetén. A komponensek a II. és III. zónában az eltérő adszorpciós affinitásuk miatt szétválnak egymástól és a tiszta anyagokat az ábrán látható extraktum (nagyobb adszorpciós affinitású komponens – „A”), illetve raffinátum (kisebb adszorpciós affinitású komponens – „B”) kimeneteken nyerhetjük ki. Az I. zónában a szilárd fázis regenerálása történik friss eluenssel, a IV. zónában pedig az
41
oldószert regeneráljuk a már regenerált szilárd fázis segítségével. Így biztosítjuk, hogy az eluens és az adszorbens a mindenkori betáplálási helyhez visszavezethető legyen. A valódi mozgóágyas kromatográfia nehezen kivitelezhető (bár a nukleáris iparban ioncsere esetén megvalósították-Higgins), mivel a szilárd fázis egy oszlopon belüli mozgatása maga után vonja a töltet visszakeveredési, károsodási problémáit, illetve a műszaki megvalósítás igen nehéz lenne. Ezek kiküszöbölése megoldható az úgynevezett szimulált mozgóréteges kromatográfia (SMB) alkalmazásával [39, 45].
3.2. A szimulált mozgóréteges (Simulated Moving Bed, SMB) folyadékkromatográfia
A
szimulált
mozgóréteges
kromatográfiát
az
1960-as
évek
elején
szabadalmaztatták. Elsőként Broughton [46] alkalmazta a petrolkémiai iparban para-xilol C8-as szénhidrogén elegyből történő elválasztására. Az olajiparban még ma is eredményesen használják a módszert millió tonna/év volumenű gyártásra, melynek során főként zeolitokat alkalmaznak állófázisként. A berendezést sikeresen alkalmazták monoszacharidok
szeparációjára
is.
A
cukoriparban
ma
is
használják
az
SMB-t többféle mono- és oligoszacharid előállítására. Az első sikeres SMB-vel történt enantiomer elválasztásról 1992-ben Negawa és Shoji [47] számolt be, akik 1-feniletanolt választottak el Chiralcel OD oszlopon. Már akkor kitűntek az SMB kromatográfia szakaszos üzemű kromatográfiával szembeni előnyei, úgymint a jobb termelékenység (61:1 = SMB:szakaszos) illetve a csökkent fajlagos eluens felhasználás (1:87 = SMB:szakaszos). A
szimulált
mozgóréteges
kromatográfia
esetében
meghatározott
számú
adszorpciós töltetű kromatográfiás oszlop (általában 4-12) van sorba kötve. A betáplálási (F - feed, S - friss eluens) és elvételi pontok (E - extraktum, R - raffinát) négy zónára – I.II.-III.-IV. – osztják a berendezést (3.4. ábra). Az F betáplálási ponton keresztül egy kétkomponensű elegyet vezetünk a rendszerbe, amely elegy „A” és „B” komponensekből áll. Az „A” komponens erősebben kötődik az adszorbensen, mint a „B” (csakúgy, mint a TMB-nél bemutatott esetben). A betáplálás a folyadékáram irányába halad. A III. zónában frontális adszorpció következtében a töltethez kevésbé kötődő „B” gyorsabban halad, mint az „A” komponens
42
és hamarabb éri el az R raffinátum elvételi pontot. Az SMB-nél az adszorbens az oszlopokba van elhelyezve és vagy az oszlopok adott időközönkénti mozgatása révén, vagy a betáplálási és elvételi helyek a folyadék áramlási irányába történő adott időközönkénti léptetésével szimuláljuk az adszorbens mozgását. A két oszlopmozgatás vagy kapcsolás között eltelt időtartamra a kapcsolási idő vagy taktusidő (T) elnevezések terjedtek el, a betáplálási és elvételi helyek teljes körbefutását pedig ciklusnak hívják. Az I. zónában, amely az extraktum (E) elvételi pontig tart, tisztítjuk meg az adszorbenst a megkötődött komponensektől az eluens segítségével. A feladat tehát a szilárd fázis teljes regenerálása, mert ha a regenerálás nem tökéletes, akkor a felső ponton visszavezetett adszorbens „A” és „B” tartalma le fogja rontani a művelet hatékonyságát.
IV
R
F A+B II
Folyadék recirkuláció
Szliárd recirkuláció
B III
E A I
D
S=E-F+R
3.4. ábra A szimulált mozgóréteges (SMB) kromatográfia elvi sémája (zárt eluenskörű SMB)
A II. zónában, amely az extraktum kilépési pontjától a betáplálási pontig tart, a lefelé haladó adszorbensről az összes „B” komponenst deszorbeáltatni kell, azon csak „A” komponens maradhat, különben az extraktum áram „B” komponenssel lesz szennyezett.
43
A III. zóna, amely a betáplálási pont és a raffinátum (R) elvételi pont kötött helyezkedik el, feladata a betáplált elegy megtisztítása az „A” komponenstől. Mivel a raffinátumban csak tiszta „B” komponenst szeretnénk kapni, ezért a szegmensben adszorbeáltatni kell a teljes „A” mennyiséget. A IV. zónában, amely a raffinátum elvételtől a friss eluens betáplálási pontjáig tart, mindkét komponensnek tökéletesen meg kell kötődni az adszorbensen. A recirkulálandó eluens nem tartalmazhat „A” és „B” komponenseket, mert azok az első zónában megjelenve szintén lerontják az elválasztás hatékonyságát [45-50].
3.3. Az SMB elméleti ciklusa Egy négyoszlopos SMB-t feltételezve (M 3.1. melléklet) a következő folyamatokat figyelhetjük meg. Induláskor
az I., II., III., IV. adszorpciós oszlopok nem tartalmazzák sem a
gyengébben kötődő „B”, sem az erősebben kötődő „A” komponenst. Az 1. folyadék áramoltatási periódus során az F betáplálással adott mennyiségű „A”, „B” elegyet viszünk a III. oszlopra, ahol a frontális adszorpció következtében a „B” „előresiet”, míg az „A” „lemarad” az adszorpciós tölteten. Az R raffinátumban „B” terméket kapunk, majd az 1. folyadék áramoltatási periódust befejezve megtörténik az 1. oszlop „mozgatás”:
I.
oszlop helyére
II.
oszlop
II.
oszlop helyére
III.
oszlop
III.
oszlop helyére
IV.
oszlop
IV.
oszlop helyére
I.
oszlop kerül
A folyadék áramoltatási ideje, a periódus idő, más néven „oszlop léptetési idő” vagy taktusidő igen lényeges. A 2. folyadék áramoltatási periódus során a recirkuláltatott eluens és friss eluens a III. oszlopból „kimossa” a „B” komponenst és III. oszlopban csak „A” komponens marad, míg a IV. oszlop megköti a III.-ból eluált komponenseket („A” és „B”) és „B” komponenst „termel”, melyet a raffinátumban kapunk.
44
Helyesen beállított T léptetési idő és áramok (D, E, F, R, REC) esetén a „B” komponens nem tud „kifutni” az I. oszlopból. Ezután megtörténik a 2. oszlop „mozgatás”:
II.
oszlop helyére
III.
oszlop
III.
oszlop helyére
IV.
oszlop
IV.
oszlop helyére
I.
oszlop
I.
oszlop helyére
II.
oszlop kerül
A 3. folyadék áramoltatási periódus során már „A” terméket kapunk az E extraktumban, mely a III. oszlopból lép ki. A III. oszlopot tökéletesen kell regenerálnunk, nem maradhat benne „A” csak igen kis koncentrációban, mivel a következő 4. folyadék áramoltatási periódusban majd II. oszlop helyére kerül. Ha nem tökéletes a regenerálás, akkor az „A” a recirkuláltatott eluensbe kerül, ami a szeparációt rontja a későbbiekben. A 3. folyadék áramoltatási periódus végén a III. oszlop tökéletesen regenerált, a IV. oszlop tiszta „A” komponenst tartalmaz az I. oszlopban „A”, „A+B” és „B” komponensek találhatók. A II. oszlopba kis mennyiségű „B” jutott és az „R” raffinátumban „B” terméket vettünk el. A 3. folyadék átáramoltatási periódus utáni oszlop „mozgatás”:
III.
oszlop helyére
IV.
oszlop
IV.
oszlop helyére
I.
oszlop
I.
oszlop helyére
II.
oszlop
II.
oszlop helyére
III.
oszlop kerül
A 4. folyadék áramoltatási periódus végén a IV. oszlop tökéletesen regenerált állapotú. Az I. oszlop csak tiszta „A” komponenst tartalmaz, a II. oszlopban „A”, „A+B” és „B” komponensek találhatók, míg a III. oszlopba „B” komponens vándorol, de „B” nem fut ki a III. oszlopból. A 4. áramoltatási periódus végén következik a 4. oszlop „mozgatás” melynek eredményeként visszajutunk a teljes ciklus kezdetére:
IV.
oszlop helyére
I.
oszlop
I.
oszlop helyére
II.
oszlop
45
II.
oszlop helyére
III.
oszlop
III.
oszlop helyére
IV.
oszlop kerül
Az egyes oszlopmozgatásokat grafikusan a 3.5. ábra szemlélteti. Az elméleti ciklus alapján az alábbi következtetéseket vonhatjuk le a négyoszlopos SMB-re vonatkozóan az 5. folyadék áramoltatási periódus végén: Az I. oszlopnak tökéletesen regeneráltnak kell lenni, sem „A”, sem „B” nem maradhat a tölteten. A II. oszlopon tiszta „A” komponens maradhat, az összes „B” komponensnek át kell kerülnie a III. oszlopba. A III. oszlopból csak „B” komponens távozhat az áramoltatási periódus végéig, „A” nem „törhet át” a III. oszlopon. A IV. oszlopba csak „B” komponens juthat, de „B” nem törhet át a IV. oszlopon [45].
1. részperiódus 2. részperiódus 3. részperiódus 4. részperiódus
3.5. ábra Az SMB készülék folyamatábrája
46
3.4. Elméleti analízis lineáris adszorpciós izotermák esetén Legyen érvényes az egyensúlyi adszorpcióra felírható alábbi komponens mérleg egyenlet: (A „k” komponens indexet most nem használva)
∂q ∂c ∂c + ε A = 0 Bf + (1 − ε ) A f ∂ t z ∂ z t ∂ t z
(3-1)
Lineáris adszorpciós egyensúlyi izotermát tételezünk fel q = K c
(3-2)
A c koncentrációjú folyadékelem sebessége az oszlopban u/c a de-Vault egyenlet alapján:
Bf ∂z Af = u / c = ε + (1 − ε )K ∂ t c
(3-3)
Az oszlop szilárd adszorbenssel van töltve, ezért nem tölti ki a teljes térfogatot. Az oszlopot ezért jellemezhetjük az összes porozitással, mely:
ε =εT + ε P ahol
(3-4)
ε : az összes porozitás
ε T : a töltet szemcséi közötti szabadtérfogat ε P : a töltet belső porozitása, értéke függ a szétválasztandó anyagoktól ε P = ε makro + ε mezo + ε mikro
(3-5)
Esetünkben „A” és „B” kétkomponensű elegyet vizsgálunk, melyek adszorpciós egyensúlyi megoszlási hányadosa KA illetve KB [39, 45].
47
3.5. Morbidelli-féle paraméterek meghatározása Vizsgáljuk meg az SMB kromatográf III. oszlopát. Tételezzük fel, hogy az adszorbens nem tartalmaz sem „A” sem „B” komponenst és T ideig az oszlopra „A” és „B” elegyet táplálunk be [45, 51]. Mivel az adott oszlopban a térfogati sebesség D-E+F, ezért az „A” és „B” komponensek sebessége a III. oszlopban a következő:
uA =
uB =
D−E+F Af
(3-6)
ε + (1 − ε ) K A D−E+F Af
(3-7)
ε + (1 − ε ) K B
A III. oszlop hossza L és az oszlop keresztmetszete Af. „A” nem „léphet ki” a III. oszlopból, viszont „B”-nek el kell hagynia a III. oszlopot:
D−E+F Af < ε + (1-ε)KA ε + (1-ε)KB < L T
KB <
D−E+F T − Lε Af L(1 − ε )
< KA
(3-8)
(3-9)
KB < mIII < KA Az SMB kromatográf II. oszlopára a következőket írhatjuk fel: „B” komponensnek el kell hagynia a II. oszlopot, de „A” nem „törhet át”:
D−E Af ε + (1 − ε ) K B 〈 〈 ε + (1 − ε ) K A L T
KB 〈
D−E T − Lε Af L (1 − ε )
〈KA
(3-10)
(3-11)
KB < mII < KA
48
Az SMB kromatográf I. oszlopában „A” komponens nem maradhat, tehát a regenerálásnak tökéletesnek kell lennie:
mI =
D T − Lε Af L (1 − ε )
〉 KA
(3-12)
Az SMB kromatográf IV. oszlopából „B” komponens nem léphet ki:
mIV =
( D − E + F − R) T − Lε Af L (1 − ε )
〈 KB
(3-13)
Ezek a feltételek szükségesek ahhoz, hogy egy kétkomponensű „A”, „B” elegyet tiszta „A” és „B” komponensekre tudjunk elválasztani.
összefoglalva: mIV < KB KB < mIII < KA KB < mII < KA m I > KA
3.6. ábra Morbidelli féle háromszög lineáris adszorpciós izotermák és független adszorpció esetén Ha mII < KB és KB < mIII < KA akkor tiszta „B”-t lehet előállítani a raffinátumban, de „A” nem tiszta (2-es tartomány). Ha mIII > KA és KB < mII < KA akkor tiszta „A”-t lehet előállítani extraktumban, de „B” nem tiszta (3-as tartomány). A fenti tartományokon kívül csak „A” és „B” keveréket előállítani az extraktumban és raffinátumban (4-es tartomány). Az 1-es tartományban dolgozik az SMB, ezen belül is a derékszögű háromszög csúcsán maximális kihasználtsággal.
49
3.6. Elméleti analízis nem lineáris adszorpciós izotermák esetén Ha az előző fejezetben megadott egyensúlyi adszorpció elméleti leírása során nem teljesül a lineáris adszorpciós egyensúlyi izoterma és a független adszorpció feltétele, akkor a Morbidelli-féle háromszög módosul (3.7. ábra) [45, 51].
3.7. ábra A Morbidelli - féle háromszög változása kompetitív Langmuir izoterma esetén
A fenti ábrán látható, hogy a teljes szeparációs régió négy fő területre oszlik fel, úgymint az 1. ahol az E+R termékáramok tiszták; a 2. ahol csak a raffinátum árama tiszta; a 3. terület, ahol az extraktum árama tiszta; a 4. az „A” és „B” keveréke, ahol nem lehet tisztán kinyerni a komponenseket. Legyen érvényes a kétkomponensű kompetitív Langmuir adszorpciós izoterma: qi =
ai ci a i ci = 1+ b1c1 + b2 c2 1+ bA c A + bB c B
i = 1, 2 illetve i = A, B
(3-14)
50
A tiszta „A” és „B” komponensek egyidejű előállításának feltétele módosul. m I > KA mII,min (mII, mIII) < mII < mIII < mIII,max (mII, mIII) mIV < mIV, Kr m IV , Kr =
1 [K B + m III + bB c BF (m III − m II ) − 2
[K
]
2
B
+ m III + bB c BF (m III − m II ) − 4a B m III
]
(3-15)
ahol az F jelölés az SMB betáplálási Feed áram megnevezése.
A 3.7. ábra magyarázata:
a pont
KA = K A
b pont
KB = KB
f pont
ωG = ω G
ω G2 ω G [ω F ( K A − ω G ) ( K A − K B ) + K B ω G ( K A − ω F )] r pont , K A K B (K A − ω F ) KA K ω ω [ω ( K A − K B ) + K B ( K B − ω F )] w pont B G , G F K B (K A − ω F ) KA ahol ωF és ωG (ωG > ωF > 0) az alábbi egyenlet gyökei (1 + bAcAF + bBcBF)ω2 - [KA(1 + bBcBF) + KB(1 + bAcAF)]ω + KAKB = 0
(3-16)
A 3.8. ábrán láthatjuk, hogy a kompetitív Langmuir izoterma miatt jelentősen megváltozik a Morbidelli háromszög alakja és területe, melyet a betáplálási koncentráció és összetétel értéke és a reális hatások, adszorpciós kinetika - komponens transzporttal szembeni ellenállás - axiális keveredés és az oszlop töltet hatásossága is befolyásol (biLangmuir izotetma esetén a 10.1.1. fejezetben igazolni fogom, hogy a Morbidelli tartomány jelentősen változik).
51
3.8. ábra A betáplálási koncentráció változás hatása a Morbidelli-féle háromszögre (L = c~0 g/l; 1<2<3<4 = c1 < c2 < c3 < c4 )
A betáplálási koncentrációt növelve a háromszög területe csökken alakja torzul, míg az adszorpciós egyensúly paraméterek értékei ugyanolyanok. Ez rossz hatással van az enantiomerek elválasztására. Az anyagmérleg azt mutatja, hogy a termelékenység maximális a betáplálási koncentráció növelésével, és megközelít egy határértéket. Míg a termelékenység javul, úgy az elválasztás stabilitása érzékenyebbé válik a betáplálási koncentráció növelésével. Így a legjobb koncentráció értéket kell megválasztani figyelembe véve a komponens oldhatóságát, hogy egy optimális munkapontot találjunk.
52
4. Enantiomerek SMB berendezéssel történő elválasztása
4.1. A tervezési paraméterek rögzítése A legfontosabb, de sokszor a legtöbb nehézséggel járó probléma az alkalmazásra kerülő módszer tervezési paramétereinek megfelelő rögzítése. Az eljárás megkezdése előtt néhány fontosabb szempontot mérlegelni kell. Ilyen például a tisztaság (enantiomer tisztaság illetve kémiai tisztaság) kérdése. Minél szigorúbbak ugyanis a tisztasági követelményeink, annál kisebb lesz a rendszer várható teljesítménye. Néhány esetben jó megoldásnak ígérkezik a tisztaság növelése, a kromatográfiás művelethez csatolt kristályosítással. Ez utóbbi különösen hatékony lehet az előzetesen már a számunkra hasznos enantiomerben dúsított minták esetében. A kívánt enantiomer kihozatala is egy lényeges szempont. Mindenekelőtt el kell döntenünk, hogy mindkét, vagy csak az egyik enantiomert akarjuk-e tisztán kinyerni. Ennek függvényében kell az SMB oszlopok koncentráció profilját optimalizálni annak érdekében, hogy a kívánt enantiomer(eke)t a lehető legnagyobb tisztaságban és kihozatallal, jó termelékenységgel és oldószer fajlagossal nyerhessük ki. A tervezési paraméterek rögzítésénél figyelembe kell venni a későbbi feldolgozási lépéseket is.
4.2. A királis állófázis és az eluensrendszer kiválasztása, az oldódási tulajdonságok és a szelektivitás vizsgálata
Az 1980-as évektől kezdve egyre több királis töltet került forgalomba. Az ezeknél használatos mozgófázisokat is számításba véve, számtalan lehetséges kombináció adódik. A feladat tehát, hogy ezek közül az adott szeparációs probléma figyelembevételével a legmegfelelőbbet válasszuk ki. Dolgozatom korábbi részében már bemutattam a leggyakrabban alkalmazott királis tölteteket. A közülük történő választás általában a korábbi mérések tapasztalatai és irodalmi adatok alapján történik. Egy lehetséges választási módszert mutat be a 4.1. ábra.
53
A minta
Disszociatív ? Erősen
Gyengén
AD, AS, OD Nem
Nem Nem Aromás vegyületek
Foszforsav vagy szulfonsav
Igen Csak aromások
Nem
Igen
OB, OA, AS
CR
Igen Aromás észterek
Nem
Ciklo-alkánok vagy laktonok
OT, OP, OD
Nem
Igen
OJ, OB-H, OB, CA-1
Nem
Igen α – hidroxikarbonsav
Igen Ciklo-alifások
Igen
Igen
Primer amin
Nem
MA(+)
Igen Egyéb
OD-H, OD, AD, OG, OF, AS
Nem Aminosav származékok
Igen
OJ, OB WH, WE, WM, OD-R
Nem
OD-R FORDÍTOTT FÁZIS
NORMÁL FÁZIS
4.1. ábra A királis töltet kiválasztásának menete [6]
Az oldószer összetételét az előzetesen már kiválasztott királis töltet esetén úgy kell megválasztani, hogy az ne károsítsa azt, illetve a másik fő szempont, hogy a racemát jól oldódjon benne. Az elválasztás a mozgófázis minőségével jelentősen befolyásolható, ezért ennek a megválasztását nagy körültekintéssel kell végezni. Kis változtatás a mozgófázis összetételében megváltoztatja a molekuláris kölcsönhatásokat, ezzel a komponensek visszatartását és ezen keresztül a szelektivitást is módunkban áll befolyásolni. (Ezt a folyamatot nevezzük az oldószer összetétel optimálásának.) A királis töltet és a mozgófázis polaritásának viszonya alapján normál fázisú (Normal phase, NP) és fordított fázisú (Reverse phase, RP) kromatográfiáról beszélhetünk. Az adszorpciós normál fázisú HPLC folyadékkromatográfiában az eluens, azaz a mozgófázis megválasztásának kritikus szerepe van. A mozgófázisként használt oldószerek kiválasztásakor több szempontot kell figyelembe venni. A fenti szempontok alapján az oldószernek apolárisnak, kis viszkozitásúnak, jó UV-fény áteresztőképességűnek, nem túl illékonynak és kevésbé toxikusnak kell lennie. Általában nem egyetlen oldószert alkalmaznak mozgófázisként, hanem biner- vagy terner
54
oldószerelegyeket. Alap oldószernek általában szénhidrogéneket, úgymint n-hexánt, nheptánt vagy izooktánt alkalmaznak. A retenciós időt az általunk megadott tartományba állíthatjuk úgy, ha ehhez egy másik, polárisabb oldószert (diklór-metán, észterek, éterek, alkoholok, acetonitril) adunk. Az erősen poláris oldószereket modifikátornak nevezzük. A leggyakrabban modifikátorként alkalmazott anyagok az alkoholok (1-5 v/v %).
4.3. Az SMB berendezés állandósult állapotának meghatározására szolgáló szimulációs szoftver kiválasztása, a műveleti feltételek optimalizálása
A számítógépes szimuláció nagymértékben megkönnyítheti a kutatási munkát, mivel megtakaríthatjuk a méréshez szükséges anyagokat, valamint a folyamat modellezésének ideje törtrésze a laboratóriumi mérés időszükségletéhez képest. A valóságos vizsgálat költségeit növeli még a termékek/minták (általában HPLC-vel vagy GC-vel történő) elemzésének költsége is, ami a számítógépes modellezéskor szintén nem jelentkezik. A szimulációs eredmények értékelésénél viszont figyelembe kell venni azt, hogy a program által használt modell mennyire közelíti meg a valóságos SMB rendszer tulajdonságait. Ezért a szimuláció eredményeit alá kell támasztani valós mérésekkel is. Egy kromatográfiás rendszer viselkedését három fő jelenség befolyásolja. Az adszorpciós termodinamika, amit az egyensúlyi izotermákkal lehet leírni. Az izotermák minden egyes királis töltetre megadják annak enantioszelektív telítési kapacitását. A kolonna hidrodinamikája, vagyis a porózus közegen áthaladó folyadék áramlási tulajdonságai, illetve az anyagátadási kinetika. A többkomponensű kromatográfia modellezése azt jelenti, hogy ezen három jelenséget egyesítjük a matematikai egyenletekkel. Ezen bonyolult feladatot a szimulációs szoftverek látják el. Ezek szolgáltatják az SMB mérés műveleti paramétereit. A szoftver tehát numerikusan megoldja a kolonna egy elemi differenciális részére felírt tömegmérleg egyenleteket. Korábban rendelkezésre álltak a KROM-N és SMB-KROM-N programok, melyeket továbbfejlesztve (8.8.1. fejezet) a KROM-Chir illetve SMB-Chir programokat használtam a modellezéshez.
55
A kezdeti szimulációt a Dr. Argyelán János modelljén alapuló, Kondor Attila és Kiss Krisztián által tovább-fejlesztett programmal végeztem el. A szoftver kiszámolja a koncentrációkat az idő és a hely függvényében is, a kiszámolt eredményeket pedig állományokban tárolja el. A program képes egy maximálisan 20 oszlopból álló oszloprendszer adatait kiszámolni, lineáris, kompetitív Langmuir-, és kompetitív biLangmuir-izotermákat tud alkalmazni. A szimulációk eredményeit grafikusan is ábrázolhatjuk, illetve a szakirodalom által használt négy legfontosabb paraméter is számolható belőlük.
Az eljárás során kapott termékáramok tisztasága a következő összefüggésekkel számolható:
a „B” komponens tisztasága a raffinátumban:
X RB =
R ⋅ c RB ⋅ T [m / m %] R ⋅ c RB ⋅ T + R ⋅ c RA ⋅ T
(4-1)
az „A” komponens tisztasága az extraktumban:
X EA =
ahol:
E ⋅ c EA ⋅ T [m / m %] E ⋅ c EA ⋅ T + E ⋅ c EB ⋅ T
(4-2)
R : a raffinátum térfogati sebessége [cm3/perc] c BR : átlagos „B” koncentráció a raffinátumban [mg/cm3] c AR : átlagos „A” koncentráció a raffinátumban [mg/cm3] T : taktusidő [perc] E : az extraktum térfogati sebessége [cm3/perc] c BE : átlagos „B” koncentráció az extraktumban [mg/cm3] c AE : átlagos „A” koncentráció az extraktumban [mg/cm3]
56
Az eljárás kihozatala, vagyis az adott komponens termékbeli és betáplálásbeli mennyiségének viszonya: „B” komponensre:
ηB =
R ⋅ c BR ⋅ T .100 [%] F ⋅ c BF ⋅ T
(4-3)
„A” komponensre:
ηA =
ahol:
E ⋅ c AE ⋅ T .100 [%] F ⋅ c AF ⋅ T
(4-4)
F : a betáplálás térfogati sebessége [cm3/perc] c BF : a „B” koncentráció a betáplálásban [mg/cm3] c AF : az „A” koncentráció a betáplálásban [mg/cm3]
Az eljárás termelékenysége, azaz az egységnyi tömegű töltet által egységnyi idő alatt termelt termék mennyisége: „B” komponensre vonatkoztatva:
PB =
mg B R ⋅ c RB ⋅ T g töltet ⋅ min 2 db ⋅ π ⋅ L ⋅ ρH ⋅ T ⋅ N 4
(4-5)
„A” kompononensre:
PA =
ahol:
mg A E ⋅ c EA ⋅ T g töltet ⋅ min 2 db ⋅ π ⋅ L ⋅ ρH ⋅ T ⋅ N 4
(4-6)
d b : az oszlop belső átmérője [cm] L : az oszlop hossza [cm]
57
ρ H : a töltet halmazsűrűsége [g/cm3] N: a rendszer oszlopainak száma [db].
A fajlagos eluens felhasználás, vagyis az adott komponens egységnyi tömegének kinyeréséhez szükséges oldószer mennyisége: „B” komponensre nézve:
S FB =
cm 3 eluens mg B termék
(4-7)
S ⋅ T cm 3 eluens E ⋅ c EA ⋅ T mg A termék
(4-8)
S ⋅T R ⋅ c RB ⋅ T
„A” komponensre:
S FA =
ahol: S : a friss eluens térfogati sebessége [cm3/min]
A műveleti paraméterek optimalizálása azt jelenti, hogy az imént ismertetett paramétereket kiszámoljuk az egyes szimulációkra, majd ezeket az adott elválasztási feladat tekintetében értékeljük, és közülük a számunkra legmegfelelőbbet kiválasztjuk. Az így kiválasztott műveleti paraméterekkel végezzük el aztán a laboratóriumi kísérleteket.
58
III. KÍSÉRLETI RÉSZ 5. Célkitűzés A Ph.D. dolgozat kidolgozását az alábbi kutatási-fejlesztési feladat részeként valósítottam
meg:
VIKKK
”Királis
vegyületek
elválasztására
alkalmas
folyadékkromatográf (SMB-LC) fejlesztése” 2004-2007. A feladat a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. Preparatív Kromatográfiás Osztályán egy gyógyszer hatóanyag (API) szerves kémiai szintézise során keletkező optikai izomer keverékek – S és R, illetve SS és RS, valamint 4R6S és 4S6S – elválasztása szimulált mozgóágyas folyadékkromatográfiás módszerrel és csatolt bepárlásos hűtéses kristályosítással. Ezen három optikai izomer keverék elválasztása volt a cél a leggazdaságosabb működési paraméterek megkeresésével. 99 m/m %-nál nagyobb tisztaságban kívántam előállítani az S, illetve RS, valamint a 4R6S optikai izomereket kiindulási optikai izomerek keverékéből 90 %-nál magasabb kihozatallal, maximális termelékenységgel és minimális eluens fajlagossal. A kutatás fejlesztés célja annak megkeresése, hogy a szintézis hányadik egymást követő lépése után lehet megvalósítani a leggazdaságosabban az optikai izomerek elválasztását. Az analitikai HPLC vizsgálatokat („screening”) Chiralcel OD, -OD-H, -OJ, -AD és -AS, tölteteken végeztem. A töltetek szilikagélre felvitt cellulóz illetve amilóz alapú királis szelektorokat
tartalmaznak.
Főként
szteroidok,
egyszerű
funkciós
vegyületek
elválasztására alkalmasak. A töltetek hátránya, hogy az oldószereknek csak egy meglehetősen szűk csoportjánál alkalmazható. A legtöbb olyan oldószer, amit a HPLC-ben gyakran alkalmaznak eluensként – mint például az aceton, a kloroform, az etil-acetát, a metilén-klorid, a THF – még igen kis mennyiségben is tönkreteheti. Ezt a hátrányt küszöbölték ki egy a közelmúltban forgalomba hozott töltettípusnál, a Chiralpak-IA és -IBnél. Ezek már nem fizikai lecsapással felvitt („borított”), hanem immobilizált, kémiailag kötött királis szelektorokat tartalmaznak, igy ezek oldószerálóbb polimerizátumok. A különböző tölteteket az 5.1. ábra és esetükben alkalmazható eluenseket az 5.1. táblázat szemlélteti [52-57].
59
Chiralcel OD-H, OD
Cellulóz trisz(3,5-dimetilfenil-karbamát)
5 µm, 20 µm Chiralpak IB 5 µm
Cellulóz trisz(3,5-dimetilfenil-karbamát) oldószerállóbb polimerizáció
Chiralcel OJ 20 µm
Cellulóz trisz(4-metil-benzoát)
Chiralpak AD
Amilóz trisz(3,5-dimetilfenil-karbamát)
20 µm Chiralpak IA 5 µm Chiralpak AS
Amilóz trisz(3,5-dimetilfenil-karbamát) oldószerállóbb polimerizáció Amilóz trisz((S)-α α-metil-benzilkarbamát)
5 µm
5.1. ábra Az analitikai HPLC vizsgálatok („screening”) során használt királis állófázisok
Chiralcel OD, OD-H, OJ, AD, AS Chiralpak IA, IB alkánok, alkoholok acetonitril tiszta alkoholok metil-terc-butil-éter tetrahidro-furán diklór-metán kloroform etil-acetát dioxán aceton toluol 5.1. táblázat A különböző töltetek esetén alkalmazható oldószerek
60
6. Az SS és RS izomerek analitikai HPLC elválasztásának vizsgálata BÉ elegyből
A BÉ nevű SS és RS optikai izomer keverék elválasztásra legmegfelelőbb töltet és eluensrendszer kiválasztása esetén a céltermék az RS izomer. A keverék 2,15:7,85 tömegarányban tartalmazta az SS és RS izomereket. A szóba jöhető királis állófázisok és eluensek megtalálása egy a Daicel cég által kiadott referenciakönyv segítségével történt (4.1. ábra). A rövidség kedvéért csak a legjobb elválasztás eredményeit közlöm a BÉ elegy esetén. A „screening” kísérletek során a 5.1. ábrán látható Chiralpak IB (dsz = 5 µm) királis tölteten vizsgáltam a SS, RS optikai izomer keverék minta elválasztását laboratóriumi GILSON HPLC készülékkel (6.1. ábra) 20ºC-on; n-hexán:i-propilalkohol, metil-tercierbutil-éter:etanol,
metil-tercier-butil-éter,
n-hexán:metil-tercier-butil-éter,
n-hexán:etil-
acetát, n-hexán:kloroform, n-hexán:diklórmetán eluensekben. A CHIRALPAK IB a Daicel cég poliszacharid-alapú tölteteinek új generációja. Anyagában megegyezik a CHIRALCEL OD-H töltettel, a különbség az, hogy a 3,5-dimetil-fenil-karbamátot keresztkötéssel rögzítették a szilikagél felületére, ezáltal növelve annak oldószer ellenállóságát. A mintákat 254 nanométer UV hullámhosszon detektáltam.
6.1. ábra Az analitikai mérésekre használt Gilson HPLC készülék Ahogy
a
6.1.
táblázatban
is
látható
a
legkedvezőbb
elválasztást
( α RS / SS = 1,828 értéket) n-hexán:i-propilalkohol = 95:5 v/v % eluens esetén kaptam. Ebben
61
az esetben az SMB elválasztás gazdaságosan valósítható meg. Az n-hexán:etil-acetát eluens szelektivitása kedvezőbb ( α RS / SS =1,999), azonban megnehezíti a kristályosítási lépés csatolását az SMB berendezéshez, ugyanis a gőz-folyadék egyensúly miatt nehéz tiszta n-hexánt nyerni a bepárlás során.
Mérési körülmények: D b = 0,46 cm L = 25 cm ε = 0,7 (TTB módszerrel)
ahol:
B≅1
cm 3 min
Vk ε = 2,9 min B t −t α RS / SS = RS 0 t SS − t 0 t0 =
Vk = 4,152 cm 3 Vk ⋅ ε = 2,9 cm 3
D b : az oszlop belső átmérője [cm] L : az oszlop hossza [cm]
VK : a kolonna térfogata [cm3] t 0 : a holtidő [min]
ε : összporozitás [-] B: betáplálási térfogatáram [cm3/min]
α RS / SS : szelektivitási tényező [-]
Eluens n-hexán:IPA n-hexán:IPA n-hexán:IPA MTBE:EtOH MTBE n-hexán:MTBE n-hexán:MTBE n-hexán:EtAc n-hexán:EtAc n-hexán:EtAc n-hexán:kloroform n-hexán:DKM
Összetétel [v/v %] 95:5 92:8 90:10 99:1 100 70:30 30:70 85:15 75:25 70:30 65:35 40:60
BÉ keverék tSS-t0 [perc] 21,14 10,82 7,83 2,08 3,11 9,4 42,63 13,36 8,61 9,45 -
tRS-t0 [perc] α RS / SS 38,64 1,828 18,58 1,717 12,98 1,658 2,65 1,274 3,85 1,238 12,21 1,299 85,2 1,999 25,09 1,878 15,72 1,826 16,07 1,701 -
6.1.táblázat A BÉ optikai izomer elválasztása Chiralpak-IB tölteten 20°C-on
62
7. Az 4S6S és 4R6S izomerek analitikai HPLC elválasztásának vizsgálata AC elegyből A keverékben 6,5:3,5 = 4R6S:4R6R a komponensek tömegaránya. Ebben az esetben a céltermék a 4R6S izomer. A szóba jöhető királis állófázisok a Daicel cég által kiadott referenciakönyv alapján: Chiralcel OD-H, -OJ, Chiralpak IA, -AD, -AS (dsz = 5 µm). Az előzőekhez hasonlóan vizsgáltam a 4S6S, 4R6S optikai izomer keverék minta elválasztását laboratóriumi GILSON HPLC készülékkel 20ºC-on n-hexán:i-propilalkohol; n-hexán:metil-tercier-butil-éter, n-hexán:etanol; n-hexán:metanol és n-hexán:acetonitril eluensekben. A mintákat 254 nanométer UV hullámhosszon detektáltam. Ahogy a 7.1. táblázatban is látható a legkedvezőbb elválasztást ( α 4 R 6S / 4S6S = 1,33 ) Chiralpak AD tölteten (dsz = 5 µm) n-hexán:i-propilalkohol = 99:1 v/v % eluens esetén kaptam.
Mérési körülmények:
ε = 0,7 (TTB módszerrel) B ≅ 1
Eluens
cm 3 min
Vk ε = 2,9 min B −t t α 4 R 6S / 4 S 6S = 4 R 6S 0 t 4S 6 S − t 0 t0 =
D b = 0,46 cm L = 25 cm Vk = 4,152 cm 3 Vk ⋅ ε = 2,9 cm 3
Töltet
Összetétel
n-hexán:IPA
[v/v %] 99,8:0,2
Chiralcel OD-H
n-hexán:IPA
99:1
αR/S=1,154
n-hexán:IPA
98:2
αR/S=1,196 αR/S=1,141
n-hexán:IPA
95:5
n-hexán:IPA:AcN
80:10:10
n-hexán:AcN
98:2
αR/S=1,197
Chiralcel OJ
Chiralpak AS
n-hexán:MTBÉ
80:20
αR/S=1,178
n-hexán:Met-OH
99,75:0,25
αR/S=1,238
αR/S=1,047
n-hexán:Met-OH
99:1
αR/S=1,066
αR/S=1,066
n-hexán:Met-OH
99,5:0,5
Chiralpak AD
Chiralpak IA αR/S=1,252
αR/S=1,33
αR/S=1,17
αR/S=1,237
αR/S=1,18
αR/S=1,253
αR/S=1,119
αR/S=1,056
7.1. táblázat Az AC optikai izomer keverék elválasztása különböző tölteteken, különböző eluensekkel
63
8. Az S és R izomerek elválasztása az EÉ racém elegyből 8.1. A királis kromatográfiás töltetek és eluensek kiválasztása analitikai HPLC-vel A keverékben 50 m/m % az S és 50 m/m % az R izomer aránya. Ebben az esetben a céltermék az S izomer. A „screening” kísérleteknél szóba jöhető királis állófázisok a Daicel cég által kiadott referenciakönyv alapján: Chiralcel OD-H, -OJ, Chiralpak IA, -AD, -AS (dsz = 5-20 µm). Az előzőekhez hasonlóan vizsgáltam az S, R optikai izomer keverék minta elválasztását laboratóriumi GILSON HPLC készülékkel 20ºC-on n-hexán:i-propilalkohol;
n-hexán:etanol;
n-hexán:i-propilalkohol:acetonitril;
tiszta
acetonitril;
acetonitril:metil-alkohol; tiszta etanol; n-hexán:metil-tercier-butil-éter; n-hexán:metiltercier-butil-éter:etil-alkohol; n-hexán:metanol; n-hexán:diklór-metán; n-hexán:i-propilalkohol:etil-alkohol; n-hexán:i-propilalkohol:metil-alkohol és n-hexán:etil-alkohol:metilalkohol eluensekben. A mintákat 254 nanométer UV hullámhosszon detektáltam. Eluens n-hexán:IPA
Töltet
Összetétel [v/v %] 70:30
Chiralcel OD-H
Chiralcel OJ αR/S=1
Chiralpak AS
Chiralpak AD
Chiralpak IA
αR/S=1
αR/S=1,08
n-hexán:IPA
80:20
αR/S=1,17
αR/S=1,196
n-hexán:IPA
90:10
αR/S=1,173
αR/S=1
n-hexán:IPA
97,5:2,5
n-hexán:IPA
95:5
αR/S=1,19
αR/S=1
n-hexán:Et-OH
95:5
αR/S=1,122
n-hexán:IPA:AcN
80:10:10
AcN
100
k'S=0,24
αR/S=1
AcN-Me-OH
80:20
αR/S=1
αR/S=1
Etanol
100
n-hexán:MTBÉ
80:20
αR/S=1,06 αR/S=1,03
αR/S=1
αR/S=1 k'S>20
n-hexán:MTBÉ
60:40
k'S=6,10
n-hexán:MTBE:Et-OH
(60:40)+5% Et-OH
k'S=1,086
n-hexán:Met-OH
99:1
αR/S=1,12
n-hexán:Et-OH
99:1
αR/S=1,11
n-hexán:DKM
75:25
n-hexán:IPA:EtOH
95:2,5:2,5
αR/S=1,15
n-hexán:IPA:MetOH
95:2,5:2,5
αR/S=1,05
n-hexán:IPA
95:2,5:2,5
αR/S=1,05
αR/S=1,03
8.1. táblázat Az EÉ optikai izomer elválasztása különböző tölteteken, különböző eluensekkel
Ahogy a 8.1. táblázatban is látható a legkedvezőbb elválasztást Chiralcel OD-H tölteten (dsz = 5 µm) n-hexán:i-propilalkohol eluens esetén kaptam a szelektivitás miatt ( α R / S = 1,19), így ezen rendszer további vizsgálatát folytattam.
64
8.2. Töltetvizsgálatok A BET fajlagos felület meghatározása ASAP készülékkel történt, cseppfolyós nitrogén hőmérsékletén mért adszorpciós izotermából. A deszorpciós ágból mezopórus méreteloszlás, BET egyenlet alapján BET felület meghatározás, az izoterma 0,1 > p/ps alatti tartományból mikropórus térfogat és felület meghatározás vizsgálatot végeztünk. A vizsgált töltet 20 µm-es Chiralcel OD (lásd 8.1. ábra). BET vizsgálat eredményeképp kapott felület 59,97 m2/g, a BJH felület 51,41 m2/g, a porozitás εp = 0,22 cm3/g, az átlagos pórusméret dpórus = 11,65 nm.
d b2π L = 19,63 cm 3 4
Az oszlop üres térfogata:
Vüres =
A töltet tömege:
mtöltet = 11,92 g
Halmazsűrűség:
ρH =
D b = 1cm L = 25 cm
mtöltet g töltet 11,92 g = = 0,6 3 3 Vüres 19,63 cm cm oszlop
(8-1) (8-2) (8-3)
A kolonna holttérfogata a t0 holtidőhöz tartozó térfogat (gravimetriásan):
V holttér = 13,148 cm 3
(8-4)
A kolonna összporozitása a kolonna holttérfogatának és ürestérfogatának hányadosa:
Vholttér 13,148 cm 3 ε= = = 0,67 Vüres 19,63 cm 3
(8-5)
Az összporozitás a töltet szemcseközti ε T és a szemcséken belüli ε P porozitás összege:
ε P + ε T = 0,22 + 0,4515 = ∑ ε = 0,67
(8-6)
A Wang és társai által publikált [53, 54] TTB (1,3,5-tri-terc-butil-benzol) módszer alapján az összporozitás erre a töltetre ε = 0,67.
8.1.ábra A Chiralcel OD töltet elektronmikroszkópos képe [7]
65
8.3. Adszorpciós egyensúly, elméleti tányérszám (NTP), elméleti tányér-magasság (HETP), szelektivitás, nyomásesés és a műveleti paraméterek meghatározása
Az S (gyengébben kötődő vagy (−) vagy 1. komponens) és az R (erősebben kötődő vagy (+) vagy 2. komponens) optikai izomerek egyensúlyi adatait SUPELCO gyártmányú preparatív HPLC oszlopon (belső ármérő: Db = 1cm, oszlophossz: L = 25 cm) határoztam meg 20°C-on. A Chiralcel OD (dsz = 20 µm) állófázist vibrátoros módszerrel töltöttem az oszlopba. A töltet halmazsűrűsége ρH = 0,6 g/cm3 volt, az összporozitás ε = 0,67. A levegőt az oszlopról n-hexán:IPA = 95:5 v/v % eluenssel távolítottam el LMIM D-167 szivattyúval. RHEODYNE injektorszelepet kapcsoltam az oszlop elé 100 mikroliteres hurokkal. A kilépő ágban az elúció koncentráció-idő görbe regisztrálása Waters UV spektrofotométerel 254 nm-en történt. Az első minta 541/BK jelű királis racém észter keverék volt 50 mg/cm3 eluensben oldva, melyből a hurokkal 100 mikrolitert injektáltam az oszlopra. Az eluenst három különböző koncentrációban (n-hexán:IPA = 95:5; 90:10; 80:20 v/v %) és 5 különböző térfogatárammal (2,5-5-10-15-20-25-30 cm3/perc) használtam. Az elúciós kísérletek eredményei (RG OD 03, 04, 05 jelű mérések) a M 8.1. táblázatban láthatóak. A szelektivitási tényező az eluensösszetétel függvényében kismértékben változik (8.2-5. ábra). A nyomásesés az oszlop teljes hosszára jóval kevesebb, mint a töltet károsodásának megelőzése érdekében maximálisan megengedett 50 bar. Az adszorpciós egyensúlyi adatokat a k’ értékek alapján állapítottam meg [58, 59].
t − t0 k' = R t0
αR /S =
t RR − t 0 t RS
k' = R − t 0 k 'S
t NTP = R σ
2
HETP =
L NTP
cm 3 szabadtérfogati foly. ahol: k’: kapacitásfaktor cm3 töltet t R : retenciós idő [min] t 0 : a holtidő [min] t R R : az R izomer retenciós ideje [min] t R S : az S izomer retenciós ideje [min] α R / S : szelektivitási tényező [-]
k 'R : az R izomer kapacitásfaktora
66
k 'S : az S izomer kapacitásfaktora
σ : bázisszélesség 450 n-hexán:IPA=95:5 [v/v %], S izomer 400
n-hexán:IPA= 90:10 [v/v %], S izomer n-hexán:IPA= 80:20 [v/v %], S izomer n-hexán:IPA= 95:5 [v/v %], R izomer
350
n-hexán:IPA= 80:20 [v/v %], R izomer n-hexán:IPA= 90:10 [v/v %], R izomer
NTP / 25cm
300
250
200
150
100
50
0 0
5
10
15
20
25
30
3
B [cm /min]
8.2. ábra Az elúciós mérések eredményei k', α vs. n-hexán:IPA Chiralcel OD, B=2,5cm3/perc 3 50g/dm racém minta, 100µ µ l injektálás 1,4
8
7
1,2
1,0 5 0,8 4 0,6 3
szelektivitási tényező (α )
kapacitási tényezők (k'1,k'2)
6
0,4 2 k'1 1
0,2
k'2 α
0 1 95:5
2 90:10 n-hexán : IPA [v/v %]
0,0 3 80:20
8.3. ábra Az RG OD 03, 04, 05 mérések kapacitási és szelektivitási tényezői 2,5 cm3/min eluens térfogatáram esetén
67
RGOD_03 Kapacitási tényezők és a szelektivítási tényező vs. térfogatáram Chiralcel OD, n-hexán:IPA=95:5 50g/dm3 racém minta, 100µ µl injektálás 8 1,4 7 1,2
1,0 5 0,8 4 0,6
3
szelektivitási tényező (α )
kapacitási tényezők (k'1 1 ,k'2 2)
6
0,4
2 k'1 1
0,2
k'2 α
0
0,0 0
5
10
15
20
25
30
B (cm3/min)
8.4. ábra Az RG OD 03 mérések kapacitási és szelektivitási tényező eredményei az eluens térfogatáram függvényében 3
50g/dm racém minta, 100µ µ l injektálás
25,0
nyomásesés (bar/25cm oszlop)
20,0
15,0
10,0
5,0 RGOD_03_95:5 RGOD_04_90:10 RGOD_05_80:20 0,0 0
5
10
15
20
25
30
3
B(cm /min)
8.5. ábra Az RG OD 03, 04, 05 mérések nyomásesései az eluens térfogatáram függvényében
68
8.4. Adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok meghatározása k’ alapján
A kompetitív Langmuir izotermát az előző fejezetben meghatározott k’ értékekből számoltam. Mivel a módszer nem teszi lehetővé a „b” értékek számolását, ezért azokat becsültem. A becslés alapjául egy hasonló témában meghatározott „b” értékek szolgáltak. Ezen értékekre azért volt szükség, hogy előzetes szimulációkat tudjak futtatni. k S, =
1− ε Ks ε 1−ε
k R, =
ε
(8-7)
KR
(8-8)
ε = 0,67 ρΗ = 0,6
aS = KS
(8-9)
g töltet cm3 oszlop
1− ε cm 3 folyadék = 5,3366 g töltet ρH
(8-11)
1− ε cm 3 folyadék = 7,1489 g töltet ρH
(8-12)
aR = KR
b S = 0,016
cm 3 folyadék mg S komponens
b R = 0,0206
ahol:
(8-10)
(8-13)
cm 3 folyadék mg R komponens
(8-14)
k 'R , k 'S : az R illetve az S izomer kapacitásfaktora KS, KR: az S illetve az R izomer megoszlási együtthatója
g komponens cm3 töltet g komponens cm3 folyadék
ε : összporozitás [-]
ρ H : halmazsűrűség [mg/cm3] a, b : Langmuir-állandók
A szimulációk igen nagy eltérést mutatnak a mért és számított értékek között.
69
8.5. Adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok meghatározása frontális adszorpció-deszorpció alapján Az elválasztás folyamattervezéséhez és optimálásához szükséges adszorpciós egyensúlyi adatok meghatározására dinamikus módszeret használtam. A komponensek szilárd fázisbeli koncentrációját frontális adszorpciós-elúciós mérésekkel határoztam meg, az áttörési görbék kiértékelése alapján. A mérések során a kromatográfiás oszlopot egyensúlyba hoztam az adott hőmérsékleten az eluenssel, majd az oszlopra a preparatív szivattyúval adott térfogatú eluensben oldott mintát adagoltam. Ezt követően a minta oszlopról való eluálása friss eluenssel történt.
8.5.1. Mérési körülmények A frontális adszorpciós kísérleteket egy általam összeállított készülékkel végeztem (8.6. ábra), a készülékek adatai a 8.2. táblázatban találhatóak. Két HPLC szivattyúval adagoltam a készülékbe az eluenst illetve a szétválasztandó mintát. A HPLC oszlopot száraz vibrációs módszettel töltöttem 20µm szemcsemértű Chiralcel OD töltettel. Az oszlopból távozó komponenseket UV detektorral 254 nm-en és Chyralizer polarimetriás detektoron detektáltam (lásd 8.7. ábra). A belépő ill. kilépő folyadék tömegét a kísérlet alatt digitális
mérlegekkel
mértem.
A
kromatográfiás
oszlopból
távozó
folyadékból
félpercenként mintákat vettem, melyek tömegét utólag mértem. A folyadék mintákat Merck Hitachi La Chrom analitikai HPLC-vel elemeztem.
8.6. ábra A frontális adszorpciós-elúciós mérés készülékének elvi folyamatábrája
70
A készülékek adatai Oszlop
Töltet
Belső átmérő [cm]
1
Hosszúság [cm]
25
Előkészítés
egyensúlyba hozva az eluenssel
Minősége
CHIRALCEL-OD
Szemcseméret [µm]
20
Összporozitás
0,67
Halmazsűrűség [g/cm3]
0,6
töltet tömege [g/oszlop]
11,775 Waters 6000A
HPLC szivattyúk
Detektor
Gynkotek 300C UV detektor
GILSON 116
Hullámhossz [nm]
254nm
Polarimetriás detektor
IBZ Chiralyser Mettler College 1300
Mérlegek Regisztráló
Bizerba GE 2001-68 Papírsebesség [cm/perc] Mintaelemzés
1,5 Merck Hitachi La Chrom
8.2. táblázat A készülékek adatai
8.7. ábra Egy frontális adszorpciós-elúciós mérés kromatogramja (a Chiralyser regisztráló feje az UV detektor után kb. 10mm-el helyezkedik el)
71
Három mérést végeztem, a mérési körülmények az alábbi (8.3. táblázat) táblázatban találhatóak, a mérési eredmények a 8.8-11. ábrákon láthatóak. Megállapítható, hogy az alacsonyabb minta koncentrációknál kedvezőbb az S és R szeparációja, magasabb minta koncentrációnál a szétválasztás kismértékben romlik. Ha a frontális adszorpciósdeszorpciós görbéket le tudjuk írni, akkor az SMB-t is, mivel az SMB művelet egy fordított frontális adszorpció-elúció.
11. mérés 12. mérés Eluens
[v/v %]
n-hexán:izopropanol = 95:5 3
Minta koncentrációja [g(S+R)/dm ] Minta mennyisége
3
[cm ] 3
13. mérés
1,25
5,1
2,42
100
100
100
Térfogati sebesség
[cm /min]
1,96
1,98
1,95
Hőmérséklet
[°C]
18
20
16
8.3.táblázat A frontális adszorpciós elúciós mérések alapadatai
72
8.5.2. RG OD FR EÉ 11 mérés
Az 1924/SK számú racém keveréket (S és R) n-hexán:IPA = 95:5 v/v % eluensben oldottam fel, koncentrációját 1,25 g(S+R)/dm³ eluens értékre állítottam be. Az eluenssel 18°C-on egyensúlyba hozott oszlopba 100 cm³ mintát vittem fel 1,96 cm³/min térfogati sebességgel 50 perc alatt, majd ezt követően az oszlopot deszorbeáltattam tiszta eluenssel. Az eluens térfogati sebességét 1,55 cm³/min értékre tudtam beállítani (az eluens szivattyúval nem volt lehetőségem nagyobb térfogatáram beállítására). Az oszlopból távozó folyadékból kb. percenkénti mintavétellel elegendő mintát kaptam, melyeket megelemezve kaptam a 8.8. ábrán található eredményeket. A frontális adszorpciósdeszorpciós görbék (ideális esetben az SMB készülék axiális koncentráció profiljainak felelnek meg 180°-os átrendezéssel) műszakilag optimális szétválasztást mutatnak az SMB-vel történő megvalósításhoz. Eluens: n-hexán:IPA=95:5 v/v % 3 cminta= 1,25 g/dm 3
B= 1,96 cm /min, Vminta=100cm
RG OD FR EÉ 11
3
1,0 3
minta
0,9
100cm eluens
0,8 0,7
c [g/dm3]
0,6 S mért R mért
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
3
V [cm ]
8.8. ábra Az RG OD FR EÉ 11 mérés eredményei grafikonon
73
8.5.3. RG OD FR EÉ 12 mérés Az 1924/SK számú racém keveréket (S és R) n-hexán:IPA = 95:5 v/v % eluensben oldottam fel, koncentrációját kb. 5 g(S+R)/dm³ eluens értékre állítottam be. Az eluenssel 20°C-on egyensúlyba hozott oszlopra 100 cm³ mintát vittem fel 1,98 cm³/min térfogati sebességgel 50 perc alatt, majd ezt követően az oszlopot deszorbeáltattam tiszta eluenssel. Az eluens térfogati sebességét 1,59 cm³/min értékre tudtam beállítani. Az oszlopról távozó folyadékból kb. percenkénti mintavétellel elegendő mintát kaptam, melyeket megelemezve kaptam a 8.9. ábrán található eredményeket. Az előző méréshez képest megnövelt minta koncentrációnál még mindig jól elkülönül az S és R optikai izomer a frontális adszorpciósdeszorpciós görbék alapján.
Eluens: n-hexán:IPA=95:5 v/v % 3 cminta= 5,098 g/dm 3
B= 1,98 cm /min, Vminta=100cm
RG OD FR EÉ 12
3
5,0 minta
100cm3 eluens
4,5 4,0 3,5
3
c [g/dm ]
3,0 S mért
2,5
R mért
2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
3
V [cm ]
8.9. ábra Az RG OD FR EÉ 12 mérés eredményei grafikonon
74
8.5.4. RG OD FR EÉ 13 mérés Az 1924/SK racém keveréket (S és R) n-hexán:IPA = 95:5 v/v % eluensben oldottam fel, koncentrációját kb. 2,5 g(S+R)/dm³ eluens értékre állítottam be. Az eluenssel 16°C-on egyensúlyba hozott oszlopra 100 cm³ mintát vittem fel 1,95cm³/min térfogati sebességgel 50 perc alatt, majd ezt követően az oszlopot deszorbeáltattam tiszta eluenssel. Az eluens térfogati sebességét 1,97 cm³/min értékre állítottam be. Az oszlopról távozó folyadékból kb. percenkénti mintavétellel elegendő mintát kaptam, melyeket megelemezve kaptam a 8.10. ábrán található eredményeket. Látható, hogy az S és R optikai izomerek jól elkülönülnek egymástól.
Eluens: n-hexán:IPA=95:5 v/v % cminta= 2,423 g/dm3 3
B= 1,95 cm /min, Vminta=100cm
RG OD FR EÉ 13
3
2,0 3
minta
100cm eluens
S mért
3
c [g/dm ]
1,5
R mért
1,0
0,5
0,0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
3
V [cm ]
8.10. ábra Az RG OD FR EÉ 13 mérés eredményei grafikonon
A mérések eredményeit (RG OD FR EÉ 11, 12, 13) a 8.11. ábrán is ábrázoltam. Megállapítható, hogy az alacsonyabb minta koncentrációknál kedvezőbb az S és R szeparációja, magasabb minta koncentrációnál az S és R szétválasztás kismértékben romlik.
75
RG OD FR EÉ 11-13 3
c [g/dm ] 5,0 4,5 4,0 11. mérés S 3,5 11. mérés R 3,0 12. mérés S 2,5 12. mérés R 2,0
13. mérés S
1,5
13. mérés R
1,0 0,5 0,0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
3
V [cm ]
8.11. ábra Az RG OD FR 11-13 mérések eredményei
8.5.5. Mérési eredmények
A frontális adszorpciós-deszorpciós görbék kedvező szétválasztást mutatnak. A komponensek
kapacitásának
meghatározását
Nicoud
és
Seidel-Morgenstern
[55]
publikációja alapján végeztem, amely az áttörési görbéjék integrálásán alapszik (lásd 8-15, 16). A mérések alapján az alábbi egyenletekkel számított adszorpciós egyensúlyi koncentrációk a következő táblázatban vannak feltüntetve (8.4. táblázat).
Frontális adszorpció alapján: tM
qi =
∫ B(c
0 i
)
− ci dt − εVk ci0
0
Vk ρ H
(8-15)
A frontális deszorpció alapján: ∞
∫ Bc dt − εV c i
qi =
0 k i
tM
Vk ρ H
(8-16)
ahol: qi: szilárdfázisbeli koncentráció [mg komponens/cm3 töltet] tM : minta adagolás idő [min]
76
B : térfogati sebesség [cm3/min] c i0 : belépő koncentráció [mg/cm3] c i : folyadékfázisbeli koncentráció [mg/cm3] t : idő [min] ε = 0,67 : összporozitás [-] Vk =
D2π L : oszlop térfogat [cm3] 4
ρ H = 0,6 : halmaz sűrűség [mg/cm3]
11. mérés
12. mérés
13. mérés
Frontális adszorpció alapján qS
[mgS/g töltet]
3,606
9,3592
6,259
qR
[mgR/g töltet]
4,614
12,57
8,019
cS
[mgS/cm³ folyadék]
0,6292
2,5600
1,2070
cR
[mgR/cm³ folyadék]
0,6250
2,5400
1,2160
Frontális deszorpció alapján qS
[mgS/g töltet]
3,4600
9,3588
6,0050
qR
[mgR/g töltet]
4,4080
11,1886
7,6870
cS
[mgS/cm³ folyadék]
0,6292
2,5600
1,2070
cR
[mgR/cm³ folyadék]
0,6250
2,5400
1,2160
8.4. táblázat Adszorpciós egyensúlyi koncentrációk
A kapott adatokat átlagoltam (8.5. táblázat), a kísérleti eredményekre legjobban illeszkedő izoterma paramétereit kerestem.
Mérés 11 13 12
cS [mgS/cm³] 0,629 1,207 2,560
qS [mgS/g töltet] 3,533 6,132 9,359
cR [mgR/cm³] 0,625 1,216 2,540
qR [mgR/g töltet] 4,511 7,853 11,88
8.5. táblázat Átlagolt adszorpciós egyensúlyi koncentrációk
77
8.6.
Adszorpciós
egyensúlyi
izoterma
adatok
meghatározása
„hodográf” módszerrel (hullámelmélet)
A 8. fejezetben leírt frontális adszorpciós-deszorpciós kísérletek elméletét GUIOCHON [60] tárgyalja részletesen kompetitív Langmuir adszorpciós izoterma esetén két komponensre: q1 =
a 1c1 1 + b1c1 + b 2 c 2
(8-17)
q2 =
a 2c 2 1 + b1c1 + b 2 c 2
(8-18)
A frontális adszorpciós-deszorpciós kromatográfiás művelet áttörési görbéje az egyensúlyi elmélet szerint I, II, III, IV, V tartományokra bontható (8.12. ábra). Az adszorpciós művelet befejezése és a deszorpciós folyamat kezdete a tP vonalnál történik
c [g/dm 3]
(tP = tM). tP S izomer R izomer
c1A ∆ t1
c10= c20
F
∆ t2 c2B
I.
II. III.
IV. V. t [min]
tR,1
tR,2
tF
tE
tI
t0R,2+ tP
8.12. ábra Adszorpciós-elúciós koncentráció-idő diagram
Az I. kromatográfiás zónában mivel az első (S) komponenst lépcsős függvény szerint szorítja le a második (R) komponens a kromatográfiás oszlopban, ezért c1A 〉 c10 = c 02 . A tR,1 retenciós időt az első (S) komponens lépcsős függvény sebessége alapján határozhatjuk meg.
78
Amikor a 2. komponens áttör, akkor koncentrációja 0-ról c 02 -ra növekszik, miközben az 1. komponens összetétele c1A -ról c10 -ra csökken. A tR,2 retenciós időt az 1. és 2. komponensek lépcsős függvénye határozza meg. A III. kromatográfiás zónában a c10 = c 02 összetételű koncentráció platót tp időpontban c1 = c2 = 0 koncentrációjú tiszta oldószerrel eluáljuk, melynek következtében c10 és c 02 koncentrációk arányos, diffúz frontok szerint csökkennek. c1 értéke c10 -ról c1 = 0ra csökken, míg c2 értéke c 02 -ról c B2 értékre csökken. A hodográf transzformáció adatai alapján meghatározható b1, b2 illetve az a1 és a2 értéke a tiszta 1. komponens és az 1., 2. frontok retenciós idői alapján (8.13. ábra).
5 11. mérés 12. mérés 13. mérés
cS [g/dm3]
4
3
2
1
0 0
1
2
3
4
5
3
cR [g/dm ]
8.13. ábra Az RG OD FR EÉ 11-13 mérések hodográfjai A IV. zónában az arányos alakú frontokban c1 koncentráció c1 = c10 értékről c1 = 0 értékre csökken, míg c2 koncentráció értéke c 2 = c 02 értékről egy közbenső koncentráció plató c 2 = c B2 értékig csökken. Ezt hívják „tag-along” jelenségnek. Az V. kromatográfiás tartományban a tiszta 2. komponens arányos alakú elúciós görbéjét láthatjuk.
79
8.6.1. A számítások eredményeinek összefoglalása
Az alábbiakban összefoglalt eredmények kompetitív Langmuir adszorpciós izotermára vonatkoznak. RG OD EÉ 11
RG OD EÉ 12
RG OD EÉ 13
0,108
0,119
0,118
b1
cm 3 foly mg S
0,088
0,177
0,158
b2
cm 3 foly mg R
6,254
–
6,628
a1
cm 3 foly g töltet
8,224
9,161
8,351
a2
cm 3 foly g töltet
0,12
0,137
0,129
b1
cm 3 foly mg S
0,097
0,204
0,173
b2
cm 3 foly mg R
6,306
–
6,742
a1
cm 3 foly g töltet
8,327
9,766
8,545
a2
cm 3 foly g töltet
8,958
8,376
9,401
a2
cm 3 foly g töltet
0,317
0,299
0,276
b2
cm 3 foly mg R
I., II., III. zóna alapján
IV. zóna alapján
V. zóna alapján
8.6. táblázat A hodográf módszer eredményei
Később bemutatom, hogy a legpontosabb eredményeket a 13. mérés adja az inverz módszer alapján (lásd 8.11. táblázat).
80
8.7. Adszorpciós egyensúlyi adatok meghatározása SOLVER-EXCEL programmal (bi-Langmuir izoterma, lineáris nem szelektív taggal) A szakirodalmi összeállításban közölt publikációk szerint a DAICEL cég tölteteit úgy állítják elő, hogy szilikagél felületét cellulózra, ill. amilózra felvitt királis szelektív csoportokat tartalmazó réteggel borítják be. A kémiai átalakítás nem tökéletes konverziója miatt a szilikagél nem lekötött (end capping folyamat konverziója) OH‾ csoportjai, valamint a cellulóz és amilóz polimer nem reagált OH‾ csoportjai nem szelektív aktív helyekként befolyásolják az adszorpciós egyensúlyokat. Esetünkben Chiralcel-OD tölteten szilikagélre felvitt cellulóz-trisz-fenil-karbamát szelektív csoportok vannak a szilikagél felületén kéregként. Valószínűleg a nem 100 %-os konverzió miatt a pórusok belsejében, valamint a cellulóz rétegben nem szelektív OH‾ csoportok is találhatók. Az adszorpciós egyensúlyok leírására az alábbi összefüggést használtam S és R optikai izomerek elválasztása esetén: qS =
xaS cS + (1 − x ) aS cS 1 + bS cS + bR c R
(8-19)
qR =
( a R − (1 − x ) aS )c R + (1 − x ) aS cR 1 + bS cS + bR cR
(8-20)
Az (8-19) és (8-20) egyenletek szerint x = 1 szelektív relatív felületi borítottság esetén, minden adszorpciós hely szelektív, nincs nem-szelektív aktív hely a felületen. Ekkor a szokásos kétkomponensű kompetitív Langmuir izotermát alkalmazhatjuk az adszorpciós egyensúly leírására, ahol aS, bS, aR, bR állandókat használtam. Ideális esetben (aR/bR = aS/bS) megegyezik az S és R maximális adszorpciós kapacitása, illetve állandó az R és S adszorpciós szelektivitás aR/aS = bR/bS = αR/S.
Ha a szelektív csoportok hányada, a szelektív relatív felületi borítottság x<1, ill. a nem szelektív csoportok hányada λ = (1-x), akkor S komponens esetében az új „a” állandók:
Szelektív csoportok x aS
Nem szelektív csoportok (1-x) aS
R komponens esetében az új „a” állandók:
Szelektív csoportok aR-(1-x) aS
Nem szelektív csoportok (1-x) aS
81
A fentiek szerint azt tételeztem fel, hogy cS = cR = 0 koncentrációjú helyen a szelektív és nem szelektív csoportok „a” állandóinak összege aS és aR értékét adja. Az
előző
fejezetben
számítással
meghatározott
adszorpciós
kapacitások
ismeretében a fenti összefüggéseket és a SOLVER-EXCEL többváltozós optimalizáló programot alkalmazva meghatározhatjuk a kísérleti eredményekre legjobban illeszkedő közelítő összefüggés paramétereit (lásd 8.5. táblázat).
8.7.1. A SOLVER-EXCEL optimalizáló program alkalmazása abszolút hiba négyzetes célfüggvény minimalizáló programmal Az előző fejezetben közölt adszorpciós egyensúlyi modell és a közölt mérési adatok alapján a SOLVER EXCEL programmal meghatározhatjuk az adszorpciós izotermákat közelítő összefüggéseket: CF = e1 + e2 + e3
(8-21)
e1 = Σ(qM-qSZ)²
S komponensre
(8-22)
e2 = Σ(qM-qSZ)²
R komponensre
(8-23)
ahol
CF: a célfüggvény, e1, e2, e3 : hibák, qM : mérési adat, qSZ : számolt adat. 2
a b e3 = ∑ R − R minden mérési adatra a S bS
(8-24)
(Ideális esetben (aR/bR = aS/bS ) megegyezik az S és R maximális adszorpciós kapacitása, illetve állandó az R és S adszorpciós szelektivitás aR/aS = bR/bS = α (R/S)) Feltételek: 0,5< x < 1
(8-25)
0< bR, bS < 0,5
(8-26)
Az eredményeket az M 8.1. ábrán és az M 8.2. ábrán láthatjuk, x = 1 illetve x= 0,9 esetére.
82
8.7.2. A SOLVER-EXCEL optimalizáló program alkalmazása relatív hiba négyzetes célfüggvény minimalizáló programmal Az előző fejezetekben leírtakhoz képest az optimalizálás célfüggvényét (8-22, 8-23) módosítottam minden mást változatlanul hagytam. e1 = Σ(qM-qSZ)²/qM
S komponensre
(8-27)
e2 = Σ(qM-qSZ)²/qM
R komponensre
(8-28)
Ideális esetben (aR/bR = aS/bS ) megegyezik az S és R maximális adszorpciós kapacitása, illetve állandó az R és S adszorpciós szelektivitás aR/aS = bR/bS = α (R/S)) Az eredményeket az M 8.3-4. ábrán láthatjuk.
8.7.3. A SOLVER-EXCEL optimalizáló programmal nyert eredmények összefoglalása A kidolgozott optimalizálási módszer gyorsan és igen pontosan számol. A fontosabb adatokat a 8.7. táblázatban foglaltam össze.
Számítás
cm 3 foly a SS g töltet cm 3 foly bSS mg S cm 3 foly a RS g töltet cm 3 foly bRS mg R
xabsz. = 1 abszolút hiba
xabsz. = 0,9 abszolút hiba
xrel. = 1 relatív hiba
xrel. = 0,9 relatív hiba
7,2406
6,5165
7,1031
6,3928
0,1675
0,1675
0,1599
0,1599
9,2526
8,5285
9,0781
8,3678
0,2137
0,2137
0,2043
0,2043
8.7. táblázat SOLVER-EXCEL számítások eredményei
A relatív hiba módszer jobban közelít a később bamutatásra kerükő inverz módszerrel kapott eredményekhez (lásd 8.11. táblázat).
83
8.8.
Adszorpciós
egyensúlyi
izoterma
adatok
meghatározása
tömegmérleg hiba módszerrel 8.8.1. A számítógépes programok kibővítése Az új feltételeknek megfelelően átalakítottam bi-Langmuir adszorpciós egyensúlyi izoterma esetére a korábban kifejlesztett számítógépes szimulációs programokat (4.4. fejezet). A töltetet egy optikailag szelektív és optikailag nem szelektív kapacitással jellemezzük qi = qiS + qiNS, mindkét esetben kompetitív Langmuir izotermával írtam le az adszorpciós egyensúlyt. A szorbens kapacitása az i. komponensre nézve: a Sic i
qi =
n
1+ ∑ b c
+
S i í
i =1
a iNSci n
1+ ∑ b c
(8-29)
NS i i
i =1
Ha az optikai izomereket külön komponensként kezeljük, akkor a szelektív rész kapacitáshányadára vonatkozó izoterma egyenlet: q Si =
a Si c i n
1+ ∑ b c
(8-30)
S i í
i =1
n
1 + ∑ b Sic i = S
(8-31)
i =1
ahol „aiS” és „biS” értékek i komponensenként különböznek. Ugyanezen komponenseknek kötődése az optikailag nem szelektív kapacitáshányadon: q iNS =
a iNS c i n
1+ ∑ b c
(8-32)
NS i í
i =1
n
1 + ∑ b iNSc i = NS
(8-33)
i =1
ahol az optikai izomerek „ai” és „bi” állandói megegyeznek. Az adszorpciós oszlopot leíró egyensúlyi modell: v0
∂ci ∂c ∂q S ∂q NS + ε i + ρH i + ρH i = 0 ∂x ∂t ∂t ∂t
(8-34)
84
Az egyensúlyi összefüggést felhasználva az egyenletből qiNS és qiS kiküszöbölhető és így egy, csupán folyadékkoncentrációkat tartalmazó parciális differenciálegyenlethez jutunk: v0
n n b NS ∂c b S ∂c ∂a NS ∂ci ∂a S ∂ci ∂c ∂ci − ρ H aiS ci ∑ k2 k − ρ H aiNS ci ∑ k 2 k = 0 + ρH i + ε i + ρH i S ∂t NS ∂t ∂t ∂t ∂t ∂x k =0 S k =0 ( NS )
(8-35) Rendezve az egyenletet: ∂ci b S ∂c b NS ∂c bS aS a NS + k + ρ H i + ρ H i − ρ H aiS ci i 2 − ρ H aiNS ci i 2 i + ρ H aiS ci i 2 i − ( NS ) ∂t ∂x S ∂t S S NS b S ∂c b NS ∂c b NS ∂c − ρ H aiS ci ∑ k2 k + ρ H aiNS ci i 2 i − ρ H aiNS ci ∑ k 2 k = 0 ( NS ) ∂t ( NS ) ∂t S ∂t
v0
(8-36) ε aiS biS aiNS biNS ∂ci bkS ∂c k biS ∂ci v ∂ ci S S S NS + =− + a i ci ∑ 2 − a i ci 2 + − a i ci 2 + − a i ci 2 ρ ρ ∂ ∂ ∂ ∂ S S NS NS t x S t S t ( ) k H H b NS ∂c b NS ∂c + aiNS ci ∑ k 2 k − aiS ci i 2 i ∂t ( NS ) ∂t k ( NS )
(8-37)
A régi programokhoz képest új változók bevezetésére volt szükség, ezek a változók az optikailag aktív kapacitások jellemzésére szolgáltak. A kompetitív Langmuir izoterma egyenlet most kompetitív bi-Langmuir izoterma egyenletté vált. A nem királis rész jellemzésére az „aNS”, „bNS” vektorokat használtam, míg a királisan aktív kapacitást jellemző vektorokra az „aS”, „bS” vektorokat vezettem be. Az „aNS”, „bNS”, „aS”, „bS” vektorok megadásával a kapacitás megoszlását is definiáljuk. Az
indexek
nullától
maximum
tízig
terjednek,
célszerűen
nullával
az
oldószerkomponenst jelöljük, 1-el, 2-vel az optikailag aktív komponenseket, míg az egyéb szennyezéseket a magasabb indexű tagokkal. Az új programok
adatbeviteli ablakát
mutatják a 8.14-15. ábrák. A változásokat átvezettük a KROM-N, ill. SMB-KROM-N programba, ami tulajdonképpen a számolási blokk módosítását jelentette. Az új programok neve KROMChir ill. SMB-Chir. Néhány változó típusváltásával és standard függvény használatával sikerült a programot gyorsítani is. Ha nem ragaszkodunk a koncentráció profilok on-line grafikus ábrázolásához, ezen szolgáltatás kikapcsolásával további 50 %-os gyorsításra van
85
lehetőség. Így egy szimuláció lefutása, egy mai átlagos számítógépet használva, körülbelül 1 percet vesz igénybe.
8.14.ábra Az KROM-CHIR nevű szimulációs szoftver adatbeviteli ablaka
8.15.ábra Az SMB-CHIR nevű szimulációs szoftver adatbeviteli ablaka
86
8.8.2. χ2 tömegmérleg hiba módszer (bi-Langmuir izoterma, lineáris nem szelektív taggal
Az előző fejezetekben láttuk, hogy a kompetitív Langmuir adszorpciós izoterma a1, b1, a2, b2 állandói (1(S), 2(R)) jelentősen változnak a különböző számítási módszerek szerint (k’ módszer, hodográf módszer, SOLVER-Excel módszer). A legjobbnak tartott „SOLVER-Excel relatív hiba” program adatsorral és a KROM-Chir programmal szimuláltam az RG OD FR EÉ 11-13 méréseket x = 1 relatív szelektív borítottság esetén. A 8.16-18. ábrákon a mért és szimulációval kapott adatokat együtt tüntettem fel. Cavazzini [56] és munkatársai javasolták a χ2 (khi négyzet) tömegmérleg minimalizációs hiba elemzési módszert a mért és számított adatok közötti eltérés jellemzésére. A hibafüggvényt az alábbiak szerint számítottam ki:
g 3 dm
2 ∑ (c sim − c mért ) =∑ ri2 = χ 2 = i
ahol
i
2
(8-38)
cszim: a szimulációval számított koncentráció az adott időpontban [g/dm3] cmért: a mért koncentráció az adott időpontban [g/dm3]
Az adatok 1-1 cm3 térfogatonként értendők (8.8. táblázat).
Hiba [g/dm3]2 Mérés
11
12
13
HIBA Σ S
1,2553
88,92
3,81
HIBA Σ R
0,413
20,29
1,2699
HIBA Σ S + Σ R
1,668
109,21
5,08
8.8. táblázat A χ2 hibaelemzés eredményei
87
Eluens: n-hexán:IPA=95:5 v/v % 3 cminta=1,25 g/dm 3
Feed= 2 cm /min, Vminta=100cm
RG OD FR EÉ 11 x=1
3
aSS=7,1031 S
aR =9,0781
bSS=0,1599 S
bR =0,2043
aSNS=0
bSNS=0
Shiba=1,255
NS
bR =0
NS
Rhiba=0,413
aR =0
1,0
3
c [g/dm ]
11. mérés S 11. szim. S 0,5 11. mérés R 11 szim. R
0,0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
3
V [cm ]
8.16. ábra Az RG OD FR EÉ 11 mérés és számított adatok SOLVER-Excel relatív hiba program esetén
Eluens: n-hexán:IPA=95:5 v/v % 3 cminta=5,098 g/dm 3
Feed= 2 cm /min, Vminta=100cm
RG OD FR EÉ 12 x=1
3
aSS=7,1031 S
aR =9,0781
bSS=0,1599 S
bR =0,2043
aSNS=0
bSNS=0
Shiba=88,92
NS
bR =0
NS
Rhiba=20,29
aR =0
5,0 4,5 4,0 3,5 12. mérés S
3
c [g/dm ]
3,0
12. szim. S 2,5 12. mérés R 2,0
12. szim. R
1,5 1,0 0,5 0,0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
3
V [cm ]
8.17. ábra Az RG OD FR EÉ 12 mérés és számított adatok SOLVER-Excel relatív hiba program esetén
88
Eluens: n-hexán:IPA=95:5 v/v % 3 cminta=2,423 g/dm 3
Feed= 2 cm /min, Vminta=100cm
RG OD FR EÉ 13 x=1
3
aSS=7,1031 S
aR =9,0781
bSS=0,1599 S
bR =0,2043
aSNS=0
bSNS=0
Shiba=3,81
NS
bR =0
NS
Rhiba=1,27
aR =0
2,0
1,5
3
c [g/dm ]
13. mérés S 13. szim. S 1,0
13. mérés R 13. szim. R
0,5
0,0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
3
V [cm ]
8.18. ábra Az RG OD FR EÉ 13 mérés és számított adatok SOLVER-Excel relatív hiba program esetén
8.8.3. Optimális szelektív, nem szelektív borítottság meghatározása Az előző fejezetben leírtam a χ2 hibaelemzést arra az esetre, ha a királis töltet felületén szelektív és nem szelektív csoportok is találhatók. A számításokat folytattam x = 0,95; 0,925; 0,9; 0,875; 0,85; 0,8 relatív szelektív felületi borítottság esetére. A különböző x-ekhez tartozó adszorpciós izoterma adatokat (aNS, bNS, aS, bS) szintén az SOLVER optimalizációs programmal határoztam meg (8.9. táblázat). Az M 8.2. táblázatban a számítások eredményeit foglaltam össze. Ennek az összehasonlításnak az eredményeképpen megállapítható a szelektív hányad. Az eredmények szerint x = 0,9 szelektív és λ = 0,1 nem-szelektív relatív felületi borítottság esetén a legkedvezőbb a mérési és a számított adatok egyezése, mely leginkább az RG OD FR EÉ 13 mérés esetén nyilvánvaló (lásd 8.19. ábra).
89
a SS
b SS
a SR
b SR
a SNS = a RNS
bSNS = b RNS
x=1
7,1031
0,1599
9,0781
0,2043
0
0
x = 0,950
6,748
0,1599
8,723
0,2043
0,355
0
x = 0,925
6,570
0,1599
8,545
0,2043
0,533
0
x = 0,900
6,393
0,1599
8,368
0,2043
0,7103
0
x = 0,875
6,215
0,1599
8,190
0,2043
0,888
0
x = 0,850
6,038
0,1599
8,013
0,2043
1,065
0
x = 0,800
5,682
0,1599
7,657
0,2043
1,421
0
8.9. táblázat A különböző x relatív szelektív felületi borítottsághoz tartozó adszorpciós
izoterma adatok χ2 hibaelemzés 6
5
hiba [g/dm3]2
4 13.mérés S+R 13.mérés S 13.mérés R
3
2
1
0 0,8
0,825
0,85
0,875
0,9
0,925
0,95
0,975
1
x [szelektív hányad]
8.19. ábra A χ2 hibaelemzés eredményei grafikusan az RG OD FR EÉ 13 mérésre és szimulációra
90
8.9. Adszorpciós egyensúlyi izotermák adatainak meghatározása inverz módszerrel Az egyensúlyi izotermák meghatározásának inverz módszere alkalmazásával enantiomerek királis elválasztásának megtervezéséhez szükséges versengő izotermákat határoztam meg frontális (RG OD FR EÉ 11-13) adszorpciós–deszorpciós mérési adatokat felhasználva. A Felinger-féle inverz módszer [61] alkalmazásakor a frontális adszorpciósdeszorpciós eredményeket használtuk. A kromatográfiás folyamatot az egyensúlyi– diszperzív modellel modellezzük, és egy adott izoterma-egyenletet feltételezve kiszámítjuk a kísérleti körülmények alapján várható kromatogramot. Egy nemlineáris szimplex optimumkereső
algoritmussal
változtatjuk
az
izoterma-egyenlet
paramétereit.
A
nemlineáris legkisebb négyzetek módszerével minimalizáljuk a számított és a mért kromatogramok közti különbséget, lásd (8-39) egyenlet. A számításokat Felinger saját készítésű Fortran programjával végeztük. Királis elválasztások leírásához célszerű a versengő kettős Langmuir izotermát használni a (8-29) egyenlet két (1, 2) komponensre.
NS
q1 =
S
a1 c1
a1 c1
+ NS S S 1 + b1 (c1 + c 2 ) 1 + b1 c1 + b2 c2
NS
q2 =
a2 c2 NS
(8-39)
S
+
a2 c2 S
S
1 + b2 (c1 + c2 ) 1 + b1 c1 + b2 c2
(8-40)
ahol: c és q a minta egyensúlyi koncentrációi [mg komponens /cm3 mozgó- ill. állófázis] a: Langmuir paraméter [cm3 folyadék/cm3 adszorbens] b: Langmuir paraméter [cm3 folyadék/mg adszorbeálódó komponens], S index az enantioszelektív, az NS index pedig a nemszelektív gócokat jelöli.
91
Három különböző koncentrációjú betáplálás adatainak a feldolgozása után a 8.10. táblázatban látható izoterma-paramétereket kaptuk:
RG OD FR EÉ 11. mérés (fssqr: Final Sum of the Squares of Residuals) # #
m [mg]
c0 3 [mg/cm ]
62,92377 aNS
0,62920 bNS
fssqr HIBA 3 2 [(mg/cm ) ] 0,17223 a 1S
b 1S
a 2S
b 2S
cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly 3 3 3 cm töltet mg 1,2 cm töltet mg 1 cm töltet mg 2 2,39987
#
0,01289
8,74162
0,09206
12,31088
0,130
RG OD FR EÉ 12. mérés # #
m [mg]
c0 3 [mg/cm ]
249,5475 aNS
2,56 bNS
fssqr HIBA 3 2 [(mg/cm ) ] 5,98855 a 1S
b 1S
a 2S
b 2S
cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly 3 3 3 cm töltet mg 1,2 cm töltet mg 1 cm töltet mg 2 2,39835
#
0,01282
8,67546
0,11631
12,08182
0,162
a 2S
b 2S
RG OD FR EÉ 13. mérés # #
m [mg]
c0 3 [mg/cm ]
120,6966 aNS
1,20700 bNS
fssqr HIBA 3 2 [(mg/cm ) ] 0,57229 a 1S
b 1S
cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly cm 3 foly 3 3 3 cm töltet mg 1,2 cm töltet mg 1 cm töltet mg 2 2,42663
#
0,01323
9,73609
0,13865
13,21687
0,188
8.10. táblázat Izoterma paraméterek
Az izoterma b2S paraméterét nem illesztettük, hanem az a1S/b1S = a2S/b2S összefüggéssel garantáltuk, hogy a szelektív gócokon megegyezzenek a telítési kapacitások értékei.
92
Az eredmények az 8.11. táblázatban találhatók. Arra az esetre, ha töltet tömegre vonatkoztatunk a 8.10. táblázat „a” értékeit
1− ε
ρH
=
1 − 0,67 = 0,55 értékkel kell szorozni, 0,6
„b” értékek változatlanok.
Mérés RG OD EÉ 11 12 13
aNS
bNS
a SS
bSS
a SR
b SR
cm 3 foly g töltet 1,32 1,32 1,331
cm 3 foly mg S és R 0,0129 0,0128 0,0132
cm 3 foly g töltet 4,807 4,769 5,354
cm 3 foly mg S 0,0921 0,116 0,139
cm 3 foly g töltet 6,765 6,655 7,269
cm 3 foly mg R 0,130 0,162 0,188
8.11. táblázat Izoterma paraméterek
A fenti izoterma paraméterekkel Krom-Chir programon lefuttattam a szimulációkat a mérésekre (8.20-22. ábrák). Látható, hogy a számítási eredmények igen jól illeszkednek a mérési pontokra (S+R hiba 0,17223 a 11. mérésre; 5,9886 a 12. mérésre és 0,5723 a 13. mérés esetén).
RG OD FR EÉ 11
S
bS =0,0921 aS =1,32 bS =0,0129 S+R hiba=0,17223
S
bR =0,130
aS =4,807 aR =6,765
S
S
NS
NS
NS
NS
aR =1,32 bR =0,0129 NTP=500
1,00 0,90 0,80 0,70
c [g/dm3]
0,60 S szim R szim S mért R mért
0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
idő [perc]
8.20. ábra RG OD FR EÉ 11 mérés és szimuláció
93
RG OD FR EÉ 12
S
bS =0,116 aS =1,32 bS =0,0128 S+R hiba=5,9886
S
bR =0,162 aR =1,32 bR =0,0128 NTP=500
aS =4,769 aR =6,655
S
NS
NS
S
NS
NS
5 4,5 4 3,5
c [g/dm3]
3 S mért R mért S szim R szim
2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
-0,5 idő [perc]
8.21. ábra RG OD FR EÉ 12 mérés és szimuláció
RG OD FR EÉ 13 3
c [g/dm ]
aSS=53548
b SS=0,139 aSNS=1,33 b SNS=0,0132
S+R hiba=0,5723
aRS=7,269
bRS=0,188 aRNS=1,33 bRNS=0,0132
NTP=500
2,0
1,5
S mért S szim 1,0 R mért R szim
0,5
0,0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
3
V [cm ]
8.22. ábra RG OD FR EÉ 13 mérés és szimuláció
94
9. SMB művelethez csatolt kristályosítás részletesebb vizsgálata Az SMB-LC optimális összekapcsolása (lásd 2.3. ábra) kristályosítssal nagymértékben növeli az enantioszeparáció hatásosságát. Termodinamikai és kinetikai összefüggéseket figyelembe véve a recirkuláltatott áram miatt célszerű a teljes rendszert modellezni, és optimalizálni a feladatot. Definiálni kell a teljes
rendszerre
vonatkozó
célfüggvényeket.
Nevezetesen
az
elválasztásunkra
legjellemzőbb két függvényt: a tisztaságot és a termelékenységet. Így tehát a tisztaság:
Tisztaság j =
c ij c (j+ ) + c (j− )
100 = [%]
(9-1)
c : az adott komponens koncentrációja (g/dm3) i : (+) vagy (-) komponens j : extraktum illetve raffinátum áram a termelékenység (vagyis az egységnyi térfogatú vagy tömegű állófázisról lejövő céltermék tömege): .
Termelékenység i , j =
V j c ij Vtöltet
(9-2)
.
V : a termék (extraktum illetve raffinátum) térfogatárama (cm3/perc) Vtöltet : az töltet térfogata (cm3), vagy töltet tömege (g)
i : (+) vagy (-) komponens j : extraktum illetve raffinátum áram
A 9.1. ábrán a tisztaság függvényében látható a termelékenység. Ha a céltermékünket nagyon tisztán akarnánk kinyerni, azt a rendszer csak alacsony termelékenységgel tudná megvalósítani. De ha megelégszünk kissé szennyezett kromatográfiás termékárammal, és ennek tisztaságát kristályosítással növeljük, akkor a rendszer termelékenysége magasabb lesz, mit egy egyszerű preparatív kromatográfiás szeparációé. A terner fázisdiagramról (2.2. ábra) állapítható meg, hogy egy kevésbé tiszta oldatból történő kristályosítással tiszta termék nyerhető-e.
95
9.1. ábra Az SMB termelékenysége a tisztaság függvényében A teljes rendszer termelékenysége függ a kristályosítás termelékenységtől. Ezért kell optimalizálni a kristályosítási lépést. Ahhoz, hogy tiszta anyagot nyerjünk megfelelő hatékonysággal, meg kell növelni a kiindulási áramok koncentrációját a kristályosítás előtt. Vagyis a munkapontot az oldhatósági görbe (2.2. ábra A-E vagy A’-E’ görbe) közelébe kell vinni bepárlással. Az SMB-vel dúsított extraktum és raffinátum termékek alkalmasak bepárlásos hűtéses
kristályosítással
való
további
feldolgozásra.
A
feladat
megvalósítására
legalkalmasabb kromatográfiás töltet és eluens rendszer kiválasztását, valamint a kristályosítással összekapcsolt SMB rendszer optimális működési paramétereinek meghatározását végeztem el. Ebben a fejezetben ismertetem a kristályosítási folyamat részletesebb tanulmányozásával – nevezetesen a kinetikai effektusok megfigyelével, a minta összetételének, illetve koncentrációjának, a hűtési sebességnek, a végső hőmérsékletnek és oltókristály alkalmazásának részletesebb vizsgálatával – nyert eredményeket (illetve tapasztalokat). Az általam vizsgált királis etil-észter keverék, a továbbiakban bemutatandó kísérletek eredményeire alapozva, az ún. konglomerátum típusú racemátok közé tartozik, így az enantiomerek külön-külön kristályosodnak. Ebben az esetben, a kristályosítással végrehajtott enantioszeparáció az oldatból közvetlenül lehetséges. Ez a módszer azonban akkor alkalmazható hatékonyan, ha az egyik enantiomerből csak kevés van az elegyben. Az oldat koncentrálását SMB készülékkel végzem, ezután következik az adott enantiomer tisztítása kristályosítással [62, 63].
96
9.1. Fázisdiagramok Két enantiomer és egy oldószer által alkotott rendszer oldhatóságának ábrázolására a leggyakrabban használt egyenlő oldalú háromszög diagramot, a konglomerátum típusú anyagi rendszerünkre is érvényes terner fázisdiagramot mutatom be a 9.2. ábrán.
H X
1
A
C 3 TC
2
B
4
S
0,5
R
9.2. ábra (S)- és (R)-enantiomert tartalmazó vegyület vázlatos terner oldhatósági diagramja (T = állandó)
A háromszög csúcsain jelennek meg a tiszta komponensek: az oldószer (H: nhexán) a fenti, míg az S- és R-enantiomer a bal és a jobb alsó csúcsokon. A háromszög oldalai tömegtört osztással pedig a biner rendszereket mutatják, ezek: az S-
97
enantiomer/oldószer, R-enantiomer/oldószer, S/R-enantiomer rendszer; 0,5-el jelölve azt a pontot, ahol a racém vegyület mindkét enantiomert 50 %-ban tartalmazza. A háromszög minden egyes belső pontja egy terner elegyet jelöl, ami mindhárom komponenst tartalmazza. Az A-B-C-H a telítetlen egyfázisú tartomány, az A-B-S és a C-B-R kétfázisú terület, mely egy enantiotiszta szilárd fázist és egy telített folyadékfázist tartalmaz. Az S-BR háromfázisú tartomány, ahol egyensúly esetén a folyadékfázis racém összetételű lesz, a
szilárd fázis pedig egyik enantiomerben dúsabb lesz. Adott hőmérsékleten a tiszta enantiomerek oldhatóságát az oldószerben A és C pont, a racemátét pedig a B pont jelöli. A terner rendszer oldhatósági görbéje az A-B-C pontok által meghatározott görbe. Ezen görbe felett van a telítetlen oldószer tartománya, alatta pedig a többfázisú régiók. Az A-B-S vagy az C-B-R pontok által meghatározott háromszögek területén belül az egyik tiszta enantiomerből álló szilárd fázis van egyensúlyban a felette lévő telített oldószerrel. A fázisdiagramon nyomon követhetjük a 9.2. ábra alapján a bepárlásos-hűtéses kristályosítás lépéseit. Az SMB készülékből kilépő „1”-es pontban lévő oldatot bepároljuk és a „2.” pontba jutunk. Ezt lehűtve TC kőmérsékletig „3.” pont szerinti kristályosítási anyalúgot és „4.” pont szerinti S kristályt kapunk. A tiszta S enantiomer abban az esetben állítható elő, amikor a bepárlás utáni hűtendő oldat összetétele az A-B-S pontok által meghatározott tartományon belül helyezkedik el. Ennek következtében ha a kristályosítás műveletét szeretnénk az SMB kromatográfiával csatolni, akkor a kromatográfiás lépésben minimálisan akkora dúsítást („1”-es pont) kell elérni illetve akkora bepárlást („2”-es pont) alkalmazhatunk hogy az összetétel A-B-S tartományba essen. Így a következő, hűtéses kristályosítási lépésben lehetővé válik a tiszta enantiomer kinyerése. Ha racém összetételből indulunk ki, akkor a bepárlás 50-50 %-os összetételű elegyet szolgáltat, ebben az esetben racém kristályokat kapunk [64, 65].
98
9.2. Oldhatósági adatok meghatározása A mérés során tiszta S-enantiomert illetve SR racém keveréket oldottam fel nhexánban (Merck extra pure) 20°C-on, telítési összetételig. Ezt követően lehűtöttem az oldatot adott hőmérsékletre és 8 órán át ott tartottam. Ezután mintát vettem, melyet MILLEX GN típusú 0,2 µm-es szűrővel szűrtem, majd MERCK HITACHI La Chrom típusú analitikai HPLC-vel megelemeztem, Chiralcel OD-H oszlopon n-hexán:IPA = 95:5 v/v % eluenssel. Az oldhatóság-hőmérséklet összefüggés Profir és társai módszeréhez hasonlóan az alábbi egyenlettel adható meg [27]: ln x = a +
b T
(9-3)
ahol: x : a móltört [-] T : abszolút hőmérséklet [K] a, b : állandók
A mérési adatok az alábbi 9.1-2. táblázatokban láthatóak, az eredményeket diagramokon is ábrázoltam (9.3. és 9.4. ábra).
T 1000/T c x lnx [°C] [1/K] [g/dm³] [mol/Σmol] 20 3,413 28,5 1,538·10‾² -4,175 -17,5 3,914 1,7515 9,589·10‾4 -6,95 -19 3,937 1,4948 8,185·10‾4 -7,108 -20 -27
3,953 4,065
1,2 0,92
9,417·10‾4
-6,968
‾4
-7,593
5,039·10
9.1.táblázat Az S optikai izomer oldhatósága n-hexánban
T [°C] 20 -20 -27
1000/T c x lnx [1/K] [g/dm³] [mol/Σmol] 3,413 50,9 2,714·10‾² -3,607 3,953 2,71 1,483·10‾3 -6,514 4,065 1,47 8,049·10‾4 -7,125
9.2.táblázat Az SR racém oldhatósága n-hexánban
99
Oldhatóság -3,0 3,4
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
4,0
4,1
-4,0
ln x = −5.395
ln x
-5,0
1000 + 14.806 T
-6,0
"S" izomer "SR" racém
1000 ln x = −5.32 + 13.957 T
-7,0
-8,0
-9,0 3
-1
10 /T [K ]
9.3. ábra S és SR oldhatósága, ln móltört az 1000/T függvényében Oldhatóság 4,0 3,5
ln c = −5.4359
3,0
1000 + 22 .482 T
3
ln c [g/dm ]
2,5 2,0
"S" izomer "SR" racém
1,5
ln c = −5.3453
1,0
1000 + 21 .567 T
0,5 0,0 3,4
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
4,0
4,1
-0,5 3
-1
10 /T [K ]
9.4. ábra S és SR oldhatósága, ln koncentráció az 1000/T függvényében
100
9.3. Az oldhatósági kísérletek eredményeinek ábrázolása háromszög diagramon
Az oldhatósági mérések eredményeit S-R-H terner oldhatósági diagramon is ábrázoltam. Az oldhatósági mérések során különböző összetételű S:R keveréket vizsgáltam (77,4:22,6; 80:20; 85:15; 87,2:12,8; 90:10; 92,8:7,2; 95:5; 96,7:3,3; 98:2 m/m %) melyeket tiszta S és tiszta R enantiomerekből készítettem 5g/dm3 összkoncentrációjúra 20°C-on. Ezeket a keverékeket lehűtöttem -10, -15, -20 és -27°C-ra és 8 órán át ott tartottam. A folyadék és kristályos fázisokat elemztem. Az oldhatósági eredményeket a 9.5. ábrán mutatom be. (Az n-hexán sűrűsége 20°C-on 660 mg/cm3.) Megállapítottam, hogy a rendszer konglomerátum típusú.
0,0 H 0
Tiszta S és R oldhatósága
-27°C, 0,92 [g/dm3] -20°C, 1,2 [g/dm3] -15°C, 2,33 [g/dm3] -10°C, 3,46 [g/dm3]
1 .1 03
1,00
0,999 °C -27
2 1.
Keverékek kezdeti koncentrációja 20°C-on ~5g(S+R)/dm3
0 -3
0,998 0,997
X
t
4 1. 0 -3
0,996 5 .1
0 -3
X
0,995 °C -15
6 1.
0 -3
t tör eg tö m
tö m eg tö r
°C -20
3 1. 0 -3
S : R [m/m %] 98 : 2 96,7 : 3,3 95 : 5 92,8 : 7,2 90 :10 87,2 : 12,8 85 : 15 80 : 20 77,4 : 22,6 50:50 racém
0,994
7 1. 0 -3 °C -10
0,993
8 1. 0 -3
0,992 9 1. 0 -3
0,991 0,99 10 -2
9 1. 0 -3
0 -3 8 1.
0 -3 6 1.
7 1. 0 -3
0 -3 5 1.
0 -3 3 1.
4 1. 0 -3
0 -3 2 1.
0 -3 1 1.
S
0.0 0
10 -2
R
tömegtört
9.5. ábra Az oldhatósági mérések eredményei
101
9.3.1. Oldhatósági modell számítási eredmények
Az oldhatósági adatokat számításokkal is közelítettem.A konglomerátum típusú rendszerekre Profir és társai [27] által leírt ideális modellt vettem alapul. Eszerint az SR oldhatósága S illetve R oldhatóságának a kétszerese. Így például -20°C-on S oldhatósága 1,2 g/dm³, R oldhatósága is 1,2 g/dm³, SR oldhatósága 2,4 g/dm³. Legyen a kiindulási oldat 5g/dm3-es az S- és R-enantiomer összkoncentrációját tekintve +20°C-on. Különböző S:R összetételű oldatokat (80:20, 85:15, 90:10, 95:5, 98:2, 100:0) hűtsünk le elméletben -20°C-ra. Az oldatokban marad 1,2 g/dm3 S, és az eredetileg jelen lévő, de maximum 1,2 g/dm3-nyi R. A többi anyag kiválik mint tiszta S kristály, melyből S kihozatala számítható. A módszerrel az alábbi (9.3. táblázat, 9.6. ábra) eredményeket kaptam. A fenti számítási modell jól egyezik az általam végzett 9.4. ábrán bemutatott mérési eredményekkel.
Hűtendő oldat
Oldat
+20°C, 5 g/dm³ összkoncentráció
-20°C-on
S
R
Kristály
Kihozatal
S
R
S
ηS
[g/dm³]
[g/dm³]
[g]
[%]
S:R [g/dm³]
[g/dm³]
4
1
80:20
1.2
1
2.8
70
4.25
0.75
85:15
1.2
0.75
3.05
71.8
4.5
0.5
90:10
1.2
0.5
3.3
73.3
4.75
0.25
95:5
1.2
0.25
3.55
74.7
4.9
0.1
98,2
1.2
0.1
3.7
75.5
5
0
100
1.2
0
3.8
76
9.3. táblázat Oldhatósági modellszámítások
102
Oldhatóság
0,0
-20°C-on 1,2-1,2 g/dm3 S és R
1 .1
-27°C-on 0,92-0,92 g/dm3 S és R
H 0
1,00
0 -3
0,999
2 1. 0 -3
0,998
Tiszta S határvonala a terner oldhatósági diagramalapján BS vonal
B
3 1. 0 -3
X
4 1. 0 -3
0,997
X
0,996
5 .1 0 -3 6 1.
Kezdeti koncentráció Σ = 5 g/dm3 20°C-on S:R [m/m %] X 80:20 85:15 90:10 95: 5 98: 2 100:0
0,995
0 -3
0,994
7 1. 0 -3
0,993 8 1. 0 -3
X
0,992
9 1. 0 -3
0,991 0,99 10 -2
9 1. 0 -3
8 1. 0 -3
7 1. 0 -3
6 1. 0 -3
5 1. 0 -3
4 1. 0 -3
3 1. 0 -3
0 -3 1 1.
S
0.0 0
10 -2
2 1. 0 -3
S
R
9.6. ábra Oldhatósági modellszámítások eredményei háromszög diagramon
9.4. A metastabil tartományok meghatározása n-hexánban hűtéses kristályosítással S enantiomerben dús SR racém esetén
9.4.1. A kísérleti berendezés A hűtő berendezés MLW MK70 típusú kriosztát volt, melyben 16 liter etilénglikol-dietilén-glikol fagyálló folyadék keringett. A négy méréshez 100 cm³ térfogatú köpenyes üvegedényt használtam, melynek köpenyterében áramoltattam a fagyálló
103
folyadékot. A hűtendő mintát, illetve kristály és anyalúg keveréket METROHM-E-349 típusú mágneses keverővel kevertettem. Az egész rendszert hőszigeteltem. A mérések kezdetekor az 50cm3 n-hexánban oldott 5 g/dm³ összkoncentrációjú S és
R mintát tettem az edénybe. A hűtés és a keverés elindítását követően 150-180 percig végeztem a méréseket. Ezalatt a rendszer +20°C-ról kb. -28°C hőmérsékletre hűlt. A hőmérsékletet a kristályosító edényben elhelyezett higanyos hőmérővel mértem. A mérés során MILLEX-GN típusú, 0,2 µm-es nylon anyagú, 13 mm átmérőjű szűrőn keresztül, adott időpontokban 1 cm³ mintát vettem a mérőedény tartalmából. A szűrletet külön mintatartókba tettem. A szűrőn maradt kristályokat 1 cm³ 20°C-os n-hexánnal mostam le külön mintavevőbe. A mintákat MERCK-HITACHI La Chrom típusú HPLC készülékkel elemeztem, Chiralcel OD-H tölteten n-hexán:IPA = 95:5 v/v % eluens mellett. A KR4 mérés során a racém összetételtől igen eltérő, a terner oldhatósági diagrammon (lásd 9.2. ábra) az A-B-S tartományba eső, 85,84 m/m % S és 14,16 m/m % R izomert tartalmazó oldatot hűtöttem. A KR3 mérés során a racém összetételtől kismértékben eltérő S:R = 52,7:47,3 összetételű oldatot hűtöttem. A KR1 mérés során racém összetételű oldatból indultam ki. A KR2 mérés esetén S kristályokkal oltottam be a rendszert a nukleációs tartományban -15°C-on. Mindhárom mérés során a 9.2. ábra szerinti S-B-R tartományból indultam ki. A hűtési sebesség kezdetben 50 K/h, mely 60 perc után kb. 10 K/h-ra, majd 5 K/h értékre csökkent mindegyik mérés esetén.
9.4.2. A KR4 mérés eredményei 50 cm³ n-hexánban 4,4263 g S/dm³ illetve 0,7301 g R/dm³ koncentrációjú optikai izomer keveréket oldottam fel (85,84 m/m % S és 14,16 m/m % R), melyet 200 perc alatt +20°C-ról hűtöttem -23°C-ra, 300 1/min gyors keverés mellett. A metastabil tartomány -7°C és -23°C között volt megfigyelhető. A koncentráció adatokat megvizsgálva enyhe kinetikus rezolválásra utaló koncentráció hullámot láthatunk a hőmérséklet, ill. hűtési idő függvényében az anyalúg S koncentrációjára, ill. az S kristály összetételére vonatkozóan (9.7. és 9.8. ábra). A kb. 86 tömegszázalékos S összetételű kiindulási oldatból kb. 97 m/m % S összetételű kristály válik ki 70,65 %-os kihozatal mellett. Az eredmények azt mutatják, hogy lassú hűtést alkalmazva, a hűtés kezdetén a metastabil tartományban a kiindulási oldatnál kedvezőbb összetételű kristályt lehet nyerni.
104
KR 4. 3
idő [min]
c [g(S+R)/dm ] 200
6
175
5
150 4 3 2
125
S izomer oldhatósága
100
SR racém oldhatósága S+R koncentréció
75
hűtési görbe T[°C]
50 1
25 0
0 -30
-20
-10
0
10
20
T [°C]
9.7. ábra KR4 mérés oldat (S+R) koncentráció, hőmérséklet, idő diagram S és SR oldhatósági görbékkel KR 4. 100
-30
-20
[% ]
200 idő [min]
90
180
80
160
70
140
60
120
50
100
40
80
30
60
20
40
10
20
0
0
-10
0
10
S [m/m %] az anyalúgban R[ m/m %] az anyalúgban S [m/m %] a kristályokban R [m/m %] a kristályokban T [°C]
20
T [°C]
9.8. ábra KR4 mérés: anyalúg és kristály összetétel (S és R m/m %), hőmérséklet, idő diagram
105
9.4.3. A KR3 mérés eredményei 50 cm³ n-hexán oldatot hűtöttem, melynek összetétele 52,7 m/m %, 2,67 g/dm³ S és 47,3 m/m %, 2,3986 g/dm³ R volt. A racém S:R = 50:50 m/m % összetételtől kismértékben eltérő oldatot 165 perc alatt hűtöttem +19,5°C-ról -26,4°C-ra. A keverést maximális értékre (300 1/min) állítottam, hogy a kristály ne tudjon az edény belső falán, hőmérőn kiválni. A 9.9. ábrán látható az S+R koncentráció a hőmérséklet és az idő függvényében. Az SR oldhatósági görbéjét -17°C-on, 55 percnél értem el. A metastabil tartomány -20°Cnál, 90 percnél kezdődik. Az S koncentrációja a folyadékfázisban 52,7 és 53,86 m/m % között mozog. Az S kristályok koncentrációja 49,23 és 64,22 m/m % között volt. Enyhe koncentráció hullám figyelhető meg a hőmérséklet és a hűtési idő függvényében, ami a kinetikus rezolválásra utal.
KR 3. 3
c [g(S+R)/dm ] 6
idő [min]
150 5 125 4
100
3
75
2
50
1
25
0 -30
-20
-10 T [°C]
S izomer oldhatósága SR racém oldhatósága S+R koncentráció hűtési görbe T[°C]
0 0
10
20
9.9. ábra KR3 mérés oldat (S+R) koncentráció, hőmérséklet, idő diagram S és SR oldhatósági görbékkel
106
9.4.4. A KR1 mérés eredményei 50 cm³ n-hexánban SR racém keveréket oldottam fel (2,8311 g S/dm³ és 2,8199 g
R/dm³), majd az elegyet lassú keverés közben (60 1/min) 160 perc alatt +17°C-ról lehűtöttem -28°C-ra. A mérés eredményei az 9.10. ábrán láthatóak. A metastabil tartomány (túltelítési tartomány) kb. -10°C-tól -22 °C-ig tart, amely a 45. és 105. perc között van. Ebben a tartományban várható a kinetikus rezolválás jelenségének észlelése, illetve figyelhető meg a nukleáció is. A táblázat alapján a folyadékfázisban enyhe S koncentráció csökkenés látható 50,06-51,35 m/m % között, míg S koncentrációja a kristályokban 50,1-53,81 m/m % S között kismértékben dúsul. A koncentráció adatok enyhe kinetikus rezolválásra utaló hatást mutatnak a diagrammon.
KR 1. 3
c [g(S+R)/dm ]
idő [min]
6
150 5 125 4
100
S izomer oldhatósága SR racém oldhatósága
3
75
S+R koncentráció hűtési görbe T[°C]
-30
-20
2
50
1
25
0
0
-10
0
10
20
T [°C]
9.10. ábra KR1 mérés oldat (S+R) koncentráció, hőmérséklet, idő diagram S és SR oldhatósági görbékkel
107
9.4.5. A KR2 mérés eredményei Az előző méréshez hasonló módon de oltás alkalmazásával végeztem a kísérletet. Az egyik kristályosító edényben 50 cm³ n-hexánban SR racém keveréket oldottam fel (2,8467g S/dm³, 2,8594g R/dm³). A másik kristályosító edényben 12,5 cm³ n-hexánban nagy tisztaságú S enantiomert (3,2539g S/dm³, 0,1771g R/dm³), majd a két kristályosító edényt kb. 150 perc alatt hűtöttem lassú keverés mellett (60 1/min) +22°C-ról -26°C-ig. A mérés során az S enantiomert tartalmazó kristályos oldatból -15°C hőmérsékleten 5 cm³ folyadékot (10,5mg S és 0.8855mg R) és kristályt (5,76mg S) adtam az SR racém keveréket tartalmazó kristályosító edénybe oltókristályként. A mérési eredmények a 9.11. ábrán
láthatók.
A
metastabil
(túltelítési)
tartomány
kb.
-10°C-tól
-16°C-ig tart, mely időben 50-75 percig tartott. Az oldat S koncentrációja 49,89-50,00 m/m % S között mozgott, az oltás után 52,67-56,88 m/m % között.
KR 2. c [g(S+R)/dm 3] 6
idő [min] 150
5 125 4
100
S izomer az edényben S+R koncentráció
3
75
SR racém oldhatósága hűtési görbe T[°C]
2
50 S izomer oldhatósága
1
25 0
0 -30
-20
-10 oltás
0
10
20
T [°C]
9.11. ábra KR2 mérés oldat (S+R) koncentráció, hőmérséklet, idő diagram S és SR oldhatósági görbékkel
108
9.4.6. A kísérleti eredmények összefoglalása A kinetikus kristályosítási vizsgálatok során S enentiomerben dús keverékeket és racém SR keveréket hűtöttem n-hexánban oldva +20°C-ról -28°C-ra S kristállyal való oltással és anélkül. A hűtés során metastabil tartományokat lehetett megfigyelni (lásd 9.12. ábra). A kinetikus rezolválás jelenségét a metastabil tartományokban figyelhetjük meg. A hűtési sebesség adatok a 9.13. ábrán láthatók. A hűtési sebesség kezdetben 50°C/óra volt, ami folyamatosan csökkent, a kriosztát tejesítménykorlátai miatt. A KR4 mérés 85,84 m/m % S és 14,16 m/m % R kezdeti koncentrációjával a 9.2. ábra szerint az A-B-S területen helyezkedik el. A KR1, KR2, KR3 mérés az S-B-R területen. A KR1 mérés esetén racém elegyből indultam ki, a KR2 mérés során S kristályokkal oltottam be az oldatot, a KR3 mérés során a racém összetételtől kissé eltérő oldatból indultam ki (52,7 m/m % S és 47,3 m/m % R). A 9.14. ábrán látható hogy az eredmények enyhe kinetikus rezolválásra utalnak. A folyadék koncentráció változásban enyhe fluktuáció figyelhető meg. A KR4 mérés esetén 97 m/m % S kristályokat kaptam 70,65 % kihozatallal.
ln cS+R 2,0
103/T [K-1]
3
SR
[g/dm ] 1,8 1,6 1,4
S
1,2 1,0 0,8 0,6
KR 1. S+R KR 2. S+R KR 3. S+R
0,4
KR 4. S+R
0,2
sol. of S isomer S oldhatósága SR racém oldh. SR racém oldh. sol. of SR racemic
0,0 3,70
3,75
3,80
3,85
3,90
3,95
4,00
9.12. ábra A mérési eredmények összehasonlítása
109
60 50
T [°C], ∆ T/∆ t [°C/h]
40 30 20 10
KR 1. T [°C] KR 1. ∆T/∆ t KR 2. T [°C] KR 2. ∆T/∆ t KR 3. T [°C] KR 3. ∆T/∆ t KR 4. T [°C] KR 4. ∆T/∆ t
.
0 -10
[°C/h] [°C/h] [°C/h] [°C/h]
-20 -30 0
25
50
75
100
125
150
175
t [min]
9.13. ábra A hűtési sebesség adatok 0,0 H 0
Oldhatóság -20°C-on 1,2-1,2 g/dm3 S és R
1 .1
-27°C-on 0,92-0,92 g/dm3 S és R
7 1. 8 1.
3 1. 0 -3
4
X
0,999 0,998
2 1 3 3 2 21
4 4
B
4
X
0,997
0 -3
3 1
X
2
2 3
S:R 80:20 85:15 90:10 95: 5 98: 2 100:0 KR4 KR3 KR1 KR2
0,996
4 4
0,995 2
0 -3
0,994
0 -3 4 4
0 -3
0,993
1 3 1 3 3 2 1 2 2 11 2
X
0,992 0,991 0,99 10 -2
9 1. 0 -3
8 1. 0 -3
7 1. 0 -3
6 1. 0 -3
5 1. 0 -3
4 1. 0 -3
3 1. 0 -3
1 1. 0 -3
2 1. 0 -3
S
10 -2
0,0 0
2
1 4
9 1. 0 -3
S
1
1,00
2 1 2
4 1. 0 -3
6 1.
2
2 1. 0 -3
Tiszta S határvonala a terner oldhatósági diagram alapján BS vonal
5 .1
0 -3
Kezdeti koncentráció Σ = 5 g/dm3 20°C-on
R
9.14. ábra A A mérési eredmények terner oldhatósági diagramon
110
A mérések eredményeit terner oldhatósági diagramon is ábrázoltam (9.14. ábra). Ábrázolástechnikai okok miatt csak a legnagyobb metastabil tartománnyal randelkező KR3 mérés esetén figyelhető meg a kinetikus rezolválás jelensége a háromszög diagramon. Az ígéretes kísérleti eredmények alapján valószínűsíthető, hogy 80 m/m %-nál nagyobb S összetételű oldatok hűtése esetén S oltókristály alkalmazásával tovább növelhető az S kristály kihozatala és tisztasága a korábbi hagyományos kristályosítási módszerekhez képest. Korábbi kísérleteimben kimutattam, hogy 80 m/m %-nál nagyobb S összetételű kb. 5g (S+R)/dm³ oldat +20°C-ról -15°C, -20°C, -27°C-ra történő hűtésével 99 %-nál tisztább S kristályt tudam előállítani 70-80 %-os kihozatallal, ha a hűtést legalább 8 órán kersztül végeztem.
111
10. SMB művelet és csatolt kristályosítás vizsgálata 10.1. A számításokhoz felhasznált adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok összefoglalása Az alábbiakban összefoglalom az adszorpciós egyensúlyi izoterma egyenletek paramétereit, amelyekről eddig szó esett (10.1. táblázat). Kiinduló pont a szimulációs programokban eddig használt kompetitív Langmuir izoterma (LANGMUIR), ezt az egyenletet helyettesítettem először egy módosított bi-Langmuir izotermával, amelynek a második tagja lineárisan írja le a töltet nemszelektív hányadát (BI-LANGMUIR I.). Végül a nemszelektív hányadot is Langmuir-típusú adszorpciós izotermával írtam le (BILANGMUIR II.). Az izotermák illeszkedése a mért pontokra 10.1. ábrán látható. LANGMUIR
BI - LANGMUIR I. S
aR
7,1489
a
aS
5,5320
a
bR
0,0206
b
bS
0,0160
b
BI - LANGMUIR II. S
8,3680
a
S
6,3930
a
R
0,2043
b
0,1599
b
NS
0,7103
a
NS
0
b
R S
S S S
a b
mértékegység 3
7,2600
cm folyadék/g töltet
S
5,3570
cm folyadék/g töltet
R
0,1880
cm folyadék/mg R
0,1390
cm folyadék/mg S
NS
1,3310
NS
0,0132
cm folyadék/g töltet 3 cm folyadék/mg komponens
R S
S S S
3
3
3
3
10.1. táblázat Adszorpciós egyensúlyi izoterma adatok összefoglalása (indexek: S : S izomer, R : R izomer; S : szelektív, NS : nem szelektív hányad) 20
18
S mért R mért
16
S Langmuir
q [mg komponens/g töltet]
R Langmuir
14
S bi-Langmuir I. R bi-Langmuir I.
12
S bi-Langmuir II. R bi-Langmuir II.
10
8
6
4
2
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
c [mg komponens/cm3 oldat]
10.1.ábra A háromféle izoterma illeszkedése a mért pontokra
112
10.1.1. Adszorpciós izoterma adatok hatása a Morbidelli háromszögre A Morbidelli-féle „háromszög” alakját és területét az adszorpciós izoterma paraméterek, ezenkívül a betáplálás összetétele és koncentrációja, jelentősen befolyásolják (lásd 3.7. ábra). Ezen esetben az izotermák hatását vizsgáltam, a betáplálás koncentrációja a szimulációk során állandó volt: cF = 5g/dm3, mindig azonos komponens összetétellel (cFS = 2,5 g/dm3, cFR = 2,5 g/dm3). Nem limeáris adszorpciós izotermák esetén a Morbidelli háromszög egyre kisebb és élesebb lesz. A lineáris esethez viszonyítva, amikor a háromszög derékszögű, az optimális üzemelési körülményeknek megfelő „w” pont balra lefelé mozdul el. Mivel ez a pont, az „a” és „b” pontokkal együtt, az SMB üzemeltetésének azon paraméter szélsőértékeit szabják meg, ahol az elválasztandó komponensek még tisztán kinyerhetőek, ezért fontos tudnunk, hogy az mII-mIII síkban hol helyezkedik el.
10.2. ábra Morbidelli - féle háromszög változása
A „w” pont helyének kiszámítására C. Migliorini és munkatársai által leírt shortcut módszert alkalmaztam [66]. Az így kapott pontok koordinátáit a 10.2. táblázatban láthatjuk összefoglalva, a Morbidelli háromszögek alakulását pedig a 10.3. ábrán.
a w b
LANGMUIR mII mIII 12,9980 12,9980 9,7407 12,1074 10,0581 10,0581
BI-LANGMUIR I. mII mIII 16,5100 16,5100 8,9825 11,3622 12,9200 12,9200
BI-LANGMUIR II. mII mIII 15,6200 15,6200 8,9687 11,3220 12,1600 12,1600
10.2. táblázat A Morbidelli háromszögek koordinátái
113
17
mIII
15
13
11 LANGMUIR BI-LANGMUIR I
9
BI-LANGMUIR II
7 7
9
11
13
15
17
mII
10.3. ábra A Morbidelli háromszögek alakulása különböző izotermák esetén
10.2. Az SMB művelet és a kristályosítás összekapcsolása Kövessük nyomon a kísérleti elegy szétválasztását a számítógépes szimulációs program segítségével. Első lépésként szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiával feldúsítjuk az egyik enantiomert, majd frakcionált kristályosítással tisztítjuk azt. A folyamat sematikusan a 10.4. ábrán látható. A kromatográfiás szeparációs művelet során nem szükséges magas tisztaságban előállítani az enantiomert, mert aszimmetrikus összetételű elegyből indítva a kristályosítást az egyik enantiomert tartalmazó kristályokat ki lehet nyerni. Esetemben a cél komponens a raffinátum áramban feldúsuló S izomer, ezt az áramot kristályosítom majd. Emellett az extraktum áramának tisztaságát nem engedem 99 m/m % alá, hogy az SMB-ből ott kilépő R komponens mellett a számomra értékes S vesztesége ne legyen jelentős. Szimulációk segítségével meghatározom az SMB mérés anyagáramait, majd megvizsgálom, hogy mennyire befolyásolja a szétválasztás tisztaságát és termelékenységét a raffinátum kristályosítása után nyert anyalúg visszavezetése az SMB betáplálási áramába. A recirkuláltatott áram miatt célszerű a teljes rendszert modellezni és úgy optimalizálni a
114
feladatot. Mivel a raffinátum tisztasági követelményeit csökkentettem kristályosítással éretm el a kívánt 99 m/m %-os tisztaságot, a rendszer termelékenysége is nő. Mennyiségi elemzésről lévén szó, az elválasztásra jellemző két függvényt, a tisztaságot
és
a
termelékenységet
definiálom
a
teljes
rendszerre
megfelelő
célfüggvényként.
10.4. ábra Kristályosítással csatolt SMB berendezés
10.2.1. Az SMB szimuláció rögzített paraméterei A vizsgálandó elegyben az R-etil-észter a továbbiakban „A” komponens és az Setil-észter a továbbiakban „B” komponens van jelen 50:50 %-ban.
Oszlopgeometriai adatok:
− Oszlop átmérő (Db): 1 cm − Oszlop hossz (L): 25 cm − A töltet halmazsűrűsége (ρH): 0,6 g/cm3 oszlop − Összes porozitás (ε): 0,67 cm3/cm3 oszlop Szegmensek adatai:
− Az első szegmensben levő oszlopok száma: 1 − A második szegmensben levő oszlopok száma: 1 − A harmadik szegmensben levő oszlopok száma: 1 − A negyedik szegmensben levő oszlopok száma: 1
115
− Összesen: 4 Komponensek száma: 2 Koncentrációk:
− 1. komponens (B) koncentrációja a betápban: 2,5 mg/cm3 − 2. komponens (A) koncentrációja a betápban: 2,5 mg/cm3 − 1. komponens (B) koncentrációja az eluensben: 0 − 2. komponens (A) koncentrációja az eluensben: 0
Az izomerek elválasztásához alkalmazott SMB művelet működési paramétereinek meghatározásához a Morbidelli elméletet használtam fel.
10.2.2. A szimulációk bemenő adatai Első körben a szimulációkat úgy végeztem el, hogy az oszlopokra racém elegy érkezik, vagyis a komponensek koncentrációi 2,5-2,5g/dm3-esek. A szimulációk anyagáramait a munkapont Morbidelli háromszögben elfoglalt helye alapján vizsgáltam. Tudjuk, hogy az SMB optimális működése esetén a munkapont a háromszög csúcsának a közelében helyezkedik el. Azonban a bi-Langmuir I. és a bi-Langmuir II. izotermák esetén a háromszög területe annyira csökken és torzul, hogy az elválasztás stabilitása érzékenyebbé válik, a gyakorlatban a munkapont könnyen átcsúszhat olyan tartományba ahol az extraktum árama szennyeződik. Ezért az S komponenst tartalmazó raffinátum tisztaságainak függvényében úgy változtattam az SMB művelet paramétereit, hogy a munkapontok az mII vonalán mIII tengellyel párhuzamosan helyezkedjenek el (10.6-7. ábra). A munkám alapjául szolgáló referencia rendszer is ehhez hasonló elhelyezkedésű (10.5. ábra).
116
10.5.ábra A referencia szimulációk munkapontjai
18
szim_I_1
16
szim_I_2 szim_I_3
mIII
szim_I_4
14
szim_I_5 szim_I_6 szim_I_7 szim_I_8
12
szim_I_9 szim_I_10 szim_I_11
10 10
12
14
16
18
mII
10.6.ábra A szimulációk munkapontjai – bi-Langmuir I. izoterma
117
16
szim_II_1 szim_II_2 szim_II_3 szim_II_4
14 mIII
szim_II_5 szim_II_6 szim_II_7 szim_II_8 12
szim_II_9 szim_II_10 szim_II_11 szim_II_12
10 10
11
12
13
14
15
16
17
mII
10.7.ábra A szimulációk munkapontjai – bi-Langmuir II. izoterma
10.2.3. A szimulációs eredmények kiértékelése Az SMB-CHIR program a lefutása után egy kimeneti könyvtárba Excel táblázatokban tárolja a mintavételezés során kapott koncentrációkat minden áramra. A szimuláció során nyert adatokból az elméleti részben ismertetett jellemző mennyiségeket számoltam ki mindkét komponensre. Az adatfeldolgozás során az extraktum és a raffinátum utolsó két taktusának átlagkoncentrációjával számoltam, mivel itt már láthatóan beállt a rendszer kvázistacioner állapota. Elsősorban ezen áramok, adott komponensre vonatkoztatott, tömegszázalékban kifejezett tisztaságát figyeltem, kiinduló pontokat keresve a kristályosításhoz. Az értékelés során ábrázoltam az extraktum és a raffinátum tisztaságát, a művelet termelékenységét és fajlagos oldószer-felhasználását (lásd 10.8-11. ábrák). Az eredményekből látható, hogy rögzített paraméterek mellett nagyobb betáplálási áram esetén a raffinátum tisztasága romlik (10.8. ábra), az extraktum tisztasága nem megy
118
98
m/m
%
alá
(10.9.
ábra),
azonban
a
rendszer
termelékenysége
nő
(10.10. ábra) és a szükséges eluens mennyisége csökken (10.11. ábra).
Raffinátum tisztaság 100,00
Raffinátum tisztaság [m/m%]
90,00
80,00
70,00
LANGMUIR Langmuir Langmuir
60,00
bi-Langmuir bi-LangmuirI.I. NS LANGMUIR+LIN bi-Langmuir bi-LangmuirII. II. BI-LANGMUIR 50,00 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
3
Feed [cm /min]
10.8. ábra A raffinátum összetételének függése a betáplálási áramtól
Extraktum tisztaság 100,00
Extraktum tisztaság [m/m%]
98,00
96,00
94,00
LANGMUIR Langmuir 92,00
bi-Langmuir I. NS LANGMUIR+LIN bi-Langmuir II. BI-LANGMUIR
90,00 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
Feed [cm3/min]
10.9. ábra Az extraktum összetételének függése a betáplálási áramtól
119
Termelékenység 300,00
Term [mg B/g töltet nap]
250,00
200,00
150,00
LANGMUIR Langmuir
100,00
bi-Langmuir I. NS LANGMUIR+LIN bi-Langmuir II. BI-LANGMUIR
50,00
0,00 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
Feed [cm3/min]
10.10. ábra A termelékenység függése a betáplálási áramtól
Fajlagos eluens felhasználás
45,00
LANGMUIR Langmuir
40,00
bi-Langmuir I. NS LANGMUIR+LIN bi-Langmuir II. BI-LANGMUIR
35,00
3
Fajlagos eluens felhasználás [cm eluens/mg B]
50,00
30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
3
Feed [cm /min]
10.11. ábra A fajlagos eluens felhasználás függése a betáplálási áramtól
120
10.2.4. A raffinátum áramok kristályosításos tisztítása A szimulációk közül kiválasztottam néhányat, ahol a raffinátum tisztasága 99,9 m/m %-tól kb. 70 %-ig változik, ezekben a pontokban végeztem el elméletben a kristályosítást. Az oldhatóság kiszámítására konglomerátum típusú rendszerekre leírt ideális modellt alkalmaztam, mely szerint az SR oldhatósága S ill. R oldhatóságának a kétszerese (9.6. ábra). Így például -20 °C-on S és R oldhatósága 1,2 - 1,2 g/dm³, SR oldhatósága pedig 2,4 g/dm³. Első lépésben a szimulációval kapott raffinátum áramokat bepároltam 5 g/cm3-re, majd a -20°C-on mért oldhatósági adatokat felhasználva kiszámoltam a tisztán kikristályosodó (99 m/m %) S komponens mennyiségét és az anyalúg összetételét és mennyiségét. Mivel az anyalúg a betáplálási áramhoz képest túl híg volt, ezért betöményítettem 5 g/dm3-re, és az így kapott térfogatáram segítségével kiszámoltam a friss racém betáplálás térfogatáramát és az SMB oszlopra érkező betáplálás összetételét (cFB, cFA). A betáplálás n-hexán:IPA összetételét 95:5 v/v % értéken tartottam. Az első kristályosítási lépés után kapott új betáplálási koncentráció értékekkel ismét lefutattam a szimulációkat. A rendszer kvázistacioner állapota a harmadik kristályosítás után állt be; az ekkor kapott anyalúg mennyisége, összetétele már közel azonos volt az előző kristályosítás eredményeivel. Az elválasztásra jellemző két paramétert a következő ábrákon követhetjük nyomon (10.12-13. ábra), ezen paraméterek a teljes rendszerre (SMB + kristályosítás) értendőek. Látható, hogy a Morbidelli háromszög területének lecsökkenésével, sokkal kisebb betáplálási áramokkal dolgozhattam csak. Természetesen az SMB oszlop termelékenysége a legnagyobb betáplálási áramnál a legkedvezőbb, azonban ekkor a raffinátum tisztasága túlságosan leromlik. Ez számunkra kedvezőtlen, mert a nagy R komponens tartalom rontja a kristályosítás kihozatalát, túl sok
S komponenst „visz oldatba”.
121
Termelékenység 180,00
bi-
140,00
SMB+KRIST II.
LangmuirII. SMB+KRIST I. bi-
Langmuir I. 120,00
Langmuir LANGMUIR
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00 73,00
78,00
83,00
88,00
93,00
98,00
RAFF tisztaság B (m/m%)
10.12. ábra A termelékenység raffinátum összetételtől való függése
Fajlagos eluens felhasználás 30,00
biSMB+KRIST II. 25,00
eluens felhaszn. (cm 3 eluens/mg B)
termelékenység krist után (mg B/g töltet nap)
160,00
LangmuirII. biSMB+KRIST I.
Langmuir I.
20,00
Langmuir LANGMUIRI 15,00
10,00
5,00
0,00 70,00
75,00
80,00
85,00
90,00
95,00
100,00
RAFF tisztaság B (m/m%)
10.13. ábra A fajlagos eluens felhasználás raffinátum összetételtől való függése
122
10.2.5. A kristályosítás optimalizálása A cél a fenti rendszerben (SMB + kristályosítás) az S termelékenység maximalizálása és az S termékre vonatkozó friss oldószer felhasználás minimalizálása. A teljes rendszer hozama függ a kristályosítás termelékenységtől, ezért a kristályosítás lépését optimalizálni kell. Ahhoz, hogy a kristályosítás kiindulási pontját az oldhatósági görbe közelébe vigyük, meg kell növelni a kristályosítás kiindulási áramának koncentrációját. A 99,9 m/m % S kristály kinyeréséhez tartozó határkoncentráció görbét a különböző összetételű elegyekre (különböző szimulációkra) az alábbi adatokból számítottam ki: -20°C-on S és R oldhatósága 1,2…1,2 g/dm3, +20°C-on S oldhatósága 28,5 g/dm3. Így megkaptam azokat a koncentráció értékeket, melyre bepárolva az oldatot még tiszta S kristályokat nyerhetünk ki. Ha töményebb oldatot állítanánk elő, akkor abban az esetben -20°C-on már az R komponens egy része is kikristályosodna. Egy tisztább raffinátum áramot nagyobb koncentrációra is bepárolhatunk, ekkor még tisztán nyerhető ki az S komponens. A határkoncentráció értékeket felhasználva ismét lefuttattam a szimulációkat, amíg a kvázistacioner állapot be nem állt. Az extraktum, raffinátum és az eluens térfogatáramát nem változtattam. A kristályosítással csatolt SMB rendszer termelékenységét és fajlagos eluens felhasználását újra ábázoltam (10.14-15.ábra).
Termelékenység 200,00
180,00
SMB+KRIST bi-Langmuir II. II. bi-Langmuir I.
termelékenység krist után (mg B/g töltet nap)
SMB+KRIST I.
bi-Langmuir II.
160,00
SMB+OPTKRIST II optimális bi-Langmuir I.
140,00
SMB+OPTKRIST I. optimális
LANGMUIR OPT Langmuir opt. 120,00
Langmuir
LANGMUIR
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00 73,00
78,00
83,00
88,00
93,00
98,00
RAFF tisztaság B (m/m%)
10.14. ábra A termelékenységek összehasonlítása
123
Megállapítható, hogy az SMB az optimális kristályosítással, bi-Langmuir adszorpciós izoterma esetén 80-90 m/m % B (S) raffinátum tisztaság mellett a termelékenység kb. 50mg S/g töltet nap, az oldószer felhasználás kb. 10cm3eluens/mg S (lásd 10.3. táblázat). Fajlagos eluens felhasználás 30,00 SMB+KRIST II.
bi-Langmuir II.
bi-LangmuirI. I. SMB+KRIST
eluens felhaszn. (cm 3 eluens/mg B)
25,00
bi-Langmuir II.
SMB+OPTKRIST II. optimális bi-Langmuir I. I. SMB+OPTKRIST
20,00
optimális
LANGMUIR Langmuir OPT opt. Langmuir LANGMUIRI
15,00
10,00
5,00
0,00 70,00
75,00
80,00
85,00
90,00
95,00
100,00
RAFF tisztaság B (m/m%)
10.15.ábra A fajlagos eluens felhasználások összehasonlítása
Termelékenység SMB
Langmuir
bi-Langmuir I.
bi-Langmuir II.
40
20
28
17
26
18
160
45
50
4
12
8
165
47
52
3,5
14
8
[mg S/g töltet nap]
Eluens fajlagos 3
[cm eluens/mg S]
Termelékenység SMB+
[mg S/g töltet nap]
kristályosítás
Eluens fajlagos 3
[cm eluens/mg S]
Termelékenység SMB+optimalizált
[mg S/g töltet nap]
kristályosítás
Eluens fajlagos 3
[cm eluens/mg S]
10.3. táblázat Az eredmények összehasonlítása
124
11. SMB mérések 11.1. Az SMB készülék
A kislaboratóriumi méretű, kézi vezérlésű, négyoszlopos négy szektoros nyílt eluenskörű SMB preparatív folyadékkromatográfiás készüléket (lásd az 1. képet) a Veszprémi Egyetem Központi Gépműhelyében készítették. Az alkatrészek egy saválló acél állványra vannak telepítve. A 4 db pereparatív HPLC oszlop 5 db négyállású kézi váltó csappal, 4db 4 utas folyadékelosztóval, 4db 7 utas folyadékelosztóval, 4db zárócsappal és 2db visszacsapó szeleppel áll kapcsolatban. Minden alkatrész holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel rendelkezik. A 4 db Gilson 302 és 303 típusú 0-50cm3/perc szállítóképességű HPLC szivattyú pumpálja a folyadékáramokat, melyek 1/16” külső és 0,75mm belső átmérőjű saválló kapillárisokban haladnak. Az új optikai izomer termék elválasztását segítő átfolyó küvettás polarimetriás detektort (Chiralyser), UV detektort (Gilson 116, 254 nm-en), és számítógépes adatgyűjtést lehetővé tevő digitális mérlegeket (Bizerba GE 2001-68) építettem be az SMB készülékbe. A
beüzemelés
során
a
négy
SUPELCO
gyártmányú
preparatív
folyadékkromatográfiás oszlopot (Db = 1cm, L = 25cm) Chiralcel OD (dsz = 20µm) állófázissal töltöttem meg 30 percig tartó vibrációs módszerrel. A töltet halmazsűrűsége 0,6 g/cm3 lett, az összes porozitás ε = 0,67. Minden oszlopba 11,77g töltet került. A mérések előtt az oszlopokról a levegőt n-hexán:IPA = 95:5 v/v % eluenssel eltávolítottam, majd egyensúlyba hoztam [62-65, 67-70].
11.2. A RG OD SMB EÉ 01-04 mérések eredményei Az 541/BK jelű S, R etil-észter racém keverékből 5 g/dm3 oldatot készítettem, melyet a kísérletek során 95:5 illetve 93:7 v/v % n-hexán:IPA eluensben oldottam fel. Friss eluensként 93:7 illetve 95:5 v/v % n-hexán:IPA oldószer elegyet használtam. A RG OD SMB 01-04 mérések során legkedvezőbb esetben >99,9 m/m % S terméket kaptam a raffinátumban 99 %-nál nagyobb kihozatallal 57,5 g S/kg töltet nap termelékenységgel 5,4 m3 friss eluens/kg S termék eluens fajlagos mellett.
125
A jellemző műveleti paraméterek illetve térfogati sebességek az RG OD SMB 0104 mérések során az M 11.1. táblázatban és az M 11.1. ábrán láthatók.
11.3. A RG OD SMB EÉ 06 mérés eredményei A mérés során a bemenő oldat (0,5 cm3/perc) és a friss eluens egyes taktusok közötti fogyását, illetve a kimenő anyagáramokat (extraktum, raffinátum és LR-OUT áramok) tömeg mérés alapján határoztam meg, majd a sűrűségek és a taktusidők ismeretében ezekből meghatároztam a térfogatáramokat. Ezeket az értékeket tartalmazza a grafikusan az M 11.2. ábra. Az anyagáramok és a készülék paramétereinek ismeretében meghatároztam a Morbidelli-féle paramétereket. Ezeket az értékeket mutatja be az M 11.3. ábra. A minták HPLC elemzésével kapott koncentráció adatokat az M 11.4. ábra tartalmazza. Látható, hogy a raffinátum áram tiszta, míg az extraktum kezdetben tartalmaz
S szennyező komponenst, de ez folyamatosan csökken. Az SMB művelet fajlagosait a negyedik ciklus alapján számoltam (11.1. táblázat), az M 11.4. ábra eredményeiből látható, hogy a rendszer kvázistacioner állapota ekkor még nem állt be, így elmondható hogy a mért adatok eltérése a számított eredményektől csökken az idő előrehaladtával. Komponens B (S) A (R)
Tisztaság [m/m %] 100,0 85,7
Kihozatal [%] 80,3 100,0
Termelékenység [mg anyag /g töltet nap] 32,7 30,7
Eluens fajlagos [cm eluens /mg anyag] 18,9 20,1 3
11.1. táblázat Az SMB művelet fajlagosai
A 11.1. táblázat eredményeit összehasonlítva a szimuláció eredményeivel kis eltérés látható a mért és a szimulált eredmények között. Ez betudható annak, hogy a mérés során még nem állt be a rendszer kvázistacioner állapota, illetve a szimuláció során alkalmazott térfogatáramok eltérnek a ténylegesen mért térfogatáramoktól. A 11.1. ábrán látható, hogy a tényleges térfogatáramok miatt a munkapont Morbidelli háromszögben elfoglalt helye eltolódott a szimulált értékhez képest, így az extraktum áramok kissé szennyeződtek.
126
17 15
mIII
13 11 9
Mért Számított
7 5 5
7
9
11
13
15
17
mII 11.1. ábra A szimulált és mért munkapontok összehasonlítása
Az összegyűjtött a raffinátum illetve extraktum + LR-OUT frakciókat rotadeszt készülékkel bepároltam kb. 5-6 g/dm3 koncentrációra (11.2. táblázat). párlat
Frakció
maradék
összesen
töményítési
[cm3]
[g]
[cm3]
[g]
[cm3]
arány
341,54 517,48
3,96
6,00
345,50
523,48
86,25
Extraktum+LR-OUT 752,06 1139,48 12,74
19,31
764,80
1158,79
60,01
[g] Raffinátum
11.2. táblázat A bepárlás
A desztillálási maradék analitikai HPLC készüléken végzett elemzéséből (lásd 11.3. táblázat) látható, hogy a raffinátum és extraktum+LR-OUT frakciók bepárlása 5,25 illetve 5,45 g/dm3 koncentrációra sikerült. A raffinátum frakció nem tiszta, mivel az ötödik ciklus első taktusában kissé eltolódott áramok miatt tartalmaz R komponenst is.
Minta
Tisztaság
c
[m/m %]
[g/dm3]
B (S)
A (R)
B (S)
A (R)
Raffinátum
96,68
3,32
5,08
0,17
E+LR-OUT
28,81
71,19
1,57
3,88
11.3. táblázat A maradékok összetétele és koncentrációja
127
A betöményített oldatokat 8 órára -21°C-ra hűtöttem. A minták kristályairól leöntött anyalúg és a raffinátum áram illetve az extraktum + LR-OUT kristályainak összetételét a 11.4. táblázat tartalmazza.
Minta
Tisztaság
c
[m/m %]
[g/dm3]
B (S)
A (R)
B (S)
A (R)
86,25
13,75
0,99
0,16
E+ LR-OUT anyalúg 37,83
62,17
0,48
0,79
Raffinátum kristály
99,33
0,67
3,61
0,02
E+LR-OUT kristály
27,49
72,51
1,23
3,25
Raffinátum anyalúg
11.4. táblázat Az anyalúgok és a kristályok összetétele és koncentrációja
A táblázat eredményeiből látható, hogy a 96,68 S tömegszázalékos raffinátum frakció bepárlásával és hűtéses kristályosításával az S komponens 99 m/m %-nál tisztábban állítható elő. A kristályosítás kihozatala a céltermékre nézve 80 %.
11.4. A RG OD SMB EÉ 07 mérés eredményei E mérés esetén a betáplálási áramot 1,5 cm3/perc-re emeltem, a többi paramétert változatlanul hagytam. A melléklet M 11.5-7. ábrái alapján látható, hogy a harmadik ciklusban a térfogatáramok megváltoztak, ezért a raffinátum és extraktum áramok tisztaságai csökkentek. A számított és a mért munkapontok összehasonlítását a 11.2. ábra mutatja. Az SMB művelet fajlagosait a második ciklus alapján számoltam ki (11.5. táblázat). Ha a szivattyúk pontosan szállítanak, és beáll a rendszer kvázistacioner állapota, valószínűleg jobb eredmény érhető el a mérés során. Komponens B (S) A (R)
Tisztaság [m/m %] 100,0 84,7
Kihozatal [%] 89,9 74,0
Termelékenység [mg anyag /g töltet nap] 74,7 49,3
Eluens fajlagos [cm3 eluens /mg anyag] 8,18 12,38
11.5. táblázat Az SMB művelet fajlagosai
128
17 15
mIII
13 11 9 Mért
7
Számított
5 5
10
15 mII
11.2. ábra A szimulált és a mért munkapontok összehasonlítása
A következő lépésben külön összegyűjtöttem a raffinátum és az extraktum + LROUT frakciókat, majd rotadeszt készülékkel ~5-6 g/dm3 koncentrációra bepároltam. A bepárlást a 11.6. táblázat tartalmazza. párlat
Frakció
maradék
töményítési
[cm3]
[g]
[cm3]
arány
313,57 475,10 36,23
54,90
349,80
530,00
9,65
Extraktum+LR-OUT 811,40 1229,40 13,60
20,60
825,00
1250,00
60,68
[g]
Raffinátum
[cm3]
összesen
[g]
11.6. táblázat A bepárlás
A desztillálással kapott maradékok analitikai HPLC készüléken végzett elemzéseinek eredményeit a 11.7. táblázat tartalmazza. Mivel a mérés során a térfogatáramok megváltoztak, a raffinátum és az extraktum + LR-OUT összetételei is romlottak.
Minta
Tisztaság
c
[m/m %]
[g/dm3]
B (S)
A (R)
B (S)
A (R)
Raffinátum
87,22
12,78
5,72
0,84
E+LR-OUT
34,12
65,88
1,69
3,25
11.7. táblázat A maradékok összetétele és koncentrációja
129
A betöményített oldatokat 8 órára -21°C-ra hűtöttem. Az extraktum + LR-OUT maradék R komponensre nézve nem elég tiszta, és nagy a komponenselegy oldhatósága, ezért ebből az oldatból nem váltak ki kristályok. A raffinátum áram kristályait ~55 cm3 nhexánban oldottam. A kristály és az anyalúg minták elemzése során kapott eredményeket 11.8. táblázat tartalmazza.
Minta
Tisztaság
c
[m/m %]
[g/dm3]
B (S)
A (R)
B (S)
A (R)
Raffinátum anyalúg
66,35
33,65
0,95
0,48
Raffinátum kristály
92,44
7,55
4,62
0,38
11.8 táblázat Az anyalúgok és a kristályok összetétele és koncentrációja
A 11.8. táblázat eredményeiből látható, hogy a 87,22 m/m % (S) raffinátum frakciót bepárlással és hűtéses kristályosítással 92,44 m/m %-ra tudtam dúsítani. A kristályosítás kihozatala a céltermékre nézve 83 %.
11.5. A RG OD SMB EÉ 08 mérés eredményei
A raffinátum áram tisztaságának „rontása” céljából tovább növeltem a betáplálási térfogatáramot 2,9 cm3/perc-re, a többi paramétert változatlanul hagytam. A mérés során szintén mértem a bemenő oldat és a friss eluens egyes taktusok közötti fogyását, illetve a kimenő anyagáramokat (extraktum, raffinátum és LR-OUT áramok), majd a sűrűségek és a taktusidők ismeretében ezekből meghatároztam a térfogatáramokat, melyek grafikusan az M 11.8. ábrán láthatóak. Az anyagáramok és a készülék paramétereinek ismeretében meghatároztam a Morbidelli-féle paramétereket. Ezeket ismerteti az M.11.9. ábra. A minták HPLC elemzésével nyert koncentráció értékeket az M 11.10. ábra tartalmazza. Látható, hogy az extraktum áram a harmadik ciklusra kitisztul, míg a raffinátum áram tisztasága leromlik. A 11.3. ábrán látható, hogy a tényleges térfogatáramok miatt a munkapont helye elcsúszott a Morbidelli háromszögben a szimulált értékhez képest, így kevésbé tiszta raffinátum áramokat értem el a mérés során.
130
17 15
mIII
13 11 9
Mért Számított
7 5 5
7
9
11 mII
13
15
17
11.3. ábra A szimulált és mért munkapontok összehasonlítása
Az SMB művelet fajlagosait a negyedik ciklus alapján számoltam ki (11.9. táblázat). Tisztaság Komponens [m/m %] B (S) A (R)
66,6 96,0
Kihozatal [%]
Termelékenység [mg anyag /g töltet nap]
98,7 28,0
213,7 61,1
Eluens fajlagos [cm3 eluens /mg anyag] 2,9 10,2
11.9. táblázat Az SMB művelet fajlagosai
Kistályosításra csak az első ciklus és a második ciklus első felének raffinátum áramai alkalmasak, mivel a négy ciklus raffinátum áramaiból már nem kristályosodna tisztán az S komponens. Összegyűjtöttem az említett raffinátum frakciókat, és rotadeszt készülékkel ~5-6 g/dm3 koncentrációra pároltam őket (11.10. táblázat). párlat
Frakció Raffinátum
maradék
összesen
töményítési
[g]
[cm3]
[g]
[cm3]
[g]
[cm3]
arány
97,55
147,80
25,87
39,20
123,42
187,00
4,77
11.10. táblázat A bepárlás anyagáramai
131
A desztillálással kapott raffinátum maradék elemzése során kapott eredményekből (11.11. táblázat) látható, hogy a raffinátum frakció megfelelő koncentrációra történő bepárlása (5,44 g/dm3) sikerült.
Minta
Raffinátum
Tisztaság
c
[m/m %]
[g/dm3]
B (S)
A (R)
B (S)
A (R)
77,43
22,57
4,21
1,23
11.11. táblázat A maradék összetétele és koncentrációja A kristályokat (az anyalúg eltávolítása után) ~40 cm3 n-hexánban oldottam. A kristály és az anyalúg minták analitikai HPLC készülékkel történő elemzése során kapott eredményeket 11.12. táblázat tartalmazza.
Minta
Tisztaság
c
[m/m %]
[g/dm3]
B (S)
A (R)
B (S)
A (R)
Raffinátum anyalúg
77,16
22,84
1,28
0,38
Raffinátum kristály
77,69
22,31
2,65
0,76
11.12. táblázat Az anyalúgok és a kristályok összetétele és koncentrációja
A 11.12. táblázat eredményeiből látható, hogy a 77,43 m/m %-os (S) raffinátum frakció bepárlásával és hűtéses kristályosításával az S komponenst nem sikerült tisztán előállítani, ez valószínűleg annak az eredménye, hogy a bepárlás túl töményre sikerült. Az oldat higításával valószínűleg növelhető a kristály tisztasága, hiszen egy ilyen összetételű elegy esetében csak megfelelően híg oldatból állítható elő tisztán az S komponens. A tiszta termék előállítása érdekében összeöntöttem a raffinátum anyalúgot és a kristályok feloldásával kapott elegyet, majd 25 cm3 n-hexánnal 3,1 g/dm3-re higítottam (11.13 táblázat).
132
Minta
Raffinátum
Tisztaság
c
[m/m %]
[g/dm3]
B (S)
A (R)
B (S)
A (R)
77,39
22,61
2,42
0,71
11.13. táblázat A maradék összetétele és koncentrációja
A kapott oldatot egy éjszakán keresztül -28 °C-on kristályosítottam. A kapott kristályokat (az anyalúg eltávolítása után) ~35 cm3 n-hexánban oldottam. A kristály és az anyalúg minták analitikai HPLC készülékkel történő elemzése során kapott eredményeket 11.14. táblázat tartalmazza.
Minta
Tisztaság
c
[m/m %]
[g/dm3]
B (S)
A (R)
B (S)
A (R)
Raffinátum anyalúg
67,98
32,02
0,79
0,37
Raffinátum kristály
83,29
16,70
2,49
0,50
11.14. táblázat Az anyalúgok és a kristályok összetétele és koncentrációja
A 11.14. táblázat eredményei alapján megállapítható, hogy egy hígabb kristályosítandó oldatból tisztább termék nyerhető ki, habár még ekkor sem éri el a kívánt tisztaságot. A kristályosítás kihozatala a céltermékre nézve 68,8 %. Elképzelhető, hogy egy ilyen összetételű elegyből (77 m/m % S) az S enantiomer már nem kristályosítható tisztán, esetleg az igen alacsony hűtési hőmérséklet (-28°C) miatt nem kaptam tiszta terméket. A mérések eredményeit összehasonlítását a 11.4. ábrán mutatom be.
133
Kristályosítás hatásfoka 100 90
Kristályosítás hatásfoka (%)
80 70 60 50 40 RGODSMB06 (>99 m/m % tisztaságú termék) 30
RGODSMB07 (92 m/m % tisztaságú termék) RGODSMB08 (83 m/m % tisztaságú termék)
20
VE kísérlete Richter Gedeon Rt. kísérlete
10
Határkoncentrációhoz tartozó kristályosítás hatásfoka 0 0
5
10
15
20
25
R tartalom (m/m%)
11.4. ábra A kristályosítások eredményeinek összehasonlítása
Látható, hogy a
korábbi mérésem és a Richter Gedeon Nyrt. által elvégzett
kristályosítási műveletek eredményeit jól közelítik az általam elvégzett RG OD SMB EÉ 06 mérés eredményei. Az RG OD SMB EÉ 07 és RG OD SMB EÉ 08 mérést követő kristályosítások hatásfokai magasabbak a határkoncentrációhoz tartozó hatásfokoknál, hiszen ezekben az esetekben az S komponens nem tisztán kristályosodott.
134
ÖSSZEFOGLALÁS Az elmúlt 2004. VII. 1. és 2007. IV. 30. közötti időszakban a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. új kutatási-fejlesztési feladatához kapcsolódva egy szerves kémiai szintézisben
keletkező
királis
észter
racém
keverékeinek
SMB
elválasztásával
foglalkoztam. A munka kidolgozása során három optikai izomer keverék (S és R, valamint
SS és RS, illetve 4S6S és 4R6S) elválasztását vizsgáltam meg királis töltetet alkalmazó SMB-LC készülékkel. A kutatási-fejlesztési feladat kidolgozása során célül tűztem ki az SMB-LC művelet gazdaságosságának javítását a készülékhez csatolt bepárlásos-hűtéses kristályosítással, illetve a kristályosítási anyalúg recirkulációjával. Ezen kívül célul tűztem ki a kristályosítási művelet területén a kinetikus rezolválás oltásos kristályosítási változatának kísérleti vizsgálatát is. A témához kapcsolódva új matematikai modellek és számítógépi programok kidolgozása is szükségessé vált, mivel az alkalmazott királis töltetek (DAICEL-termékek) esetében az adszorpciós egyensúlyok bi-Langmuir izotermával írhatók le a királis töltetek felületét borító szelektív és nem szelektív csoportok jelenléte miatt. A királis töltet-oldószer rendszer kiválasztását (screening) az alábbi anyagokkal végeztem el 20°C-on analitikai és preparatív HPLC készülékekkel: DAICEL királis töltetek: Chiralcel OD, Chiralcel-OJ, Chiralpak-AD, ChiralpakAS, Chiralpak-IA, Chiralpak-IB Oldószerek: Merck HPLC minőség: n-hexán, i-propilalkohol, etanol, metanol, acetonitril, metil-tercier-butil-éter, kloroform, diklór-metán Az optimális királis töltet oldószer rendszerek: S és R optikai izomer keverék esetén 95:5 v/v % n-hexán:IPA 20°C , k’(S) = 3,58, k’(R) = 4,28 α(R/S) = 1,195 Chiralcel OD töltet SS és RS optikai izomer keverék esetén 80:20 v/v % n-hexán:IPA 20°C , k’(SS) = 3,057, k’(RS) = 4,8289 α(RS/SS) = 1,58 Chiralcel OD töltet
135
4S,6S és 4R,6S optikai izomer keverék esetén 99:1 v/v % n-hexán:IPA 20°C , k’(4S6S) = 1,74, k’(4R6S) = 2,34 α(4R,6S/4S,6S) = 1,33 Chiralpak AD töltet
Mindhárom optikai izomer keverék esetében frontális és elúciós kísérleteket végeztem a szimulált mozgóréteges preparatív folyadék kromatográf üzemi paramétereinek számítógépi szimulációval (KROM-N és SMB KROM-N programok) történő beállítása céljából. Az SMB kísérleteket a Vegyipari Műveleti Tanszéken kifejlesztett és épített digitális mérlegekkel és számítógépi adatgyűjtéssel ellátott királis töltetű kislaboratóriumi méretű SMB készülékkel végeztem 1:1:1:1 oszlopkonfigurációjú készülékkel (Db = 1 cm, L = 25cm SUPELCO oszlopok, DAICEL 20 µm szemcseméretű töltetek) nyitott eluenskör és izokratikus SMB módszer esetén. Az SMB kísérletek és a kapcsolódó szimulációk (KROM-N és SMB KROM-N programok) eredményei alapján az alábbiakat állapítottam meg. Optikai izomerek Betáplálás [g/dm³] Kapcsolási idő[min] Termék tisztaság [m/m %] Termék kihozatal η[%] Termelékenység [g termék/kg töltet/nap] Friss eluens fajlagos [m³ eluens/kg termék] α
S és R S = 2,5
R = 2,5
SS és RS SS =2,15
RS = 7,85
4S,6S és 4R,6S 4S6S = 3,5 4R6S = 6,5
6
3,84
2,9
S raffinátum > 99,9
RS extraktum > 99,9
4R6S extraktum > 99,9
S > 99
RS > 86,4
4R6S > 96,6
115
504
331
2,7
1,24
1,84
R/S = 1,195
RS/SS = 1,58
4R6S/4S6S = 1,33
Megállapítottam, hogy a leggazdaságosabb SMB műveleti fajlagosokat az SS és SR optikai izomerek elválasztása esetén kaptam. Tekintettel arra, hogy a fenti három optikai izomer keverékre a jelenlegi szakirodalmi ismereteink szerint találmányi megoldást nem írtak le, javasoltam a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. részére TALÁLMÁNYI BEJELENTÉS benyújtását az OTH felé. Az előző fejezetekben megadott SMB kísérletek és a később ismertetendő csatolt kristályosítási kísérletekkel tiszta optikai izomereket állítottam elő gramm mennyiségben,
136
melyeket a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. „Preparatív kromatográfiás és szerves kémia osztálya” részére átadtam további vizsgálatokra. Az SMB művelethez csatolt bepárlásos-hűtéses kristályosítással és a kristályosítási anyalúg recirkulációjával tovább javítható a művelet gazdaságossága, növelhető a termelékenység és csökkenthető a friss oldószer fajlagos. Az S és R optikai izomer keverék esetében -27, -20, + 20°C hőmérsékleten meghatároztam az S és SR racém vegyületek oldhatóságait n-hexánban és megállapítottam, hogy a rendszer kristályosítási szempontból konglomerátum típusú. Az oldhatósági adatokat lnc versus 1/T diagramon ábrázoltam és meghatároztam az oldhatóságot leíró egyenlet állandóit S és SR racém vegyületek esetén. Az SR racém vegyület oldhatósága hozzávetőlegesen kétszerese az S oldhatóságnak, tehát alkalmazható a számítások során az ideális konglomerátum típusú rendszerekre érvényes modell. Az
SMB
művelethez
csatolt
kristályosítással
és
a
kristályos
anyalúg
recirkulációjával a termelékenységet 115 g S/kg töltet/nap értékről 178 g S/kg töltet/nap értékre tudtam növelni > 99 m/m % S termék tisztaság és > 90 % S termék kihozatal mellett. (Az SMB művelettel nyert 95 m/m % S és 5 m/m % R raffinátumot bepároltam 5 g(S+R)/dm³ koncentrációig, majd a bepárolt oldatot – 20°C-ra hűtöttam 8 óra alatt. A 99 m/m % S-nél tisztább kristályos terméket elválasztottam az anyalúgtól, majd a kristályosítási anyalúgot a friss betápláláshoz kevertem. A friss és recirkuláltatott oldat koncentrációját 5 g (S+R) dm³ értékre állítottam be 95:5 v/v % n-hexán:IPA eluens összetétel mellett. A számolást, illetve kísérletet legalább háromszor megismételtem az SMB művelet és a kristályosítás kvázi stacioner állapotának eléréséig. Tekintettel arra, hogy S és R optikai izomerek esetén a fenti SMB + csatolt kristályosítás, anyalúg recirkulációs módszert a jelenlegi szakirodalmi ismereteim szerint találmányi megoldásként nem írtak le, javasoltam a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nrt. részére TALÁLMÁNYI BEJELENTÉS benyújtását az OTH felé. A kristályosítási folyamat kinetikáját S és R optikai izomerek és n-hexán rendszer esetén + 20… – 28°C hőmérséklet intervallumban vizsgáltam. Megállapítottam, hogy jelentős metastabil (túltelítési) tartomány észlelhető a hűtés során. Ebben a tartományban lehetséges a kinetikus rezolválás oltókristályos módszerének alkalmazása. Kísérletekkel igazoltam a kinetikus rezolválás módszerének alkalmazhatóságát. A TALÁLMÁNYI BEJELENTÉS-hez négy kísérletem adatai rendelkezésre állnak.
137
Az adszorpciós egyensúlyi izotermák leírására királis szelektív és nem szelektív felületi csoportok figyelembevételével új leíró modellt készítettem. A SOLVER-EXCEL optimalizáló program alkalmazásával meghatároztam az adszorpciós izoterma a és b paramétereit abszolút hiba és relatív hiba négyzetes célfüggvények alkalmazásával, különböző királis relatív szelektív felületi borítottság (x) és nem szelektív relatív felületi borítottság (λ) mellett. A korábban ismertetett KROM-N és SMB-KROM-N számítógépi programokat kibővítettem az új adszorpciós izotermák esetére (KROM-Chir és SMB-Chir számítógépi programok). A fenti programok segítségével meghatároztam frontális elúciós kísérletek eredményeire alapozva a szelektív és nem szelektív relatív felületi borítottság értékét n-hexán:IPA, Chiralcel OD 20 µm szemcseméretű töltet, S és R optikai izomer keverék 1...5 g (S+R)/dm³ koncentráció tartományban a khí-négyzet tömegmérleg hiba eltérés minimalizáló függvény segítségével. A számítások szerint az optimális szelektív relatív felületi borítottság értéke x = 0,9; nem szelektív relatív borítottság értéke λ = 0,1 a fenti rendszer esetén. Az
adszorpciós
egyensúlyi
adatokat
tovább
pontosítottam
SIMPLEX
optimalizációs módszerrel. Igazoltam, hogy az S és R optikai izomerek elválasztásakor (Chiralcel OD töltet, 95:5 v/v % n-hexán:i-propilalkohol, 20°C-on), a szelektív csoportok relatív felületi borítottsága kis koncentrációk esetén kb. 75 %.
138
Irodalomjegyzék [1]
T. ERIKSSON, S. BJORKMAN, B. ROTH, A. FYGE AND P. HOGLUND, Chirality 7 (1995) p. 44
[2]
S.K. BRANCH AND G. SUBRAMANIAN, Chiral Separation Techniques a Practical Approach, Wiley–VCH, Weinheim (2001) pp. 317–341
[3]
S. ERB, Pharm. Technol. 30 (2006), p. s14
[4]
H. MURAKAMI, K. SAKAI, N. HIRAYAMA AND R. TAMURA, Novel Optical Resolution Technologies (Topics in Current Chemistry, vol. 269), Springer, Heidelberg (2006) pp. 273–299
[5]
www.chiral.fr
[6]
DAICEL CHEMICAL INDUSTRIES, LTD. kézikönyv Application guide for chiral selection, August 2003. CHIRAL TECHNOLOGIES EUROPE Illkirch, France
[7]
G.B. COX: Preparative Enantioselective Chromatography, Blackwell Publishing 2005, UK
[8]
P. C. WANKAT: Large Scale Adsorption and Chromatography C. R. C press inc. 1986 USA
[9]
G. GUIOCHON, A. FELINGER, D. G. SHIRAZI, A. M. KATTI: Fundamentals of Preparative and Nonlinear Chromatography, 2nd ed. Academic Press Amsterdam 2006
[10]
S. ALLENMARK: Chromatographic Enantioseparation Ellis Horwood Ltd. Chichester, England, 1991
[11]
A. RAJANDRAN, G. PARADES, M. MAZOTTI: Review: Simulated moving bed chromatography for separation of enantiomers, J. Chrom. A. 1216 (2009) 709-738
[12]
N. M. MAIER, P. FRANCO, W. LINDNER: Review: Separation of enantiomers: needs, challeges, perspectives, J. Chrom. A, 906 (2001) 3-33
[13]
Y.
OKAMOTO,
E.
HASHIMA:
Review:
Polisaccharide
derivatives
for
chromatographic separation of enantiomers, Angew. Chem. Int. Ed. 37 (1998) 1020-1043 [14]
E. FRANCOTTE: Review: Enantioselective chromatography as a powerful alternative for the separation of drug enantiomers, J. Chrom. A 906 (2001) 379-397
139
[15]
M. SCHULTE, J. STRUBE: Review: Preparative enantioseparation by simulated moving bed chromatography, J. Chrom. A, 906 (2001) 399-416
[16]
D.
SAPOUNDJIEV:
Löslichkeitsgewichte
von
experimentelle, Ermittlung und Anwendungen
Stereoisomeren-Bedeutung,
Dr. Ing. Dissertation Otto-von
Guericke Universitat Magdeburg, Deutschland Gutachter: Prof. Dr. Ing. A. Seidel-Morgenstern [17]
DECHEMA-Course kiadvány, Design and Operation of Preparative and Production Scale Chromatographic Processes, March 7-9. 2005, University of Dortmund, Germany
[18]
SZEPESY L.: A kromatográfia és rokon elválasztási módszerek története és fejlesztése Magyarországon, Edison House Kft. Budapest, 2007
[19]
MARKÓ L., FARÁDY L.: Szerves kémia I. Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, 1978
[20]
FOGASSYE., SCHINDLER J., KISS V., PÁLOVICS E.: Kiralitás és szerves kémia néhány összefüggése, Magyar Kémiai Folyóirat 109-110, (2), (2004. június) 64-69
[21]
HOLLÓSI MIKLÓS: Barangolások a kiralitás birodalmában, MTA székfoglaló előadás (2004. október 19.), www.kfki.hu/chemonet/mkf/akademia/hollosi.html
[22]
L. PASTEUR, Ann. Chim. Phys. 3 (1848) 442–459
[23]
PETZ ANDREA, KOLLÁR LÁSZLÓ: Királis homogén katalizátorok. Magyar Kémikusok Lapja, 2004, 59/11. szám
[24]
FÁBRY GY., FONYÓ J.: A vegyipari műveletek alapjai. Nemzeti Tankönyvkiadó, 1998
[25]
H.LORENZ, P. SHEEHAN, A. SEIDEL-MORGENTERN, Journal of Chromtography, 908 (2001) 201-214
[26]
H. LORENZ, A. PERLBERG, D. SAPOUNDJIEV, M. P. ELSNER, A. SEIDELMORGENSTERN, Chemical Engineering and Processing 45 (2006) 863-873
[27]
V. M. PROFIR, M. MATSUOKA, Coll. Surf. A. Phys.Chem.Eng.Asp., 164 (2000) 315324
[28]
ROOZEBOOM, H. W. B., Z. Phys. Chem. 28 (1899) 494
[29]
A. MERSMANN, Crystallization Technology Handbook; Marcel Dekker, New York, 2001
[30]
J. W. MULLIN, Crystallization; Butterworth-Heinemann, Oxford, 1993
140
[31]
H. LORENZ, A. SEIDEL-MORGENSTERN, Thermochim. Acta, 382 (2002) 129-142
[32]
J. JACQUES ET AL.; Enantiomers, in: Racemates and resolutions, Krieger, Malabar, 1994
[33]
A. COLLET, Enantiomer, 4 (1999) 157-172
[34]
A.S. MYERSON (ED.), Handbook of industrial crystallization, ButterworthHeynemann, Oxford, 2002
[35]
A. RODRIGO ALVAREZ, H. LORENZ, A. SEIDEL-MORGENSTERN, Chirality 16 (2004) 499-508
[36]
A. COLLINS, G. SHELDRAKE, J. CROSBY (EDS.), Chirality in Industry. The Commercial Manufacture and Applications of Optically Active Compounds, John Wiley & Sons, Chichester, 1992
[37]
M. AMANULLAH, M. MAZZOTTI, J. Chrom. A, 1107 (2006) 36–45
[38]
DR. FEKETE JENŐ: Folyadékkromatográfia, Jáva-98 Kft. Budapest, 2003
[39]
SZÁNYA T., HANÁK L.: Preparatív folyadékkromatográfia, szakmérnöki jegyzet, Vegyipari Műveleti Tanszék, Veszprém, 2000
[40]
SZEPESY L.: Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia elmélete, kézirat, Budapest 1983
[41]
E. R. FRANCOTTE, J. Chrom. A, 666 (1994) 565-601
[42]
R.W. SOUTER; BOCA RATON: Chromatographic Separation of Stereoisomers. 1985
[43]
SZOLCSÁNYI P., SZÁNYA T.: Vegyipari Műveletek. Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, 1983
[44]
YASUO DOBASHI AND SHOJI HARA: Tetrahedron Letters, 35 (1985) 4217-4220
[45]
SZÁNYA TIBOR, HANÁK LÁSZLÓ: Szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia (SMB), Szakmérnöki jegyzet, Veszprémi Egyetem (2001)
[46]
D. BROUGHTON, C.G. GERHOLD, Continuous sorption process employing fix beds of sorbent and moving inlets and outlets, US Patent 2 985 589 (1961)
[47]
NEGAWA AND F. SHOJI, J. Chromatogr. 590 (1992) p. 113
[48]
D.M. RUTHVEN AND C.B. CHING, Chem. Eng. Sci. 44 (1989) p. 1011
[49]
M. SCHULTE, J. STUBE, J. Chrom. A 906 (2001) 399-416
141
[50]
DAVID W. GUEST, J. Chrom. A 760 (1997) 159-162
[51]
C. MIGLIORINI, M. MAZZOTTI, M. MORBIDELLI, J. Chromatogr., 1998, 827.
[52]
A.
FELINGER,
A.
CAVAZZINI
G.
AND
GUIOCHON,
J.
Chrom.
A,
986 (2003) 207-225 [53]
X. Wang, Y. Liu, C. B. Ching, Kinetic and equilibrium study of enantioseparation of propranolol in preparative scale chromatography, Sep. Purif. Techn. 2006
[54]
G. GUIOCHON, J. Chrom. A, 867 (2000) 1-21
[55]
R. M. NICOUD, A. SEIDEL-MORGENSTERN, Isolation and purification, Vol. 2., (1996) 165-200
[56]
A. CAVAZZINI, G. NADALINI, V. COSTA and F. DONDI, J. Chrom. A, 1143 (2007) 134-142
[57]
G. GÁL, L. HANÁK, J. ARGYELÁN, A. STRBKA, T. SZÁNYA, A. ARANYI, K. TEMESVÁRI, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 33(1-2). pp. 23-30. (2005)
[58]
G. GÁL, T. SZÁNYA, L. HANÁK, , J. ARGYELÁN, A. STRBKA, A. ARANYI, K. TEMESVÁRI: Enantioszelektiv szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia gyógyszeripari alkalmazásának vizsgálata, konferencia kiadvány 100-103. o., Műszaki kémiai napok ’05, Veszprém, 2005. április 26-28.
[59]
G. GÁL, L. HANÁK, J. ARGYELÁN, A. STRBKA, T. SZÁNYA, A. ARANYI, K. TEMESVÁRI: Simulated Moving Bed (SMB) Separation of Pharmaceutical Enantiomers, Balaton Symposium 2005, Siófok, 2005. szeptember 7-9., Poszter, konferencia kiadvány P17. oldal
[60]
G.GUIOCHON, A.FELINGER, D. G. SHIRAZI, A. M. KATTI: Fundamentals of Preparative and Nonlinear Chromatography, 2nd ed., Academic Press Amsterdam (2006) 248-298
[61]
A. FELINGER , D. ZHOU , G. GUIOCHON, J. Chrom. A, 1005 (2003) 35–49
[62]
HERSECZKI
ZSANETT:
Optikai
izonerek
elválasztása
preparatív
folyadékkromatográfiával, Diplomadolgozat, PE Mérnöki Kar, Vegyipari Műveleti Tanszék, 2006
142
[63]
MARCINKÓOVÁ TERÉZIA: Királis észterek elválasztása preparatív folyadékkromatográfiával, Diplomadolgozat, PE Mérnöki Kar, Vegyipari Műveleti Tanszék, 2008
[64]
G. GÁL, L. HANÁK, J. ARGYELÁN, A. STRBKA, ZS. HERSECZKI, T. SZÁNYA, A. ARANYI, K. TEMESVÁRI, Z. HORVÁTH, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 34(1). pp. 1-14. (2006)
[65]
G. GÁL, L. HANÁK, T. SZÁNYA, J. ARGYELÁN, A. STRBKA, T. MARCINKÓOVÁ, A. ARANYI, K. TEMESVÁRI, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 37(1). pp. 11-20. (2009)
[66]
C. MIGLIORINI, M. MAZOTTI, M. MORBIDELLI, AICHE Journal, 46 (2000) 13841399
[67]
HORVÁTH
MÁRIA:
Királis
észterek
elválasztása
szimulált
mozgóréteges
folyadékkromatográfiával, Diplomadolgozat, VE Mérnöki Kar, Vegyipari Műveleti Tanszék, 2005 [68]
M. NAGY, T. SZÁNYA, Z. MOLNÁR, G. TURZA, G. GÁL, L. HANÁK, J. ARGYELÁN, A. ARANYI, K. TEMESVÁRI
AND
Z. HORVÁTH, Hungarian Journal of Industrial
Chemistry, Vol. 34(1). pp. 21-26. (2006) [69]
G. GÁL, L. HANÁK, T. SZÁNYA, J. ARGYELÁN, A. STRBKA, ZS. HERSECZKI, A. ARANYI, K. TEMESVÁRI: Simulated Moving Bed Liquid chromatography (SMBLC) Separation of Pharmaceutical Enantiomers Coupling with Crystallization, PREP 2006, Baltimore, MD, USA 2006. május 14-17., Poszter, Proceedings P-203 poster page 65
[70]
GÁL G., HANÁK L., SZÁNYA T., ARGYELÁN J., STRBKA A, ARANYI A., TEMESVÁRI K.:
Optikai
izomerek
folyadékkromatográfiával,
elválasztása előadás,
szimulált XII.
mozgóréteges NEMZETKÖZI
VEGYÉSZKONFERENCIA, Csíkszereda, 2006. október 3-8.,
143
Tézisek A szimulált mozgóréteges enantioszelektív folyadékkromatográfiás (SMB) művelet és csatolt kristályosítás különböző módszereit vizsgáltam, különös tekintettel egy gyógyszeripari hatóanyag kémiai szintézise kapcsán. A kémiai szintézis közbenső intermedierjei királis vegyületek (etil-észter: S és R; butil-észter: SS és RS; acetát származék: 4S6S és 4R6S), melyek elválasztásait szimulált mozgóréteges enantioszelektív folyadékkromatográfiás (SMB) művelettel és csatolt kristályosítással valósítottam meg, legalább 99 m/m % terméktisztaság (S, RS, ill. 4R6S) és legalább 90 % termékkihozatal mellett.
1.
A művelet végrehajtására kézi vezérlésű négy oszlopos SMB berendezést terveztem és készítettem, a mérések során átfolyó küvettás polarimetriás detektort, UV detektort, és számítógépes adatgyűjtést lehetővé tevő digitális mérlegeket építettem be az SMB készülékbe.
2.
PIRKLE II-es típusú királis adszorpciós nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás tölteteken vizsgáltam különböző HPLC oldószerek és elegyeik komponens szétválasztásra gyakorolt hatását. Laboratóriumi kísérletekkel és számítógépi szimulációs számításokkal megállapítottam, hogy a leggazdaságosabban az SS és RS optikai izomer keveréket lehet elválasztani (naponta 1 kg tölteten 504 g 99 m/m %-os tisztaságú RS nyerhető 1,24 m3 friss eluens/kg 99 m/m % RS felhasználásával).
3.
Preparatív méretű kromatográfiás oszlopok esetén meghatároztam az SMB művelet paramétereinek beállításához szükséges alapadatokat. Ezen vizsgálatokhoz egy preparatív HPLC készüléket terveztem és készítettem. A frontális adszorpciós-elúciós áttörési görbék adatai lehetővé tették a FELINGERféle inverz adszorpciós egyensúlyi izoterma paraméter meghatározó számítógépes módszer alkalmazását (χ2 tömegmérleg hiba eltérés minimalizáció SIMPLEX többváltozós minimalizációs módszerrel), mellyel igazoltam, hogy az S és R optikai izomerek elválasztásakor a szelektív csoportok relatív felületi borítottsága kis koncentrációk esetén kb. 75 %.
144
4.
Az SMB művelet számítására alkalmas matematikai modellt illetve számítógépi programot átírtam, mivel az adszorbens töltet felületén királisan szelektív és nem szelektív felületi csoportok is találhatóak. Kompetitív bi-Langmuir adszorpciós izotermát alkalmazva jelentősen javítottam az SMB kísérletek egyezését, a kísérleti paraméterek beállítását. A fenti modell alapján készültek a KROM-Chir, SMB-Chir számítógépi programok IBM-PC-re DELPHI programozási nyelven.
5.
Az
SMB
művelethez
megvalósításához
és
csatolt
bepárlásos-hűtéses
számítógépes
szimulálásához
kristályosítási szükséges
kísérletek oldhatósági
alapadatokat (S és R racém keverék esetén) kísérletekkel, saját építésű készülékkel határoztam meg n-hexán eluensben +20°C…-27°C hőmérséklet tartományban. Megállapítottam, hogy az S, R, n-hexán rendszer kristályosítási szempontból konglomerátum típusú. Az oldhatósági adatok számítására PROFIR modellje alkalmazható. Kísérletekkel igazoltam, hogy 80 m/m %-kal nagyobb S összetételű kb. 5 g(S+R)/dm3 n-hexán háromkomponensű oldat +20°C-tól -15°C-ig, -20°C-ig, -27°C-ig történő hűtésével 99 m/m %-nál tisztább S termék kristályt lehet előállítani 70-80 %-os kristályosítási kihozatallal. A hűtéses kristályosítási kísérletek vizsgálatával megállapítottam, hogy a hűtés során (~1°C/min) jelentős metastabil tartomány alakul ki, ahol a kinetikus rezolválás jelensége figyelhető meg. 6.
Az SMB modellhez csatolt bepárlásos-hűtéses kristályosítással a termelékenység kb. 50 %-kal növelhető, friss eluens felhasználás kb. 50 %-kal csökkenthető a csak SMB elválasztást alkalmazó módszerekhez képest. Számításokkal és kísérletekkel is igazoltam, hogy az SMB készülékből kilépő raffinátum tisztaságát 80 m/m % S tisztaságig lehet csökkenteni, miközben az extraktum R tisztaságát 99 m/m % értéken tartjuk. A raffinátum áram bepárlásával, hűtésével 99 m/m %-nál tisztább S kristályt lehet előállítani. 90 %-nál nagyobb
S termék kihozatalt értem el a kristályosítási anyalúg recirkulációjával.
145
Theses Various methods of simulated moving bed chromatography (SMB) and coupled crystallization have been examined, with special attention to the chemical synthesis of a pharmaceutical agent. The intermediates of the chemical synthesis are chiral compounds (ethyl ester: S and R; butyl ester: SS and RS; acetate derivative: 4S6S and 4R6S), the separation of which was realized with the simulated moving bed technique and coupled crystallization, with at least 99 % m/m product purity (S, RS, and 4R6S) and at least 90 % product yield.
1.
For the execution of the operation, a manually controlled four-column SMB device was planned and constructed. During the measurements, a flowing cell polarimetric detector, a UV detector, and digital balances were built into the SMB device. The latter made computerized data collection possible.
2.
The effect of various HPLC eluents and their mixtures on the separation was examined on PIRKLE II-type chiral adsorption high performance liquid chromatography columns. It was proven with laboratory experiments and computer simulation calculations that the SS and RS mixtures can be separated in the most economical way (504 g 99 % m/m purity RS can be gained with the use of 1,24 m3 fresh eluent/kg 99 % m/m RS on one kg adsorbent, per day).
3.
The base data required for the parameter setting of the SMB operation have been determined in the case of columns of preparative size. For these experiments a preparative HPLC device was planned and constructed. The data of the frontal adsorption-elution breakthrough curves made it possible to apply the FELINGER’s inverse adsorption equilibrium isotherm parameter determining computational method (χ2 mass balance error deviation minimalization with the SIMPEX multivariable minimalization method). With the latter it was justified that the relative coverage of the selective groups is 75 % when separating the R and S optical isomers in the case of low concentrations.
4.
The mathematical model and computer program for the calculation of the SMB operation was rewritten because both chirally selective and non-selective surface groups can be found on the surface of the adsorbent packing. By using competitive
146
bi-Langmuir adsorption isotherms, the agreement of the SMB experiments was significantly enhanced and the experimental parameters set. The KROM-Chir and SMB-Chir programs were developed for IMB PC in Delphi programming language according to this model. 5.
The solubility base data (in the case of the S and R racemate) required for the implementation and computer simulation of the evaporation-cooling crystallization experiments coupled to the SMB operation were determined with a custom-made device in n-hexane eluent in the temperature range of +20…-27°C. It was concluded that the S, R, n-hexane system is of conglomerate type as regards crystallization. PROFIR’s model can be used for the calculation of the solubility data. It has been proven experimentally, that by cooling approx. 5 g (S+R)/dm3 n-hexane ternary solution containing more than 80 % m/m S from 20°C to 15°C, -20°C, -27°C, it is possible to produce S product crystals with more than 99 % m/m purity and 70-80 % crystallization yield. By examining the cooling crystallization experiments, it has been noted that during the cooling (~1°C/min) a significant metastable range is formed, where kinetic resolution can be observed.
6.
With the evaporation-cooling crystallization coupled to the SMB the productivity can be increased by approx. 50 %, the fresh eluent usage can be decreased by approx. 50 % as compared to the methods using SMB only. It has been proven both with calculation and experiments that the purity of the raffinate leaving the SMB device can only be decreased to 80 % m/m S while keeping the purity of R in the extract at 99 % m/m. By evaporating and cooling the raffinate flow, S crystals of more than 99 % m/m can be produced. More than 90 %
S product yield has been reached with the recycling of the supernatant.
147
MELLÉKLET
148
149
M 3.1. melléklet A szimulált mozgóréteges kromatográfia ciklusai során kialakult frontok [45]
Eluens: n-hexán:IPA=95:5 [%V/V] 3 Minta: 100 µl 50 g/dm (541/BK racém eluensben odva) injektálva 3 Oszlop: Db=1 cm, L=25 cm, Chiralcel OD töltet, dsz=20 µm, ε=0,67, ρh=0,6 g/cm
RG OD_03
B
t0
[cm3/perc] 2,5 5 10 15 20 30
[s] 316 158 79 53 39 26
S (-) tR,1 1902 912 468 306 228 168
k'1 5,027 4,779 4,932 4,817 4,779 5,388
4σ σ [s] 378 192 108 78 66 54
NTP 405 361 300 246 191 155
HETP [mm] 0,617 0,693 0,832 1,015 1,309 1,614
4σ σ [s] 510 264 150 108 90 90
R (+) k'2 tR,2 2 532 7,023 1068 5,768 576 6,300 378 6,186 282 6,148 210 6,985
T=20°C
NTP 394 262 236 196 157 87
Eluens: n-hexán:IPA=90:10 [%V/V] 3 Minta: 100 µl 50 g/dm (541/BK racém eluensben odva) injektálva 3 Oszlop: Db=1 cm, L=25 cm, Chiralcel OD töltet, dsz=20 µm, ε=0,67, ρh=0,6 g/cm
RG OD_04
B
t0
[cm3/perc] 2,5 5 10 15 20 30
[s] 316 158 79 53 39 26
S (-) tR,1 1248 612 303 204 152 102
k'1 2,954 2,878 2,840 2,878 2,853 2,878
4σ σ [s] 258 126 72 56 48 40
NTP 374 377 283 212 160 104
HETP [mm] 0,668 0,662 0,882 1,177 1,558 2,403
4σ σ [s] 336 192 102 80 72 72
R (+) tR,2 k'2 1 530 3,848 732 3,639 366 3,639 242 3,601 182 3,613 120 3,563
B
t0
[cm3/perc] 2,5 5 10 15 20 30
[s] 316 158 79 53 39 26
S (-) k'1 2,194 2,118 2,067 2,080 2,042 2,080
tR,1 1008 492 242 162 120 81
4σ σ [s] 210 102 58 46 40 35
NTP 369 372 279 198 144 88
HETP [mm] 0,678 0,672 0,898 1,260 1,736 2,835
4σ σ [s] 249 138 78 58 58 40
R (+) tR,2 k'2 1 218 2,859 588 2,726 288 2,650 192 2,650 142 2,599 94 2,574
α(k'+/k'-) 1,397 1,207 1,278 1,284 1,286 1,296
Nyomás Nyomás [psi] [bar] 42 3,0 66 4,6 110 7,7 168 11,8 240 16,9 336 23,6
T=20°C
NTP 332 233 206 146 102 44
Eluens: n-hexán:IPA=80:20 [%V/V] 3 Minta: 100 µl 50 g/dm (541/BK racém eluensben odva) injektálva 3 Oszlop: Db=1 cm, L=25 cm, Chiralcel OD töltet, dsz=20 µm, ε=0,67, ρh=0,6 g/cm
RG OD_05
HETP [mm] 0,634 0,955 1,060 1,276 1,592 2,870
HETP [mm] 0,754 1,075 1,214 1,708 2,445 5,625
α(k'+/k'-) 1,302 1,264 1,281 1,251 1,267 1,238
Nyomás Nyomás [psi] [bar] 30 2,1 48 3,4 100 7,0 144 10,1 210 14,8 336 23,6
T=20°C
NTP 383 290 218 175 96 88
HETP [mm] 0,653 0,861 1,146 1,426 2,607 2,829
α(k'+/k'-) 1,303 1,287 1,282 1,274 1,273 1,238
Nyomás Nyomás [psi] [bar] 0 0,0 0 0,0 54 3,8 108 7,6 168 11,8 306 21,5
M 8.1. táblázat Az elúciós kísérletek eredményei χ2 HIBÁK [g/dm3]2
x=1
x = 0,95
x = 0,925
x = 0,9
x = 0,875
x = 0,85
x = 0,8
Mérés
11
13
12
Összesen
S
0,937
4,216
103,52
108,673
R
0,388
1,588
22,42
24,396
S
1,145
1,482
97,19
99,817
R
0,479
0,758
14,72
15,957
S
1,25
0,79
94,6
96,64
R
0,54
0,54
11,47
12,55
S
1,38
0,57
92,9
94,85
R
0,62
0,46
9,46
10,54
S
1,5
0,82
92,41
94,73
R
0,7
0,52
9,15
10,37
S
1,64
1,49
93,36
96,49
R
0,8
0,72
10,83
12,35
S
1,92
3,85
102,3
108,07
R
1,03
1,52
20,47
23,02
Mind
133,069
115,774
109,19
105,39
105,1
108,84
131,09
M 8.2. táblázat A χ2 hibaelemzés eredményei táblázatos formában
150
qS
mérés
qR
cS
cR
[mg S/g t.] [mg R/g t.] [mg S/cm3 o.] [mg R/cm3 o.] 0 0 0 0 3,533 4,511 0,629 0,625 6,132 7,853 1,207 1,216 9,359 11,880 2,560 2,540
0 11 13 12
számolt bS bR 0,2027 0,2523 0,1540 0,2003 0,1689 0,2153
e1
e2
0,0000 0,0204 0,0238 0,0018 0,0460
0,0000 0,0245 0,0247 0,0016 0,0507
e3
aR/aS
bR/bS
1,2779
1,2760
célmin
0,0967
0,0000
Adszorpciós izotermák xaS cS a − (1− x)aS bS = −1 : cS + R cR xaS qS − (1 − x)aS cS
16
q [mg komponens/g töltet]
14
(a − (1− x)aS )cR xaS cs bR = R −1 : + cR qR − (1 − x)aS cR aR − (1 − x)aS
12 10
"S" izomer "R" izomer "S" számlot "R" számolt
8 6
aS 7,2406
x 1,0000
bS 0,1675 λ 0,0000
aR 9,2526
bR 0,2137
λ = (1 − x ) a S
xaS cS qS = + (1 − x)aS cS 1 + bS cS + bR cR
4
(aR − (1 − x)aS )cR + (1 − x)aS cR 1 + bS cS + bRcR
qR =
2 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
izoterma megrajzolása qS
3
c [mg komponens/cm3 oldat]
qR
0,0000 0,0000 0,6975 0,8913 1,3455 1,7194 1,9493 2,4909 2,5130 3,2114 3,0407 3,8857 3,5357 4,5181 3,676026 4,667655 4,0008 5,1126 4,4388 5,6722 4,8519 6,2001 5,2422 6,6989 5,6115 7,1709 5,9616 7,6182 5,977498 7,695494 6,2937 8,0426 6,6094 8,4460 6,9097 8,8298 7,1959 9,1955 7,4688 9,5442 7,7293 9,8772 7,9783 10,1954 8,2166 10,4999 8,4448 10,7914 8,6635 11,0709 8,8733 11,3390 9,0748 11,5965 9,2684 11,8439 9,401291 11,91988 9,4546 12,0818 9,6338 12,3108 9,8063 12,5314 9,9727 12,7439 10,1331 12,9489
cS
cR
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,629 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,207 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,56 2,6 2,7 2,8 2,9 3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,625 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,216 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,54 2,6 2,7 2,8 2,9 3
M 8.1. ábra Adszorpciós izotermák abszolút hiba négyzettel x = 1 esetén qS
mérés
qR
cS
cR
1/qS
1/qR
1/cS
1/cR
[mg S/g t.] [mg R/g t.] [mg S/cm3 o.] [mg R/cm3 o.] [g t./mg S] [g t./mg R] [cm3 o./mg S] [cm3 o./mg R] 0 0 0 0 3,533 4,511 0,629 0,625 0,283 0,222 1,589 1,600 6,132 7,853 1,207 1,216 0,163 0,127 0,829 0,822 9,359 11,880 2,560 2,540 0,107 0,084 0,391 0,394
0 11 13 12
számolt bS bR 0,1236 0,1545 0,1142 0,1523 0,1595 0,2039
e1
e2
0,0000 0,0101 0,1730 0,0121 0,1952
0,0000 0,0072 0,1771 0,0114 0,1957
e3
0,0011
aR/aS
bR/bS
1,3088
1,2760
célmin
0,3919
Adszorpciós izotermák xaS cS a − (1 − x)aS bS = cR −1 : cS + R xaS qS − (1− x)aS cS
16
q [mg komponens/g töltet]
14
(a − (1 − x)aS )cR xaS cs bR = R −1 : + cR qR − (1− x)aS cR aR − (1− x)aS
12 10
"S" izomer "R" izomer "S" számlot "R" számolt
8 6
aS 6,5165
x 0,9000
qS =
4
qR =
2
bS 0,1675 λ 0,7241
aR 8,5285
bR 0,2137
λ = (1 − x ) a S
xaS cS + (1 − x)aS cS 1 + bS cS + bR cR
(aR − (1 − x)aS )cR + (1 − x)aS cR 1 + bS cS + bRcR
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
c [mg komponens/cm3 oldat]
izoterma megrajzolása qS
qR
cS
cR
0,0000 0,6374 1,2347 1,7961 2,3252 2,8250 3,2983 3,4330 3,7475 4,1747 4,5817 4,9702 5,3418 5,6977 5,7157 6,0392 6,3673 6,6830 6,9871 7,2806 7,5640 7,8382 8,1036 8,3608 8,6103 8,8527 9,0883 9,3175 9,4686 9,5407 9,7583 9,9705 10,1776 10,3800
0,0000 0,8312 1,6086 2,3378 3,0235 3,6700 4,2808 4,4262 4,8592 5,4081 5,9299 6,4269 6,9011 7,3543 7,4317 7,7881 8,2039 8,6030 8,9867 9,3560 9,7118 10,0552 10,3868 10,7074 11,0177 11,3184 11,6100 11,8930 11,9866 12,1680 12,4353 12,6955 12,9488 13,1957
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,629 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,207 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,56 2,6 2,7 2,8 2,9 3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,625 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,216 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,54 2,6 2,7 2,8 2,9 3
M 8.2. ábra Adszorpciós izotermák abszolút hiba négyzettel x = 0,9 esetén qS
mérés
qR
cS
cR
[mg S/g t.] [mg R/g t.] [mg S/cm3 o.] [mg R/cm3 o.] 0 0 0 0 3,533 4,511 0,629 0,625 6,132 7,853 1,207 1,216 9,359 11,880 2,560 2,540
0 11 13 12
számolt bS bR 0,1855 0,2307 0,1442 0,1878 0,1624 0,2071
e1
e2
0,0000 0,0031 0,0055 0,0005 0,0091
0,0000 0,0026 0,0048 0,0005 0,0079
e3
0,0000
aR/aS
bR/bS
1,2781
1,2777
célmin
0,0170
Adszorpciós izotermák xaS cS a − (1− x)aS bS = cR −1 : cS + R xaS qS − (1 − x)aS cS
16
q [mg komponens/g töltet]
14
(a − (1− x)aS )cR xaS cs bR = R + cR −1 : aR − (1 − x)aS qR − (1 − x)aS cR
12 10
"S" izomer "R" izomer "S" számlot "R" számolt
8 6 4
aS 7,1031
x 1,0000
0 0
0,5
1
1,5
2 3
c [mg komponens/cm oldat]
2,5
3
aR 9,0781
bR 0,2043
λ = (1 − x ) a S
xaS cS qS = + (1 − x)aS cS 1 + bS cS + bR cR
qR =
2
bS 0,1599 λ 0,0000
(aR − (1 − x)aS )cR + (1 − x)aS cR 1 + bS cS + bRcR
izoterma megrajzolása qS
qR
cS
cR
0,0000 0,6853 1,3242 1,9210 2,4799 3,0044 3,4975 3,6375 3,9620 4,4003 4,8145 5,2067 5,5784 5,9313 5,9477 6,2667 6,5860 6,8902 7,1804 7,4576 7,7226 7,9761 8,2190 8,4519 8,6753 8,8899 9,0961 9,2945 9,4299 9,4854 9,6694 9,8467 10,0177 10,1828
0,0000 0,8759 1,6924 2,4552 3,1695 3,8398 4,4700 4,6193 5,0637 5,6238 6,1533 6,6544 7,1295 7,5806 7,6582 8,0093 8,4173 8,8061 9,1770 9,5313 9,8699 10,1940 10,5044 10,8020 11,0876 11,3618 11,6254 11,8789 11,9578 12,1230 12,3581 12,5847 12,8032 13,0142
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,629 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,207 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,56 2,6 2,7 2,8 2,9 3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,625 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,216 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,54 2,6 2,7 2,8 2,9 3
M 8.3. ábra Adszorpciós izotermák relatív hiba négyzettel x = 1 esetén
151
qS
mérés
qR
cS
cR
[mg S/g t.] [mg R/g t.] [mg S/cm3 o.] [mg R/cm3 o.] 0 0 0 0 3,533 4,511 0,629 0,625 6,132 7,853 1,207 1,216 9,359 11,880 2,560 2,540
0 11 13 12
számolt bR bS 0,1063 0,1324 0,1041 0,1392 0,1519 0,1946
e1
e2
0,0000 0,0097 0,0480 0,0008 0,0584
0,0000 0,0071 0,0393 0,0005 0,0469
e3
0,0010
aR/aS
bR/bS
1,3089
1,2777
célmin
0,1062
Adszorpciós izotermák xaS cS a − (1− x)aS bS = cR −1 : cS + R xaS qS − (1 − x)aScS
16
q [mg komponens/g töltet]
14
(a − (1− x)aS )cR xaS cs bR = R −1 : + cR qR − (1− x)aS cR aR − (1− x)aS
12 10
"S" izomer "R" izomer "S" számlot "R" számolt
8 6
aS 6,3928
x 0,9000
qS =
4
qR =
2
bS 0,1599 λ 0,6393
aR 8,3678
bR 0,2043
λ = (1 − x ) a S
xaS cS + (1 − x)aS cS 1 + bS cS + bR cR
(aR − (1 − x)aS )cR + (1 − x)aS cR 1 + bS cS + bRcR
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
c [mg komponens/cm3 oldat]
izoterma megrajzolása qS
qR
cS
cR
0,0000 0,6191 1,2004 1,7478 2,2645 2,7532 3,2166 3,3485 3,6568 4,0757 4,4752 4,8567 5,2218 5,5715 5,5893 5,9072 6,2297 6,5401 6,8391 7,1275 7,4061 7,6754 7,9360 8,1886 8,4335 8,6712 8,9022 9,1268 9,2748 9,3454 9,5583 9,7659 9,9684 10,1660
0,0000 0,8096 1,5686 2,2820 2,9540 3,5886 4,1891 4,3322 4,7584 5,2992 5,8139 6,3044 6,7728 7,2207 7,2971 7,6496 8,0610 8,4559 8,8356 9,2011 9,5533 9,8931 10,2213 10,5386 10,8457 11,1431 11,4314 11,7112 11,8039 11,9829 12,2469 12,5038 12,7538 12,9973
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,629 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,207 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,56 2,6 2,7 2,8 2,9 3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,625 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,216 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,54 2,6 2,7 2,8 2,9 3
M 8.4. ábra Adszorpciós izotermák relatív hiba négyzettel x = 0,9
RG OD SMB 01-04 mérési eredmények összefoglaló RG OD SMB 01
Azonosító
RG OD SMB 03
RG OD SMB 04
n-hexán:IPA=93:7 [% v/v] 5g racém/dm3 n-hexán:IPA=95:5-ben oldva 5g racém/dm3 n-hexán:IPA=93:7-ben oldva
Eluens Minta Taktusidő D E F R/1 R/2 LR OUT
RG OD SMB 02
[min]
[cm3/min]
S izomer cS [g/dm 3] Eluens fajlagos [cm3 eluens/mg S] Termelékenység [mg S/g töltetnap]
10 11,55 4,29 0,23 3,57 3,59 3,72
10 12,01 4,29 0,30 4,38 3,91 3,72
10 11,93 5,06 0,33 4,21 4,22 2,94
7,5 15,76 6,59 0,50 6,00 6,01 3,64
R/1 0,0344
R/2 0,3477
R/1 0,0468
R/2 0,5702
R/1 0,1032
R/2 0,2983
R/1 0,0895
R/2 0,3442
93,98
9,25
58,58
5,39
27,47
9,48
29,33
7,62
3,42
34,69
5,09
61,96
12,10
34,98
14,96
57,50
Tisztaság
[%]
64,99
100,00
60,43
100,00
77,47
100,00
100,00
100,00
Kihozatal
[%]
21,37
100,00
27,34
100,00
52,65
100,00
42,98
100,00
M 11.1 táblázat Az RG OD SMB EÉ 01-04 mérések eredményei
152
Eluens fajlagos
Termelékenység 70
100 90
60
80 50
60 R/1 R/2
50 40
[mg S/g töltet nap]
[cm3 eluens/mg S]
70
30
40 R/1 R/2 30
20
20 10
10 0
0 RG OD SMB 01
RG OD SMB 02
RG OD SMB 03
RG OD SMB 01
RG OD SMB 04
RG OD SMB 02
Tisztaság
RG OD SMB 04
Kihozatal
100
100
90
90
80
80
70
70 60
R/1 R/2
50
[%]
60
R/1 R/2
50
40
40
30
30
20
20
10
10 0
0 RG OD SMB 01
RG OD SMB 02
RG OD SMB 03
RG OD SMB 01
RG OD SMB 04
RG OD SMB 02
RG OD SMB 03
RG OD SMB 04
Mérés
Mérés
M 11.1. ábra Az RG OD SMB EÉ 01-04 mérések eredményei
RG OD SMB EÉ 06 mérés Térfogatáramok 25
20
Térfogatáram [cm3/min]
[%]
RG OD SMB 03 Mérés
Mérés
15
Friss eluens Extraktum Feed Raffinátum LR OUT
10
5
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
idő [min]
M 11.2. ábra A térfogatáramok alakulása a RG OD SMB EÉ 06 mérés taktusaiban
153
RG OD SMB EÉ 06 mérés Morbidelli-féle paraméterek 20 18 16 KA = 12,998 14 mI. mII. mIII. mIV. KA KB
12 10 KB = 10,0581 8 6 4 2 I. ciklus
II. ciklus
III. ciklus
IV. ciklus
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
idő [min]
M 11.3. ábra A Morbidelli paraméterek alakulása a RG OD SMB EÉ 06 mérés taktusaiban RG OD SMB EÉ 06 mérés 0,45
0,40
0,35
c [g/dm3]
0,30
0,25 A (R) komponens B (S) komponens 0,20
0,15
0,10
0,05
0,00 E I.
E II. E III. E IV. E V. E V. E V. E V. R I./a R I./b R 1/1. 1/2. 1/3. 1/4. II./a
R R R R R R V. R V. R V. R V. II./b III./a III./b IV./a IV./b 1/1. 1/2. 1/3. 1/4.
frakció
M 11.4. ábra RG OD SMB EÉ 06 mérés egyes ciklusaiban szedett anyagáramok összetételei
154
RG OD SMB EÉ 07 mérés Térfogatáramok 25
Térfogatáram [cm3/min]
20
15
Friss eluens Extraktum Feed Raffinátum LR OUT
10
5
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
idő [min]
M 11.5. ábra A térfogatáramok alakulása a RG OD SMB EÉ 07 mérés egyes taktusaiban RG OD SMB EÉ 07 mérés Morbidelli-féle paraméterek 20 18 16 KA = 12,998 14 12 10 KB = 10,0581 8
mI. mII. mIII. mIV. KA KB
6 4 2 I. ciklus
II. ciklus
III. ciklus
IV. ciklus
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
idő [min]
M 11.6. ábra A Morbidelli paraméterek alakulása a RG OD SMB EÉ 07 mérés egyes taktusaiban
155
RG OD SMB EÉ 07 mérés 0,70
0,60
3
c [g/dm ]
0,50
0,40 A (R) komponens B (S) komponens 0,30
0,20
0,10
0,00 E I.
E II. E III. E IV. E V. E V. E V. E V. R I./a R I./b R 1/1. 1/2. 1/3. 1/4. II./a
R R R R R R V. R V. R V. R V. II./b III./a III./b IV./a IV./b 1/1. 1/2. 1/3. 1/4.
frakció
M 11.7. ábra RG OD SMB EÉ 07 mérés egyes ciklusaiban szedett anyagáramok összetételei RG OD SMB EÉ 08 mérés Térfogatáramok
25
15 Friss eluens
3
Térfogatáram [cm /min]
20
Extraktum Feed Raffinátum LR OUT 10
5
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
idő [min]
M 11.8. ábra A térfogatáramok alakulása a RG OD SMB EÉ 08 mérés egyes taktusaiban
156
RG OD SMB EÉ 08 mérés Morbidelli-féle paraméterek 20
18
16 K A = 12,998 14
12
mI. mII. mIII.
10
mIV. K B = 10,0581
KA KB
8
6
4
2 I. ciklus
II. ciklus
III. ciklus
IV. ciklus
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
idő [min]
M 11.9. ábra A Morbidelli paraméterek alakulása a RG OD SMB EÉ 08 mérés egyes taktusaiban RG OD SMB EÉ 08 mérés 2,00
1,80
1,60
1,40
c [g/dm3]
1,20
A (R) komponens B (S) komponens
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00 E I.
E II. E III. E IV. E V. E V. E V. E V. R I./a R I./b R 1/1. 1/2. 1/3. 1/4. II./a
R II./b
R R R R R V. R V. R V. R V. III./a III./b IV./a IV./b 1/1. 1/2. 1/3. 1/4.
frakció
M 11.10. ábra RG OD SMB EÉ 08 mérés egyes ciklusaiban szedett anyagáramok összetételei
157
Köszönetnyilvánítás
Ezúton szeretném köszönetemet kifejezni témavezetőmnek Szánya Tibornak doktori disszertációm elkészítésében nyújtott segítségéért és támogatásáért. Köszönetemet fejezem ki témavezetőmnek Argyelán Jánosnak, Horváth Géza intézetigazgatónak, Takács Gyöngyinek és a tanszék dolgozóinak a segítségükért és munkájukért. Külön köszönetemet fejezem ki Hanák Lászlónak, aki gyakorlati tanácsokkal és szakmai tapasztalatával hozzájárult dolgozatom elkészítéséhez. Köszönöm Aranyi Antalnak és Temesvári Krisztinának szakmai konzultációkban nyújtott támogatásukat. Kísérleteim elvégzéséhez nyújtott nélkülözhetetlen segítségükért köszönettel tartozom Horváth Máriának, Szabóné Herseczki Zsanettnek és Marcinkóová Teréziának. Hálával tartozom továbbá feleségemnek, Gál Editnek a kitartásáért és tőle kapott bíztatásért.
Veszprém, 2010. Gál Gábor
158
