Oldószer Gradiensek Vizsgálata Szimulált Mozgóréteges Preparatív Folyafékkromatográfiás Művelettel /Study of Solvent Gradient by Simulated Moving Bed Preparative Liqiud Chpomatography Technology/ 1
Nagy Melinda, 1 Molnár Zoltán, 1Hanák László, 1Argyelán János, 1Szánya Tibor, 1Bernadett Ravasz 2 Aranyi Antal, 2Temesvári Krisztina 1 Veszprémi Egyetem, Vegyipari Műveletek Tanszék, H-8201 Veszprém, Hungary 2 Richter Gedeon Rt., H-1475 Budapest 10 , Hungary
Kivonat A kísérleti munkánk során terveztünk és a Veszprémi Egyetem Központi Gépműhelyével kiviteleztünk egy laboratóriumi méretű 4 oszlopos SMB berendezést (L=25cm, Db=1cm), amellyel két szteroid izomer elválasztását [1] valósítottuk meg, adszorbensként YMC S-50 szilikagélt alkalmaztunk. Vizsgáltuk a friss eluens (esetünkben acetondiklórmetán) koncentráció változtatásának komponensszétválasztásra gyakorolt hatását. A mérések során az aceton koncentráció 40, 50, 60, 70 % v/v volt diklórmetánban. A termékek tisztaságát és az egyéb fajlagosokat (kihozatal, termelékenység, eluens felhasználás) gázkromatográfiás méréssel vizsgáltuk. Elkészítettük az SMB művelet egyensúlyi matematikai modelljét nyitott és zárt eluens körre vonatkozóan, ennek alapján számítógépi program készült [2], [3]. Az SMB művelet optimális paramétereinek meghatározásához, a matematikai modell megoldásához szükséges adszorpciós egyensúlyi és kinetikai adatokat , elméleti tányérszám méréseket, frontális illetve elúciós adszorpciós-deszorpciós méréseket laboratóriumi kísérletekkel határoztuk meg. Végezetül a szimulációs programmal kapott eredményeket összehasonlítottuk a mérés során kapott erdményekkkel.
Abstract During our experimental work a laboratory scale 4 column equipment (L=25 cm, ID=1 cm) was planned and done with co-operation of Central Mechanic Workshop, University of Veszprém for the separation of two steroid isomers [1] using YMC S-50 silica-gel adsorbent. The effect of fresh eluent (in our case acetone-dichloromethane) concentration changing on component separation was examined. The concentration of acetone in dichloromethane were 40, 50, 60, 70 % v/v in our measurements. Product purity and other specifications (yield, productivity, eluent consumption) were measured by gas-chromatographic method. Equilibrium mathematical model of SMB process for open and closed eluent circle was done on the basis computer programme was constructed [2], [3]. Adsorption equilibrium and kinetic data, theoretical plate number measurement, frontal and elution adsorption-desorption measurements for determination of SMB process optimal parameters and mathematical model construction were measured with laboratory experiments. Finally results coming from simulation programme were compared to measurement results.
Egyensúlyi mérések Az aceton és az „A”, „B” szteroid adszorpciós egyensúlyi adatok meghatározása diklórmetán-szilikagél rendszerben történt. A mérést a Richter Rt Preparatív Kromatográfiás osztályán végezték YMC S-50 szilikagél, aceton, diklórmetán rendszerben 20 °C – on. A vizsgálatot analitikai HPLC – vel végezték többlépcsős frontális telítési módszert alkalmaztak. A számítások során az alábbi Langmuir állandókat használjuk: a*Aceton = 1,543 mL szemcseközti folyadék bAceton = 0,001517 mL szemcseközti folyadék g szilikagél mg aceton
a*B = 10,36
mL szemcseköz ti folyadék g szilikagél
bB = 0,02675
mL szemcseközti folyadék mg B
a*A = 22,55
mL szemcseközti folyadék g szilikagél
bA = 0,06640
mL szemcseközti folyadék mg A
Elméleti tányérszám (NTP) – Elméleti tányérmagasság (HETP) meghatározása SUPELCO kromatográfiás oszlopot (Db=1 cm, L= 25cm) YMC S-50 szilikagéllel töltöttünk meg oszloptöltő vibrátorral. A töltet tömege 8 g. Az oszlopot LMIM D-167 szivattyúval légtelenítettük 1:1 = aceton:diklórmetán térfogatarányú eleggyel. Az oszlop bemenetén Rheodyne injektáló csapot helyeztünk el 100 µl hurokkal. Az oszlop kimenetén Waters átfolyóküvettás UV detektort helyeztünk el, ahol 300 nm hullámhosszon detektáltuk a 0,2 % v/v acetofenon eluensben és a diklórmetán impulzusok változását. A tartózkodási idő sűrűségfüggvényeket háromszögelési módszerrel értékletük (Ábra 1.):
t NTP = R σ
2
HETP =
NTP /25cm
NTP Number of Theoretical Plates (Elméleti tányérszám) retenciós idő tR σ szórás
L NTP
HETP High of Equivalent Theoretical Plate (Elméleti tányérmagasság) L töltet hossza
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Diklórmetán
Injektálás: 100 µL 2 %v/v acetofenon eluensben
-0.6059
-0.707
y = 1522.4x 2 R = 0.9639
y = 1640.3x 2 R = 0.9452
0
5
10
15 B, mL/min
20
25
Ábra 1. NTP meghatározása
Frontális adszorpció – elúció szimulációs adatai (Számítás KROM – N program eluens adszorpció-deszorpcióval) A szoftver bemenő adatai: Komponensek száma: Oszlop belső átmérője: Oszlop hossza: Szabadtérfogati tényező: Betáplálás: Halmazsűrűség: Langmuir állandók: Minta adagolási idő: Minta koncentráció Eluens koncentráció: Elméleti tányérszám Elúció végső időpontja
k=3 I.D = 0,735 cm L = 42 cm EPS = 0,8018 B = 2,47 mL/min ROH = 0,4045 g szilikagél/ mL oszlop a már ismertetett 55 min (135, 85 mL) cAceton = 396 mg/mL folyadék cB = 4 mg/mL folyadék cA = 1 mg/mL folyadék cAceton = 396 mg/mL cB = cA = 0 mg/mL NTP = 400 112 min
Frontális adszorpciós – elúciós mérés összehasonlítva a szimulációval
c, g/L
4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
135 mL 50% v/v aceton, 50% v/v diklórmetán
50 % v/v aceton 50 % v/v DKM 4 g B/L 1 g A/L
0
Mért "B" Mért "A" Számitott "B" Számított "A"
50
100
150 V, mL
200
250
Ábra 2. A szteroidok frontális adszorpciós-deszorpciós mérése
300
Aceton koncentráció (mg/mL)
A mérést (Db=0,735 cm, L=42 cm) YMC S-50 szilikagéllel töltött kromatográfiás oszloppal végeztük. Majd az oszlopot 1:1 = aceton diklórmetán térfogatarányú eleggyel 20°C – on kilevegőztettük, és egyensúlyba hoztuk alulrólfelfelé áramoltatva a folyadékot LMIM-D167 dugattyús szivattyúval. A frontális adszorpció során 2,47 mL/min térfogati sebességgel 20 °C-on 5 g (A+B)/dm3 (B ≈ 80 m/m%, A ≈ 20m/m%) elegyet vezettünk az oszlopra felülről lefelé áramoltatva a folyadékot. Az A,B beadagolást 55 perc után (≈ 135 mL folyadék) befejeztük, majd az oszlopra tiszta eluenst (1:1 v/v% aceton:diklórmetán) vezettünk 2,85 mL/min térfogati sebességgel. Az oszlopból kilépő folyadékot 0°C-ra hűtött mintavevőkbe gyűjtöttük, koncentrációjukat analitikai gázkromatográfiás méréssel határoztuk meg (Ábra 2. és 3.). 405
Aceton konc. számított Aceton konc. mért
400 395 390 385 0
50
100
150
200
V, mL
Ábra 3. Az aceton frontális adszorpciós-deszorpciós mérése
250
SMB készülék tervezése (Ábra 4.) és készítése (Ábra 5.) Négyoszlopos, négyszektoros, nyitott eluenskörrel rendelkező SMB preparatív folyadékkromatográfiás berendezést a Veszprémi Egyetem Központi Gépműhelyében készítették és az alábbi alkatrészekből állítottuk össze: • Saválló acélból készült állvány • 4 db Preparatív HPLC oszlop, saválló acélból, Db= 10mm, L= 250mm (SUPELCO) • 5 db Négyállású, kézi működtetésű váltó csap, saválló acélból (VALCO) • 4 db Folyadékelosztó 4-utas • 4 db Folyadékelosztó 1+6-utas • Nyitó-záró csap, saválló acélból, nagynyomású (VALCO) • 4 db Gilson tipusú HPLC szivattyú, eluens szűrők, kilevegőztető szelep, nyomásmérő adapter • 2 db visszacsapó szelep, saválló acélból, nagynyomású • 10 m saválló kapilláris
I.
II
III
IV
Ábra 4. Az SMB készülék folyamatábrája
Ábra 5. Az SMB készülék fényképe
Morbidelli-féle paraméterek meghatározása A Massimo Morbidelli és társai által publikált [11], független adszorpciót és lineáris izotermákat feltételező elméleti módszer alapján jól megbecsülhetőek a térfogatáramok helyes beállítási értékei.
A megoszlási hányadosok értékei: KB =
a *B ⋅ ρ H mL szabadtérf ogati folyadék = 13,2289 (1 − ε ) mL szilárd szilikagél
KA =
a*A ⋅ ρ H mL szabadtérf ogati folyadék = 28,783 (1 − ε ) mL szilárd szilikagél
A Morbidelli kritériumok szerint ha tiszta „A”, „B” szteroidokat kívánunk előállítani, akkor az alábbi relációknak kell teljesülnie: mI > KA = 28,783 13,229 = KB < mII < KA = 28,783 13,229 = KB < mIII < KA = 28,783 mIV < KB = 13,229 A mérés céljára az alábbi paramétereket választottuk ki, mert ezen értékek kielégítik a Morbielli kritériumokat és a szimulációk e térfogatáramokkal adtak számunkra kedvező eredményeket: F = 1,5 mL/min E = 6,2 mL /min R = 2,6 mL /min S = 7,3 mL /min REC = 2,2 mL /min D = S + REC = 9,5 mL /min A Morbidelli paraméterek értékei: mI =
D T − Lε Af L (1 − ε )
13,229 < m II =
= 50 , 9 > 28 , 783
D−E T − Lε Af L (1 − ε )
= 15,04 < 28,783
13,229 < m III =
mIV =
D−E+F T − Lε Af L(1 − ε )
D−E+F −R T − Lε Af L(1 − ε )
= 23,72 < 28,783
= 8,68 <13,229
50 45 40 35 30 mIII
A KA, KB Morbidelli diagram versus aceton–diklórmetán koncentráció (Ábra 6.) adatok szerint 70 % v/v aceton-30 % v/v diklórmetán felett az extraktum (A komponens) tiszta, 40 % v/v aceton-60 % v/v diklórmetán alatt a raffinátum (B komponens) tiszta. Tehát a műveleti tartomány tiszta „B” elérése érdekében 40-70 % v/v aceton-60-30 % v/v dilkórmetán tartományban van. Műszakilag a 45-60 % v/v aceton 55-40 % v/v dilkórmetán tekinthető optimumnak.
25 20
c aceton=0 g/L (0%v/v) c aceton=316,8 g/L (40%v/v) c aceton=396 g/L (50%v/v) c aceton=475,2 g/L (60%v/v) c aceton=554,4 g/L (70%v/v) mII=15,04 mIII=23,72
15 10 5 0 0
10
20
30 mII
40
50
60
Ábra 6. Morbidelli diagram az aceton–diklórmetán koncentráció függvényében
A gradiens SMB szimulációs adatai (Számítás SMB – KROM – N program eluens adszorpció-deszorpcióval) A szoftver bemenő adatai: Komponensek száma: Oszlop belső átmérője: Oszlop hossza Oszlopok száma: Szabadtérfogati tényező: Betáplálás: Friss eluens Extraktum Raffinátum Recirkulált folyadék I szegmens folyadékárama Halmazsűrűség: Langmuir állandók: Betáplálás összetétele
k=3 I.D = 1 cm L = 25 cm 4 EPS = 0,8018 mL szemcseközti folyadék/ mL oszlop F = 1,5 mL /min S = 7,3 mL /min E = 6,2 mL /min R = 26 mL /min REC = 2,2 mL /min D = S + REC = 9,5 mL /min ROH = 0,4045 g szilikagél/ mL oszlop a már ismertetett F c Aceton = 396 mg aceton / mL folyadék
c BF = 4 mg B / mL folyadék c FA = 1 mg A / mL folyadék Friss eluens összetétele
S B
s B
s A
c = c c = 0 mg B vagy A / mL folyadék
Measurements Acetone v/v % cSAcetone (mg acetone/ mL liquid)
NTP = T=
200 / 25 cm oszlop 22,5 min
Számítási idő:
585 min
SMB 7 40
SMB1 50
SMB5 60
SMB 6 70
316,8
396
475,2
554,4
A „sajátgradiens „ jelensége Kísérletileg és elméletileg is igazoltuk, hogy a kromatográfiás elválasztásokat oldószer adszorpciós-deszorpciós jelenségek kísérik (aceton adszorpció-deszorpció diklórmetánban szteroidok esetén Ábra 7.). I. szegmens gyakorlatilag egyensúlyba kerül a belépő 396 mg aceton/mL folyadék eluenssel. Ezt egy kicsit módosítja a REC időben változó aceton összetétele (396,5 mg aceton/mL folyadék). II. szegmensben aceton koncentráció csökken 396,5-ről 396 mg/mL-re. III. szegmensben 396 mg/mL-ről 394,3 mg/mL-re. IV. szegmensben 394,3 mg/mL-ről 397,5 mg/mL-re növekszik. Az I. és II. szegmensben tehát aceton többlet van a III. és IV. szegmensben aceton hiány van a 396 mg aceton/mL folyadékhoz képest. Az általunk felismert zárt eluens körű SMB művelet esetén létező „sajátgradiens” jelenségét ezidáig a szakirodalomban nem írták le.
398.5
aceton
koncentráció, g/L
398.0 397.5 397.0 396.5 396.0 395.5 395.0 394.5 II. szegmens
394.0 0.00
III. szegmens IV. szegmens I. szegmens
200.00
400.00 NTP
600.00
800.00
Ábra 7. Aceton „sajátgradiens” az SMB1 mérés során
Eredmény A gradiens SMB mérési eredményei összehasonlítva a szimulációs eredményekkel A négyoszlopos SMB készülék oszlopait előzetesen 20°C-on egyensúlyba hoztuk 50 %v/v aceton-50 %v/v aceton dilkórmetán eluenssel, majd megkezdtük a 4 g/L B, 1 g/L A koncentrációjú szteroid elegy elválasztását, melyet szintén a fenti eluensben oldottunk fel. A készülék III. oszlopára az 1. részperiódusban 22,5 min időn keresztül a szétválasztandó elegyet tápláltuk be 1,5 mL/min térfogat sebességgel, majd ezt követően az SMB művelet szerint váltottuk az oszlopokat, az eluenst nem recirkuláltattuk. A térfogati sebességeket az alábbiaknak megfelelően állítottuk be, 22,5 min kapcsolási időt alkalmaztunk. F = 1,5 mL/min, E = 6,2 mL /min, R = 2,6 mL /min, D = S + REC = 9,5 mL /min Az ábrákon (Ábra 8. és 9.) a raffinátum áramban a „B” komponens az extraktum áramban az „A” komponens tisztasága, kihozatala, termelékenysége és eluens felhasználása látható összehasonlítva a szimuláció során kapott eredményekkel. K o m p o n e n s e k tis z ta s á g a 100
90
90
80
80
70 B k o m p o n e n s s zá m íto tt B k o m p o n e n s m é rt
60
m/m %
m/m %
K o m p o n e n s e k tis z ta s á g a 100
70
50
50
40
40
30 4 0 ,0
5 0 ,0
6 0 ,0
a c e to n v /v %
30 4 0 ,0 0
7 0 ,0
60,00 aceton v/v %
70,00
Kihozatal %
kihozatal %
6 0 ,0 0
7 0 ,0 0
K o m p o n e n s e k k ih o z a t a la
B kom ponens szám ított B kom ponens m ért
50,00
5 0 ,0 0 a c e to n v /v %
Komponensek kihozatala 100,0 98,0 96,0 94,0 92,0 90,0 88,0 86,0 84,0 82,0 80,0 40,00
A k o m p o n e n s s zá m íto tt A k o m p o n e n s m é rt
60
1 0 0 ,0 9 0 ,0 8 0 ,0 7 0 ,0 6 0 ,0 5 0 ,0 4 0 ,0 3 0 ,0 2 0 ,0 1 0 ,0 0 ,0 4 0 ,0 0
A k o m p o n e n s s z á m íto tt A k o m p o n e n s m é rt
5 0 ,0 0 6 0 ,0 0 a c e t o n v /v %
7 0 ,0 0
A művelet termelékenysége termelékenység (mg A/g szilikagél·min)
termelékenység (mg B/g szilikagél·min)
A művelet termelékenysége 0,25 0,23 0,21 0,19 0,17 0,15 0,13 0,11 0,09 0,07 0,05 40,00
B komponens számított B komponens mért
50,00
60,00
70,00
0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 40,00
Eluens felhasználás 12,0
1,60 1,40 1,20 1,00 B komponens számított B komponens mért
0,60 0,40 50,00
60,00
aceton v/v %
Ábra 8. a) „B” komponens tisztasága b) „B” komponens kihozatala c) „B” komponens termelékenysége d) Eluens felhasználás
70,00
Eluens felhasználás (cm3 eluens / mg A)
Eluens felhasználás (cm eluens / mg B)
3
1,80
0,20 40,00
50,00
60,00
70,00
aceton v/v%
aceton v/v %
0,80
A kom ponens szám ított A kom ponens m ért
Eluens felhasználás
10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 40,00
A komponens számított A komponens mért
50,00 60,00 aceton v/v %
Ábra 9. a) „A” komponens tisztasága b) „A” komponens kihozatala c) „A” komponens termelékenysége d) Eluens felhasználás
A szimulációs eredmények értékelése során az aceton koncentrációt növelve (50 % v/v aceton-diklórmetánban koncentrációtól) a raffinátum „B” komponensére előírt 99,9 % m/m tisztaság 70 % v/v aceton-diklórmetánban koncentráció felett nem teljesíthető. Az aceton koncentrációt csökkentve (50 % v/v aceton-diklórmetán koncentrációtól) a raffinátum „B” komponensére előírt 99,9 % m/m tisztaság teljesül, de a kihozatal a „B”-re nézve jelentősen csökken (40 % v/v aceton-diklórmetán esetén a kihozatal 80 % B-re nézve mérési adat alapján). Az „A” komponens a fentiekkel ellentétes értelemben változik. A szimulációk és a laboratóriumi mérések alapján megállapítottuk, hogy a friss eluens összetételét 45-60 % v/v acetondiklórmetánban között változtatva az SMB művelet jellemzői „B” komponensre nézve kedvezőek 5 g/L belépő szteroid összetétel mellett. A konklúzió , hogy a szerzőknek módosítani kell a modell paramétereit a jövőben. Köszönetnyilvánítás A kutatási témát a Veszprémi Egyetem Vegyészmérnöki Intézet Kooperációs Kutatási Központja finanszírozta, a Richter Gedeon Rt. felkérésére. A szerzők mind a VE KKK- nak, mind a Richter Gedeon Rt.-nek köszönetüket fejezik ki. References [1] T. Szanya, J. Argyelan, S. Kovats, L. Hanak: J. of Chrom.A. 908(2001), 265-272 [2] M. Miron, T. Szanya, L. Hanak, J. Argyelan, Gy. Marton: Hung..J.of Ind. Chem. (1995) Vol.23. pp. 293-298. [3] S. Kovats, B. Csukas, A. Aranyi, E. Pozna: Hung. J. of Ind. Chem. (1998)Vol.26. pp. 44-53. [4] T. Jensen, T. Reijns, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 873 (2000) 149-162 [5] J. Houwing, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 944 (2002) 189-201 [6] J. Houwing, S. Hateren, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 952 (2002) 85-98 [7] S. Abel, M. Mazzotti, M. Morbidelli: J. Chrom. A 944 (2002) 23-29 [8] O. Giovanni, M. Mazzotti, M. Morbidelli, F. Denet, W. Hauck, R. Nicoud: J. Chrom. A 919 (2001) 1-12 [9] D. Antos, A. Morgenstern: J. Chrom. 944 (2002) 77-91 [10] D. Antos, A. Morgenstern: Chem. Eng. Science 56 (2001) 6667-6682 [11] C. Migliorini, M. Mazzotti, M. Morbidelli: J. Chrom. A (1998) 827:2:161-173
70,00
