Változó eluens összetételő szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás mővelet vizsgálata Doktori (PhD) értekezés
Készítette: Nagy Melinda Témavezetık: Dr. Szánya Tibor, egyetemi docens Dr. Horváth Géza, egyetemi docens
Pannon Egyetem Vegyipari Mőveleti Intézeti Tanszék Veszprém, 2009
Változó eluens összetételő szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás mővelet vizsgálata Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta: Nagy Melinda Készült a Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Doktori Iskolája keretében Témavezetık: Dr. Szánya Tibor, egyetemi docens Dr. Horváth Géza, 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 minısítése…................................. ………………………………. az EDT elnöke
Tartalomjegyzék KIVONAT ............................................................................................................................................................. 5 ABSTRACT........................................................................................................................................................... 6 AUSZUG................................................................................................................................................................ 7 1. BEVEZETÉS..................................................................................................................................................... 8 2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS ............................................................................................................................ 9 2.1. SZTEROIDOK................................................................................................................................................. 9 2.2. A KROMATOGRÁFIÁS MŐVELETEK ............................................................................................................. 10 2.2.1. Kromatográfiás alapfogalmak........................................................................................................... 13 2.2.2. Kromatográfiás eljárások.................................................................................................................. 16 2.2.3. Ipari adszorbensek............................................................................................................................. 20 2.2.4. A kromatográfiás mőveletek matematikai modellezése ..................................................................... 21 2.3. A VALÓDI MOZGÓRÉTEGES ÉS A SZIMULÁLT MOZGÓRÉTEGES KROMATOGRÁFIÁS MŐVELETEK ................. 25 2.3.1. A valódi mozgóréteges (TMB) kromatográfia ................................................................................... 26 2.3.2. A szimulált mozgóréteges (SMB) kromatográfiás mőveletek bemutatása ......................................... 28 2.3.3. A szimulált mozgóréteges folyadék kromatográfia elméleti ciklusa .................................................. 30 2.3.4. Elméleti analízis a karakterisztikák módszerével lineáris adszorpciós izotermák esetén.................. 32 2.3.5. A Morbidelli-féle paraméterek, az SMB-HPLC berendezés térfogatáramaira vonatkozó kritériumok ....................................................................................................................... 33 2.3.6. A szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás mővelet matematikai modellje és megoldása numerikus módszerrel........................................................................................................................ 38 2.3.7. Elméleti analízis nem lineáris adszorpciós izotermák és reális rendszerek esetén............................ 41 2.4. FİBB FEJLESZTÉSI IRÁNYOK ....................................................................................................................... 43 2.4.1. Gradiens módszerek .......................................................................................................................... 43 2.4.1.1. Hımérsékletgradiens ................................................................................................................................... 44 2.4.1.2. Nyomásgradiens (SFC-SMB)....................................................................................................................... 44 2.4.1.3. Oldószergradiens (SG-SMB) ....................................................................................................................... 44 2.4.1.4. A gradiens és izokratikus SMB-HPLC eljárások elméleti és gyakorlati összehasonlítása........................... 47
2.4.2. VariCol-folyamat............................................................................................................................... 48 2.4.3. A térfogatáramok változtatása........................................................................................................... 49 2.4.4. ModiCon-folyamat............................................................................................................................. 50 2.4.5. Egyéb technikák................................................................................................................................. 52 2.5. JELENLEGI GYÁRTÓK, FORGALMAZÓK........................................................................................................ 53 3. A VIZSGÁLT PROBLÉMA .......................................................................................................................... 55 3.1. A VIZSGÁLT PROBLÉMA ISMERTETÉSE ........................................................................................................ 55 3.2. AZ SMB SZIMULÁCIÓS SZOFTVER ISMERTETÉSE ........................................................................................ 56 3.3. A SZIMULÁCIÓS ÉS KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE ......................................................................... 57 4. KÍSÉRLETI RÉSZ ......................................................................................................................................... 59 4.1. YMC S-50 ÉS MERCK 60 Å SZILIKAGÉL ADSZORBENS ÖSSZEHASONLÍTÁSA .............................................. 59 4.2. AZ RG-1040 SZÁMÚ „A”, „B” SZTEROIDOK ÉS AZ ACETON ADSZORPCIÓS EGYENSÚLYI ADATAINAK MEGHATÁROZÁSA ....................................................................................................................................... 60 4.3. NTP, HETP MÉRÉSEK YMC S-50 SZILIKAGÉLEN ...................................................................................... 64 4.4. FRONTÁLIS ADSZORPCIÓS – ELÚCIÓS MÉRÉS .............................................................................................. 64 4.5. SMB KÉSZÜLÉK TERVEZÉSE, KÉSZÍTÉSE ÉS ÜZEMBEHELYEZÉSE ................................................................ 68 5. A SMB SZÁMÍTÓGÉPES SZIMULÁCIÓK ÉS MÉRÉSEK EREDMÉNYEI ........................................ 70 5.1. A SZÉTVÁLASZTANDÓ SZTEROID KEVERÉK KONCENTRÁCIÓJÁNAK NÖVELÉSE SZIMULÁCIÓK ÉS MÉRÉSEK SORÁN ......................................................................................................................................... 74 5.1.1. A betáplálási koncentráció növelése SMB szimulációk során ........................................................... 74 5.1.2. A betáplálási koncentráció növelése SMB mérések során................................................................. 77 5.2. GRADIENS SMB VIZSGÁLATA .................................................................................................................... 79 5.2.1. Az aceton koncentráció növelésének hatása a szimulációk során ..................................................... 80
5.2.2. Az aceton koncentráció csökkentésének hatásai a szimulációk során ............................................... 82 5.2.3. A szimulációs eredmények alapján végzett laboratóriumi mérések eredményei ............................... 83 5.3. „SAJÁT GRADIENS” JELENSÉGE .................................................................................................................. 89 5.4. DINAMIKUS SMB ....................................................................................................................................... 91 5.4.1. Dinamikus SMB során végzett szimulációk ....................................................................................... 92 5.4.2. Dinamikus SMB során végzett mérések ............................................................................................. 92 5.5. GRADIENS SMB KÍSÉRLETEK 1:1:2:0 OSZLOPKONFIGURÁCIÓ, NYITOTT ELUENSKÖR ESETÉN .................... 93 5.5.1. Gradiens SMB szimulációk 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén ........................................................ 95 5.5.1. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén ............................................................ 101 5.6. GRADIENS SMB KÍSÉRLETEK 1:1:2:0 OSZLOP KONFIGURÁCIÓ ESETÉN, KAPCSOLÁSI IDİ CSÖKKENTÉS VIZSGÁLATA ............................................................................................................................................. 103 5.6.1. Gradiens SMB szimulációk 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata...................................................................................................................... 103 5.6.2. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata 104 5.6.3. A kapcsolási idı csökkentés kísérleti és szimulációs eredményeinek összehasonlítása................... 106 ÖSSZEFOGLALÁS.......................................................................................................................................... 111 JELÖLÉSMAGYARÁZAT ............................................................................................................................. 115 IRODALOMJEGYZÉK................................................................................................................................... 117 TÉZISEK ........................................................................................................................................................... 122 THESES ............................................................................................................................................................. 125 FÜGGELÉK ...................................................................................................................................................... 128
Kivonat A
gyógyszer
hatóanyagok
nagy
tisztaságban
történı
elıállítása
napjainkra
alapkövetelménnyé vált. A szigorú minıségi elıírások teljesíthetısége miatt egyre fontosabbá és elterjedtebbé válnak a kromatográfiás elválasztási és tisztítási mőveletek, azaz a szakaszos preparatív folyadékkromatográfia (HPLC), illetve a folyamatos szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia (SMB). Az SMB ipari megvalósítások korábban szinte kizárólag a hagyományos izokratikus módszert alkalmazták, a közelmúltban azonban jelentıs eredmények születtek a mővelet továbbfejlesztése tekintetében. A doktori értekezés egy Richter Gedeon Rt. által elıállított kétkomponenső nem izomer szteroid elegy (komponensek aránya „B:A” 80: 20 m/m%) elválasztását tanulmányozza. A szerzı vizsgálta a változó eluens összetételő (gradiens) szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás mővelet hatását a két szteroid komponens elválasztásának hatékonyságára vonatkozóan, mely módszer lehetıséget nyújt az eluens felhasználás csökkentésére, illetve a termelékenység növelésére. A cél olyan rendszer tervezése volt, amellyel a szétválasztás a lehetı legkisebb költséggel megoldható a szteroid elegy kevésbé kötıdı komponensének („B”) 99,9 m/m %-nál nagyobb tisztaságban történı kinyerése, illetve 90 %- nál nagyobb kihozatal mellett. Az izokratikus mérések vizsgálatakor kiderült a rendszernek az a sajátossága, hogy a berendezés hossza mentén az elválasztásnál használt gradiens képzı oldószer, az aceton koncentráció eloszlása nem egyenletes, az acetonnak „saját gradiense” van. A munka során nagy segítséget nyújtottak a rendelkezésre álló szimulációs szoftverek is (KROM-N, SMB4) melyekkel számos anyagáram rendszerre végeztem el szimulációkat. A legjobbnak ígérkezı beállításokkal SMB méréseket végeztem.
Kulcsszavak: preparatív folyadékkromatográfia, szimulált mozgóréteges kromatográfia (SMB), oldószer gradiens SMB
5
Study of the solvent gradient simulated moving bed preparative liquid chromatographic process Abstract Nowadays the production of API’s (Active Pharmaceutical Ingredients) with high purity is a basic requirement. To fulfill the strict quality specifications the batch preparative liquid (HPLC) and the continuous simulated moving bed chromatography (SMB) techniques are getting higher and higher significance. Previously most of the industrial-scale SMBs are used the original isocratic method, recent developments are focusing on the current procedure's technical improvement. In the Ph.D. thesis the separation of a non-isomer steroid mixture (composition of the compounds was “B:A” 80:20 m/m%) produced by Gedeon Richter Ltd.was studied. I had investigated the effect of the changing solvent compound concentration (gradient) on the simulated moving bed chromatography, on the efficiency of the separation of the two steroid component. Gradient SMB-LC provides chance to reduce solvent consumption and increase product purity, yield and productivity. In my Ph.D. work I dealt with this gradient SMB-LC focusing on the determination of optimal cost minimized operating parameters and the goal was to produce the less retained compound (“B”) with purity higher than 99.9 m/m % beside higher than 90 % yield. During the evaluation of isocratic measurements it turned out that the system has a specific feature, namely acetone, the gradient forming solvent, used for the separation has uneven distribution along the length oh the equipment, that is it has a “self-gradient”. The work was supported by simulation softwares KROM-N and SMB4, used for the investigation of several process parameters. Based on simulation results, the most favourable process parameters were tried in an SMB experiment.
Keywords: preparative liquid chromatography, simulated moving bed chromatography (SMB), solvent gradient SMB
6
Untersuchung zur Verwendungsmöglichkeit von SMB-Prozessen mit Gradienten Verfahren
Auszug Die Herstellung von Wirkstoffen für Medikamente in hoher Reinheit ist eine unserer wichtigsten Aufgaben. Um die strengen Qualitätsvorschriften zu erreichen, haben die verschiedenen chromatographischen Trennverfahren mehr an Bedeutung und Raum gewonnen. Neben der klassischen
Elutions Chromatographie ist die kontinuierliche
Simulated Moving Bed (SMB) Chromatographie ein wichtiges chromatographisches Trennprozess. Früher waren die industriellen Anwendungen des SMB-Prozesses durch einen isokratischen Betrieb gekennzeichnet, aber man hat schnell wichtige Vorschritte im Weiterentwickelung des Prozesses gemacht. In der vorliegenden Dissertation hatte ich die Trennung eines zweikomponenten Steroidengemisches von Gedeon Richter Ltd. studiert. Die Verwendungsmöglichkeit der SMB mit Gradient-methode wurde für dieses Gemisch experimentell untersucht. Die Methode verbesserte die Leistungskennzahlen (Produktivität, Lösemittelverbrauch) stark. Das Zeil meiner Arbeit war, eine neue SMB Methode zu entwerfen, welche bei geringsten Betriebskosten, eine mehr als 99,9% Reinheit der weniger adsorbierten Komponente („B”) erzielt und bei der die Gesamt-Ausbeute bei mehr als 90% liegt. Bei der Untersuchung der isokratischen Experimente, wurde festgestellt, dass die Acetonkonzentration (Aceton ist das Lösungsmittel für Gradient, was ich bei der Trennung verwendet hatte) entlang sich des Apparats nicht gleichmäßig sondern mit eigenem Gradienten. Zur Ausführung des Experiments hatte ich verschiedene Simulations-Software (KROM-N, SMB4) verwendet. Aufgrund der Simulationsergebnisse wurden SMB Experimente durchgeführt.
Schlüsselwörter:
Präparative
Flüssigkeitschromatographie,
Gegenstromchromatographie (SMB), Lösungsmittel Gradient
7
simulierte
1. Bevezetés A finomkémiai mőveletek egyik fontos célja a nagytisztaságú termékek elıállítása, illetve az elıállításakor keletkezı, a termékeket és a melléktermékeket tartalmazó elegyekbıl a tiszta anyagok elıállítása. Ez különösen fontos például olyan esetekben, amikor az elıállított anyagot gyógyászati vagy élelmezési célra akarjuk felhasználni, hiszen ezekben az esetekben ma már alapkövetelmény a gyártó céggel szemben, hogy a végtermék a lehetı legkevesebb, esetenként akár káros hatású mellékterméket tartalmazzon. Az egyik legnagyobb hazai gyógyszer elıállítással és hatóanyag kutatással foglalkozó cég a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Rt. A vállalat az új hatóanyagok kifejlesztésénél és azok elıállításánál felhasználja a legújabb vegyipari mőveleti megoldásokat is. A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár NyRt. a Pannoni Egyetem Vegyipari Mőveleti Tanszékével illetve a Kaposvári Egyetem Informatika Tanszékével közösen pályázatot nyújtott be a Széchenyi Terv Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Program 2002 keretében az Oktatási Minisztériumba
„Új
hulladékszegény
kromatográfiás
eljárások
bevezetése
a
gyógyszeriparban” címmel, mely pályázat sikeres volt. A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár NyRt. a Pannon Egyetem Vegyipari Mőveleti Tanszékét bízta meg azzal a feladattal, hogy egy kétkomponenső szteroid elegy szétválasztását dolgozza ki szimulált mozgóréteges (SMB) folyadékkromatográfiás módszerrel, szilikagél adszorbenst és aceton, diklór-metán eluenst alkalmazva. A kutatás következı szakasza olyan üzemviteli paraméterek kiválasztása volt, amelynél az ipari megvalósítás gazdaságilag és minıségi szempontok figyelembevételével a legjobb feltételekkel rendelkezik. Az SMB téma jelenlegi iránya a „gradiens” SMB, ahol igen lényeges a gradiensképzı oldószer komponens koncentráció változása az SMB készülék egyes szegmenseiben. Az oldószeres gradiens elúciós SMB kromatográfiás eljárás, mint lehetséges szétválasztási módszer alkalmazásával egy megfelelı tulajdonságokkal rendelkezı rendszernél megkereshetı az optimális üzemeltetési pont, ahol az elválasztás megfelelı, de a szétválasztás megvalósításához a lehetı legkevesebb friss oldószert kell a rendszerbe betáplálni és emellett a termelékenység is a lehetı legnagyobb. Rendszerünkben a gradiens alkalmazása megvalósíthatónak tőnt, mert az izokratikus mérések vizsgálatakor kiderült a rendszernek az a sajátossága, hogy a berendezés hossza mentén, az elválasztásnál használt gradiens képzı oldószer, az aceton koncentráció eloszlása nem egyenletes, az acetonnak „saját gradiense” van. A doktori értekezés erre a problémára keres megoldást,
8
megvizsgáltam a rendszert számítógépes szimulációval, majd a kapott eredményeket a laboratóriumi berendezés segítségével ellenıriztem.
2. Irodalmi áttekintés 2.1. Szteroidok A természetes szénvegyületek egyik legfontosabb csoportját képezı szteroidok elnevezése az elsıként megismert képviselıjük, az 1815-ben epekıbıl izolált koleszterin nevébıl származik. E vegyületcsalád alapját a szteránváz alkotja, amelyen a jellemzı szénatomokon különbözı szubsztituenseket tartalmazhat. A jellegzetes oldalláncok szerint a szteroidokat az alábbi csoportokba sorolhatjuk [1]: •
•
Szterinek (szteroid alkoholok) Zooszterinek (állati eredető) Fitoszterinek (növényi eredetü) Mikoszterinek (gombákból nyerhetık) Epesavak
•
Szteroid hormonok Férfi és nıi nemi hormonok Kortikoszteroid • Szteroid glikozidok Szívre ható glikozidok Szteroid-szaponinok A szteroidok az el nem szappanosítható lipidek csoportjába tartoznak. Ezenkívül a növény- és állatvilágban sokoldalú hatóanyagok. Minden sejtben elıfordulnak. Elıállításuk természetes anyagokból, de mesterséges úton is lehetséges. Biológiai vagy más minták szteroid elemzése során sokszor állítanak elı módosított vegyületeket. E származékképzés célja hatékonyabb elválasztás szennyezésektıl vagy más szteroid csoportoktól, érzékenyebb vagy megbízhatóbb mennyiségi mérés kolorimetriás, fluorimetriás, gázkromatográfiás stb. módszerekkel, vagy egyszerően csak a szteránvázas vegyületek
kromatográfiás
elmozdulásának
követése
színes
származékok
kromatográfiájával. További oka a szteroid származékok kromatográfiás vizsgálatának az a körülmény is, hogy a szteroid hormonok, epesavak, szterolok közül számos észterifikált állapotban képzıdik vagy kerül kiválasztásra az emberi és állati szervezetbıl. Ezenkívül a szintetikus bioaktív anyagok biológiai hatásának fokozása, ill. elnyújtása is adhat okot a vizsgálatra [2]. Az általam elválasztott szteroid keverék a szteroid hormonok csoportjába tartozik.
9
2.2. A kromatográfiás mőveletek Kromatográfia győjtınévvel foglaljuk össze azokat az elválasztási módszereket, amelyekben az elválasztás az elválasztandó komponensek egy álló és egy mozgó fázis között létrejövı megoszlása következtében jön létre [3]. A folyamat során a komponensek az állófázison való áthaladás közben megkötıdnek annak felületén és eluálódnak a mozgóáramba. Ezen folyamatok az állófázison sokszor lejátszódnak és az egyes komponensek megoszlási tényezıje közötti különbsége miatt a gyengébben kötıdı komponens "elıresiet", vagyis gyorsabban fogja elhagyni az állófázist az erısebben kötıdı komponensnél. A folyadékkromatográfia elsı gyakorlati megoldásai a századforduló körül kıolaj frakcionálásra [4] illetve levélzöld festékanyagának preparatív elválasztására [5] irányultak. A kromatográfiás módszerek elterjedése csak a 30-as évek elején kezdıdött, amikor Kuhn és munkatársai [6], valamint a magyar Zechmeister és Cholnoky [7] munkái nyomán sok kutató kezdte alkalmazni festékek, cukrok, aminosavak elválasztására. Az 1950-60-as években a folyadékkromatográfia új fejlıdésnek indult a vékonyrétegkromatográfia, az ioncserés kromatográfiával dolgozó aminosav-elemzık és polimerek vizsgálatára kidolgozott gélkromatográfiás berendezések és töltetek kifejlesztésével. Az 1960-as évek végén kezdıdött a nyomás alatti folyadékkromatográfiás készülékek és módszerek kifejlıdése és elterjedése. A korszerő nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (High Performance Liquid Chromatography (HPLC)) jellemzıje, hogy kis szemcsemérető (5-30
µm),
szők
szemcseméret-eloszlású
töltetet
használnak,
a
folyadék
kényszeráramlással nagy nyomáson (50-300 bar) lép be és viszonylag nagy, állandó sebességgel (1-5 cm3/cm2 min) halad át az oszlopon. Az 1980-as évek elején a preparatív és ipari elválasztások területén jelentıs áttörés történt a nagyhatékonyságú, nyomás alatti módszerek kifejlesztésével és alkalmazásával. Ez a fejlıdés szorosan kapcsolódik a biotechnológia ipari bevezetéséhez. A HPLC technikák és módszerek széles választéka lehetıséget nyújt különbözı típusú kölcsönhatásokon alapuló elválasztások kombinált megvalósítására, nagy hatékonysággal , viszonylag rövid idı alatt, az értékes komponensek nagy tisztaságban való kinyerése és a termékek biológiai aktivitásának megtartásával [811]. A kromatográfiát elnevezhetjük az alapján, hogy milyen folyamatok játszódnak le a mozgó és az álló fázisban, nevezetesen mi az a fı folyamat, amely eredményeként az egyik komponens több, míg a másik kevesebb idıt tölt az álló fázison. Ez utóbbi alapján a kromatográfia lehet adszorpciós, megoszlásos illetve ioncserés. Az adszorpciós 10
kromatográfiában az elválasztás alapja fıként a minta komponenseknek az aktív szilárd felülethez való adszorpciós affinitása közötti különbség. A megoszlásos elválasztás alapját fıként
a
minta
komponensek
állófázisbeli
oldékonyságainak
különbsége
–
gázkromatográfia –, illetve a mozgó- és állófázisbeli oldékonyságainak különbsége – folyadékkromatográfia – képezi. Az ioncserés kromatográfia esetében pedig az elválasztás alapját a minta komponensek ioncserélıhöz való affinitásának különbsége adja [12]. Az elválasztási módszerek osztályba sorolása megtörténhet a két fázis minısége, vagy az eltérı vándorlási sebességet létrehozó erı megvalósítási módja szerint is (1. ábra). A komponens vándorlását (migrációját) okozó erı
nyomáskülönbség hatására mozgó fázis
elektromos erıtér hatására mozgó fázis
kapilláris elektroforézis micelláris elektrokinetikus kromatográfia kapilláris gélelektroforézis elektrokromatográfiás módszerek
mozgófázis
állófázis
elnevezés
gáz
folyadék
gáz
adszorbens
gáz-folyadék kromatográfia gáz-szilárd kromatográfia
szilárd folyadék
folyadék kromatográfia folyadék szilárd
fluid
szuperkritikus kromatográfia folyadék
1. ábra Kromatográfiás módszerek osztályba sorolása a komponens mozgását létrehozó kényszererı és a fázisok minısége szerint Az állófázis alakja szerint oszlop- és rétegkromatográfiát szoktunk megkülönböztetni. Az oszlopkromatográfia esetében az állófázist egy csıben helyezik el. A szilárd állófázist, vagy a folyadék állófázissal befedett szilárd hordozó részecskéit vagy oszlopba töltik (töltött oszlop), illetve a falon vagy annak belsı peremén koncentrálják, ezáltal a mozgófázis akadály nélkül halad át a nyitott, középen üres oszlopon (WCOT kolonnák). A rétegkromatográfiánál az állófázis egy síkfelület, vagy egy síkfelületen terül el. A felület
11
lehet papír-papír kromatográfia-, illetve lehet valamilyen hordozón, pl.: üvegen szétterített, szilárd szemcsékbıl álló réteg-vékonyréteg kromatográfia. Megkülönböztethetünk normál és fordított fázisú kromatográfiás módszert. Normál fázisú kromatográfiáról akkor beszélünk, ha az álló fázis polárisabb, mint a mozgófázis. Fordított fázisú kromatográfiánál az álló fázis mindig apolárisabb jellegő, mint a mozgó fázis. A két fázis között kvázi egyensúlyi koncentráció viszonyok alakulnak ki. Ahhoz, hogy az oszlop mindenegyes pontján egyensúly alakuljon ki, a folyamatnak reverzibilisnek kell lennie. Tehát ezeket a folyamatokat a fizikai szorpció kategóriájába sorolhatjuk. Kismértékő változtatás akár az álló fázis felületi tulajdonságaiban, akár a mozgó fázis összetételében megváltoztatja a molekuláris kölcsönhatásokat és ezzel a komponensek visszatartását. A folyadékkromatográfiában általában adszorpciós vagy ioncserés mőveleteket alkalmaznak a szétválasztásra, az álló fázis szilárd halmazállapotú. Az állófázis mind oszlopos, mind réteg lehet. A klasszikus folyadékkromatográfiában (beleértve a rétegkromatográfiás eljárásokat is) a mozgófázis átfolyása az állófázison a gravitációs erı hatására valósul meg (emiatt gyakran gravitációs kromatográfiáknak is nevezik ıket). A folyadék áramlása és emiatt a szétválasztás is meglehetısen lassú lesz és az állófázis szemcséinek mérete is csak bizonyos mértékig csökkenthetı (dp > 200 µm). Az analitikai és a preparatív elválasztás célja alapvetıen különbözı, így megvalósításuk eltérı megközelítést igényel. Míg analitikai elválasztásánál a cél a lehetı legtöbb információ elérése a minta komponenseinek minıségérıl és mennyiségérıl, a preparatív elválasztások célja a mintából egy vagy több komponens elválasztása, illetve adott tisztaságú anyagok kinyerése. A HPLC-s módszerek alkalmazásakor analitikai mérések esetén az elválasztás hatékonyságának növelése miatt a detektor által legkisebb mérhetı mintamennyiségeket juttatnak fel az állófázisra, míg preparatív alkalmazásoknál mindig a lehetı legnagyobb beméréssel dolgoznak a gazdaságos üzemvitel miatt. Alkalmazzák még az ún. Overload Chromatography (túlterheléses kromatográfiás) technikát is, ekkor a töltet kapacitását meghaladó mennyiségő bemérést juttatnak az állófázisra. A termelı mérető ipari eljárásoknál alapvetı célkitőzés a maximális nyereség, vagyis az adott tisztaságú termék elıállítása minimális ráfordítási költséggel [13]. A HPLC módszerek egy új családját képezik a szimulált mozgóréteges berendezések (SMB-HPLC, Simulated Moving Bed-HPLC) [21]. Ennél a mőveletnél a folyadékfázis
12
mozgatása mellett a szilárd fázis mozgatását is megvalósítják. A rendszer ezáltal kvázifolyamatos üzemővé válik és így a HPLC mővelet kisebb termelékenysége nagymértékben javítható.
2.2.1. Kromatográfiás alapfogalmak A kromatográfiás módszerrel szétválasztandó elegy komponensei elvileg kétféleképpen mozoghatnak az állófázison való áthaladásuk során : 1. A komponens a mozgófázissal együtt mozog, ekkor sebessége a mozgófázis sebességével megegyezı nagyságú. 2. A komponens megkötıdik az állófázis felületén, ekkor sebessége kisebb a mozgófázis sebességénél. A komponensek oszlopon való áthaladását ez a két folyamat határozza meg, így az áthaladáshoz szükséges idı az ún. visszatartási vagy retenciós idı két részbıl tevıdik össze[14] (2.ábra):
t R = t0 + t'R
(2 – 1)
2. ábra Az elúciós kromatogram jellemzıi Ha ezt az összefüggést az átáramoltatott mozgófázis áramlási sebességével megszorozzuk, akkor megkapjuk az adott komponens ún. retenciós térfogatát ( VR ): V R = t R ⋅ F = t 0 ⋅ F + t N ⋅ F = V0 + V N
13
(2 – 2)
Mivel t R függ az áramlási sebességtıl, továbbá a töltött ágy (kolonna) méreteitıl, a jellemzésre célszerő a dimenziómentes k ' kapacitásfaktort vagy retenciós faktort használni.
k'=
t R − tO 1 − ε = *K tO ε
(2 – 3)
A retenciós faktor tehát az állófázisban és a mozgó fázisban töltött idık hányadosa. Egy komponensnek az álló- és a mozgófázis közötti egyensúlyi megoszlását az ún. megoszlási hányados (K) jellemzi.
K=
dq dc
(2 – 4) c=0
Ebben a rendszerben a lineáris izoterma azért alkalmazható, mert a komponensek koncentrációja általában igen kicsi ( c1 ≅ c 2 ≅ 0) . Egy kétkomponenső rendszer esetén definiálhatjuk az ún. elválasztási tényezıt is, amely arra ad felvilágosítást, hogy a két komponens (1 és 2 illetve A és B) tulajdonságai mennyire térnek el egymástól, és emiatt mennyire könnyen választhatóak el egymástól:
α12 =
K 2 k '2 t R 2 = = K 1 k '1 t R1
ha c1 = c 2 ≅ 0
(2 – 5)
Az elválasztás megvalósíthatóságáról elmondható, hogy: –
α BA >> 1 esetén (ha KB >> KA) a szétválasztás jól és könnyen megvalósítható, a
két komponens a rendszerben jól elkülönül egymástól, ekkor a „B” komponens jobban kötıdik az állófázishoz, mint az „A” komponens. Azonban amikor a két fázisban a vizsgált komponens koncentrációjának aránya változik, k’ és tR függnek a betáplált mennyiségtıl. Ez a túlterhelt kolonnákra jellemzı. Kétféle túlterhelés lehetséges: térfogati és koncentrációs. Túlterhelt állapotban két új jelenség lép fel. A kiszorítás (displacement) és az alácsúszás (tag along effect). A kiszorítás lényege, hogy a nagy koncentrációban jelenlévı, jobban szorbeálódó második komponens mintegy kiszorítja az elsı komponenst az állófázisból, és zónáját összenyomja. Az alácsúszás akkor lép fel, ha az elsı komponens koncentrációja lényegesen nagyobb, mint a második komponensé. Ekkor ennek molekulái befedik, telítik az állófázist. A jobban szorbeálódó komponens molekulái csak részben férnek hozzá az állófázishoz, ezért gyorsabban
14
haladnak, mint tiszta állapotban és egy elnyúlt zónát képeznek. Ennek következtében a két zóna egymásba tolódik, a második komponens mintegy alácsúszik az elsı komponens csúcsának, és az elválasztás lényegesen romlik. –
α BA <<
1
esetén
(ha
KB<
a
szétválasztás
ugyancsak
könnyen
megvalósítható, ekkor a „B” komponens kevésbé kötıdik az állófázishoz, mint az „A” komponens. Ezekben az esetekben a komponensek kromatográfiás sávjai jól elkülönülnek egymástól. –
α BA ≈ 1 esetén a két komponens tulajdonságai nagyon hasonlítanak, a
szétválasztás csak nehezen valósítható meg. A komponensek sávjai ebben az esetben csak részlegesen különülnek el, átfedés is létrejöhet közöttük. –
α BA = 1 esetén a két komponens nem választható szét az adott rendszerben. A
két komponens sávjai nem különböztethetıek meg ebben az esetben. A kromatográfiás oszlop hatékonyságának szempontjából fontos az is, hogy a kromatográfiás sávok milyen szélesek lesznek, vagyis a rendszer milyen kimenettel válaszol az igen rövid idejő, elvileg Dirac-delta alakú bemenetre. A sávszélesedés segítségével definiálható az oszlop hatékonyságára jellemzı érték, az elméleti tányérszám (NTP, Number of Theoretical Plates). Az elméleti tányérszám megmutatja, hogy az adott oszlopon a komponens hányszor fog adszorbeálódni és deszorbeálódni egyensúlyi körülmények között. Az elméleti tányérszám kiszámolása azon a feltételezésen alapul, hogy a rendszer a Dirac-delta bemenetre Gauss-féle eloszlású kimenettel válaszol: NTP =
tR
2
(2 – 6)
σ2
Ha az oszlop hosszát elosztjuk az elméleti tányérszámmal, akkor megkapjuk az elméleti tányérmagasságot, vagyis egy egyensúlyi egység magasságát (HETP, Height of Theoretical Plates): HETP =
L NTP
(2 – 7)
A van Deemter által levezetett egyenlet szerint az elméleti tányérmagasság és a mozgófázis lineáris áramlási sebessége között összefüggés van (3. ábra): HETP = A +
B + C⋅ v v
(2 – 8)
15
Az elmélet szerint az oszlopban az adszorpciós-deszorpciós zóna szélesedése, vagyis az adott
komponens
sávszélessége
az
oszlopban
végbemenı
örvénydiffúzió
(A),
Tányérmagasság, [HETP]
longitudinális diffúzió (B) és az anyagátadási folyamatok (C) eredıjeként jön létre.
Mozgófázis áramlási sebesség, [v]
3. ábra A van-Deemter egyenlet grafikus ábrázolása • Örvénydiffúzióról akkor beszélünk amikor az oszlop töltet szemcséi közt a mozgó fázis
örvényszerő
mozgása
(visszakeveredés)
késlelteti
a
komponens
elırehaladását (A). • Longitudinális diffúzió esetén a komponens molekulái a sáv közepétıl a sáv két széle felé mozdulnak el (B). • Anyagátadási gátlás esetén a két fázis közötti anyagátadás (transzport) nem pillanatszerő folyamat (C). Az elválasztás hatékonyságának jellemzésére a felbontást (RS) használják, amely a két komponens egymástó való elválasztásának hatásosságát jellemzi. R=1-nél az átfedés körülbelül 2%, általános követelmény R>1,5. Rs =
α −1 k ' 1 NTP 4 α k ' +1
(2 – 9)
2.2.2. Kromatográfiás eljárások Az iparban a kromatográfiás eljárásokat olyan esetekben alkalmazzák, ha egymástól kevéssé különbözı tulajdonságú anyagok elegyét akarják szétválasztani. A különbözı adszorpciós tulajdonságú anyagok szétválasztására különféle kromatográfiás mőveleteket alkalmaznak [15]: 1.
Frontális kromatográfián értjük azt az eljárást, amikor az elválasztandó elegyet
állandó sebességgel vezetjük az oszlopra. Az oszlopon való keresztülhaladás közben az egyes komponensek a saját adszorpciós megoszlási hányadosuknak megfelelıen
16
különbözı mértékben kötıdnek meg az állófázison és emiatt különbözı mértékben lemaradnak egymáshoz képest a rendszerben. Az oszlop végén elıször a legkevésbé kötıdı komponens („B”) jelenik meg, majd az adszorpciós sorrendnek megfelelıen a többi
Detektor jel
komponens („A”) is kilép az oszlopból [13] (4. ábra).
4. ábra A frontális kromatográfia áttörési görbéje 2.
Kiszorításos kromatográfiáról beszélünk abban az esetben, ha a szétválasztandó
komponenseket tartalmazó elegy bevitele után olyan anyagot („C”) vezetünk át az oszlopon, amely jobban kötıdik az állófázishoz, mint a mintakomponensek, és ezáltal
Detektor jel
kiszorítja azokat a rendszerbıl.
5. ábra A kiszorításos kromatográfia áttörési görbéje Az oszlop végén a kiszorítás következtében a komponensek a megkötıdési erısségük sorrendjében távoznak zónákat alkotva (5. ábra). 3.
Az elúciós kromatográfia során a szétválasztandó elegyet egy adszorpciós
szempontból indifferens oldószerrel (eluenssel) együtt áramoltatjuk át az oszlopon. A mővelet során adott mennyiségő elegyet visznek az oszlop elejére, és ezt az elegyet eluálják át az oszlopon.
17
A komponensek az adszorpciós tulajdonságaiknak megfelelıen haladnak át az oszlopon, és egy adott oszlophossz után szétválnak egymástól. Az elúciós görbék alakja közelíti a Gauss féle eloszlási görbét. (6. ábra). Detektor jel
B A
6. ábra Az elúciós kromatográfia áttörési görbéje Az elúciós kromatográfiát kétféleképpen valósíthatjuk meg: –
Izokratikus módszernél adott koncentrációjú, állandó összetételő oldószerelegyet
vezetnek át az oszlopon. Ha az elválasztandó elegy komponenseinek megkötıdése, vagyis retenciós faktora nem tér el jelentısen egymástól (k’= 1-10), izokratikus elúcióval általában megfelelı elválasztást kapunk, és a bevitt anyag oszlopból való távozása után az oszlop ismételt bemérésre alkalmas állapotban van. –
Gradiens elúció esetén az eluens adszorpciós erısségét változtatjuk a mővelet
során. Ebben az esetben az újabb mintabevitel elıtt a kolonnát az induló eluenssel egyensúlyba kell hozni. Az oldószeres gradiens elúciót már negyven éve alkalmazzák a folyadékkromatográfiában olyan esetekben, ha a szétválasztandó folyadékelegy elválasztása még kromatográfiával is nehéz izokratikus körülmények között. Alkalmazzák még azokban az esetekben is, ha valamelyik komponens nagyon erısen adszorbeálódik a tölteten és emiatt a kromatográfiás folyamat nagyon elhúzódik. A fı különbség az izokratikus és a gradiens elúció között az, hogy a gradiens módszernél a mozgófázisban levı oldószer adszorpciós erıssége (polaritása) változik a szétválasztás alatt, például lépcsıs függvény szerint. A módszer fı elınye a jobb elválasztás. A könnyen eluálódó komponensek felbontása növekszik, a jól adszorbeálódó komponensek retenciós ideje pedig csökken. Emiatt a folyamatban kevesebb eluenst kell alkalmazni és a termékek töményebbek lesznek. Az SMB mőveletekben is alkalmazható a gradiens módszer és elınyei miatt az iparban egyre népszerőbb eljárássá válik. A fı elınyei itt is a fent említettek, vagyis leginkább a gazdaságosabb elıállítás miatt alkalmazzák a gradiens módszert.
18
Az eluens megválasztásánál többféle különbözı követelményt kell egyidejőleg figyelembe venni. Igen fontos az oldószer fizikai jellemzıinek hatása. A folyadékkromatográfiás detektor kiválasztása a használható oldószerek körét leszőkíti. UV detektor esetén csak az alacsony UV abszorpcióval rendelkezı oldószerek használhatók. RI detektor esetén a mintakomponensek törésmutatója határozza meg az oldószerek használható RI tartományát. Az egyéb detektoroknál is figyelembe kell venni az oldószer hatását (1. táblázat). A viszkozitás, hasonlóan a sebességhez mind a kolonna nyomásesését, mind az anyagátadás sebességét, tehát a kolonna hatékonyságát befolyásolja. Hasonló erısségő oldószereknél a legkisebb viszkozitásúval lehet a legjobb eredményt elérni. Az oldószer forráspontja elsısorban a preparatív munkáknál fontos, ahol a levett frakcióról el kell távolítani az oldószert. A fenti jellemzık mellett az oldószer gıznyomása, lobbanáspontja és egészségvédelmi szempontok is befolyásolják az eluens kiválasztását. A gyakorlatban még két lényeges tényezı
szerepel:
az
oldószer
ára
és
a
kereskedelmi
termék
tisztasága.
Folyadékkromatográfiás minıségő speciálisan tisztított oldószerekre van szükség, melyek jóval drágábbak a technikai minıségő oldószereknél. Adott állófázison a komponensek abszolút és relatív retenciója az eluens minıségének megválasztásával befolyásolható. Az oldószer erısségének jellemzésére a Snyder-féle oldószer erısségi paraméter szolgál, melynek segítségével az oldószerek erısségük növekvı sorrendjében elutrop sorba rendezhetık. Minthogy azonban az egyes oldószerek szerkezetüktıl függıen különbözı típusú molekuláris kölcsönhatásba léphetnek az elválasztandó vegyületekkel, a különbözı típusú mintakomponensekre az oldószer minıségétıl függıen azonos erısségő eluenssel lényegesen eltérı retenciós adatok érhetık el. Preparatív Kapacitásfaktor Forráspont Molekulatömeg Sőrőség Törésmutató LC oldószer k' [°C] [g/mol] [g/cm3] 1,3 40 85 1,34 1,424 diklór-metán 156 56 58 0,79 1,359 aceton 1. táblázat A használt oldószerek tulajdonságai
Az állófázist úgy kell megválasztani, hogy a szétválasztási feladathoz a legkedvezıbb legyen. A klasszikus- vagy normálfázisú folyadékkromatográfiában az állófázis erısen poláris
19
csoportokat tartalmaz és a mozgófázis apoláris oldószer. Ennél a módszernél elıször a legkevésbé poláris komponens fog eluálódni, mivel ez fog a legjobban oldódni az eluensben. A fordított fázisú kromatográfiánál az állófázis felületét úgy módosítják, hogy az apoláris karakterő legyen és ebben az esetben poláris oldószereket alkalmaznak (pl. víz, metanol, acetonitril). Itt elıször a legpolárisabb komponens fog eluálódni. Preparatív elválasztásoknál sok esetben a tisztítani kívánt komponensnél nehezebb komponensek is vannak az elegyben, melyek elúciója hosszú idıt és felesleges eluensfogyasztást igényel. Ilyen esetben az úgynevezett back-flush technika használható, amikor az értékes komponensek lejövetele után az eluens áramlási irányát az oszlopban szelepváltással megfordítják és a nehéz komponenseket, amelyek még az oszlop elsı részén vannak megkötve, visszafelé viszonylag gyorsan, egy frakcióban eluálják.
2.2.3. Ipari adszorbensek A nagy átmérıjő és ezáltal nagy kapacitású, jó hatásfokú HPLC oszlopok készítéséhez fontos a homogén töltet elállítása és ennek mőködés közbeni stabilizálása. A 3-5 cm-nél nagyobb átmérıjő oszlopokban a hagyományos töltési módszerekkel (száraz töltés, zagy töltés), különösen kis szemcsékkel nem lehet kellıen egyenletes töltetet készíteni [16,17] – ez csak az 1970-es évek közepén kidolgozott kompressziós eljárással vált lehetıvé. Ez a lépés alapozta meg a nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia ipari elválasztó módszerré fejlıdését. A kompresszióval jelentısen csökkenteni lehet a rendezetlen helyek számát és el lehet kerülni a használat közbeni elmozdulást. A töltet komprimálásának három változata alakult ki. Az egyik a Waters cég által kidolgozott sugárirányú (radiális) kompresszió [18]. Francia kutatók dolgozták ki a tengelyirányú (axiális) kompressziót [19]. A módszert továbbfejlesztve, a Prochrom cég kidolgozta a dinamikus tengelyirányú kompressziót [20]. A két említett kompressziós elv között egyfajta átmenetet képez a vegyes (annuláris) kompresszió, amit a SepTech cég dolgozott ki és amely során hosszirányú és sugárirányú erık is hatnak. A gyógyszeriparban legelterjedtebben alkalmazott adszorbensek oldhatatlan, nagy fajlagos felülettel rendelkezı szervetlen anyagok, vagy háromdimenziós keresztkötéseket tartalmazó szerves makropórusos szerkezető polimerek. Ezek az anyagok nem tartalmaznak ioncserélı és egyéb reaktív funkciós csoportokat. A folyadékkromatográfiában leggyakrabban szilikagél alapú tölteteket alkalmaznak [13]. A szilikagél enyhén savas kémhatású, poláris adszorbens, a felületén a kialakításakor alkalmazott hımérséklettıl függıen 150 - 200 °C-os kezelés esetén szilanol- (-Si-OH), 200 -
20
500 °C-os kezelés esetén pedig sziloxán- (-Si-O-Si-) csoportokat tartalmaz. Az ilyen tölteteket a normál fázisú kromatográfiákban alkalmazzák A fordított fázisú kromatográfiában módosított felülető szilikagéleket alkalmaznak. A felület módosítása kémiai módszerekkel érhetı el. Ezekben az esetekben a termikusan elıkezelt szilanol csoportokat tartalmazó szilikagélt mono-, di- és trifunkciós szilánokkal kezelik szerves oldószerekben. Az így kapott felületre kapcsolhatóak azok az apoláris csoportok (általában egyenes szénláncú C4, C8 vagy C18 vegyületek), amelyek a fordított fázisú felületet eredményezik. Az elválasztástechnikában a szilikagél alapú adszorbensek mellett ipari méretekben a következı anyagokat alkalmazzák: – Alumínium-oxid alapú adszorbensek: ezek poláris felülető és amfoter karakterő adszorbensek. Az alumínium-oxid a felületi adszorpciós aktivitás szempontjából az elektron-donor és elektron-akceptor centrumok miatt kevésbé heterogén, mint a szilikagél. – Cellulóz alapú adszorbensek: a kelát-bázisú ioncserélı tölteteket elsısorban a biotechnológiai termékek szeparációjánál alkalmazzák az iparban. – Polisztirol-divinil-benzol alapú (DIAION-SP) adszorbensek: ezeket az anyagokat az utóbbi idıben kezdte az ipar csak alkalmazni. Manapság a
kémiai
szerkezetátalakítással módosított szerves, aromás alapú adszorbensek a legtöbb elválasztási problémában sikerrel alkalmazhatóak, ezért széleskörben kezdenek elterjedni a gyógyszer- és élelmiszeriparban.
2.2.4. A kromatográfiás mőveletek matematikai modellezése A kromatográfiás mőveletek leírásához szükségünk van a matematikai modellekre. A modellek segítségével a mővelet végrehajtása elıtt kiszámíthatóak az eredmények, segítségükkel idı és költség takarítható meg [13]. A matematikai modelleket és megoldásaikat több szempont alapján lehet csoportosítani: •
•
A modell alapja szerint lehet: –
Egyensúlyi modell
–
Nem egyensúlyi modell.
A modellben használt izoterma fajta szerint: –
Lineáris és
–
Nem lineáris kromatográfiás modell.
21
•
A megoldásuk szerint lehetnek: –
Analitikus megoldásúak
–
Numerikus módszerrel megoldott modellek
–
Karakterisztikák módszerével megoldott modellek.
A fenti modellek közül a kromatográfia egyensúlyi modelljét és annak analitikus megoldását mutatom be részletesebben. Legyen az adszorbens szabadtérfogati tényezıje „ε”, az adszorpciós oszlop keresztmetszete „Af”. A feldolgozandó folyadék térfogati sebességét, „Bf”-t állandónak tekintjük az idı és a hely függvényében. Az így definiált oszlopban a folyadékelegy k-adik komponensére a következı komponensmérleget írhatjuk fel, ha az oszlopban az axiális keveredést elhanyagoljuk: ∂c B f ⋅ k + (1 − ε ) ⋅ A f ∂z t
∂q ⋅ k ∂t
∂c + ε ⋅ A f ⋅ k = 0 ∂t z z
(2 – 10)
Mivel egyensúlyi, ideális rendszert vizsgálunk, tételezzük fel a következıket. Kis térfogati sebességeknél a folyadék és a szilárd fázis az oszlop bármely pontjában, tetszıleges idıpillanatban egyensúlyban van egymással. A k-adik komponensre nézve legyen az adszorpciós izoterma a következı alakú: q k = f (c k )
(2 – 11 )
Ezt az összefüggést beírva a (2-10) egyenletbe: ∂c B f ⋅ k + (1 − ε ) ⋅ A f ∂z t
∂q ⋅ k ∂c k
∂c k ∂c k ⋅ + ε ⋅ A ⋅ = 0 (2 – 12) f ∂t ∂t z z ci
Ezt átrendezve: ∂c ∂c . ⋅ k + k = 0 ∂ z ∂ t t z ∂q A f ⋅ ε + (1 − ε ) ⋅ k ∂c k ck Bf
(2 – 13)
Alkalmazzuk a parciális differenciálokra vonatkozó láncszabályt: ∂c k ∂t ⋅ ∂t z ∂z ck
∂z ⋅ ∂c k
= −1 . t
(2 – 14)
A (2-13) és (2-14) egyenletekbıl megkapjuk a kromatográfia alapegyenletét (de Vault egyenlet):
22
∂z = u ck = ∂t ck
v0 ∂q ε + (1 − ε ) ⋅ k ∂c k
ck
.
(2 – 15)
Ez az egyenlet azt fejezi ki, hogy a megfigyelt ck koncentrációjú folyadékelem haladási sebessége mindig kisebb, mint a v0 / ε lineáris haladási sebesség. A folyadékelem haladási sebességét az izoterma ck helyen vett meredekségétıl függ. A haladási sebesség határozza meg az adszorpciós front alakját is. Ez a következı egyenlettel magyarázható. Tekintsünk elıször egy olyan esetet, amikor az "i" komponens adszorpciós egyensúlya kedvezıtlen (7. ábra).
qi
ci 7. ábra Kedvezıtlen típusú adszorpciós egyensúlyi izoterma
A (2 - 15) egyenletet ck szerint deriválva az alábbi összefüggést kapjuk: − (1 − ε ) ⋅ du ck dc k
=
∂ 2 qk ∂c k
⋅ v0
2
.
ck
∂q ε + (1 − ε ) ⋅ k ∂c k
ck
(2 – 16)
2
A (2 - 16) egyenlet fizikai tartalmának vizsgálata mutatja meg a front alakjának kialakulását. A k-adik komponens kedvezıtlen adszorpciós egyensúlya a következı feltétel fennállása esetén valósul meg: ∂ 2 qk ∂c k
2
>0 .
(2 – 17)
Ebbıl következik, hogy:
du ck dc k
< 0.
(2 – 18)
23
A (2 – 18) azt jelenti, hogy a kis ck koncentrációjú folyadékelemek az adszorberben gyorsabban haladnak, mint a nagyobb koncentrációjúak. Emiatt az adszorpciós front elnyúlik a töltet hossza mentén (8. ábra), és az áttörési görbe nem lesz éles. A lépcsıs koncentráció függvény bemenetbıl úgynevezett „arányos alakú” adszorpciós frontok alakulnak ki.
0
ci
c i0 t5 t0
t1
t2
t3
Z= 0
t4
Z= H
Z= H
t
8. ábra Arányos alakú adszorpciós frontok kialakulása A k-adik komponens kedvezı adszorpciós egyensúlya (9. ábra) esetén igaz, hogy: ∂ 2 qk ∂c k
2
<0
(2 – 19)
(2-19)-bıl az következik, hogy:
du ck dc k
>0
(2 – 20)
A (2 - 20) alapján a nagyobb ck koncentrációjú folyadékelemek fognak gyorsabban haladni az adszorbensben, és emiatt az adszorpciós front élesedni fog a töltet hossza mentén, vagyis tetszıleges ck(z, t0) koncentráció-eloszlású bemenetbıl lépcsıs függvény alakul ki megfelelıen hosszú oszlopban (9. és 10. ábra).
qi
ci 9. ábra Kedvezı típusú adszorpciós izoterma Ezeket a frontokat állandó alakú vagy élesedı adszorpciós frontoknak nevezzük.
24
0
ci c i0 t0
Z=H
t1 t2 t3 z
t
10. ábra Élesedı adszorpciós frontok kialakulása 0, ha t < 0
A ci =
{ c , ha t ≥ 0 i
lépcsıs függvény u haladási sebességét az alábbi képlettel
0
számíthatjuk: 0 u ci
=
ci = 0
v0
(2 – 21)
q 0k ε + (1 − ε) ⋅ 0 ck
A lépcsıs függvény haladási sebessége nem az adszorpciós egyensúlyi görbe deriváltja, hanem az ábrán látható húr alapján számítható (11. ábra).
qi,0
ci,0 11. ábra Kedvezı típusú adszorpciós izoterma
2.3. A valódi mozgóréteges és a szimulált mozgóréteges kromatográfiás mőveletek Az eddigi mőveleteknél a szilárd fázis mindig nyugvó réteget alkotott. Az ilyen rendszerek csak félfolyamatos üzemmódban mőködnek, mert az állófázis telítése után mindig abba kell hagyni a betáplálást, mert regenerálni kell az adszorbenst. Emiatt a mővelet nem túl gazdaságos, és ezért az ipari kromatográfia költséges elválasztási mőveletnek számít. Elméletileg a mővelet és az elválasztás hatékonysága nagyban megnövelhetı, ha olyan rendszert alkalmazunk, ahol az adszorbens és az oldószer egymással ellenáramban mozognak.
25
Ilyen rendszerben a betáplálás folyamatossá tehetı és folyamatos a termékelvétel is. A kutatók ennek a problémának a megoldására dolgozták ki a mozgóágyas kromatográfiák elméletét és ennek gyakorlati megvalósításait. A mozgóágyas mőveletek közé tartozik a valódi mozgóágyas kromatográfia (TMB, True Moving Bed Chromatography) és a szimulált mozgóágyas kromatográfia (SMB, Simulated Moving Bed Chromatography).
2.3.1. A valódi mozgóréteges (TMB) kromatográfia Az eljárás lényege egy olyan kromatográfiás mővelet kifejlesztése, amelyben a szilárd- és a folyadékfázis egymással ellenáramban mozog folyamatosan. A mővelet megvalósításánál a szilárd fázis mozgatására fluidizációs mőveletet alkalmaztak, azonban az alkalmazás során derült fény a módszer nagy hibájára, ami a fluidizáció jellegébıl következik. A fluidizált szilárd fázis a mozgatás során számottevı mennyiségben visszakeveredik, és ez nagymértékben rontja az elválasztás hatékonyságát. A probléma megoldására dolgozta ki 1964-ben Higgins a pulzáló ágyas mőveletet, melynek során a szilárd réteget pulzáló, egyenként fluidizált szakaszokra bontják, így akadályozva meg a visszakeveredést. A legújabb TMB eljárások során mágnesesen stabilizált fluid ágyat alkalmaznak [21]. Elınye az, hogy a mágneses térben a megfelelıen elıkezelt adszorbens visszakeveredése minimális lesz, és kicsi a mővelet során fellépı nyomásveszteség, azonban hátránya a módszernek, hogy speciális mágneses tulajdonságú adszorbenst igényel. Az ilyen adszorbensek gyártása a mai korlátja a mővelet elterjedésének. A TMB mővelet elvi sémája az ábrán látható (12. ábra).
Szilárd IV III
Betáplálás (F) A+B
II
Folyadék
Raffinátum (R) B
Extraktum (E) A
I D
Friss eluens (S) 12. ábra A valódi mozgóágyas kromatográfia elvi sémája (TMB)
26
A mőveletet egy kétkomponenső, „A” és „B” komponenseket tartalmazó folyadékelegyre vonatkozóan mutatom be. Az „A” komponens legyen az adszorbensen az erısebben, a „B” pedig a gyengébben kötıdı komponens. A valódi mozgóréteges kromatográfia során az adszorbens folyamatosan mozog felülrıl lefelé az eluens pedig vele ellenáramban halad a berendezésben. Az „A” + „B” elegyet az oszlop adott pontján (F; Feed) folyamatosan adagolják be a rendszerbe. Az adszorpciós megoszlási jellemzık és a szilárd-folyadék fázisok áramlási sebességének arányában az „A” komponens erısebben kötıdik meg az adszorbensen, és emiatt azzal együtt az oszlop alja felé halad, míg a „B”, mivel kevésbé jól adszorbeálódik, az eluenssel az oszlop teteje felé vándorol. Az oszlop két elvételi pontján, az extraktum és a raffinátum áramokban az „A” és a „B” komponens a betáplálástól eltérı koncentrációban fog megjelenni, Az extraktum az „A” komponensben lesz gazdag, a raffinátum pedig a „B”-ben. A betáplálási és elvételi pontok négy részre osztják az oszlopot, ezek alapján mutatható be a mővelet elmélete. Az oszlop I. szegmensében, amely a kolonna aljától az extraktum elvételi pontjáig tart, tisztítjuk meg az adszorbenst a megkötıdött komponensektıl az eluens segítségével. Az oszloprész feladata tehát a szilárd fázis teljes regenerálása, mert ha a regenerálás nem tökéletes, akkor a felsı ponton visszavezetett adszorbens „A” és „B” tartalma le fogja rontani a mővelet hatékonyságát. A II. szegmens az extraktum kilépési pontjától a betáplálási pontig tart. Ebben a részben a lefelé haladó adszorbensrıl az összes „B” komponenst deszorbeáltatni kell az adszorbensrıl, azon csak „A” komponens maradhat, különben az extraktumáram „B” komponenssel lesz szennyezett. A III. szegmens, amely a betáplálási pont és a raffinátum elvételi pont kötött helyezkedik el, feladata a betáplált elegy megtisztítása az „A” komponenstıl. Mivel a raffinátumban csak tiszta „B” komponenst szeretnénk kapni, ezért a szegmensben adszorbeáltatni kell a teljes „A” mennyiséget. A IV. szegmensben, amely a raffinátum elvételtıl az oszlop tetejéig tart, mindkét komponensnek tökéletesen meg kell kötıdni az adszorbensen. A recirkulálandó eluens nem tartalmazhat „A” és „B” komponenseket, mert azok az oszlop alján megjelenve szintén lerontják az elválasztás hatékonyságát. A TMB technikában az I. - IV. szegmensek egyetlen oszlopon belül helyezkednek el, ezért a töltet visszakeveredése a rendszer egyik legnagyobb problémája. Ennek a problémának a
27
kiküszöbölése olyan rendszer megvalósításával érhetı el a legegyszerőbben, ahol a fenti szegmenseket térben elválasztjuk egymástól és az elválasztott részek megfelelı kapcsolásával valósul meg a mővelet. Az ilyen berendezéseket nevezzük szimulált mozgóágyas folyadékkromatográfiás mőveleteknek (SMB-HPLC).
2.3.2. A szimulált mozgóréteges (SMB) kromatográfiás mőveletek bemutatása A szimulált mozgóréteges kromatográfiát az 1960-as évek elején szabadalmaztatták [22]. Elsıként Broughton alkalmazta a petrolkémiai iparban para-xilol C8-as szénhidrogén elegybıl történı elválasztására. Az olajiparban még ma is eredményesen használják a módszert millió tonna/éves volumenő gyártásra, melynek során fıként zeolitokat alkalmaznak állófázisként. Néhány évvel késıbb a berendezést sikeresen alkalmazták monoszacharidok szeparációjára is. A cukoriparban ma is sikeresen használják az SMB-t többféle mono- és oligoszacharid elıállítására. Késıbbi francia cégek (PROCHROM és NOVASEP) fejlesztettek ki egy készülék „családot” a laboratóriumi mérettıl az ipari berendezésekig. Ezen berendezések esetén a nyugvóréteges oszlopokon az idıben és térben programozott betáplálásokat, valamint elvételeket számítógép irányítású automatika biztosítja. Német fejlesztık (KNAUER) olyan SMB berendezést hoztak létre, ahol különleges szerelvény mozgatásával oldják meg a nyugvóréteges oszlopok bemeneteinek, illetve kilépı oldatainak programozott kapcsolását. Amerikai kutatók, fejlesztık kis laboratóriumi méretekre 12-20 oszlopot, 30-100 cm oszlophosszt és 1-5 cm oszlopátmérıt ajánlanak. A nagymérető berendezések Db = 1-2 m, L = 1-3 m oszlopokat is tartalmaznak, az oszlopok száma a szétválasztási feladattól függıen 4-20 db. A gyógyszeripari alkalmazások az 1990-es évektıl kezdıdtek fıként enantiomerek elválasztása céljából, amikor megindult a nagyszelektivitású királis töltetek fejlesztése. Ekkor hasonlítják össze elıször több publikációban az SMB technikát más kromatográfiás eljárásokkal és egyre inkább elınyben részesítik preparatív szétválasztásoknál [23, 24]. Két friss tanulmány született az enantiomerek szétválasztására SMB módszerrel [25, 26] de ezeken túl folyóiratokban sok más cikk található e témában [27, 28, 29, 30, 31, 32]. Enantiomerek szétválasztására a ’90-es évek végétıl szuperkritikus és GC-SMB-t is használnak [33, 34, 35]. A szimulált mozgóágyas elválasztási mőveletek biotechnológiai alkalmazási területe is egyre bıvül, szennyezı anyagok eltávolítására használják kis koncentrációban jelen lévı értékes
28
anyagoktól, pl. fermentlevekbıl hatóanyag izolálásra [36]. Értékes szerves savak [37, 38, 39], enzimek [40], gyulladáscsökkentı szerek [41], antibiotikum [42], immunszupresszív hatóanyagok (pl. ciklosporin) [43], humán inzulin [44, 45, 46, 47, 48, 49, 50] SMB-vel történı elıállításával kapcsolatos publikációk olvashatók a 2000-es évek szakirodalmában. A szimulált mozgóágyas mőveleteknél tehát a TMB-HPLC oszlop szegmenseit térben elkülönítjük egymástól. Az egyes szegmenseket nyugvóágyas adszorbenssel töltött oszlopok sorozata adja. A 13. ábrán az SMB mővelet elvi sémája látható.
13. ábra Szimulált mozgóréteges kromatográfia (SMB) Az SMB technika megvalósítása során két alapvetı eljárás terjedt el: 1.
Az oszlopok mozgatása úgy valósul meg, hogy az oszlopok tetején található összekötési
pontokat fizikailag mozgatják az oszlopok között. Ennek a módszernek hátránya, hogy a mőködésük során nyomás alatt levı oszlopokat fizikailag meg kell bontani és újrazárni, ami mőveleti és gépészeti problémát jelent 2.
Az oszlopok mozgatása fizikailag nem történik meg, a kapcsolási sorrendet precíziós,
nagynyomású, többállású szelepek segítségével valósítják meg. A gyakorlatban inkább ez a technológia terjedt el. A legegyszerőbb SMB berendezés négy, egyenlı hosszúságú oszlop sorbakötésével valósítható meg. A berendezésben az adszorbens mozgatása az oszlopkaszkád betáplálási és elvételi helyeinek bizonyos idıközönkénti megváltoztatásával jön létre. Az oszlopok váltási idejét nevezzük léptetési idınek, taktus idınek vagy kapcsolási idınek. A többállású szelepek megfelelı mőködtetése és a ciklusok közti váltás könnyen automatizálható, így az ipari gyakorlat könnyen adaptálhatja az eljárást.
29
2.3.3. A szimulált mozgóréteges folyadék kromatográfia elméleti ciklusa A további fejezetekben a következı jelöléseket fogom alkalmazni – Az SMB oszlop hossza:
L [cm]
– Az SMB oszlop keresztmetszete:
Af [cm2]
– Az oszlop léptetési idı:
Tl [min]
– Az oszlop ürestérfogati hányadosa:
ε [dimenziómentes]
– Az „A” komponens-megoszlási tényezıje:
KA [
cm 3 szabadtérfogati folyadék ] cm 3 szilárd szilikagél
– A „B” komponens-megoszlási tényezıje:
KB [
cm 3 szabadtérfogati folyadék ] cm3 szilárd szilikagél
– A szétválasztandó elegy betáplálási térfogati sebessége:
F [cm3/min]
– Az extraktum térfogati sebessége:
E [cm3/min]
– A raffinátum térfogati sebessége:
R [cm3/min]
– A friss eluens betáplálás térfogati sebessége:
S [cm3/min]
– A recirkuláltatott eluens térfogati sebessége:
REC [cm3/min]
– Az összes eluens térfogati sebessége:
D (=S+REC) [cm3/min]
A mővelet elméleti ciklusa a Függelék 1.a és 1.b ábrán látható. Induláskor az I, II, III, IV adszorpciós oszlopok nem tartalmazzák sem a gyengébben kötıdı B, sem az erısebben kötıdı „A” komponenst [21]. Az 1. folyadék áramoltatási periódus során az „F” betáplálással adott mennyiségő „A”, „B” elegyet viszünk a III. oszlopra, ahol a frontális adszorpció következtében a „B” elıresiet, míg az „A” lemarad az adszorpciós tölteten. Az „R” raffinátumban „B” terméket kapunk, majd az 1. folyadék áramoltatási periódust befejezve megtörténik az 1. „oszlopmozgatás”: I.
oszlop helyére
II.
oszlop
II.
oszlop helyére
III.
oszlop
III.
oszlop helyére
IV.
oszlop
IV.
oszlop helyére
I.
oszlop kerül.
30
A folyadék áramoltatási ideje, más néven oszlopléptetési idı (Tl) helyes megválasztása igen lényeges a szétválasztás szempontjából. A 2. folyadék áramoltatási periódus során a recirkuláltatott eluens és friss eluens a III. oszlopból kimossa a „B” komponenst és a III. oszlopban csak „A” komponens marad, míg a IV. oszlop megköti a III.-ból deszorbeált komponenseket („A” és „B”) és „B” komponenst termel, melyet a raffinátumban kapunk meg. Helyesen beállított Tl léptetési idı és áramok (E, F, R, D) esetén a „B” komponens nem tud kifutni az I. oszlopból. Ezután megtörténik a 2. „oszlopmozgatás”: 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 következı 4 folyadék áramoltatási periódusban majd II. oszlop helyére kerül. Ha nem tökéletes a regenerálás, akkor az „A” a recirkuláltatott eluensbe kerül, ami az elválasztást rontja a késıbbiekben. 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 mennyiségő „B” jutott és az „R” raffinátumban „B” terméket vettünk el. A 3. folyadék átáramoltatási periódus utáni „oszlopmozgatás”: 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 során a IV. oszlopból „A” terméket kapunk az „E” extraktumban. A II. oszlopból „B” terméket kapunk az „R” raffinátumban A 4. folyadék áramoltatási periódus végén a IV. szegmens 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. 31
A 4. áramoltatási periódus végén következik a 4. „oszlopmozgatás” melynek eredményeként visszajutunk a teljes ciklus kezdetére: IV.
oszlop helyére
I.
oszlop
I.
oszlop helyére
II.
oszlop
II.
oszlop helyére
III.
oszlop
III.
oszlop helyére
IV.
oszlop kerül.
Az elméleti ciklus alapján az alábbi következtetéseket vonhatjuk le a leírt négyoszlopos SMB berendezésre 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. 2.3.4. Elméleti analízis a karakterisztikák módszerével lineáris adszorpciós izotermák esetén Legyen érvényes az egyensúlyi adszorpcióra felírható a (2-22) komponensmérleg egyenlet egykomponenső folyadékfázisra [21, 51]. Lineáris adszorpciós egyensúlyi izotermát tételezünk fel, q=K·c
(2 – 22)
így, a (2-10) helyett írhatjuk:
∂c ∂c B f ⋅ + (1 − ε )⋅ A f ⋅ K ⋅ + ε ⋅ A f ∂t z ∂ z t
∂c ⋅ = 0 ∂t z
(2 – 23)
A „c” koncentrációjú folyadékelem sebessége az oszlopban uIc
Bf Af ∂z = u / c = ε + (1 − ε ) ⋅ K ∂ t c
(2 – 24)
A továbbiakban a (2-24)-es egyenletet felhasználva vezetem le a Morbidelli-féle paramétereket, mellyel a térfogatáramok állíthatók be. Esetünkben „A” és „B” kétkomponenső elegyet vizsgálunk, melyek adszorpciós egyensúlyi megoszlási hányadosa KA illetve KB. Esetünkben KA > KB.
32
2.3.5. A Morbidelli-féle paraméterek, az SMB-HPLC berendezés térfogatáramaira vonatkozó kritériumok A megfelelı hatásfokú elválasztáshoz pontosan meghatározott és beállított térfogatáramokra és a hozzájuk tartozó léptetési idıre van szükség. Az áramok helytelen sebessége a komponensek adszorpciós frontjainak átlapolását eredményezi. Emiatt az egyes szegmenseken belül a komponensek keverednek és a termékáramok összetétele nem megfelelı, illetve bizonytalan lesz. A Massimo Morbidelli és társai által publikált, független adszorpciót és lineáris izotermákat feltételezı elméleti módszer alapján azonban jól megbecsülhetıek a térfogatáramok helyes beállítási értékei [52]. A 13. ábra alapján belátható, hogy egy négyoszlopos SMB-rendszer térfogatáramai a következık: –
I.
oszlop:
D
–
II.
oszlop:
D-E
–
III.
oszlop:
D-E+F
–
IV.
oszlop:
D - E + F - R.
A tömegmérlegbıl következik, hogy: D − E + F − R = REC
A következıkben Morbidelli-féle kritériumok levezetését mutatjuk be az alábbiak szerint: 1. Az SMB kromatográf III. oszlopának vizsgálata Tételezzük fel, hogy az adszorbens nem tartalmaz sem „A” sem „B” komponenst és Tl ideig az oszlopra „A” és „B” elegyet táplálunk be [22]. Mivel az adott oszlopban a térfogati sebesség D-E+F, ezért az „A” ill. „B” komponensek sebessége, a (2 - 24)-nek megfelelıen, a III. oszlopban a következı lesz:
uA =
uB =
D−E+F Af
(2 – 25)
ε + (1 − ε ) K A D−E+F Af
(2 – 26)
ε + (1 − ε ) K B
33
Ha a III. oszlop hossza L és az oszlop keresztmetszete Af, akkor az „A” és „B” által Tl idı alatt „befutott” távolságok:
L 〈 z B , III =
L 〉 z A, III =
D−E+F Af
ε + (1 − ε ) K B D−E+F Af
ε + (1 − ε ) K A
Tl
(2 – 27)
Tl
(2 – 28)
Az elméleti ciklusban leírtaknak megfelelıen „A” nem „futhat ki” a III. oszlopból, viszont „B”-nek el kell hagynia a III. oszlopot. Átrendezve (2 – 28), (2 – 29) egyenleteket: D−E+F Af 〉 ε + (1 − ε )K B L Tl
(2 – 29)
D−E+F Af 〈 ε + (1 − ε )K A L Tl
(2 – 30)
D−E+F Af ε + (1-ε)KB < < ε + (1-ε)KA L Tl
(2 – 31)
Mivel, D−E+F Af v III = o L v sz Tl
(2 – 32)
A (2 - 31)-bıl következik:
KB <
D−E+F Tl − L ε Af L(1 − ε )
< KA
(2 – 33)
34
Bevetjük az mIII jelölést: KB < mIII < KA
(2 – 34)
Ahol az mIII a III. oszlopra felírt Morbidelli-féle sebesség-arány: D−E+F Af ε − = m III L 1− ε (1 − ε ) Tl
(2 – 35)
v oIII ε − = m III v sz (1 − ε ) 1 − ε
(2 – 36)
Tehát
2. Az SMB kromatográf II. oszlopának vizsgálata Az SMB-rendszer II. oszlopára a fentiekkel megegyezı gondolatmenet szerint a következıket írhatjuk fel: A „B” komponensnek el kell hagynia a II. oszlopot, de „A” nem törhet át rajta:
D−E Af
ε + (1 − ε ) K A D−E Af
ε + (1 − ε ) K B D−E Af
ε + (1 − ε ) K A
Tl = z A, II 〈 L
(2 – 37)
Tl = z B , II 〉 L
(2 – 38)
〈
D−E Af
L 〈 Tl ε + (1 − ε ) K B
(2 – 39)
D−E Af ε + (1 − ε ) K B 〈 〈 ε + (1 − ε ) K A L Tl
(2 – 40)
D−E Af v II = o L v sz Tl
(2 – 41)
35
KB 〈
D−E Tl − L ε Af L (1 − ε )
〈 KA
(2 – 42)
KB < mII < KA
(2 – 43)
Ahol mII a Morbidelli-féle sebesség-arány a II. oszlopra. 3. Az SMB kromatográf I. oszlopának vizsgálata Az SMB kromatográf I. oszlopában az „A” komponens nem maradhat benn, tehát a regenerálásnak tökéletesnek kell lennie. Ennek folyománya:
D Tl Af
ε + (1 − ε ) K A
= z A, I 〉 L
(2 – 44)
D Af v = 〉 ε + (1 − ε ) K A L v sz Tl I o
mI =
D Tl − Lε Af L (1 − ε )
(2 – 45)
〉 KA
(2 – 46)
Ahol mI az I. oszlopra felírt Morbidelli-féle sebesség-arány. 4. Az SMB kromatográf IV. oszlopának vizsgálata. Az SMB kromatográf IV. oszlopából a „B” komponens nem léphet ki, tehát a már alkalmazott elv az alábbi összefüggésekhez vezet:
( D − E + F − R) Tl Af
ε + (1 − ε ) K B
= z B , IV 〈 L
(2 – 47)
( D − E + F − R) Tl Af v = = 〈 ε + (1 − ε ) K B L v sz Tl IV o
mIV =
( D − E + F − R) Tl − L ε Af L (1 − ε )
〈 KB
36
(2 – 48)
(2 – 49)
Ahol mIV a IV. oszlop Morbidelli-féle sebesség-aránya. Összefoglalva, az SMB-ciklusra felírható kritériumok: mI > KA
(2 – 50)
KB < mII < KA
(2 – 51)
KB < mIII < KA
(2 – 52)
mIV < KB
(2 – 53)
Ezek a feltételek szükségesek ahhoz, hogy egy kétkomponenső „A”, „B” elegyet tiszta „A” és „B” komponensekre tudjunk elválasztani abban az esetben, ha független adszorpcióról van szó és az adszorpciós izotermák lineárisak. A kapott eredményeket ábrázolhatjuk olyan diagramban, amelyben az mIII értékeket tüntetjük fel az mII értékeinek függvényében. Az ilyen diagramokban a KA, a KB és az mIII = mII egyenesek kijelölnek egy háromszög alakú területet, amelyet Morbidelli-háromszögnek nevezünk. A Morbidelli-háromszögben levı pontokban mőködı rendszerekben egymástól teljesen elválasztható a két komponens. Ez a diagram látható a 14. ábrán, melynek számmal jelölt tartományai a következık: 1. Tiszta „A" és tiszta „B" tartománya 2. Tiszta „B" a raffinátumban 3. Tiszta „A" az extraktumban 4. Az „A" és a „B" keveredik egymással a termékáramokban
14. ábra Morbidelli-féle diagram izokratikus kromatográfiára
37
Ha mII < KB és KB < mIII < KA akkor tiszta „B” raffinátumot lehet elıállítani, de „A” nem tiszta az extraktumban. Ha mIII > KA és KB < mII < KA akkor tiszta „A” extraktumot lehet elıállítani, de „B” nem lesz tiszta a raffinátumban. A fenti tartományokon kívül csak „A”, és „B” keveréket lehet elıállítani az extraktumban és raffinátumban. 2.3.6. A szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás mővelet matematikai modellje és megoldása numerikus módszerrel A matematikai modellt és a számítógépes programot Dr. Argyelán János egyetemi adjunktus készítette, majd a programot Kondor Attila Ph.D. és Lerner Zoltán egyetemi hallgató fejlesztette tovább Borland Delphi-nyelvő fejlesztıi környezetben (Függelék 2.). A modell egy többkomponenső, kompetitív Langmuir-izotermával leírható rendszer matematikai leírása [51]. A differenciálegyenlet-rendszert a véges differenciák módszerének numerikus megoldásával oldja meg a szimulációs szoftver. A matematikai modell a következı: A (2-10)-es komponensmérleg-egyenlet felírva egy N komponenső rendszer k-adik komponensére a következı: ∂q k ∂c ∂c v 0 ⋅ k + (1 − ε ) ⋅ + ε ⋅ k = 0 ∂z t ∂t z ∂t z
(2 – 54)
A kompetitív Langmuir-izoterma egyenlete az „i”-edik komponensre: qi =
a i ci
(2 – 55)
n
1+ ∑bjc j j =1
Az egyszerőség kedvéért tekintsünk egy kétkomponenső „A”-t és „B”-t tartalmazó elegyet. A (2-55) differenciálegyenletbıl ekkor az „A” komponensre a következı kifejezést kapjuk:
−
v0 ∂c A ε ∂c A ∂q A ∂c A ∂q A ∂c B ⋅ = + ⋅ + ⋅ 1 − ε ∂z 1 − ε ∂t ∂c A ∂t ∂c B ∂t
(2 – 56)
és a (2-56) egyenletbıl két komponensre:
qA =
a Ac A 1 + b A c A + bB c B
(2 – 57)
A (2-58) egyenletet deriválva cA és cB szerint:
38
∂q A a A ⋅ (1 + b A c A bB c B ) − a A b A c A = ∂c A (1 + b A c A + bB c B )2
(2 – 58)
∂q A − a A c A bB = ∂c B (1 + b A c A + bB c B )2
(2 – 59)
A továbbiakban vezessük be a következı jelölést:
N = 1 + b A c A + bB c B
(2 – 60)
A (2-589) és (2-59) egyenleteket a (2-54) egyenletbe beírva, és alkalmazva a (2-60) szerinti jelölést: −
v0 ∂c A ∂c A a A N − a A b A c A ε a A c A bB ∂c B ⋅ = ⋅ + ⋅ − 2 1 − ε ∂z ∂t 1− ε ∂t N N2
(2 – 61)
Mindkét oldalt N2 - tel megszorozva kapjuk meg a modell differenciális mérlegegyenletét: −
v0 ∂c ∂c ∂c ε N 2 A = A ⋅ a A N − a AbA c A + N 2 − a A c A bB ⋅ B (2 – 62) 1− ε ∂z ∂t 1− ε ∂t
A (2-62) egyenlet lesz a modell alapja, a két komponensre egy két egyenletbıl álló differenciálegyenlet-rendszert kapunk. Ezt pedig a szimulációs szoftverrel, a véges differenciák módszerével oldjuk meg. Az így kapott egyenlet: −
v0 ∆c ∆c N2 A = A 1− ε ∆z ∆t
∆c ε ⋅ a A N − a Ab A c A + N 2 − a A c A bB ⋅ B (2 – 63) 1− ε ∆t
A differenciák a következıképpen vannak definiálva:
ahol
∆c k ci , j , k − ci , j −1,k = , ∆z ∆z
(2 – 64)
∆c k ci , j , k − ci −1, j ,k = , ∆t ∆t
(2 – 65)
i:
az idılépték
j:
a helylépték.
Ez a modell numerikus megoldása kétkomponenső rendszer esetén. N komponenső elegyre a megoldás teljesen analóg a fent leírttal.
39
A matematikai modellhez tartoznak még kezdeti és peremfeltételek is: 1.
Kezdeti feltételek:
A rendszer kezdeti feltételén a t = 0 idıponthoz tartozó ck(z,0) és qk(z,0) koncentráció (hely, idı) függvényeket értjük, melyeket meg kell adni az I.-IV. szegmensek hossza mentén a folyadékáramoltatás megkezdésekor. 2.
Peremfeltételek:
Állandó értékek az idı függvényében: Belépı folyadékelegy térfogati sebessége:
F [cm3/perc]
Belépı folyadékelegy összetétele.
cF [cm3/perc]
Belépı friss eluens térfogati sebessége:
S [cm3/perc]
Belépı friss eluens elegy összetétele.
cS [mg/cm3]
Extraktum térfogati sebessége:
E [cm3/perc]
Raffinátum térfogati sebessége:
R [cm3/perc]
Számított értékek az idı függvényében: – Recirkuláltatott eluens összetétele a kezdeti feltételben megadott összetételbıl kiindulva (cREC) – Extraktum összetétele a kezdeti feltételben megadott összetételbıl kiindulva (cE) – Raffinátum összetétele a kezdeti feltételben megadott összetételbıl kiindulva (cR) Tl idı elteltével megtörténik az 1. oszlopmozgatás és kezdıdik a 2. folyadék áramoltatási periódus. A periódus kezdeti feltételeit az I.-IV. szegmensekben az 1. áramoltatási periódus végén kialakult folyadék- és szilárd fázisbeli oszlophosszmenti összetételek adják. A 2. folyadék áramoltatási periódus peremfeltételei formálisan azonosak az 1. periódus peremfeltételeivel a Tl < t < 2Tl idıintervallum alatt. A számolás menete megegyezik a fent leírtakkal. A számítás a következı periódusokban ciklikusan ismétlıdik. A program a leírt numerikus módszerrel számítja ki az oszlopok kimenetén az áttörési görbéket, az egyes oszlopokon belül az idıben változó hely szerinti folyadék és szilárd fázisbeli koncentrációkat, a raffinátum és az extraktum áram idıbeli változását. A szoftver lehetıséget ad olyan kezdeti feltétel alkalmazására is, amikor a ciklikus mővelet megkezdése elıtt a III. oszlopot frontálisan telítjük a belépı eleggyel. Ennek eredményeképpen csökkenthetı a kvázistacioner állapot eléréséhez szükséges ciklusszám.
40
2.3.7. Elméleti analízis nem lineáris adszorpciós izotermák és reális rendszerek esetén Ha az elızıekben megadott egyensúlyi adszorpció elméleti leírása során nem teljesül a lineáris adszorpciós egyensúlyi izotermák és a független adszorpció feltétele, akkor a Morbidelli-féle háromszög módosul (15. ábra). A Morbidelli féle háromszög területét a betáplálási koncentráció és összetétel, valamint a kinetika és axiális keveredés, mint reális hatások is módosítják [21]. Amíg az izoterma lineáris szakaszán dolgozunk, vagyis híg oldatok esetén, a háromszöget csak az egyensúlyi paraméterek határozzák meg, a betáplálási koncentráció nem befolyásolja az alakját. De valós esetekben ez nem áll fenn, mivel az SMB berendezést általában jelentıs túlterheléssel mőködtetik, a minél jobb termelékenység elérése érdekében. A lineáris esethez képest túlterhelt tartományban, kompetitív Langmuir izoterma esetén (2-55 egyenlet) a tökéletes szétválasztáshoz szükséges és elégséges feltételek az áramlási sebesség arányokra a következıképpen alakulnak: A tiszta A és B komponensek egyidejő elıállításának feltétele módosul a (2-33)., … (2-36) egyenletekhez képest.
m IV , Kr =
m I > KA
(2 – 66)
mII,min (mII, mIII) < mII < mIII < mIII,max (mII, mIII)
(2 – 67)
mIV < mIV, Kr
(2 – 68)
1 [K B + mIII + bB c BF (m III − mII ) − 2
[K
]
2
B
+ m III + bB c BF (m III − m II ) − 4a B m III
]
(2 – 69) Az alsó határ mI, a felsı határ mIV érték. Azonban az alak független más térfogatáram arányoktól, de mII és mIII térfogatáram arányok függvénye. Az mII, mIII implicit érték, de függetlenek mI és mIV-tıl. Ezért definiálhatunk egy egyedi szeparációs mezıt az mII-mIII síkban, amely egy háromszög alakú terület (15. ábrán abw pontokkal jelölt). A „wf” egyenes:
(K
(
))
(2 – 70)
(
))
(2 – 71)
A
− ω G 1 + K Λ c ΛF m2 + K Λ c ΛF ω G m3 = ω G (K A − ω G )
Λ
− K B 1 + K Λ c ΛF m 2 + bΛ c ΛF K B m3 = K B (K Λ − K B )
A „wb” egyenes:
(K Az „ra” görbe:
m3 = m 2
( +
K Λ − m2
)
2
(2 – 72)
bΛ c ΛF
41
Az „ab” egyenes: m3 = m 2
(2 – 73)
mIII KA
A+B keverék
Tiszta Extraktum
a
(E)
r
f
w KB
Tiszta Raffinátum
b
KB
KA
mII
15. ábra Morbidelli-féle háromszög nemlineáris esetben A pontok koordinátái: „a” pont (K Λ , K Λ ) „b” pont (K B , K B ) „f” pont (ω G , ω G )
ω2 ω [ω (K − ω G )(K Λ − K B ) + K B ω G (K Λ − ω F )] „r” pont G , − G F Λ K Λ K B (K Λ − ω F ) KΛ
(2 – 74)
K ω ω G [ω F (K Λ − K B ) + K B (K B − ω F )] „w” pont B G , ( ) − K K K ω Λ B Λ F
(2 – 75)
Ezen kifejezések függnek a betáplálás koncentrációjától ωG és ωF paraméteren keresztül, amelynek a következı másodfokú egyenlet az alapja (ωG > ωF > 0):
(1 + K
)
[ (
)
(
)]
c + K B c BF ω 2 − K Λ 1 + K B c BF + γ B 1 + K Λ c ΛF ω + K Λ K B = 0
F Λ Λ
(2 – 76)
Az 16. és 17. ábrákon láthatjuk, hogy a kompetitív Langmuir izoterma miatt jelentısen megváltozik a Morbidelli-féle „háromszög” alakja és területe, melyet a betáplálási koncentráció értéke és a reális hatások, adszorpciós kinetika (komponens transzporttal szembeni ellenállás), axiális keveredés, és az oszlop töltet hatásossága is befolyásol.
42
m 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0
m1 cF ≅ 0 c1
m3
c2
m2
c3 c4
m4 5
0
10
15 20 cc F (g/l) FT
17. ábra A Morbidelli háromszög módosulása a betáplálási koncentráció növelésével c F ≅ 0, c 1 < c 2 < c 3 < c 4
16. ábra Morbidelli paraméterek változása a betáplálási koncentráció függvényében
2.4. Fıbb fejlesztési irányok Az utóbbi idıben több olyan SMB üzemmód jelent meg a szakirodalomban, amely az elızı fejezetben
összefoglalt
jellemzık
változtatásán
keresztül
eredményezett
valamilyen
szempontból gazdaságosabb üzemvitelt [53]. Ezek közül négy fontosabb elvet
kell
megemlíteni az SMB módszer mellett: •
Gradiens módszerek –
Hımérséklet
–
Nyomás
–
Oldószer koncentráció
•
VARICOL (Novasep)
•
Térfogatáramok változtatása –
Térfogatáram variációk
–
Powerfeed
• Modicon-folyamat 2.4.1. Gradiens módszerek Három lehetséges gradiens módszer terjedt el, a hımérséklet, a nyomás és az oldószerkoncentráció változtatása (18. ábra).
43
18. ábra Az alkalmazott gradiensek az oszlop hossza mentén 2.4.1.1. Hımérsékletgradiens A gradiensképzés egy lehetséges megvalósítása lehet a lépcsıs függvény szerinti hımérsékletváltoztatás. Ebben az esetben az I. és II. oszlopokat magasabb hıfokon tartjuk, mint a III. és IV. oszlopokat, ezért ott a deszorpció gyorsabban fog lejátszódni. A négy zóna különbözı hımérsékleten való mőködése kedvez az elválasztásnak és csökken az oldószer felhasználás [54]. 2.4.1.2. Nyomásgradiens (SFC-SMB) Egy másik, iparilag még nem túlságosan elterjedt módszer az a módszer, amikor szuperkritikus állapotú oldószert alkalmaznak. Az ilyen, úgynevezett szuperkritikus oldószeres SMB (SFC-SMB, SuperCritical Fluid-SMB) eljárások alkalmazásakor, mint olcsó és könnyen elıállítható szuperkritikus fluidumot, a szén-dioxidot szokták oldószerként alkalmazni. Ebben az esetben a gradiens hatást a szegmensek közötti különbözı nyomások alakítják ki. 2.4.1.3. Oldószergradiens (SG-SMB) Az SMB technikánál lépcsıs függvény szerinti gradienst alkalmaznak az SMB berendezés belépı pontjai között. A módszert itt is olyan esetekben alkalmazzák, ha egy elegy komponensei nem- vagy nehezen választhatóak el egymástól, illetve ha az elegy komponensei közül valamelyiket nehezen lehet deszorbeáltatni az állófázisról. A technika alkalmazásával
44
mindkét probléma megoldható. Az ilyen rendszereknél a gradienst a friss oldószer betáplálási és a szétválasztandó elegy betáplálási pontja között állítják elı. 1995-ig az SMB-vel történı szétválasztások esetén csaknem kizárólag klasszikus üzemvitelt alkalmaztak, tehát a betáplálási és friss eluens árammal azonos erısségő oldószert juttattak a rendszerbe. Az oldószerek erıssége az oldószer adszorpciós energiájával van összefüggésben. Ezt az erısséget az ún. Snyder-féle paraméterrel (ε0) szokás megadni [55] (2. táblázat). ε0
Oldószer
ε0
Oldószer
n-pentán Szén-tetraklorid
0 0,18
Etil-acetát Acetonitril
0,58 0,65
Kloroform Aceton
0,40 0,56
Etil-alkohol Metil-alkohol
0,88 0,95
2. táblázat Oldószerek elutróp sora, ε0 értékek alumínium-oxid adszorbensen Normál fázisú töltetnél (pl.: szilikagél, alumínium-oxid, poláris fázisok) az ε0≈0 számít gyenge oldószernek és az ε0≈1 erısnek. Fordított fázis (C4-, C8-borítású szilikagélek, apoláris fázisok) esetén pedig fordítva. Ez utóbbinál a víz – mint legpolárisabb komponens – a leggyengébb oldószerként értelmezhetı. Az SMB fejezetnél már említésre került, de itt még egyszer utalnánk az I. és IV. zóna speciális szerepére, mely a megfelelı terméktisztaságokhoz elengedhetetlen. Míg az I. zónában a szilárd fázisnak tökéletesen regeneráltnak kell lennie, vagyis a komponenseket deszorbeálni kell az adszorbens felületérıl, addig a IV. zónában az eluens fázis tökéletes regenerálása, vagyis a komponensek adszorpciója a feladat. A
komponensek
adszorpciós-deszorpciós
tulajdonságait
az
adszorpciós
izotermák
befolyásolják, melyek viszont – többek között – az oldószer erısségétıl függnek. Ez a gondolatsor vezetett ahhoz, hogy a friss eluensáram és a betáplálási áram különbözı erısségő oldószert tartalmazzon, melyen keresztül a zónák mőködésbeli különbségét még inkább javítani lehet. Az erısebb oldószer a deszorpciót-, a gyengébb pedig az adszorpciót növeli. Tehát ha friss eluensként egy erısebb oldószert alkalmazunk, akkor az I. zóna az erısebb oldószer hatására könnyebben regenerálódik, a II. zónában pedig ezzel az erısebb oldószerrel történik az elválasztás, ami a B komponens közel maximális deszorpcióját eredményezi. A III. zónába aztán már a gyengébb oldószer áramlik (lévén, hogy a II. és III. zóna között van az elválasztandó elegy betáplálási helye), ami az amúgy is erısen kötıdı A komponens tökéletes
45
adszorpcióját eredményezi. A IV. zónában aztán ez a gyengébb oldószer áramlik tovább elısegítve a komponensek (fıleg B) tökéletes adszorpcióját (19. ábra). A módszer elınye a hagyományos SMB-üzemvitelhez képest, hogy alacsonyabb az oldószerszükséglete, nagyobb a termékáramok koncentrációja, és ezen keresztül jelentısebb a termelékenysége is. 4 lépcsõs
4 zóna
2 lépcsõs
a
gyenge
R-LROUT 3 zóna
b
Feed 2 zóna
c
Extraktum
szilárd anyag
erõs
d
1 zóna
folyadék
Euens
oldószer koncentrációja
oldószer koncentrációja
19. ábra Különbözı oldószererısségek a zónákban Szakirodalmi adatok alapján négy tudományos „iskolában” foglalkoznak gradiens SMB módszerrel. Hollandiában a Kluyer Laboratory for Biotechnology Delft University of Technology-nál [56, 57, 58]. Svájcban a FTH Zürich, Inst. Verfahrenstechnik-nél [59, 60]. Németországban a MPI Magdeburg Institut Dynamik Komplexer Technischer System szakemberei foglalkoznak a témával [61, 62] és Franciaország is jelentıs eredményeket ért el e tématerületen [63]. A Morbidelli-háromszög oldószer gradiens esetén torzul, az alakja függ az izotermától (20. a,b,c ábra). Az optimum pont (W) távolabb kerül az átlótól, mint izokratikus esetben [59, 64].
m3
wSG
a
m3
wIzo
m3 wSG
wSG
m2
m2 b
c
20. a,b,c ábra A Morbidelli háromszög lehetséges alakjai gradiens SMB esetén
46
m2
2.4.1.4. A gradiens és izokratikus SMB-HPLC eljárások elméleti és gyakorlati összehasonlítása Az összehasonlítás alapja a Morbidelli-féle elmélet lesz. A vizsgálatban itt is lineáris izotermákat és független adszorpciót feltételezünk. A fı különbség a két módszer között az, hogy az oldószer-gradiens két részre osztja a rendszert: – Az I. és II. oszlop a betáplálás elıtti szekció, itt nagyobb az oldószererısség. Ebben a két oszlopban a KA és a KB csökken. – A III. és IV. oszlopok alkotják a betáplálás utáni szekciót, itt kisebb az oldószer adszorpciós erıssége. Ebben a két oszlopban a KA és a KB növekszik. Összefoglalva: KA
I , II
< KA
III , IV
KB
I , II
< KB
III , IV
és
(2 – 77) (2 – 78)
Az oldószer erısségének különbsége miatt különbözni fognak a megoszlási hányadosok a két részben. A komponensek megoszlási hányadosai itt tulajdonképpen az oldószer-összetétel függvényei, az összefüggést az oldószer összetétele és a szétválasztási tényezı között meghatározhatjuk mérésekkel. Emiatt a sajátosság miatt az oldószeres gradiens elúciót olyan esetekben lehet alkalmazni, ha a komponensek megoszlási hányadosa elég nagy mértékben függ az oldószer összetételétıl. A megoszlási hányadosok folyamaton belüli megváltozása fogja elıidézni azt a jelenséget, hogy az izokratikus elúciónál Morbidelli-háromszögként megismert szétválasztási terület megváltozik, a szétválasztási terület megnövekszik illetve a munkapontot máshova kell elhelyezni gradiens SMB esetén, mint izokratikusnál (21. ábra). Az oldószer erısségének változtatásával a termelékenységnek maximuma, az eluens fajlagosnak pedig minimuma alakul ki [65] (22. ábra). A szeparációs terület növekedése és a csökkentett eluens felhasználás miatt várhatóan a gradiens elúciós SMB technikák a jövıben széles körben elterjedt mőveletekké fognak válni.
47
KA
6
izokratikus
m3 KB KA1
c F= 0,3
m3
c F= 0,3
gradiens KA3
4
KB1 gradiens KA2
2
c F= 3
K B3
KB2 KB2
KA2
izokratikus gradiens
c F= 3 KB1
KA1 KB
m2 K
0 0
A
2
4
m2 6
Eluens felhasználás csökkentése
Iel. haszn.(ml eluens/ml termék)
IP (ml termék/mlállófázis*min)
21. ábra Morbidelli-féle diagram gradiens elúciós kromatográfiára
0,3 % térf. 1 % térf.
3 % térf. maximum 5 % térf.
5
minimum 0,3 % térf.
4 3 2
1 % térf.
1
3 % térf. 5 % térf.
5
20
40
60
80
Módosító koncentráció (% térf.)
20
40
60
80
Módosító koncentráció (% térf.)
22. ábra Termelékenységi és eluens felhasználási diagramok gradiens alkalmazásával 2.4.2. VariCol-folyamat A NovaSEP által szabadalmaztatott [66] eljárásban a hagyományos üzemmóddal ellentétben a betáplálási és elvételi pontok átkapcsolása nincs szinkronban egymással, hanem különbözı idıpontokban történik. A kapcsolási idıt 5 részre oszthatjuk fel olymódon, hogy egy részidıt megválasztunk, majd a többit ennek segítségével az oszlophosszok ismeretében számítjuk. Minden kapcsolási rész lejárta után a betáplálási, illetve elvételi helyek közül egyet meghatározott sorrendben (raffinát, feed, extrakt, eluens) a folyadékáram irányával megegyezı irányban továbbkapcsolunk (23. ábra). A kapcsolási idı végére – a hagyományos esethez hasonlóan – minden betáplálás és elvételi pontot továbbkapcsolunk, amin keresztül a folyamat periodicitása megmarad. Ennél az eljárásnál egy-egy zóna átlagos hossza az asszinkronikus kapcsolási idık változtatásával módosítható. A módszer elnevezése is erre utal: VARICOL= Variable Column Length Process. 48
Ezzel a szabadsági fokkal elérhetjük azt, hogy az aszinkronikus üzemmódban azonos adszorbens mennyiségek esetén az elválasztási hatékonyság nagyobb lesz a hagyományos móddal elérhetı értékeknél, vagy azonos követelmények esetén az oszlopszámot lecsökkenthetjük és ezzel a készülék gazdaságosságát jelentısen megnövelhetjük. Az eljárás hátránya, hogy a tervezési és optimalizációs költségei meglehetısen magasak.
23. ábra A VariCol-folyamat lényege 2.4.3. A térfogatáramok változtatása A térfogatáramok változtatását úgy valósítják meg, hogy a kapcsolási periódus alatt a betáplálási (feed, eluens) és elvételi (extraktum, raffinátum) pontokon keresztül bevitt, illetve elvett mennyiségek a hagyományos módnál bevitt- és elvett mennyiségekkel összességében megegyeznek csak éppen az idıben nem állandóak. Ennek az elsıre talán bonyolultnak hangzó megoldásnak megértésére szolgál a 24. ábra, amely egy periódus alatt mutatja be a fent említett áramok megváltozását.
49
100
q (raffinátum)
q (extraktum)
80 60 40 20
80 60 40 20 0
0 0
0,2
0,4 0,6
0,8
0
1
0,2
0,8
1
0,8
1
150
100 80
q (eluens)
q (betáplálás)
0,4 0,6
t/Ts
t/Ts
60 40 20 0
100 50 0
0
0,2
0,4 0,6
0,8
1
0
0,2
0,4 0,6
t/Ts
t/Ts
24. ábra A betáplálások (feed, eluens) és elvételek (extraktum, raffinátum) térfogatáramainak változása a kapcsolási idı alatt Ezt a módszert Kearney és Hieb [67] 1992-ben szabadalmaztatta, melyen keresztül a terméktisztaság, illetve a termelékenység növekedése érhetı el csökkenı oldószerfelhasználás mellett. Ezzel azonos elvet követett Kloppenburg és Gilles [68], akik egy ipari elválasztó folyamat jelentıs javulását érték el a kapcsolási intervallumokon belül megváltozó térfogatáramok dinamikus optimalizációján keresztül. Az utóbbi idıben publikáltak két olyan új üzemvitelt, amelyek kizárólag a betáplálási áram modulációján keresztül értek el a hagyományos technikánál jobb teljesítmény-mutatókat. Ilyen mőveleti megoldást javasolt Morbidelli és Mazotti [69]. Az
SMB eljárás ezen
módszerét ún. „Power Feed”-nek nevezték el, egy másikat pedig Zang és Wankat javasolt [70, 71]. 2.4.4. ModiCon-folyamat Ezt az eljárást H. Schramm, A. Kienle, M. Kaspereit és A. Seidel-Mogenstern [72] szabadalmaztatta 2002-ben. A módszer lényege, hogy a klasszikus mővelettel ellentétben ennél az eljárásnál a kapcsolási idın belül a betáplálás koncentrációja megváltozik ( betáplálás gradiens). Az SMB-mővelet ModiConra való átalakításánál fontos szempont a betáplálási koncentráció helyes megválasztása. Az már több irodalomban is publikálásra került, [73, 74, 75] hogy az SMB-mővelet termelékenysége egyenesen arányos a betáplálási koncentrációval, tehát növekvı koncentráció esetén megnı. A fajlagos oldószer-szükséglet pedig fordítottan arányos
50
a betáplálási koncentrációval, vagyis nagyobb koncentráció esetén kevesebb oldószer szükséges (25. ábra).
Termelékenység
Betáplálási koncentráció
25. ábra Az SMB-folyamat mőveleti fajlagosainak változása a betáplálási koncentráció függvényében
Mindkét mőveleti fajlagos (termelékenység, oldószer felhasználás) annál kedvezıbben alakul, minél nagyobb betáplálási koncentrációt választunk. Sok esetben ez azonban nem kivitelezhetı, ugyanis a stabilitás (vagyis a rendszer azon képessége, hogy különbözı zavarások esetén mennyire tud adott munkapontban megmaradni) szintén fordítottan arányos a betáplálási koncentrációval, tehát nagy koncentrációknál kritikusan lecsökkenhet.
51
2.4.5. Egyéb technikák • Három komponenső keverékek elválasztása különbözı zóna (szegmens) szám kialakításával [76] (26. ábra).
Betáplálás
V
Szilárd
Raffinátum
1
VIII VII VI V
1,2,3
1,2,3
III II I
Extraktum1
Szilárd
Folyadék
2,3
Betáplálás
Folyadék
Betáplálás
Szilárd
Raffinátum1
1
1,2,3 Eluens1
2,3
Raffinátum2
2,3
III II I
Extraktum2
3
Folyadék
IX VIII VII VI V
1
3
III II I
Extraktum
3
Eluens
Eluens2
Eluens2
8 zónás TMB
5 zónás TMB
9 zónás TMB
Folyadék
Szilárd
Folyadék
Szilárd Raffinátum
1,2,3
III
1
II
Extraktum
I
2,3 Eluens
III
2
II I
3 Eluens
4+4 zónás TMB Folyadék
Szilárd
Szilárd
Folyadék
1 1,2,3
3
III II
2,3 3
I
III
2
II I
3 Eluens
Eluens
5+4 zónás TMB 26. ábra Három komponens szeparációja TMB mővelettel (5, 8, 9, 4+4, 5+4 zóna)
52
•
Reaktor SMB 1977-ben szabadalmaztatták az SMB reaktort [77], amelyben egyensúlyra vezetı reakciók szimultán szeparációval mennek végbe. Ezzel a módszerrel a reakciótermékek folyamatosan elválaszthatók a kiindulási anyagoktól, ami a céltermék keletkezésének irányába tolja el a reakciót. Metil-acetát, β-feniletil-acetát elıállításra, ill. cukor inverzióval kombinált glükóz – fruktóz elválasztásra [78] történı alkalmazásai a legismertebbek.
•
Kromatográfia (SMB) és kristályosítás összekapcsolása A hatékony enantiomer szeparációhoz a folyadékkromatográfia és a frakcionált kristályosítás összetett mőveletét javasolják [79]. Elsı lépésként az egyik enantiomer feldúsítására egy kromatográfiás elválasztó mőveletet, fıként a szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiát (SMB) ajánlják. Következı lépésként frakcionált kristályosítással végezhetı el a cél enantiomer tisztítása.
2.5. Jelenlegi gyártók, forgalmazók Jelenleg három vezetı cég gyárt SMB készülékeket. A 3. táblázatban látható, hogy milyen típusúakat és milyen méretekben. A 4. táblázat ezen készülékekkel elért termelékenységi eredményeket tartalmazza. A Novasep [80] az egyik vezetı technológiai vállalat, mely kiszolgálja a tudományos életet és az ipari megrendeléseket egyaránt, elıállít egyedi és keresett termékeket és molekulákat, és új tisztítási módszereket ajánl. A Novasep technológia fı alkalmazási területei: •
Gyógyszeripar
•
Biotechnológia
•
Állategészségügy
•
Mezıgazdasági kémia
•
Speciális kémiai területek
•
Kozmetikai ipar
•
Élelmiszeripar
A KNAUER [81] cég fıként analitikai és preparatív HPLC és SMB készülékeket illetve azok alkatrészeit gyártja. Minden egyes rész biztosítja és szolgáltatja, hogy a KNAUER készülék mőködése megbízható és hosszú élető.
53
Az Advanced Separation Technologies [82] összekapcsolja a világelsı kutatási és fejlesztési lehetıségeket az elsı osztályú tudományos és mérnöki feladatokkal. Oszlopszám
Oszlopátmérı
Oszlophossz
db
mm
mm
12
max. 26
10
max. 50
LICOSEP 12-50
12
50
LICOSEP 12-10
12
100
LICOSEP 8-200
8
200
LICOSEP 6-450
6
450
Típus
LICOSEP-LAB
NOVASEP
KNAUER
ADVANCED SEPARATION TECHNOLOGIES
CSEP C916
max. 16
max. 16
max. 300
CSEP C912
max. 12
max. 50
max. 1000
C-900-as sorozat
12-16-20
10-50
300-1000
egyedi
4-20
100-2000
1000-3000
3. táblázat Különbözı SMB készülék gyártók és készülék jellemzık
Típus
Termelékenység
CSEP C916 (16 db 16x250 mm-es oszlop)
100 kg /év
LICOSEP 6-450: optikai izomerek
5-50 tonna/év
szilikagélen
50-200 tonna/év
4. táblázat Elért termelékenység adatok a különbözı készülékekkel
54
3. A vizsgált probléma 3.1. A vizsgált probléma ismertetése Az iparban igen fontos a berendezés mőködésének optimalizása, vagyis olyan mőködési paraméterek keresése, amelyeknél a berendezés gazdasági és mőszaki szempontból a lehetı legjobban mőködik. A doktori értekezés témája keretében egy kétkomponenső szteroid elegy szétválasztását vizsgáltam. A két szteroid, „B” a kevésbé kötıdı, „A” az erısebben kötıdı (termék vagy „B”, és szennyezı vagy „A” jelölést használok hivatkozásként a késıbbiek során) szteroid elválasztási tényezıje α AB = 2,18 megfelelı, ezért a szétválasztás szimulált mozgóágyas kromatográfiás eljárással igen jól megvalósítható. A komponensek aránya „A:B” 20:80 m/m% volt. A szétválasztási mővelet javítására megvizsgáltam a szétválasztási problémát lépcsıs friss oldószer gradiens alkalmazásával is. A gradiens szétválasztást az a kísérletileg bizonyított hatás teszi lehetıvé, hogy a rendszerben a hossz függvényében változik az aceton koncentrációja a szétválasztás során, még abban az esetben is, ha a betáplálási és a friss oldószer koncentrációja azonos. Ennek oka az, hogy az aceton a szilikagél tölteten adszorbeálódik, és ez befolyásolja a szétválasztandó komponensek és az aceton összetételét a fluid fázisban. Az aceton a legjobban kötıdı komponens, ezért koncentrációjának növelése elısegíti a jobban kötıdı „A” komponens deszorpcióját, így könnyebbé teszi a szétválasztást. A probléma vizsgálatának oka ezért két részbıl áll: a) Esetleges optimalizálási szélsıérték keresése a rendszerben, amely technikailag is megvalósítható és gazdaságilag is érdemes vele foglalkozni. b) A rendszer oldószer-összetételre, mint üzemi paraméterre való érzékenységének vizsgálata. Az a) esetben csökkentett friss oldószer-mennyiség igény és a töményebb termékek elıállítása miatt érdemes a problémával foglalkozni. A gazdasági jelentısége mindkét esetnek nagy lehet, mert a csökkentett oldószer alkalmazás kisebb szivattyúzási munkát és kevesebb regenerálandó oldószert jelent, míg a töményebb termékek a szétválasztást követı töményítési lépés során jelenthetnek kisebb költséget és üzemeltetési elınyöket. Ehhez természetesen alapfeltétel olyan eredmények feltárása, amelyek ezeket indokolttá teszik, hiszen elıfordulhat olyan eset is, hogy a termék tisztasága, kihozatala és a felhasznált fajlagos eluens felhasználás csökken ugyan, de a 55
javulás mértéke nincs arányban azzal, hogy az eluens regenerálása mekkora többletköltséget jelent. A b) esetben pedig fény derülhet olyan problémára, amely esetleg az üzemeltetést veszélyezteti. Ha például a vizsgálat során az derül ki, hogy a rendszer igen érzékeny az eluens összetételének megváltozására, akkor ez problémát és többletköltséget jelenthet az ipari termelés során. A költségnövekedés elıállhat például egy olyan esetben, ha a rendszer annyira érzékeny az eluens összetételre, hogy annak kismértékő változása is elıidézheti a termék tisztaságának megváltozását, vagy a szétválasztás hatékonyságának módosulását. Ekkor a többletköltséget pl. process-kromatográf beépítése jelenti, amit a fent vázolt probléma indokolttá tesz.
3.2. Az SMB szimulációs szoftver ismertetése A számítógépes szimuláció nagymértékben megkönnyítheti a kutatási munkát, mivel nem kell a méréshez szükséges anyagokat fizikailag elhasználni, valamint a folyamat modellezésének ideje törtrésze a fizikai vizsgálat idıszükségletéhez képest (például a munkám során számolt 585 perces folyamat átlagos lefutási ideje a szimulációs szoftverrel 25-30 perc volt). A valóságos vizsgálat költségeit növeli még a termékek vizsgálati költsége is, ami a számítógépes modellezéskor szintén nem jelentkezik. A szimulációs eredmények értékelésénél viszont figyelembe kell venni azt, hogy a modell, amit a program használ mennyire közelíti meg a valóságos SMB rendszer tulajdonságait. Ezért a szimuláció eredményeit alá kell támasztani valóságos mérésekkel is. Mivel a kísérletek igen jó egyezést mutatnak a szimulációval, így a modellünk pontosnak tekinthetı. Egy elızı doktori értekezésben (Dr. Temesvári Krisztináéban) volt arra példa, hogy hosszabb ideig futatott szimuláció során, míg az elején tiszta terméket kapott, a szimuláció vége felé szennyezıdött a termék. Ezeket az eredményeket mérésekkel is igazolta. Hasonló hosszabb ideig futatott szimulációkat végeztünk mi is, és ugyanezt tapasztaltuk. A szimulációt a Dr. Argyelán János modelljén alapuló, Kondor Attila és Lerner Zoltán által tovább-fejlesztett programmal végeztem el (Függelék 2.). Az adszorpciós modell kompetitív Langmuir-izotermát vett alapul. A szoftver kiszámolja a koncentrációkat az idı és a hely függvényében is, a kiszámolt eredményeket pedig állományokban tárolja el [83, 84]. A program képes egy maximálisan 20 oszlopból álló oszloprendszer adatait
56
kiszámolni, lineáris, kompetitív Langmuir-, és kompetitív bi-Langmuir-izotermákat alkalmazni. A munkám során egy négy oszlopos 1:1:1:1 és egy 1:1:2:0 oszlop konfigurációjú SMB készülék szimulációját és kísérleti vizsgálatait végeztem el. A méréseknél határt szabott, hogy egy kézi vezérléső készülékünk van. Így olyan idıintervallumot választottam, ami egy átlagos munkaidıbe belefér, ezért a szimulációkat 585 percig végeztem. A szimuláció során ügyelni kell arra, hogy az eredmények az eredeti céloknak megfeleljenek. A célok szerint a kevésbé kötıdı (B) szteroidot a raffinátumnak minimálisan 99,9 %-os tisztaságban kell tartalmaznia, 90%-nál nagyobb kihozatallal, a lehetı legnagyobb termelékenység és legkisebb eluensfogyasztás mellett.
3.3. A szimulációs és kísérleti eredmények értékelése Az értékelés során ábrázoltam a raffinátum és az extraktum áramokban az egyes komponensek és az aceton koncentrációját az idı függvényében. Az utolsó két taktusnál, mivel itt már láthatóan beállt a rendszer kvázistacioner állapota, ábrázoltam mindkét áramban a koncentrációkat és a tömegszázalékban kifejezett tisztaságot az adott komponensre vonatkoztatva. Az eredményeket négy paraméter alapján vizsgáltam. •
Az eljárás során kapott termékáramok tisztasága, amelyet a következı összefüggés alapján számítottam:
a) A „B” komponens tisztasága a raffinátumban: R ⋅ c BR ⋅ Tl c BR y = ⋅ 100 = R ⋅ 100 (m/m%), R ⋅ c BR ⋅ Tl + R ⋅ c AR ⋅ Tl c B + c AR R B
(3 – 1)
Az „A” komponens tisztasága az extraktumban: y AE = •
E ⋅ c AE ⋅ Tl c AE ⋅ 100 = ⋅ 100 (m/m%), E ⋅ c AE ⋅ Tl + E ⋅ c BE ⋅ Tl c AE + c BE
(3 – 2)
Az eljárás kihozatala, vagyis az adott komponens termékbeli és betáplálásbeli mennyiségének viszonya:
b) A „B” komponensre:
ηB % =
R ⋅ c BR ⋅ Tl R ⋅ c BR ⋅ 100 = ⋅ 100 , F ⋅ c BF ⋅ Tl F ⋅ c BF
57
(3 – 3)
c) Az „A” komponensre:
ηA% = •
E ⋅ c AE ⋅ Tl E ⋅ c AE ⋅ 100 = ⋅ 100 , F ⋅ c AF ⋅ Tl F ⋅ c AF
(3 – 4)
Az eljárás termelékenysége, azaz az egységnyi tömegő töltet által egységnyi idı alatt termelt termék mennyisége:
d) A „B” komponensre vonatkoztatva: PB =
R ⋅ c BR ⋅ Tl db ⋅ π ⋅ L ⋅ ρ h ⋅ Tl ⋅ N 4 2
=
R ⋅ c BR db ⋅π ⋅ L ⋅ ρh ⋅ N 4 2
,
(3 – 5)
,
(3 – 6)
Az „A” kompononensre: PA =
•
E ⋅ c AE ⋅ Tl db ⋅ π ⋅ L ⋅ ρ h ⋅ Tl ⋅ N 4 2
=
E ⋅ c AE db ⋅π ⋅ L ⋅ ρh ⋅ N 4 2
A fajlagos friss eluens felhasználás, vagyis az adott komponens egységnyi tömegének kinyeréséhez szükséges oldószer mennyisége:
e) A „B” komponensre nézve:
S BF =
S ⋅ Tl S = , R R ⋅ c B ⋅ Tl R ⋅ c BR
(3– 7)
f) Az „A” komponensre nézve:
S AF =
S ⋅ Tl S = , E E ⋅ c A ⋅ Tl E ⋅ c AE
(3 – 8)
58
4. Kísérleti rész 4.1. YMC S-50 és Merck 60 Å szilikagél adszorbens összehasonlítása A Richter Gedeon Rt. két szilikagélt javasolt adszorbens töltetként a szteroid elegy szétválasztásához, melyeken BET fajlagos felület (ASAP készülékkel a cseppfolyós nitrogén hımérsékletén adszorpciós izotermából a deszorpciós ágból mezopórus méreteloszlás meghatározás; az izotermából a BET egyenlet alapján BET felület meghatározás; az izoterma 0,1 >p/ps alatti tartományból mikropórus térfogat és felület meghatározás) és pásztázó elektronmikroszkópos (JEOL JSM-50 A Pásztázó elektronmikroszkóp: a vizsgálandó tárgyfelületet kisátmérıjő elektronszondával pontról pontra végigpásztázzák, egy oszcillográf ernyıjén szinkronban fut egy elektronsugár. A tulajdonképpeni kép keletkezése azon alapszik, hogy az elektronszonda és a mindenkori tárgypont közötti kölcsönhatásban keletkezı jeleket a legkülönfélébb módokon detektorokkal regisztrálják, megfelelıen felerısítik, és végül egy képcsı elektronsugarának vezérléséhez használják.) vizsgálatokat végeztem. A YMC S-50 szilikagél polimerizált, gömbszerő, míg a Merck 60 Å szilikagél ırölt töltet. Az egyenletes szemcseméret miatt a YMC S-50 szilikagél esetében közel azonos sebességgel halad a folyadék fázis az oszlopban, ami kedvez az elválasztásnak, illetve az oszlop hatékonyságának. A BET fajlagos felület vizsgálat részletei a Függelék 3.-ban találhatók, a 5. táblázatban a két adszorbens fontosabb paramétereinek összehasonlítása látható. A vizsgálatokból megállapítottam, hogy mindkét adszorbens 50 µm átlagos szemcsemérető és átlagos pórusméretük is körülbelül megegyezik, de a YMC S-50 szilikagél fajlagos felülete és pórustérfogata körülbelül kétszerese a Merck 60 Å szilikagélnek, így további kísérleteinkhez a YMC S-50 szilikagélt használtuk. Adszorbens
YMC S-50
BET felület BJH felület 1,7nm
798,63 m2/g
Merck 60Å , 15-40 mm 429,76 m2/g
976,06 m2/g
641,19 m2/g
1,318 cm3/g
0,7699 cm3/g
5,4026 nm
4,803 nm
5. táblázat YMC S-50 és Merck 60 Å szilikagél adszorbens összehasonlítása
59
A
fenti
adatok
alapján
a
YMC
S-50
szilikagélt
választottam
preparatív
folyadékkromatográfiás célokra, mert egyenletes a szemcsemérete és olcsó az elıállítási költsége. A töltet jellemzıi a következık: •
YMC S-50 szilikagél részecskemérete ~50 µm, pórusátmérı ~5,4 nm (54 Å) és gömbszerő töltet.
•
YMC S-50 szilikagél szemcseméret eloszlása kedvezı, így nagy oszlop hatékonyságot érhetünk el.
4.2. Az RG-1040 számú „A”, „B” szteroidok és az aceton adszorpciós egyensúlyi adatainak meghatározása Az adszorpciós egyensúlyi adatokat a Richter Gedeon Preparatív Kromatográfiás Osztályán mérték YMC S 50 szilikagél, aceton-diklór-metán 1:1 v/v térfogatarányú rendszerben 20 °C-on. A mérést analitikai HPLC-vel végezték többlépcsıs frontális telítési módszert alkalmaztak. Az egyes koncentrációkhoz tartozó pontok mérését megismételve, azok jó egyezést mutattak. A mérési pontokra Langmuir modellt illesztve, a kapott diagramokból meghatározott Langmuir állandókat a szimulációk során használtam fel. A Langmuir modellt eredetileg nem folyadék-szilárd rendszerekben lejátszódó adszorpció esetére alkalmazták, de mégis számos példát lehet találni az irodalomban ilyen alkalmazásokra, mivel ez a legegyszerőbb modell, és sok esetben elegendıen pontos ahhoz, hogy a mért adatokra illesztve a preparatív elválasztások tervezéséhez fel lehessen használni. Az izotermák mérésére számos módszert fejlesztettek ki. Beszélhetünk statikus és dinamikus módszerekrıl. Ma fıképp dinamikus módszereket használnak egyszerő, illetve összetett izotermák meghatározására. Izoterma mérés frontális módszerrel A frontális módszer egy gyors és pontos módszer az izotermák mérésére. Különösen hasznos amikor ritka vagy drága keverékkel foglalkozunk, mert nem igényel túl sok mintamennyiséget. A kolonna bemenetére a mintát növekvı koncentrációban visszük fel, ami a kolonna kimenetén áttörési görbéket eredményez. A holtidı és az áttörési görbe inflexiós pontja közötti terület alapján az adszorbeált mennyiség számítható. Egyedi izotermák meghatározása frontális módszerrel Egy komponens esetén, a tiszta mozgó fázissal egyensúlyba hozott kolonnára elıször a legkisebb koncentrációjú oldatot injektáljuk és felvesszük az anyag áttörési görbéjét, majd a következı koncentrációjú oldatot injektáljuk az oszlopra (27. ábra). A kapott áttörési
60
görbék segítségével számolható az oszlopon megkötıdött mennyiség a következı képlet alapján:
( c b − c a ) ⋅ (V f − V d )
(4 – 1)
V sp
c (mol/dm3)
q( c b ) = q( c a ) +
V (dm3) 27. ábra Egyedi komponens frontális kromatogramja A kivitelezés gyorsabb módja, ha az oszlopra egymás után visszük fel a növekvı koncentrációjú oldatokat úgy, hogy az új minta bevitele elıtt nem mossuk tisztára az oszlopot, azaz tiszta mozgó fázissal nem hozzuk újra és újra egyensúlyba. Így jelentısen csökkenthetı az analízis idı, azonban az izotermapontok számításakor nı a kumulatív hiba. Ez a hiba elkerülhetı, de legalábbis csökkenthetı, ha az oszlopot minden új koncentrációjú oldat betáplálása elıtt tiszta mozgófázissal hozzuk egyensúlyba és csak ezután telítjük az új oldattal. Acetontartalmú diklór-metán oldatból az aceton adszorpciós izotermája YMC S-50
0,6
12
0,5
10
1/qaceton (g töltet/g)
q aceton (g/g töltet)
szilikagélen 20 °C hımérsékleten (28. ábra):
0,4 0,3 q aceton (g/g) mért q aceton (g/g) számított
0,2
3
0,1
3
aAceton= 1.543 cm folyadék/cm szilikagél
y = 653,9x + 0,9506 2 R = 0,9962
8 6 4 aceton mért aceton számított Lineáris (aceton számított)
2
3
bAceton= 0.001517 cm folyadék/mg aceton
0,0
0 0
200
400
600
800
1000
c aceton (g/dm3 eluens)
0
0,005
0,01 3
1/caceton (dm eluens/g)
28. ábra Az aceton adszorpciós izotermája
q0 =
a 0 c0 1,543 c0 mg = 1+ b0 c0 1+ 0,001517 c0 g
3 aAceton= 1,543 cm szemcseközti folyadék
g szilikagél
3
bAceton= 0,001517 cm szemcseközti folyadék mg aceton
61
0,015
A „B” szteroid izotermája 50 % v/v aceton 50 % v/v diklór-metán oldatban (29. ábra): 0,20
180
0,18
160 140
0,14 0,12 qB számolt qB mért qA számolt qA mért
0,10 0,08 0,06
3
aA= 14,4086 cm szemcseközti folyadék/g szilikagél bA= 0,041481 cm3 szemcseközti folyadék/mg A
0,04
1/qA, B (gtöltet/g)
qB, qA (g/g töltet)
0,16
1/qA mért 1/qA számolt 1/qB mért 1/qB számolt Lineáris (1/qA számolt) Lineáris (1/qB számolt)
aB= 6,4747 cm3 szemcseközti folyadék/g szilikagél bB= 0,016711 cm3 szemcseközti folyadék/mg B
0,02 10
20 30 c (g/dm3 eluens)
40
100 80 60 40
y = 71,327x + 2,8191 R2 = 0,9989
20
0,00 0
120
y = 154,63x + 2,5279 2 R = 0,9998
50
0 0
0,2
0,4 0,6 0,8 1/c (g/dm3 eluens)
1
29. ábra Az „A” és „B” komponens adszorpciós izotermája
qB =
6,474 cB mg 1+ 0,016711 cB g
3 aB = 6,474 cm szemcseközti folyadék
g szilikagél
3
bB = 0,01671 cm szemcseközti folyadék mg B
Ezt az adatot átszámítottam tiszta diklór-metán esetére. Ha kompetitív izotermával számolunk, akkor:
aB cB 1 + b0 c 0 aB cB qB = = bB 1 + b0 c 0 + b B c B cB 1+ 1 + b0 c 0 Feltéve, hogy az aceton és diklór-metán térfogatok additívek: 792 g 1000 cm3 aceton 3 1000 cm diklór-metán 1336 g 2000 cm3 oldat 792 g acetont tartalmaz 3 így c0= 396 mg/cm . bB aB = 6,474 = 0,01671 1 + 0,001517 ⋅ 396 1 + 0,001517 ⋅ 396 Ezek után,
aB = 10,36 cm3/mg, bB= 0,02675 cm3/mg a „B” komponens Langmuir
állandói tiszta diklór-metánban. Az „A” szteroid izotermája ugyancsak 50 % v/v aceton 50 % v/v diklór-metán oldatban:
qA =
14,086c A mg 1+ 0,041481 c A g
aA=14,086
cm 3 szemcseköz ti folyadék g szilikagél
3 bA = 0,041481 cm szemcseköz ti folyadék
mg A
A fenti adatokat átszámítottam tiszta diklór-metánra. Kompetitív izotermával ugyanez:
62
1,2
aA cA 1+ b0 c0 aA cA qA = = bA 1+ b0 c0 + bA c A 1+ cA 1 + b0 c0 aA = 14,086 1 + 0,001517 ⋅ 396 bA = 0,041481 1 + 0,001517 ⋅ 396 Ezek után,
aA = 22,55 cm3/mg, bA= 0,0664 cm3/mg az „A” komponens Langmuir
állandói tiszta diklór-metánban. A 6. táblázat az izoterma paraméterek maradékszórását, a szórását és a megbízhatóságát mutatja (mértékegységeket lásd az elıbbieknek megfelelıen).
Az aceton izoterma: „a” paraméter: 0,001543 „b” paraméter: 0,001517 „a” paraméter szórása: 0,0002261 „b” paraméter szórása: 0,00051367 Konfidencia intervallum: (95%) „a” paraméter: 0,0010217-0,002064293 „b” paraméter: 0,0003325-0,002701524 Az „A” komponens izotermája: „a” paraméter: 0,014086 „b” paraméter: 0,041481 „a” paraméter szórása: 0,00013981 „b” paraméter szórása: 0,0010918 Konfidencia intervallum: (95%) „a” paraméter: 0,013755-0,014417 „b” paraméter: 0,038899-0,044063 Az „B” komponens izotermája: „a” paraméter: 0,006474 „b” paraméter: 0,01671 „a” paraméter szórása: 0,000143 „b” paraméter szórása: 0,001323 Konfidencia intervallum: (95%) „a” paraméter: 0,006155-0,006793 „b” paraméter: 0,013986-0,019436 6. táblázat Az izoterma paraméterek maradékszórását, a szórását és a megbízhatóságát A Langmuir állandók értékeit összefoglalva a 7. táblázat tartalmazza:
Név
Aceton „B” komponens „A” komponens
ai (cm3 szemcseközti folyadék /g töltet) 1,543 10,36 22,55
bi (cm3 szemcseközti folyadék /mg i) 0,001517 0,02675 0,0664
7. tábázat Az aceton és a szteroidok Langmuir állandó
63
4.3. NTP, HETP mérések YMC S-50 szilikagélen Supelco kromatográfiás oszlopot (Db= 1 cm, L= 25 cm) YMC S-50 szilikagéllel töltöttem meg kromatográfiás oszloptöltı vibroszitával (Medingen MLW, ~ 60 min töltési idı). A töltet tömege 8 g. Az oszlopot LMIM D-167 szivattyúval légtelenítettem 1:1 v/v aceton : diklór-metán eluenssel. Az oszlop bementén Rheodyne injektáló csapot helyeztem el 100 illetve 200 µl-es hurokkal. Az oszlop kimenetén Waters átfolyóküvettás UV detektort helyeztem el, ahol 330 nm hullámhosszon detektáltam a 2 % v/v acetofenon eluensben, illetve a diklór-metán impulzusok változását. A tartózkodási idı sőrőségfüggvényeket háromszögelési módszerrel értékeltem. t NTP = R σ
2
HETP =
L NTP
A modellezési számításoknál használtam fel az NTP-HETP értékeket, melyeket az SMB készülék egyik oszlopára vonatkozóan mértem 0-14 cm3/min térfogati sebesség
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Diklórmetán
1,2
Injektálás: 100 µL 2 %v/v acetofenon eluensben -0,6059
y = 1640,3x 2 R = 0,9452
1,0
-0,707
y = 1522,4x 2 R = 0,9639
HETP,mm
NTP
tartományban (30. és 31. ábra).
Injektálás:100µl /2%V/Vacetofenon eluensben y = 0,1642x0,707 2 R = 0,9639
0,8 0,6
Injektálás:100µl diklór-metán
0,4
y = 0,1524x0,6059 R2 = 0,9452
0,2 0,0
0
5 10 Térfogatáram, cm3/min
15
0
2
4
6 8 10 Térfogatáram, cm3/min
12
14
30. ábra Az elméleti tányérszám 31. ábra Az elméleti tányérmagasság meghatározása a térfogatáram függvényében meghatározása a térfogatáram függvényében
4.4. Frontális adszorpciós – elúciós mérés A kromatográfiás oszlopot (Db=0,735 cm, L=42 cm) YMC S-50 szilikagéllel (7,2 g) töltöttem meg vibroszitával (Medingen MLW, ~ 60 min töltési idı) rázva az oszlopot. Majd
az
oszlopot
1:1=aceton:diklór-metán
térfogatarányú
eleggyel
20°C–on
kilevegıztettem és egyensúlyba hoztam alulról-felfelé áramoltatva a folyadékot LMIMD167 dugattyús szivattyúval. Ezt követıen az oszlopot átfolyó küvettás Spektromom-195D D UV spektrofotométerhez illetve Radelkisz OH-850 típusú lefutószalagos regisztrálóhoz csatlakoztattam.
64
A frontális adszorpció során 2,47 cm3/min térfogati sebességgel 20 °C-on 5 g (A+B)/dm3 (B ≈ 80 m/m%, A ≈ 20m/m%) elegyet vezettem az oszlopra, felülrıl lefelé áramoltatva a folyadékot. Az A,B beadagolást 55 perc után (≈ 135 cm3 folyadék) befejeztem, majd az oszlopra tiszta eluenst (1:1 v/v% aceton:diklór-metán) vezettem 2,85 cm3/min térfogati sebességgel. Az oszlopból kilépı folyadékot 0°C-ra hőtött mintavevıkbe győjtöttem, koncentrációjukat analitikai gázkromatográfiás méréssel határoztam meg. A mérést 113 min mőveleti idınél fejeztem be (280 cm3 folyadék térfogat) (33. és 34. ábra). A szteroidok és az aceton elemzése gázkromatográfiával Szteroidok vizsgálata GC-vel Az elemzés során HP 5890 II GC készüléket, HP 3396 integrátort, FID detektort, nitrogén vivıgázt (25 cm3/sec), a Ultra-1 (HP) kapillár oszlopot (25 m x 0,2 mm x 0,33 µm) alkalmaztam. A termosztát hımérséklete 270 °C, az injektoré és a detektoré 295 °C, a minta injektálás 1µl volt. A vizsgált koncentrációtartományban a koncentráció-detektorjel összefüggés lineáris (32. ábra). Az értékelés normalizációval történt, mivel elızetesen bizonyítottam, hogy a detektor érzékenysége a két komponensre azonos. A tájékoztató retenciós adatok: Szteroid B:
6,0 min
Szteroid A:
6,5 min
1000000 900000 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0
terület A, B komponens
B komponens A komponens Lineáris (B komponens) Lineáris (A komponens)
y = 22809x + 2308,9 R2 = 0,9927
y = 7282,3x - 44,871 R2 = 0,9939 0
10
20 30 cbetáplálás (g/dm 3)
32. ábra Kalibráló görbe
65
40
50
Aceton elemzése GC-vel Az aceton elemzését Shimadzu 14A készülékkel, CP-Sil-8 oszloppal (25 m x 0,53 mm I.D., 5 µm film réteg), FID detektorral végeztem, eluensként argont használtam (1,4 bar bemenı nyomás). Az oszlop hımérséklete 50 °C, az injektoré és a detektoré 295 °C, a minta injektálás 0,1 µl volt. Az értékelés során szintén normalizációs módszert alkalmaztam. A tájékoztató retenciós adatok. A tájékoztató retenciós adatok: Diklór-metán:
1,29 min
Aceton:
1,71 min
A frontális adszorpciós-elúciós mérést a KROM-N számítógépi programmal szimuláltam, ahol a szteroid koncentrációk változása mellett az aceton koncentráció változásait is számítottam.
Frontális adszorpció – elúció szimulációs adatai (Számítás KROM – N program eluens adszorpció-deszorpcióval) A szoftver bemenı adatai: Komponensek száma:
k=3
Oszlop belsı átmérıje:
Db = 0,735 cm
Oszlop hossza:
L = 42 cm
Szabadtérfogati tényezı:
ε = 0,8018
Betáplálás:
B = 2,47 cm3/min
Halmazsőrőség:
ROH = 0,4045
Langmuir állandók:
aaceton = 1,543
cm 3 szemcseköz ti folyadék g szilikagél
aB = 10,36
cm 3 szemcseköz ti folyadék g szilikagél
aA = 22,55
cm 3 szemcseköz ti folyadék g szilikagél
g szilikagél cm 3 oszlop
cm 3 szemcseköz ti folyadék bAceton = 0,001517 mg aceton
bB = 0,02675
66
cm 3 szemcseközti folyadék mg B
cm 3 szemcseközti folyadék mg A
bA = 0,06640 Minta adagolási idı:
55 min (135, 85 cm3)
Minta koncentráció
cAceton = 396 mg/cm3 folyadék cB
=4
mg/cm3 folyadék
cA
=1
mg/cm3 folyadék
cAceton = 396 mg/cm3
Eluens koncentráció:
cB = cA = 0 mg/cm3 Elméleti tányérszám
NTP = 400
Elúció végsı idıpontja
112 min
Nyomtatási idı
2,5 min
Koncentráció eloszlások
25 min
A 33. és 34. ábrán látható a frontális adszorpciós-elúciós mérés eredménye mely jó egyezést mutat a szimuláció lefutásával.
3
cA, B (g/dm )
5,0
50 % v/v aceton 4,0 50 % v/v DKM 4 g B/dm 3 3 3,0 1 g A/dm
135 cm
3
50% v/v aceton, 50% v/v diklórm etán
M ért "B " M ért "A" Szám itott "B" Szám ított "A"
2,0
1,0
0,0 0
50
100
150 3 V (cm )
200
250
300
33. ábra Az „A” és „B” komponens frontális adszorpciós-elúciós görbéje Aceton kon c. szám ított Aceton kon c. m ért
3
Aceton koncentráció (g/dm )
405
400
395
390
385 0
50
100
150 3 V (cm )
200
250
34. ábra Az aceton frontális adszorpciós-elúciós görbéje A 34. ábrán látható aceton hullám még az 5.3. fejezetben magyarázatra kerül.
67
4.5. SMB készülék tervezése, készítése és üzembehelyezése Négyoszlopos,
négyszektoros,
nyitott
eluenskörrel
rendelkezı
SMB
preparatív
folyadékkromatográfiás berendezést (35. és 36. ábra) a Pannon Egyetem Központi Gépmőhelyében készítették és az alábbi alkatrészekbıl állítottuk össze: •
Saválló acélból készült állvány.
•
4 db Preparatív HPLC oszlop, saválló acélból, Db= 10mm, L= 250mm, 2 db 2 µmes saválló frittel, fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16”os kapillárishoz (SIGMA-ALDRICH-SUPELCO-2001 Katalogusszám:58217).
•
5 db Négyállású, kézi mőködtetéső váltó csap, saválló acélból készült, nagynyomású (75C/5000 psi liq.), fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16”-os kapillárishoz (VALCO INTERNATIONAL, NOVOLAB Bt., Prod. No.: C52004).
•
4 db Folyadékelosztó 4-utas, saválló acélból készült, nagynyomású, fémes tömítéső,
holttérmentes
csatlakozó
szerelvényekkel
1/16”-os
kapillárishoz
(VALCO INTERNATIONAL, NOVO-LAB Bt., Prod. No.: ZX1). •
4 db Folyadékelosztó 1+6-utas, saválló acélból készült, nagynyomású, fémes tömítéső,
holttérmentes
csatlakozó
szerelvényekkel
1/16”-os
kapillárishoz
(VALCO INTERNATIONAL, NOVO-LAB Bt., Prod. No.: Z6M1). •
Nyitó-záró csap, saválló acélból, nagynyomású (100°C, 10000 psi), fémes tömítéső,
holttérmentes
csatlakozó
szerelvényekkel
1/16”-os
kapillárishoz
(VALCO INTERNATIONAL, NOVO-LAB Bt., Prod. No.: SFVOL). •
4 db Gilson tipusú HPLC szivattyú (MODEL 302; 302;302;303), különbözı pumpafejekkel ellátva (5, 10, 50 cm3/min) 5.0 SC; 5.0 SC; 10.0 SC; 10.0 SC. Szerelvények: eluens szőrık, kilevegıztetı szelep (220581), nyomásmérı adapter (Model 802C).
•
2 db visszacsapó szelep, nagynyomású, állítható nyomás értékő saválló acélból készült, fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16”-os kapillárishoz.
•
10 m saválló kapilláris, 1/16” OD, 0,030” 0,75mm ID, 316SS, (VALCO INTERNATIONAL, NOVO-LAB Bt., Prod. No.: TSS130).
68
1. periódus 2. periódus 3. periódus 4. periódus
D LR
D LR
D LR
I.
E
F
D LR
II.
R
E
LROUT
E
F
F
D LR
III.
R
LROUT
R
E
F
IV.
R
LROUT
E
F
R
LROUT
LROUT
35. ábra Az SMB készülék folyamatábrája
36. ábra Az SMB készülék fényképe Az üzembe helyezés során a négy preparatív folyadékkromatográfiás oszlopot YMC S-50 szilikagéllel töltöttem meg vibrációs módszerrel (Medingen MLW, ~ 60 min töltési idı). A töltet halmazsőrősége 0,405 g/cm3 oszlop, szabadtérfogati tényezıje 0,8018. Az oszlopokba egyenként töltött szilikagél tömege ~ 7,95 g. Az oszlopok 2 µm saválló frittel vannak ellátva alul felül, melyeket a mérés megkezdése elıtt diklór-metán eluenssel légtelenítettem. 69
A Morbidelli-féle megoszlási állandók (KA és KB) meghatározása Az 50 % v/v aceton – 50 % v/v diklór-metánban, YMC S-50 szilikagélen, 20 °C-on meghatározott adszorpciós izotermákat alkalmazzuk: KB =
aB cm 3 szabadtérf ogati folyadék 6,474 ρH = ⋅ 0,405 = 13,2289 1−ε 1 − 0,8018 cm 3 szilárd szilikagél
KA =
aA cm 3 szabadtérfogati folyadék 14,086 ρH = ⋅ 0,405 = 28,783 1−ε 1 − 0,8018 cm 3 szilárd szilikagél
A Morbidelli kritériumok szerint, ha tiszta „A” és „B” szteroidokat kívánunk elıállítani, 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
5. A SMB számítógépes szimulációk és mérések eredményei Az SMB mérések megkezdése elıtt szimulációkat végeztem, melynek gazdaságossági okai voltak (Függelék 4.-7.). Szimulációval próbáltam a számomra legkedvezıbb mérési paramétereket megállapítani, mind a termék (kevésbé kötıdı szteroid komponens, B) követelményeire (> 99,9 %m/m tisztaság és > 90 % kihozatal), mind a mérés gazdaságos mőködésére (maximális termelékenység, minimális eluens felhasználás) vonatkozóan. A szimulációk során 5 g/dm3 koncentrációjú volt a betáplálási szteroid elegy, 50:50 v/v % aceton:diklór-metán eluenst használtam mind a szteroidok oldószereként, mind friss eluensként valamint 22,5 min léptetési idıt alkalmaztam. A Morbidelli háromszög területét és a munkapontok M (mII, mIII) helyzetének a fontosabb jellemzıkre való hatását vizsgáltam rögzített mI és mIV értékek mellett. Az ábrán látható a lineáris adszorpciós izotermára (cF≈0) vonatkozó Morbidelli háromszög, illetve, hogy a
Morbidelli
háromszögben egy mII és egy mIII irányú elmozdulást tettem a szimulációk során (37. ábra), a táblázatok pedig a különbözı szimulációk mőveleti paramétereit és fajlagosait tartalmazzák (8-13. táblázat).
70
30 25
mIII
20 15
RG10400352SMB6
RG10400352SMB6 mII=16,2 mIII=24,88 RG10400352SMB7 mII=15,04 mIII=23,7 RG10400352SMB8 RG10400352SMB8 mII=15,04mIII=20,83 RG10400352SMB9 RG10400352SMB9 mII=15,04mIII=27,19 RG10400352SMB10 RG10400352SMB10mII=19,09mIII=23,72 RG10400352SMB11 RG10400352SMB11mII=13,89mIII=23,72 RG10400352SMB12mII=15,04mIII=16,20 RG10400352SMB12 RG10400352SMB13mII=23,14mIII=23,72 RG10400352SMB7
10 5
RG10400352SMB13
0 0
10
mII
20
30
37. ábra A Morbidelli háromszög a munkapontok ábrázolásával 5 g/dm3 betáplálási koncentráció esetén
Elıször az mII növekedésének hatását vizsgáltam meg (piros színnel jelölve) és rögzítettem mI, mIII, mIV értékeket (az SMB 6-os sorozat értékei kicsit eltérnek) (8. táblázat). Szimuláció azonosítója SMB11 SMB7 SMB6 SMB10 SMB13
mI
mII
mIII
mIV
52,64 52,64 62,48 52,64 52,64
13,89 15,04 16,20 19,09 23,14
23,72 23,7 24,88 23,72 23,72
6,37 6,37 10,42 6,37 6,37
8. táblázat A szimulációk Morbidelli paraméterei A három táblázatban a szimulációk fontosabb mőveleti jellemzıi (9. táblázat) és fajlagosai láthatók (10. és 11. táblázat). Szimuláció azonosítója
F
S
R
E
REC
NTP
Oszlopok száma db
Léptetési idı min
Szimulációs idı min
200 200 200 200 200
1-1-1-1 1-1-1-1 1-1-1-1 1-1-1-1 1-1-1-1
22,5 22,5 22,5 22,5 22,5
585 585 585 585 585
cm3/min cm3/min cm3/min cm3/min cm3/min SMB11 SMB7 SMB6 SMB10 SMB13
1,7 1,5 1,5 0,8 0,1
8,0 8,0 9,0 8,0 8,0
3,0 3,0 2,5 3,0 3,0
6,7 6,5 8,0 5,8 5,1
1,8 1,8 2,5 1,8 1,8
9. táblázat A szimulációk mőveleti paraméterei
71
Szimuláció azonosítója SMB11 SMB7 SMB6 SMB10 SMB13
Tisztaság
Kihozatal
Termelékenység
Eluens fajlagos
% m/m B 99,9798 99,9835 99,9465 99,9949 99,9968
%B 96,9477 97,25 97,7 95,3250 97,4444
mg B/g szil.gél min 0,2074 0,1835 0,1843 0,0959 0,0123
cm3 eluens/mg B 1,2135 1,37 1,54 2,6226 20,5200
10. táblázat A szimulációk eredményei „B” komponensre nézve
Szimuláció azonosítója SMB11 SMB7 SMB6 SMB10 SMB13
Tisztaság
Kihozatal
Termelékenység
Eluens fajlagos
% m/m A 97,0428 99,4835 99,9327 97,99997 >99,99
%A 90,0952 89,7260 >99,99 88,5805 85,578
mg A/g szil.gél min 0,04817 0,04233 0,05039 0,02228 0,002691
cm3 eluens/mg A 5,2232 5,9440 5,6168 11,2891 98,4819
11. táblázat A szimulációk eredményei „A” komponensre nézve A szimulációs eredményekbıl (10. és 11. táblázat) megállapítható, hogy mII növelésvel a termelékenység (PB) igen jelentısen csökken 0,2074 mg B/g szilikagél min értékrıl 0,0123 mg B/g szilikagél min értékig illetve jelentısen megnı a friss eluens fajlagos értéke 1,21rıl 20,52 cm3 eluens/mg B értékig. Az mII érték növelésével a raffinátum tisztasága és a kihozatalok jelentısen nem változnak. c RB ≅ 99,98…99,999 % m/m, η B ≅ 97…97,4% (38. ábra). RG10400352 SMB7 B CR ≅ 99,98…99,999 % m/m η B ≅ 97…97,4 % PB=0,184 mg B/g szilikagél min
20,52
3
0,20
0,184
SF= 1,37 cm eluens/mg B
20
0,184
0,15
15
0,10
10
0,096
PB SF
0,05
3
PB (mg B/g szilikagél min)
0,207
25
SF (cm eluens/mg B)
0,25
5 1,21
1,37 1,54
2,62 0,012
0,00 13
15
17
19 mII
21
23
0 25
38. ábra A termelékenység és eluens fajlagos változása mII növelésével 72
A második szimulációs sorozatban mIII értékét változtattam (piros színnel jelölve) és rögzítettem mI, mII és mIV értékeit (12. táblázat). Szimuláció azonosítója SMB12 SMB8 SMB7 SMB9
mI
mII
mIII
mIV
52,64 52,64 52,64 52,64
15,04 15,04 15,04 15,04
16,20 20,38 23,70 27,19
6,37 6,37 6,37 6,37
12. táblázat A szimulációk Morbidelli paraméterei A táblázatokban a szimulációk fontosabb mőveleti jellemzık (13. táblázat) és fajlagosok találhatók (14. és 15. táblázat). Szimuláció azonosítója SMB12 SMB8 SMB7 SMB9
F cm3/min 0,2 1,0 1,5 2,1
S
R
cm3/min cm3/min 8,0 1,7 8,0 2,5 8,0 3,0 8,0 3,6
E
REC
NTP
cm3/min 6,5 6,5 6,5 6,5
cm3/min 1,8 1,8 1,8 1,8
200 200 200 200
Oszlopok Léptetési Szimuláció száma idı s idı db min min 1-1-1-1 22,5 585 1-1-1-1 22,5 585 1-1-1-1 22,5 585 1-1-1-1 22,5 585
13. táblázat A szimulációk mőveleti paraméterei Szimuláció azonosítója SMB12 SMB8 SMB7 SMB9
Tisztaság
Kihozatal
Termelékenység
Eluens fajlagos
% m/m B >99,99 99,9998 99,9835 98,5274
%B 95,6100 97,01 97,25 97,44
mg B/g szil.gél min 0,02407 0,122 0,1835 0,2573
cm3 eluens/mg B 10,46 2,061 1,37 0,9774
14. táblázat A szimulációk eredményei „B” komponensre nézve Szimuláció azonosítója SMB12 SMB8 SMB7 SMB9
Tisztaság
Kihozatal
Termelékenység
Eluens fajlagos
% m/m A 98,4789 99,2957 99,4835 26,9144
%A 91,4257 >99,99 89,7260 16,6554
mg A/g szil.gél min 0,005751 0,03234 0,04233 0,01100
cm3 eluens/mg A 43,7513 7,7798 5,9440 22,8725
15. táblázat A szimulációk eredményei „A” komponensre nézve Az mIII érték növelésével a termelékenység (PB) igen jelentısen növekszik 0,02407 mg B/g szilikagél min-rıl 0,2573 mg B/g szilikagél min értékre illetve jelentısen csökken a friss
73
eluens fajlagos 10,46-ról 0,98 cm3 eluens/mg B értékig. A termék tisztaság mIII növelésével csökken 99,9999 % m/m értéktıl 98,5 % m/m –ig (39. ábra). RG10400352 SMB7 B CR ≅ 99,98 % m/m η B ≅ 97 % PB=0,184 mg B/g szilikagél min
PB (mg B/g szilikagél min)
0,25
10,46
12
0,257
10
3
SF= 1,37 cm eluens/mg B
0,20
8
0,184 0,15
6
0,122 0,10
4
PB SF
0,05
2
2,06 0,024
1,37
0,00 15
17
19
21
SF (cm3 eluens/mg B)
0,30
23
25
0,97 27
0 29
mIII
39. ábra A termelékenység és eluens fajlagos változása mIII növelésével Az SMB 7 szimuláció eredményei (kék színnel jelölve) megfelelı eredményeket adnak „B” komponensre nézve (η> 90 %, tisztaság > 99 % m/m).
5.1. A szétválasztandó szteroid keverék koncentrációjának növelése szimulációk és mérések során 5.1.1. A betáplálási koncentráció növelése SMB szimulációk során A SMB mővelet termelékenységét úgy növelhetjük, hogy megnöveljük a szétválasztandó szteroid elegy koncentrációját 5 g/dm3-rıl 10, 20, 30, 40, 50 g/dm3 értékre (Függelék 8.11.). Ennél nagyobb koncentráció értéket nem alkalmazhatunk 50 % v/v aceton – 50 % v/v diklór-metán eluens esetén a szteroidok oldhatósága miatt. A szimuláció során a szétválasztandó RG-1040 számú A, B szteroid keverék összkoncentrációját növelve 10, 20, 30, 40, 50 g/dm3 tartományban azt tapasztaltuk a koncentrációfüggı Morbidelli tartománynak megfelelıen, hogy 50 g/dm3 betáplálási koncentráció esetén csökkenteni kell a betáplálás térfogati sebességét 1,5 cm3/min-rıl 0,5 cm3/min–re, ha mind a „B” mind az „A” komponenseket tisztán szeretnénk kinyerni (17. táblázat). Az
40. ábrán látható a Morbidelli háromszög „szőkülése” a betáplálási
koncentráció növelésével. A 41. ábrán 50 g/dm3 betáplálási koncentráció esetén az SMB mővelet munkapontjának változtatása, az mIII Morbidelli paraméter csökkentése látható
74
(F= 1,5 – 1 – 0,5 cm3/min). A munkapont a Morbidelli háromszögön belül kell, hogy elhelyezkedjen, hogy mindkét komponenst tisztán tudjuk kinyerni [85, 86, 87]. A 16. táblázat foglalja össze a Morbidelli paraméterek értékeit mIII érték csökkentése esetén.
40. ábra A Morbidelli tartomány változása a betáplálási koncentráció növelésével
mI mII mIII mIV
RG1040 SMB/10…50 50,9 15,04 23,72 8,68
41. ábra Az 50 g/dm3 betáplálási koncentráció esetén az SMB mővelet munkapontjának változtatása
RG1040 SMB/50/1 50,9 15,04 20,82 8,68
RG1040 SMB/50/2 50,9 15,04 17,94 8,68
16. táblázat A Morbidelli paraméterek a szimulációk során A 17. táblázat a betáplálási koncentráció növelésére (5,…50 g/dm3) vonatkozó szimulációk fontosabb paramétereit tartalmazza. Szimuláció azonosítója RG1040 SMB1 RG1040 SMB/10 RG1040 SMB/20 RG1040 SMB/30 RG1040 SMB/40 RG1040 SMB/50 RG1040 SMB/50/1 RG1040 SMB/50/2
cF g/dm3 5 10 20 30 40 50 50 50
F
S
R
E
REC
Léptetési Szimulációs idı idı cm3/min cm3/min cm3/min cm3/min cm3/min min min 1,5 7,3 2,6 6,2 2,2 22,5 585 1,5 7,3 2,6 6,2 2,2 22,5 585 1,5 7,3 2,6 6,2 2,2 22,5 585 1,5 7,3 2,6 6,2 2,2 22,5 585 1,5 7,3 2,6 6,2 2,2 22,5 585 7,3 2,6 6,2 2,2 22,5 585 1,5 7,3 2,6 6,2 2,2 22,5 585 1 7,3 2,6 6,2 2,2 22,5 585 0,5
17. táblázat A szimulációk mőveleti paraméterei
75
A 18. és 19. táblázatokban a szimulációk során kapott fajlagos eredmények láthatók a raffinátum áramban a „B” , az extraktum áramban az „A” komponensre. (Kék színnel jelölve azokat a méréseket és eredményeit , melyek a B komponensre vonatkozó követelményeket kielégítik). Szimuláció azonosítója
Betáplálás Tisztaság Kihozatal koncentrációja
RG1040 SMB7 RG1040 SMB/10 RG1040 SMB/20 RG1040 SMB/30 RG1040 SMB/40 RG1040 SMB/50 RG1040 SMB/50/1 RG1040 SMB/50/2
Termelékenység
Eluens fajlagos
g/dm3
% m/m B
%B
mg B/g szil.gél min
cm3 eluens/mg B
5 10 20 30 40 50 50
99,98 99,93 96,20 92,87 89,90 88,25 93,05
97,47 97,58 97,83 97,87 97,89 98,10 97,97
0,1835 0,3683 0,7386 1,1083 1,4780 1,8514 1,2327
1,37 0,62 0,31 0,20 0,15 0,12 0,18
50
>99,99
97,68
0,6145
0,37
18. táblázat A szimulációk eredményei „B” komponensre nézve Szimuláció azonosítója
Betáplálás Tisztaság Kihozatal koncentrációja
RG1040 SMB1 RG1040 SMB/10 RG1040 SMB/20 RG1040 SMB/30 RG1040 SMB/40 RG1040 SMB/50 RG1040 SMB/50/1 RG1040 SMB/50/2
(g/dm3)
(% m/m A)
(% A)
5 10 20 30 40 50 50 50
99,5 99,80 99,94 99,97 99,98 99,99 99,99 99,94
>99,99 >99,99 87,81 69,93 57,83 49,18 73,83 >99,99
Termelékenység
Eluens fajlagos
(mg A/g szil.gél min) (cm3 eluens/mg A)
0,0485 0,0988 0,1657 0,1980 0,2183 0,2320 0,2322 0,1657
4,73 2,32 1,38 1,15 1,05 0,98 0,98 1,38
19. táblázat A szimulációk eredményei „A” komponensre nézve A betáplálási koncentráció növelésével 20 g/dm3 értéknél a raffinátum „B” tisztasága jelentısen csökken (96,2 % m/m B), az extraktum összetétele viszont igen magas (99,99 % m/m A). A „B” komponens tisztaságát csak úgy tudjuk növelni, ha csökkentjük a betáplálást 1,5 cm3/min-rıl 1 cm3/min, illetve 0,5 cm3/min értékig. A betáplálási térfogatáramot 0,5 cm3/min értékre csökkentve 50 g/dm3 betáplálási koncentrációnál ismét > 99,9 % m/m „B”–nél nagyobb tisztaságot értünk el, miközben a termelékenységet körülbelül megdupláztuk 0,3683 mg B/g szilikagél min értékrıl 0,6145 mg B/g szilikagél min értékre, az eluens felhasználás pedig csökkent 0,62 cm3 eluens/mg B értékrıl 0,37 cm3 eluens/mg B értékre.
76
5.1.2. A betáplálási koncentráció növelése SMB mérések során A mérések céljára az alábbi paramétereket választottam ki, a 20. táblázat tartalmazza a szivattyúk által beállított konkrét értékeket. F = 1,5 cm3/min E = 6,2 cm3/min R = 2,6 cm3/min D = 9,5 cm3/min A Morbidelli paraméterek értékei:
mI =
D T − Lε Af L (1 − ε )
13,229 < m II =
13,229 < m III =
m IV =
= 50 , 9 > 28 , 783
D−E T − Lε Af L (1 − ε )
= 15,04 < 28,783
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
A betáplálási koncentrációt növelve cF= 0, 5, 10, 20 g/dm3-re a Morbidelli háromszög tartománya jelentısen megváltozik (42. ábra).
42. ábra A Morbidelli tartomány változása a mérések során A négyoszlopos SMB készülék oszlopait elızetesen 20°C-on egyensúlyba hoztuk 50 %v/v aceton-50 %v/v diklór-metán eluenssel, majd megkezdtük a 4 g/dm3 „B”, 1 g/dm3 „A”
77
koncentrációjú szteroid elegy elválasztását, melyet szintén a fenti eluensben oldottunk fel. A készülék III. oszlopára az 1. részperiódusban 22,5 min idın keresztül a szétválasztandó elegyet tápláltuk be 1,5 cm3/min térfogat sebességgel, majd ezt követıen az SMB mővelet szerint váltottuk az oszlopokat, az eluenst nem recirkuláltattuk. A következıkben megismételtük a mérést 10 g/dm3 (8 g/dm3 „B”, 2 g/dm3 „A”), majd 20 g/dm3 (16 g/dm3 „B”, 4 g/dm3 „A”) koncentrációjú szteroid eleggyel. A mintákat periódusidınként, azaz 22,5 min idınként vettük, majd gázkromatográfiásan vizsgáltuk (Függelék 12-14.). A RG-1040 számú szteroid keverék SMB elválasztása során jelentısen szőkül a Morbidelli-féle tartomány Langmuir izotermák esetén a betáplálási koncentráció növelésével (5, 10, 20 g/dm3 eluensben oldva) (42. ábra). Az optimális térfogatáramokat sikerült úgy beállítanunk, hogy kedvezı termék tisztaságokat és kihozatalokat kaptunk. A mérési eredmények a számunkra értékes „B” komponensre a 21. táblázatban láthatók összehasonlítva a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC-s méréssel, a 22. táblázat az „A” komponensre vonatkozó eredményeket tartalmazza. Megállapítottuk, hogy megfelelıen beállított térfogati sebességek esetén, az SMB1 és SMB 2 mérésnél a számunkra elıírt 99,9 % m/m –nál tisztább szteroid terméket kaptunk 99,9 %–nál nagyobb kihozatallal. A termelékenység az SMB 2-es mérés esetén a kétszeresére nıtt 0,184 mg B /g szilikagél min-ról 0,368 mg B /g szilikagél min-ra , míg az eluens felhasználás a felére csökkent 1,248 dm3 eluens/g B-rıl 0,623 dm3 eluens/g B-re. Az SMB2 mérés esetén a preparatív HPLC-hez képest a kihozatal 5 %-kal, azaz 95%-ról >99,9 %-ra, a termelékenység 20 %-kal, azaz 0,302 mg B/g szilikagél min-ról 0,368 mg B/g szilikagél min-ra nıtt. Az SMB 3-as mérés esetén a munkapont a Morbidelli háromszög feletti tartományba esett, így tiszta extraktumot („A” komponens) és 88 % m/m tisztaságú raffinátumot („B” komponens) kaptunk. Mérés azonosítója
F
D
R
E
Léptetési idı
Szimulációs idı
cm3/min
cm3/min
cm3/min
cm3/min
min
min
1,5 9,57 2,48 6,3 22,5 1,5 8,85 2,23 5,89 22,5 RG1040 SMB3 1,5 9,44 2,39 6,08 22,5 20. táblázat A mérések fontosabb mőveleti paraméterei RG1040 SMB1 RG1040 SMB2
78
292,5 292,5 292,5
Mérés azonosítója
Betáplálás Tisztaság Kihozatal Termelékenység Eluens fajlagos koncentrációja g/dm3
RG1040 SMB1 RG1040 SMB2 RG1040 SMB3 Prep. HPLC
% m/m B
5 (eluensben) 10 (eluensben) 20 (eluensben) 60 (DKM-ban)
%B
> 99,9 > 99,9 88,2 > 99,9
mg B/g szil.gél min
cm3 eluens/mg B
0,184 0,368 0,658 0,302
1,248 0,623 0,450 0,354
> 99,9 > 99,9 99 95
21. táblázat A mérések során kapott fajlagos eredmények összehasonlítva a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC-s méréssel Mérés azonosítója
Betáplálás Tisztaság Kihozatal Termelékenység Eluens fajlagos koncentrációja g/dm3
% m/m A
%A
5 10 20
> 99,9 99,5 99
> 99,9 > 99,9 85,79
RG1040 SMB1 RG1040 SMB2 RG1040 SMB3
mg A/g szil.gél min cm3 eluens/mg A
0,0466 0,0933 0,1933
4,59 2,22 1,40
22. táblázat A mérések eredményei „A” komponensre nézve
5.2. Gradiens SMB vizsgálata Megvizsgáltam a friss eluens aceton : diklór-metán öszetétel változtatás hatását a raffinátum és extraktum összetételére vonatkozóan 10,…, 90 % (V/V) aceton diklórmetánban
tartományban
számítógépi
szimulációkkal
(Függelék
15-17.),
illetve
laboratóriumi kísérletekkel (Függelék 18-22.) [88, 89, 90, 91, 92] 5 g/dm3 betáplálási koncentráció esetén.. Kiindulási alapként az RG SMB 7 szimulációt és mérést vettem. A probléma vizsgálatának módja A szimulációk során a kiindulási, 50 % (v/v)-os aceton koncentráció közelében több, attól távolabb kevesebb pontot vettem fel. Ennek oka az volt, hogy a kiindulási adataim mind az 50%(v/v) aceton-50%(v/v) diklór-metán rendszerre vonatkoztak, beleértve a kompetitív Langmuir-izotermák állandóit is, és a kiindulási ponttól távol már ezek az értékek eltérhetnek a valóságostól, nagyobb a bizonytalanságuk. A felvett acetonkoncentrációk (a kiindulási 50 %(V/V)-os összetételen kívül): – 10; 20; 30; 40, 42,5; 45; 47,5; 48; 48,5; 49; 49,5 % (v/v) az alsó tartományban, – 50,5; 51; 51,5; 52; 52,5; 55; 60; 65; 70; 80; 90 % (v/v) a felsı tartományban. A vizsgálatot a Pannon Egyetem Vegyipari Mőveletek Tanszékének SMB-Krom-N szoftverével végeztem. A szimulációk során az alábbi térfogatáramokat és mőveleti paramétereket állítottam be: –
Betáplálás:
F:
1,5
cm3 / min
–
Raffinátum elvétel:
R:
2,6
cm3 / min
79
–
Extraktum elvétel:
E:
6,2
cm3 / min
–
Friss eluens mennyisége:
S:
9,5
cm3 / min
–
Betáplálás „B” koncentráció:
c FB :
4
g / dm3
–
Betáplálás „A” koncentráció:
c FA :
1
g / dm3
–
Kapcsolási idı:
T:
22,5
min
5.2.1. Az aceton koncentráció növelésének hatása a szimulációk során Az elsı részében megvizsgáltam, hogy a friss eluensben történı aceton koncentrációnövelés milyen hatással van a rendszerre, hogyan befolyásolja a szteroid szeparációt. Azt vártuk, hogy mivel az aceton leszorító gradiens képzı komponensként viselkedik a folyamatban, ezért könnyebbé fogja tenni a jobban kötıdı komponens elúcióját a rendszerbıl. Ebben az esetben javulást vártunk a fajlagos eluens fogyasztás tekintetében. A vizsgálatot az 50-90 %(v/v) aceton, 50-10 %(v/v) diklór-metán tartományban végeztem el. Az értékelés során meghatároztam a komponensekre nézve a raffinátumbeli és extraktumbeli tisztaságot, a kihozatalait, az eljárás termelékenységeit és a fajlagos eluens felhasználásokat. Ezeket az aceton koncentráció függvényében ábrázoltam és a következtetéseimet ezekbıl a diagramokból vontam le. A számításnál alkalmazott oldószer összetétel és a kapott eredmények táblázatos összefoglalása a „B” komponensre nézve a 23. táblázatban, illetve a 43.a,b,c,d ábrákon adottak. Azonosító SMBgrad00 SMBgrad01 SMBgrad02 SMBgrad03 SMBgrad04 SMBgrad05 SMBgrad06 SMBgrad07 SMBgrad08 SMBgrad09 SMBgrad21 SMBgrad22
Eluens aceton Raffinátum Fajlagos eluens Kihozatal Termelékenység koncentráció tisztasága felhasználás %(v/v) m/m% % mg B/g töltet min cm3/mg B 50,00 99,9856 98,5530 0,1860 1,2345 50,51 99,9847 98,5624 0,1860 1,2344 51,01 99,9836 98,5703 0,1860 1,2343 51,52 99,9825 98,5781 0,1860 1,2342 52,02 99,9813 98,5855 0,1861 1,2341 52,53 99,9801 98,5920 0,1861 1,2340 55,05 99,9725 98,6223 0,1861 1,2337 59,97 99,9491 98,6700 0,1862 1,2331 65,03 99,9046 98,7133 0,1863 1,2325 70,08 99,8183 98,7623 0,1864 1,2319 80,05 99,2620 98,8641 0,1866 1,2306 90,03 97,4332 98,9300 0,1867 1,2298
23. táblázat Az aceton koncentráció növelésekor kapott eredmények „B” komponensre nézve A számításnál alkalmazott oldószer összetétel, és a kapott eredmények táblázatos összefoglalása az „A” komponensre nézve a 24.táblázatban található. 80
Azonosító SMBgrad00 SMBgrad01 SMBgrad02 SMBgrad03 SMBgrad04 SMBgrad05 SMBgrad06 SMBgrad07 SMBgrad08 SMBgrad09 SMBgrad21 SMBgrad22
Eluens aceton Extraktum Fajlagos eluens Kihozatal Termelékenység koncentráció tisztasága felhasználás %(v/v) m/m% % mg A/g töltet min cm3/mg A 50,00 99,5752 100,0000 0,0485 4,7372 50,51 99,6135 100,0000 0,0485 4,7362 51,01 99,6487 100,0000 0,0485 4,7352 51,52 99,6810 100,0000 0,0485 4,7343 52,02 99,7105 100,0000 0,0485 4,7333 52,53 99,7376 100,0000 0,0485 4,7324 55,05 99,8414 100,0000 0,0486 4,7280 59,97 99,9445 100,0000 0,0486 4,7204 65,03 99,9827 100,0000 0,0487 4,7165 70,08 99,9951 100,0000 0,0486 4,7206 80,05 99,9997 100,0000 0,0477 4,8174 90,03 100,0000 92,9917 0,0438 5,2334 24. táblázat Az aceton koncentráció növelésekor kapott eredmények „A” komponensre nézve
A kapott eredményekbıl jól látható, hogy az aceton koncentrációjának növelésekor a raffinátumban kis mértékben csökken a „B” komponens tisztasága, az egyre könnyebben deszorbeálódó „A” komponens megjelenése miatt. A kihozatal a „B”-re nézve kismértékben növekszik a gradiens alkalmazásakor, a termelékenység és a fajlagos eluens felhasználás a gyakorlat szempontjából figyelembe vehetı mértékben nem változik (43. ábra). Az elızetes várakozáshoz képest a fajlagos eluens felhasználás az aceton koncentráció növelésével csak igen kismértékben javul, azaz csökken. A másik oldalról vizsgálva a problémát látható viszont, hogy az eredeti cél (min. 99,9 %-os tisztaság a raffinátumban) 65 %-os aceton koncentráció felett már nem teljesíthetı. A fenti SMB rendszer az aceton mennyiségének növelését eddig a határig teszi lehetıvé. A kapott diagramokat megvizsgálva az is látható hogy az „A” komponensre nézve 50-60 %-os tartományban szélsıértéke van a rendszernek (44. ábra). Körülbelül. 55 %-os aceton koncentrációnál minimuma van az eluens szükségletnek és maximuma van a termelékenységnek, valamint a kihozatalnak. Ez a jelenség ezt a pontot igen alkalmassá teszi az esetleges alkalmazására. Az oszlopprofil görbék összehasonításából látszik, hogy 65 % feletti koncentráció alkalmazásánál már az „A” komponens egyre nagyobb része siet elıre a raffinátumba és emiatt romlik a szétválasztás hatékonysága.
81
5.2.2. Az aceton koncentráció csökkentésének hatásai a szimulációk során A feladat második részében csökkenı aceton koncentrációt alkalmaztam a friss eluensben. A vizsgálat ezen része arra irányult, hogy egy esetleges üzemzavar következtében elıálló friss eluens összetétel-változásra hogyan reagál a rendszer. Ez az ipari alkalmazás során nagyon fontos lehet, hiszen a rendszer nagyfokú érzékenysége többletkiadásokat eredményez a figyelı- és szabályzórendszerekkel szembeni megnövekvı igények miatt. Az elméletek alapján az aceton koncentrációjának csökkenése az oldószerben káros hatással van a rendszerre, mert ekkor növekedni fog a fajlagos eluens mennyisége a nehezebb elúció miatt, ami költségnövekedést idéz elı. Ezzel szemben a raffinátum tisztaságának javulnia kell, mert a jól kötıdı „A” komponens egyre nehezebben eluálódik és így egyre jobban lemarad az oszloprendszeren. Ez a folyamat addig javíthatja a raffinátum tisztaságot, ameddig az A komponenst még le lehet deszorbeáltatni a töltettisztító szegmensrıl, ezután viszont a nem tökéletesen regenerált töltet „A” tartalma már meg fog jelenni a raffinátumban is. A vizsgálatot a 10 - 50 %(v/v)-os acetonkoncentráció-tartományban végeztem el. A számításnál alkalmazott oldószer összetétel, és a kapott eredmények táblázatos összefoglalása a „B” komponensre nézve a 25.táblázatbn illetve a 43.a,b,c,d ábrák adottak.
Azonosító SMBgrad00 SMBgrad10 SMBgrad11 SMBgrad12 SMBgrad13 SMBgrad14 SMBgrad15 SMBgrad16 SMBgrad17 SMBgrad18 SMBgrad19 SMBgrad20
Eluens aceton Raffinátum Fajlagos eluens Kihozatal Termelékenység koncentráció tisztasága felhasználás %(v/v) m/m% % mg B/g töltet min cm3/mg B 50,00 99,9856 98,5530 0,1860 1,2345 49,49 99,9865 98,5400 0,1860 1,2347 48,99 99,9874 98,5357 0,1860 1,2347 48,48 99,9882 98,5270 0,1859 1,2349 47,98 99,9890 98,5140 0,1859 1,2350 47,47 99,9897 98,5030 0,1859 1,2351 44,95 99,9927 98,4300 0,1858 1,2360 42,42 99,9948 98,3400 0,1855 1,2373 39,90 99,9964 98,1977 0,1853 1,2390 29,92 99,9992 96,7500 0,1826 1,2575 19,95 99,9999 91,9840 0,1736 1,3227 9,97 100,0000 82,2770 0,1553 1,4787
25. táblázat Az aceton koncentráció csökkentésekor kapott eredmények „B” komponensre nézve A számításnál alkalmazott oldószer összetétel, és a kapott eredmények táblázatos összefoglalása az „A” komponensre nézve a 26. táblázatban található.
82
Azonosító SMBgrad00 SMBgrad10 SMBgrad11 SMBgrad12 SMBgrad13 SMBgrad14 SMBgrad15 SMBgrad16 SMBgrad17 SMBgrad18 SMBgrad19 SMBgrad20
Eluens aceton Extraktum Fajlagos eluens Kihozatal Termelékenység koncentráció tisztasága felhasználás %(v/v) m/m% % mg A/g töltet min cm3/mg A 50,00 99,5752 100,0000 0,0485 4,7372 49,49 99,5336 100,0000 0,0485 4,7381 48,99 99,4881 100,0000 0,0485 4,7391 48,48 99,4389 100,0000 0,0484 4,7400 47,98 99,3852 100,0000 0,0484 4,7410 47,47 99,2372 100,0000 0,0484 4,7419 44,95 98,9556 100,0000 0,0484 4,7467 42,42 98,4106 100,0000 0,0483 4,7515 39,90 97,9267 100,0000 0,0483 4,7553 29,92 90,5121 100,0000 0,0481 4,7727 19,95 74,8076 100,0000 0,0480 4,7882 9,97 56,8941 100,0000 0,0478 4,8038
26. táblázat Az aceton koncentráció csökkentésekor kapott eredmények „A” komponensre nézve A kapott eredményekbıl látszik, hogy az oldószer erısségének csökkentése éppen a fent leírt jelenségeket okozza. Mindkét komponensre nı a fajlagos eluens igény, csökken a termelékenység és a kihozatal. A vártaknak megfelelıen a raffinátum tisztasága javul, de a kulcskomponens kihozatala 30 %(v/v) alatti aceton koncentráció esetén már nagyon lecsökken. Ennek oka az áttörési görbék vizsgálatából derül ki: 30 %(v/v) aceton koncentráció alatt az egyre nehezebb elúció miatt a „B” komponens egyre nagyobb hányada marad le az oszlopokon és jelenik meg az extraktumban. A vizsgálatból látható, hogy az aceton csökkentés hatása kb. 30 %-ig nem borítja fel a rendszert alapvetıen, tehát eddig a koncentrációig le lehet menni az eluensben anélkül, hogy a termék tulajdonságai nagymértékben leromlanának. A vizsgálat második részének eredménye az a megállapítás, miszerint a csökkenı aceton koncentráció,
mint
változtatott
paraméter-érzékenység
vizsgálatakor
a
rendszer
robosztusan viselkedik egészen a 30 % aceton - 70 % diklór-metán összetételig. 5.2.3. A szimulációs eredmények alapján végzett laboratóriumi mérések eredményei A modellezés eredményeit a gyakorlatban is meg kell vizsgálni illetve ellenırizni kell azok helyességét, mivel a modellekben általában csak közelíteni lehet a valós rendszereket és az azokban lezajló folyamatokat. A szimulációk eredményeit kiértékelve megállapítható, hogy a gradiens technika jól alkalmazható a rendszerben.
83
A mérési körülmények rövid ismertetése A laboratóriumi vizsgálatot a 40 %(v/v), 45 %( v/v), 50 %( v/v), 55 %( v/v), 60 %( v/v) és 70 %( v/v) aceton koncentrációjú oldószerekkel, nyitott körő SMB módszerrel végeztük. A
mérés
elején
a
rendszert
egyensúlyba
hoztuk
a
betáplálásnak
megfelelı,
50 %(v/v)-os aceton koncentrációjú aceton - diklór-metán oldószer eleggyel. A mérési idı 292,5 perc volt, ezalatt három teljes ciklust vizsgálunk, illetve a 270 - 292,5 perc között a negyedik ciklus elsı részciklusának termékeit négy részre frakcionáltuk, és így elemeztük meg ıket. A termékáramok „A” és „B” koncentrációját analitikai gázkromatográffal mértük meg, majd az analitikai eredményekbıl számoltuk ki az SMB mérés fajlagosait. A mérések paramétereinek táblázatos összefoglalását az egyes méréseknél a 27. táblázat tartalmazza.
Azonosító RG1040/SMB7 RG1040/SMB8 SMBmérés1 RG1040/SMB9 RG1040/SMB5 RG1040/SMB6
Eluens Átlagos térfogatáramok aceton Extraktum Raffinátum Betáplálás Friss oldószer LROUT koncentráció % (v/v) cm3 / min 40,00 6,30 2,39 1,27 7,44 2,59 45,00 6,21 2,38 1,38 7,21 2,23 50,00 6,30 2,48 1,50 7,28 2,29 55,00 5,86 2,29 1,36 6,79 2,38 60,00 5,79 2,33 1,34 6,78 2,35 70,00 5,56 2,27 1,35 6,51 2,39 27. táblázat A laboratóriumi mérések fıbb paraméterei
A mérések eredményeit a 28. és 29. táblázatok mutatják be: A „B” komponensre vonatkozó eredmények: Azonosító RG1040/SMB7 RG1040/SMB8 SMBmérés1 RG1040/SMB9 RG1040/SMB5 RG1040/SMB6
Eluens aceton Raffinátum Fajlagos eluens Kihozatal Termelékenység koncentráció tisztasága felhasználás %(v/v) m/m% % mg B/g töltet min cm3/mg B 40,00 99,2934 81,2976 0,1298 1,8015 45,00 >99,9 >99,9 0,1738 1,3855 50,00 >99,9 >99,9 0,1887 1,2133 55,00 >99,9 >99,9 0,1855 1,2010 60,00 99,8797 99,3611 0,1675 1,2730 70,00 83,8032 99,9761 0,1698 1,2058
28. táblázat A laboratóriumi mérések eredményei a „B” komponensre nézve
84
Az „A” komponensre vonatkozó eredmények: Azonosító RG1040/SMB7 RG1040/SMB8 SMBmérés1 RG1040/SMB9 RG1040/SMB5 RG1040/SMB6
Eluens Extraktum Fajlagos eluens Kihozatal Termelékenység aceton-konc. tisztasága felhasználás %(v/v) m/m% % mg A/g töltet min cm3/mg A 40,00 69,3398 98,6504 0,0394 5,9384 45,00 >99,9 >99,9 0,0454 5,3520 50,00 >99,9 >99,9 0,0472 4,8532 55,00 >99,9 >99,9 0,0453 4,8050 60,00 99,5600 99,7263 0,0420 5,0736 70,00 99,8985 54,9136 0,0233 8,7815
29. táblázat A laboratóriumi mérések eredményei az „A” komponensre nézve A szimulációs eredmények és laboratóriumi mérések eredményeit a 43. és 44. összefoglaló ábrákon mutatom be. „a” Kihozatal B, % B komponens szimuláció B komponens mért
40
45
50 55 60 65 D aceton, v/v% DKM-ban
70
„c”
0,26
B komponens szimuláció B komponens mért
40
45
50 55 60 D aceton, v/v % DKM-ban
0,24
65
70
„d”
2,0 1,8
0,22
Eluens fajlagos, cm3eluens/mg B
Termelékenység B, mg B/g töltet min
„b”
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50
Tisztaság B, ter %
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0,20 0,18 0,16 0,14 B komponens szimuláció B komponens mért
0,12 0,10
1,6 1,4 1,2 1,0 0,8
B komponens szimuláció B komponens mért
0,6
40
45
50 55 60 65 D aceton, v/v % DKM-ban
70
40
45
50 55 60 65 D, aceton (v/v%) DKM-ban
43. a,b,c,d, ábra A tisztaság, kihozatal termelékenység és eluens felhasználás a szimulációs és laboratóriumi mérések során a ”B” komponensre
85
70
„a”
A komponens szimuláció A komponens mért
40
45
50 55 60 D aceton, v/v % DKM-ban
65
70
40
45
50 55 60 65 D aceton, v/v % DKM-ban
70
„d”
„c”
0,06
A komponens szimuláció A komponens mért
0,05
10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
Eluens fajlagos, cm3 eluens/mg A
Termelékenység A,mg A/ g töltet min
„b”
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Kihozatal A, %
Tisztaság A, m/m %
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50
0,04 0,03 0,02 0,01
A komponens mért A komponens szimuláció
0,00 40
45
50 55 60 65 D, aceton (v/v%) DKM-ban
70
A komponens mért A komponens szimuláció
40
45
50 55 60 D aceton, v/v% DKM-ban
65
44. a,b,c,d ábra A tisztaság, kihozatal termelékenység és eluens felhasználás a szimulációs és laboratóriumi mérések során az ”A” komponensre A szimulációs és a valóságos mérések eredményeit megvizsgálva a következı tapasztalatok szőrhetık le: – Az 50 %(v/v) és a 60 %(v/v) aceton tartalom között végzett mérés jól közelíti a szimuláció eredményeit. A gradiens SMB mérési eredményeket összehasonlítva a szimulációs eredményekkel megállapítható, hogy a mőszaki optimumnak tekinthetı tartomány az
45-55 % v/v aceton – 55-45 % v/v diklór-metán
oldószerösszetétel, mivel ebben a tartományban a „B” komponensre elıírt követelmények megfelelıek és a termelékenységnek maximuma, az eluens felhasználásnak minimuma van. – A raffinátum tisztasága a szimulációs számításoknál kapott 65 %(v/v)-os aceton koncentráció felett csökken a tisztasági kritériumban megadott 99,8 %(m/m)-os érték alá, és ugyanez figyelhetı meg a valós méréseknél is, de a tisztaság csökkenése jóval nagyobb a vártnál. – A 40 %(v/v)-os aceton koncentrációjú oldószerrel végzett mérés alapján kijelenthetı, hogy a rendszer a másik irányban történt beavatkozásra is jóval érzékenyebb a modellezési eredmények alapján vártnál, hiszen az extraktum tisztasága és emiatt a „B” termék raffinátumbeli kihozatala csökkent.
86
70
A valóságos mérések tapasztalatai alapján valószínőnek tőnik, hogy a szimulációs szoftver a következı elıre nem látható folyamatokkal nem számolt a magas aceton koncentráció tartományban: –
Az adszorpciós izotermák a valóságban nagymértékben függenek az oldószer
összetételétıl, és ezért adódott az eltérés a valós és a szimulált mérések között. Az aceton koncentráció növelése illetve csökkentése (diklór-metán mellett a friss eluensben (D) a szétválasztandó elegy (F) aceton összetételéhez képest) a Morbidelli tartományok (háromszög) mozgását eredményezi (45. ábra). Aceton
koncentráció
növelésével
a
Morbidelli tartomány (háromszög) az mIII = (y), mII = (x) diagramon az y = x diagonális mentén az origó y = x = 0 felé mozdul el. Az aceton koncentráció csökkentésével a háromszög mozgása ellentétes irányú. A különbözı aceton koncentrációhoz tartozó megoszlási hányadosok a 30. táblázatban találhatók.
45. ábra A Morbidelli háromszög mozgása az aceton koncentráció változtatásával Aceton (mg/cm³)
KB
KA
0 316,8 (40% v/v) 356,4 (45% v/v) 396 (50% v/v) 435,6 (55% v/v) 475,2 (60% v/v) 554,4 (70% v/v)
21,169 14,298 13,739 13,228 12,746 12,301 11,499
46,078 31,122 29,906 28,783 27,744 26,776 25,029
30. táblázat A megoszlási hányadosok az aceton koncentráció változtatásával
KB =
10,36 0, 405 × 1 + 0,001517 c Ac (1 − 0,8018 )
KA =
87
22,55 0, 405 × 1 + 0,001517 c Ac (1 − 0,8018 )
Az oldószer mennyiségének csökkenése A gradiens SMB bevezetésének gazdasági hasznot kell hozni, amely az oldószer fajlagosok csökkenésében (SFB, SFA), termelékenységek növekedésében (PB, PA) jelentkezik rögzített kihozatalok ηB, ηA ≅ 100 % és termék tisztaságok c RB = 100 %, c EA = 100 % mellett. Tekintsük a 50:50 % v/v aceton-diklór-metán izokratikus rendszert.
(REC
⋅ 22,5
0,785 4,955
m IV = K B = 13,2289 = REC Max = 2,985
Max
cm 3 min
− 20,045
50% v/v aceton-DKM-ban
Dmin ⋅ 22,5 − 20,045 0,785 m I = K A = 28,783 = 4,955 Dmin=5,675
cm 3 min
50% v/v aceton-DKM-ban
Smin=5,675 – 2,985 = 2,69
cm 3 min
Ha 60% v/v aceton–40% v/v DKM eluenst alkalmazunk friss eluensként (S), akkor az I. szegmensben megváltozna KA értéke:
m Grad I
D min ⋅ 22,5 − 20,045 0,785 = 26,776 = 4,955
D Grad min =5,328
cm 3 min
SGrad min =5,328-2,985=2,34
60% v/v aceton–DKM-ban cm 3 min
Az oldószer mennyisége tehát csökken: D Grad 2,34 min = = 87,1% D min 2,69
Csökkenés 12,9 %
A gradiens SMB alkalmazásával, 60% v/v aceton–40% v/v diklór-metán friss eluens esetén 12,9 %-os csökkenést érhetı el, az izokratikus esethez képest (50 % v/v aceton–50 % v/v diklór-metán a friss eluens és a betáplálási szteroid elegy oldószere).
88
5.3. „Saját gradiens” jelensége Az SMB mővelet esetén az oszlopok hossza mentén aceton gradienst észleltem, zárt eluenskörő, kvázi-stacioner esetben, melyet az SMB rendszer „saját gradiensének” neveztem el. Elúciós kromatográfia esetén az oldószer adszorpciós-deszorpciós hullám jelentısen befolyásolhatja a csúcsok retenciós idejét és alakját. Frontális-elúciós kromatográfiás elválasztás esetén az aceton 396 mg/cm³ értéke 391-401 mg/cm3 értékek között ingadozik (4.4. fejezet, 34. ábra). A front elıtt aceton maximum és plató, a deszorpciós részben aceton minimum és plató látható (KROM-N oldószer adszorpció-deszorpcióval bıvített számítógépi programmal végzett számítások). SMB szeparáció (zárt kör) esetén az oszlopok I., II., III., IV. hossza mentén jelentısen vátozó aceton koncentráció eloszlás alakul ki a kapcsolás után (belépı elegy összetétele 5 g/dm³ szteroid) (46. ábra).
Aceton koncentráció (g/dm3)
398,5
Aceton "sajátgradiens" kapcsolás után
398,0 397,5 397,0
I.
396,5 396,0 395,5
II.
395,0 394,5
III.
Aceton
IV.
394,0 0
200
400
600
800
NTP
46. ábra Az aceton koncentrációja az oszlop hossza mentén kapcsolás után RG 1040 SMB 7 szimuláció esetén (feed 5 g/dm3) Az I. szegmens gyakorlatilag egyensúlyba kerül a belépı 396 mg aceton/cm³ folyadék eluenssel. Ezt egy kicsit módosítja a REC idıben változó aceton összetétele (396,5 mg aceton/cm³ folyadék). A II. szegmensben az aceton koncentráció csökken 396,5-rıl 396 mg/cm³-re. A III. szegmensben az aceton koncentráció csökken 396 mg/cm³-rıl 394,3 mg/cm³-re. A IV. szegmensben az aceton koncentráció 394,3 mg/cm³-rıl 397,5 mg/cm³-re növekszik. Ha a szétválasztandó elegy összetételét 50 g/dm³-re növeljük, akkor az aceton hosszmenti eloszlása még erısebben változik kapcsolás után (47. ábra).
89
420 Aceton "sajátgradiens" kapcsolás után
415 konc. (g/dm3)
410 405
I.
400
II.
395 390 385
III. 0
200
Aceton
IV.
380 400 NTP
600
800
47. ábra Az aceton koncentrációja az oszlop hossza mentén Kapcsolás után RG1040 SMB/50 szimuláció esetén (feed 50 g/dm3) Az I. szegmens összetétele, ~401 mg aceton/cm³ folyadék, gyakorlatilag állandó. (A belépı 396 mg aceton/cm³ elegy összetételét az aceton deszorpció (REC) növeli ~401 mg aceton/cm³ folyadék értékre). A II. szegmens összetétele 401 mg aceton/cm³ folyadék és 398 mg aceton/cm³ folyadék értékek között változik. A III. szegmensben 398-ról 387-re csökken az aceton összetétele (mg aceton/cm³ folyadék) A IV szegmensben az aceton összetétele kb. 385 mg aceton/cm³ folyadék, a szegmens kilépı oldalán 415 mg aceton/cm³ folyadékra növekszik. A fenti eredményeket SMB mérések során kísérleti úton is igazoltuk. Megállapítottuk, hogy az SMB szeparációnak ún. saját gradiense is van. I. szegmensben aceton többlet van a 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest II. szegmensben aceton többlet van a 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest III. szegmensben aceton hiány van a 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest IV. szegmensben aceton hiány van a 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest. RG 1040 SMB 50 szimuláció esetén 383-415 mg aceton/cm³ folyadék értékek között változik az aceton összetétele. 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest 96,7-104-7 % eltérést mutatnak a számítások. Az általunk felismert zárt eluens körő SMB mővelet esetén létezı „saját gradiens” jelenségét ezideig a szakirodalomban nem írták le.
90
5.4. Dinamikus SMB Megvizsgálva a dinamikus SMB (modulált betáplálás) alkalmazási lehetıségeit és munkahipotézisként feltételeztük , hogy a szétválasztandó elegy betáplálási térfogati sebességének idıbeli változtatásával javítható a raffinátum, illetve extraktum összetétel. Négy szimulációt (Függelék 23-24.) és ennek alapján négy mérést végeztem (Függelék 2528.). Mint már említettem a 2.4.3. fejezetben a modulált betáplálás lényege, hogy a térfogatáramok változtatását úgy valósítják meg, hogy a kapcsolási periódus alatt a betáplálási- (feed, eluens) és elvételi (extraktum, raffinátum) pontokon keresztül bevitt, illetve elvett mennyiségek a hagyományos módnál bevitt- és elvett mennyiségekkel összességében megegyeznek csak éppen az idıben nem állandóak. A kiindulási szimuláció és mérés esetén a betáplálás áramlási sebessége 1,5 cm3/min, koncentrációja 20 g/dm3 volt. Elsı esetben a periódus közepén T/4 és 3T/4 között emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3,0 cm3/min, 20g/dm3) T/2 ideig. A második esetben a periódus második felében T/2 után emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3,0 cm3/min, 20g/dm3) T/2 ideig. A harmadik esetben a periódus második felétıl T/2 után emeltem kétszeresére a betáplálás koncentrációját (1,5 cm3/min, 40g/dm3) T/2 ideig. A negyedik esetben a periódus idı felétıl T/2 után növeltem a betáplálás koncentrációját T/2 ideig 1,5 cm3/min térfogati sebesség mellett a termelékenység illetve kihozatal adatok növelése érdekében (1,5 cm3/min, 50g/dm3) (31. táblázat). Azonosító
DSMB1
DSMB2
F
F
Paraméterek F (cm /min) 3
S (cm /min) R (cm3/min) E (cm3/min) cFB (mg/cm3) cFA (mg/cm3) cFac (mg/cm3) CSac (mg/cm3) Telítési idı (min) Periódus idı (min) /T/ Oszlop konfiguráció
DSMB4
F
T
3
DSMB3
F
T
T
T
3,0 9,5 2,6 6,2 14 6 396 396 22,5
3,0 9,5 2,6 6,2 14 6 396 396 22,5
1,5 9,5 2,6 6,2 32 8 396 396 22,5
1,5 9,5 2,6 6,2 40 10 396 396 22,5
22,5
22,5
22,5
22,5
1:1:1:1
1:1:1:1
1:1:1:1
1:1:1:1
31. táblázat A dinamikus SMB fontosabb mőveleti paraméterei 91
5.4.1. Dinamikus SMB során végzett szimulációk A táblázatokban a dinamikus SMB szimulációk során kapott fajlagos eredmények láthatóak (32. és 33. táblázat). Tisztaság B [m/m%] 89,922 82,943 89,626 90,329
DSMB1 DSMB2 DSMB3 DSMB4
Kihozatal B [%] > 99,9 > 99,9 > 99,9 > 99,9
Termelékenység [mg B/g szil.gél min]
Eluens fajlagos [cm3eluens/mg B]
0,668 0,667 0,718 0,959
0,447 0,448 0,416 0,311
32. táblázat A dinamikus SMB szimulációk fajlagos eredményei a „B” komponensre nézve Tisztaság Kihozatal A [%] A [m/m%] > 99,9 72,113 > 99,9 50,523 > 99,9 79,715 > 99,9 56,825
DSMB1 DSMB2 DSMB3 DSMB4
Termelékenység [mg A/g szil.gél min] 0,204 0,143 0,150 0,134
Eluens fajlagos [cm3eluens/mg A] 1,463 2,089 1,986 2,229
33. táblázat A dinamikus SMB szimulációk fajlagos eredményei az „A” komponensre nézve A szimulációk során egyik sem teljesítette a „B” komponensre elıírt követelményeket. 5.4.2. Dinamikus SMB során végzett mérések A 34. táblázat a dinamikus SMB mérések fontosabb mőveleti paramétereit tartalmazza, a 35. és 36. táblázatokban a dinamikus SMB mérések során kapott fajlagos eredmények láthatók. Mérés azonosítója RG1040 DSMB1 RG1040 DSMB2 RG1040 DSMB3 RG1040 DSMB4
F
D
R
E
Léptetési idı
Betáplálási idı
cm3/min
cm3/min
cm3/min
cm3/min
min
min
1,47 1,51 0,81 0,73
9,13 9,24 8,47 8,95
2,29 2,29 2,10 2,05
5,89 6,16 5,76 5,89
22,5 22,5 22,5 22,5
5,63-16,88 között 11,25-22,5 között 11,25-22,5 között 11,25-22,5 között
34. táblázat A dinamikus SMB mérések fontosabb mőveleti paraméterei
DSMB1 DSMB2 DSMB3 DSMB4
Tisztaság B [m/m%] 87,269 97,795 > 99,9 91,903
Kihozatal B [%] > 99,9 > 99,9 98,70 > 99,9
Termelékenység [mg B/g szil.gél min] 0,718 1,054 0,906 1,216
Eluens fajlagos [cm3eluens/mg B] 0,403 0,273 0,294 0,231
35. táblázat A dinamikus SMB mérések fajlagos eredményei a „B” komponensre nézve 92
DSMB1 DSMB2 DSMB3 DSMB4
Tisztaság A [m/m%] > 99,9 > 99,9 98,147 > 99,9
Kihozatal A [%] 63,002 92,059 > 99,9 68,256
Termelékenység [mg A/g szil.gél min] 0,178 0,273 0,343 2,105
Eluens fajlagos [cm3eluens/mg A] 1,621 1,054 0,777 0,134
36. táblázat A dinamikus SMB mérések fajlagos eredményei az „A” komponensre nézve A harmadik esetben (DSMB3) nagyon kedvezı eredményeket kaptunk. A korábbi 20 g/dm3 koncentrációjú SMB3 mérés során 88,2 m/m %-os tisztaságú raffinátumot (B) kaptunk, ez az eredmény a DSMB3 esetben > 99,9 m/m %-osra javult. A különbözı SMB módszerek (dinamikus SMB) alkalmazásával a szétválasztandó elegy (80%m/m B, 20%m/m A) mennyiségét meg tudtuk növelni amellett, hogy a számunkra elıírt tisztasági és kihozatali követelményeket be tudtuk tartani (37. táblázat). Belépı elegy
Raffinátum
Extraktum
g/dm3
m/m % B
m/m % A
5 10 40*
> 99,9 > 99,9 > 99,9
> 99,9 > 99,9 98,15
Mérés
RG 1040/SMB 1 RG 1040/SMB 2 RG 1040/DSMB3
Feldolgozott szteroid mg(A + B) részperiódus 168,75 337,5 742,5
* 11 percig F=0, 11-22,5 percig F=1,5–1,8 cm3/min 37. táblázat Különbözı SMB mérések összehasonlítása
5.5. Gradiens SMB kísérletek 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció, nyitott eluenskör esetén Az RG-1040 komponensek SMB szeparációja során, illetve a számítógépi szimulációk eredményei alapján megállapítottam, hogy a körülbelül 4:1 = B:A arányú keverék és KB < KA reláció miatt a B komponensnek „a lehetı legnagyobb helyet” kell biztosítani az oszlopok (szegmensek) hossza mentén (49. ábra). Négy szegmenses rendszerben erre lehetıség van úgynevezett 1:1:2:0 = I:II:III:IV oszlop (szegmens) konfigurációjú, nyitott eluenskörő SMB mővelet kialakításával [93, 94]. Ebben az esetben a raffinátum szivattyút nem mőködtettem (R= 0 értékre van állítva). A térfogatáramot a III szegmensben (2 oszlop) úgy állítottam be, hogy a B komponens az LROUT áramban jelenjen meg (REC = 0) nyitott eluenskörő SMB esetén (48. ábra). Az I. szegmens (1 oszlop) feladata az adszorbens regenerálása és A termék elıállítása az
93
extraktumban. A II. szegmens (1 oszlop) feladata az A, B szeparáció, B eltávolítása a szegmensbıl. A III. szegmens (2 oszlop) feladata A, B szeparáció, B termék elıállítása a LROUT áramban. Az 1:1:2:0 mővelet elınye, hogy csak 3 szivattyú szükséges a mőködtetéshez (D, E, F). A „D” szivattyú az I. szegmens bemenetén van elhelyezve, az „E” szivattyú I. szegmens után szivattyúzza ki az extraktumot az SMB készülékbıl, az „F” szivattyú a II. szegmens után adagolja a szétválasztandó elegyet (48. ábra). 1. periódus 2. periódus 3. periódus 4. periódus
D
D LR
D LR
I.
E
F
D
II.
R
E
LROUT
E
F
F
D LR
III.
R
LROUT
E
F
IV.
R
LROUT
E
LROUT
R
48. ábra Az SMB készülék folyamatábrája 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén
49. ábra Az „A” és a „B” komponens koncentrációja az oszlop hossza mentén kapcsolás elıtt
94
F
R
LROUT
5.5.1. Gradiens SMB szimulációk 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén A táblázatokban a szimulációs paraméterek és fajlagos eredmények találhatók, melyeket az SMB OUT nyitott eluenskörő programmal végeztem . A szimuláció során megvizsgáltam a különbözı aceton koncentrációk 30, 45, 55, 60 % v/v, és különbözı betáplálási sebességek hatását (0,75; 0,80; 0,85; 0,90; 0,95; 1,00; 1,25; 1,50 cm3/min) (38. táblázat) a szétválasztás eredményeire vonatkozóan 60 g szteroid/dm3 diklór-metán betáplálási koncentráció esetén (39. és 40. táblázat). R=0cm3/min
F cm /min 0,75 1,00 1,25 1,50 0,75 1,00 1,25 1,50 0,75 1,00 1,25 1,50 0,80 0,85 0,90 0,95 0,75 1,00 1,25 1,50 0,80 0,85 0,90 0,95 0,80 0,85 0,90 0,95 0,80 0,85 0,90 0,95
E cm /min 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20 6,20
3
SMB8 OUT1 SMB8/1 OUT SMB8/2 OUT SMB8/3 OUT SMB8/4 OUT SMB8/5 OUT SMB8/6 OUT SMB8/7 OUT SMB8/11 OUT SMB8/12 OUT SMB8/13 OUT SMB8/14 OUT SMB8/15 OUT SMB8/16 OUT SMB8/17 OUT SMB8/18 OUT SMB8/19 OUT SMB8/20 OUT SMB8/21 OUT SMB8/22 OUT SMB8/24 OUT SMB8/25 OUT SMB8/26 OUT SMB8/27 OUT SMB8/28 OUT SMB8/29 OUT SMB8/30 OUT SMB8/31 OUT SMB8/36 OUT SMB8/37 OUT SMB8/38 OUT SMB8/39 OUT
3
D cm /min 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 8,25 3
Aceton % 55 55 55 55 60 60 60 60 45 45 45 45 55 55 55 55 30 30 30 30 45 45 45 45 60 60 60 60 30 30 30 30
38. táblázat A szimulációk fontosabb mőveleti paraméterei
95
R=0cm3/min
SMB8 OUT1 SMB8/1 OUT SMB8/2 OUT SMB8/3 OUT SMB8/4 OUT SMB8/5 OUT SMB8/6 OUT SMB8/7 OUT SMB8/11 OUT SMB8/12 OUT SMB8/13 OUT SMB8/14 OUT SMB8/15 OUT SMB8/16 OUT SMB8/17 OUT SMB8/18 OUT SMB8/19 OUT SMB8/20 OUT SMB8/21 OUT SMB8/22 OUT SMB8/24 OUT SMB8/25 OUT SMB8/26 OUT SMB8/27 OUT SMB8/28 OUT SMB8/29 OUT SMB8/30 OUT SMB8/31 OUT SMB8/36 OUT SMB8/37 OUT SMB8/38 OUT SMB8/39 OUT
B B Termelékenység Eluens komponens komponens PB fajlagos SFB tisztasága kihozatala % % mgB/g töltet min cm3el./mgB > 99,9 87,8503 83,1838 80,1830 > 99,9 86,2671 81,9385 79,4185 > 99,9 91,5067 85,7022 82,1100 > 99,9 99,6970 90,6566 89,1837 99,7307 99,8166 90,6070 85,7896 > 99,9 > 99,9 > 99,9 99,6706 99,9865 90,3668 88,8350 87,4032 99,7568 99,7712 99,7907 99,8014
> 99,9 93,7031 86,6519 79,8358 > 99,9 94,0752 86,2043 80,6593 > 99,9 92,7562 85,7673 79,2151 > 99,9 100,0000 96,5591 95,4732 87,4122 88,1594 82,3647 77,1510 99,9083 98,6136 97,9895 97,1876 > 99,9 98,8325 97,5800 95,2099 89,1904 87,6489 88,9236 87,1820
1,0731 1,2084 1,3968 1,5444 1,0238 1,2132 1,3896 1,5603 0,9681 1,1962 1,3826 1,5324 1,0748 1,1331 1,1207 1,1697 0,8455 1,1369 1,3277 1,4924 1,0307 1,0810 1,1373 1,1907 1,0852 1,0834 1,1326 1,1664 0,9202 0,9608 1,0321 1,0681
0,2418 0,2147 0,1858 0,1680 0,2535 0,2139 0,1867 0,1663 0,2680 0,2169 0,1877 0,1693 0,2414 0,2290 0,2315 0,2219 0,3069 0,2282 0,1954 0,1739 0,2518 0,2401 0,2282 0,2179 0,2391 0,2395 0,2291 0,2225 0,2820 0,2701 0,2514 0,2430
39. táblázat A szimulációk eredményei a „B” komponensre nézve
A szimulációk eredményeit összehasonlító diagrammokon is ábrázoltam ezek a 50.-53. ábrán láthatók.
96
A 50.-53. ábrákon látható a raffinátum tisztaság, kihozatal, termelékenység, és eluens fajlagos változása a betáplálás függvényében változó friss eluens aceton koncentráció és tiszta diklór-metán betáplálás mellett a B komponensre nézve. A 50. ábrán látható, hogy a görbék lefutása azonos, az aceton koncentráció növelése nagyobb tisztaságot eredményez a kisebb betáplálási sebességek mellett. Az 51. ábra szerint a nagyobb aceton koncentrációk szintén nagyobb termék kihozatalt eredményeznek a kisebb betáplálási sebességek mellett. A 52. ábrán látható, hogy a nagyobb betáplálás és nagyobb aceton koncentráció mellett növekszik a termelékenység. A 53. ábra szerint a legkisebb eluens fajlagost nagyobb betáplálási sebesség és nagyobb aceton koncentráció esetén tapasztaltam, de az elıírt feltételt a > 99,9 % m/m B és > 90 % B kihozatalt maximum 0,8 cm3/min betáplálási sebesség mellett értem el. 100
D, v/v% aceton DKM-ban
95
B komponens kihozatala (%)
B komponens tisztaság (ter %)
100
30 45 55 60
90 85 80 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció 75 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 RG1040 F (cm3/min)- DKM
1,75
50. ábra Raffinátum tisztaság változása a betáplálás változtatásával
90 80
1:1:2:0 oszlop konfiguráció
50 0,50
0,75
1,00 1,25 1,50 3 RG1040 F(cm /min)- DKM
1,75
51. ábra Raffinátum kihozatalának változása a betáplálás változtatásával 0,33
1:1:2:0 oszlop konfiguráció
Eluenes fajlagos B komponens (cm3 eluens/mgB)
B komponens termelékenysége (mgB/g töltet min)
30 45 55 60
60
1,6 1,5
D, v/v% aceton DKM-ban
70
1,4 1,3 1,2
D, v/v% aceton DKM-ban
1,1
30 45 55 60
1,0 0,9 0,8 0,50
0,75
1,00 1,25 1,50 3 F (cm /min)- DKM RG1040
1,75
0,31
D, v/v% aceton DKM-ban
0,29 0,27
30 45 55 60
0,25 0,23 0,21 0,19 0,17
1:1:2:0 oszlop konfiguráció 0,15 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 F (cm3/min)- DKM RG1040
1,75
53. ábra Eluens fajlagos (SFB) változása a betáplálás változtatásával
52. ábra Raffinátum termelékenységének változása a betáplálás változtatásával
A szimulációk során az „A” komponenst is vizsgáltam szintén táblázatos és diagramos formában. A 39. táblázat a szimulációk fajlagosait tartalmazza az „A” komponensre nézve.
97
3
R=0cm /min
*SMB8 OUT1 SMB8/1 OUT SMB8/2 OUT SMB8/3 OUT SMB8/4 OUT SMB8/5 OUT SMB8/6 OUT SMB8/7 OUT SMB8/11 OUT SMB8/12 OUT SMB8/13 OUT SMB8/14 OUT SMB8/15 OUT SMB8/16 OUT SMB8/17 OUT SMB8/18 OUT SMB8/19 OUT SMB8/20 OUT SMB8/21 OUT SMB8/22 OUT SMB8/24 OUT SMB8/25 OUT SMB8/26 OUT SMB8/27 OUT SMB8/28 OUT SMB8/29 OUT SMB8/30 OUT SMB8/31 OUT SMB8/36 OUT SMB8/37 OUT SMB8/38 OUT SMB8/39 OUT
A komponens tisztasága
A Termelékenység Eluens komponens PA fajlagos SFA kihozatala
%
%
99,2219 99,2053 99,1944 99,1867 99,7414 99,7319 99,7256 99,7212 94,7363 96,4087 96,3948 96,3850 99,2181 99,2144 99,2111 99,2081 76,5700 86,6243 87,1083 87,1038 95,8359 96,4164 96,4125 96,4087 99,7392 99,7371 99,7352 99,7335 78,9054 81,0749 83,0725 84,9197
91,3245 70,0228 56,0205 46,6848 87,0095 65,2600 52,2092 43,5067 97,0152 80,2444 64,1996 53,5011 87,5240 82,3777 77,8019 73,7075 97,6699 97,1986 78,9083 65,7591 96,8123 94,4109 89,1687 84,4767 81,5723 76,7748 72,5103 68,6944 97,5907 97,5312 97,4342 97,3279
mgA/g töltet min cm3el./mgA 0,4093 0,4184 0,4184 0,4185 0,3900 0,3900 0,3900 0,3900 0,4348 0,4796 0,4796 0,4796 0,4185 0,4185 0,4185 0,4185 0,4378 0,5809 0,5895 0,5895 0,4629 0,4796 0,4796 0,4796 0,3900 0,3900 0,3900 0,3900 0,4666 0,4954 0,5241 0,5526
0,6339 0,6200 0,6201 0,6201 0,6654 0,6654 0,6653 0,6654 0,5968 0,5411 0,5411 0,5411 0,6201 0,6201 0,6201 0,6201 0,5928 0,4467 0,4402 0,4402 0,5606 0,5411 0,5411 0,5411 0,6654 0,6654 0,6654 0,6654 0,5562 0,5238 0,4952 0,4696
40. táblázat A szimulációk eredményei az „A” komponensre nézve
Az 54-57. ábrákon látható a extraktum tisztaság, kihozatal, termelékenység, és eluens fajlagos változása a betáplálás függvényében változó aceton koncentráció mellett az A komponens tekintetében. 98
Az 54. ábrán látható, hogy a nagyobb aceton koncentráció nagyobb „A” tisztaságot eredményez, illetve kisebb aceton koncentrációk esetén a betáplálás térfogatáramának növelésével növelhetı a tisztaság. Az 55., 56. és 57. ábrán az extraktum kihozatal, termelékenység és eluens fajlagos görbéket mutatom be változó aceton koncentráció és különbözı betáplálási sebességek mellett. A szimulációkból kitőnik, hogy a mőveleti paraméterek megválasztásával több lehetséges kombináció van amely a kitőzött raffinátum 99,9%-os tisztaságának és > 90 % kihozatalának is megfelel (kék színnel jelölve 39. táblázat). 100 A komponens kihozatala (%)
A komonenes tisztaság (%)
100 95 D, v/v% aceton DKM-ban
90
30 45 55 60
85 80
1:1:2:0 oszlopkonfiguráció
75 0,50
0,75
1,00 1,25 1,50 F(cm3/min)- DKM RG1040
1,75
54. ábra Extraktum tisztaságának változása a betáplálás változtatásával
D, v/v% aceton DKM-ban
90 80 70 60 50
1:1:2:0 oszlop konfiguráció
40 0,50
0,75 1,00 1,25 1,50 3 F (cm /min)- DKM RG1040
1,75
55. ábra Extraktum kihozatalának változása a betáplálás változtatásával 0,70 Eluenes fajlagos A komponens (cm3 eluens/mgA)
0,60 A komponens termelékenysége (mgA/g töltet min)
30 45 55 60
0,55
D, v/v% aceton DKM-ban 30 45 55 60
0,50 0,45 0,40 0,35
1:1:2:0 oszlop konfiguráció 0,30 0,50
0,75
1,00 1,25 1,50 3 RG1040 F (cm /min)- DKM
1,75
56. ábra Extraktum termelékenységének változása a betáplálás változtatásával
0,65 0,60 0,55 0,50
D, v/v% aceton DKM-ban
0,45
30 45 55 60
1:1:2:0 oszlop konfiguráció 0,40 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 F (cm3/min)- DKM RG1040
57. ábra Eluens fajlagos (SFB) változása a betáplálás változtatásával
Ezek közül a szimulációk közül választottam ki az SMB8/15
OUT jelő szimulációt
laboratóriumi kísérlet céljából. Illetve ehhez kapcsolódóan még két szimulációt és mérést végeztem az extraktum áramának csökkentésével (6,2; 4,2; 2,2 cm3/min, piros színnel jelölve, 41. táblázat) (Függelék 29-30.) ezáltal a felhasznált eluens mennyiségét tudtam csökkenteni. 99
1,75
A 41. táblázat a szimulációk paramétereit, a 42. és 43. táblázat a fajlagosait tartalmazzák.
Átlagos térfogatáramok Azonosító
Extraktum
LROUT
Betáplálás cm / min 2,85 0,80 2,85 0,80 2,85 0,80
Friss oldószer
3
RG1040/SMB8-15 RG1040/SMB8-40 RG1040/SMB8-41
6,20 4,20 2,20
8,25 6,25 4,25
41. táblázat A szimulációk fontosabb mőveleti paraméterei
Eluens Fajlagos LROUT LROUT acetonTermelékenység eluens tisztasága kihozatal Azonosító koncentráció felhasználás mg B/g töltet %(v/v) m/m% % cm3/mg B min RG1040/SMB8-15 55,00 > 99,9 > 99,9 1,075 0,241 RG1040/SMB8-40 55,00 > 99,9 > 99,9 1,081 0,201 RG1040/SMB8-41 55,00 97,41 > 99,9 1,089 0,123 42. táblázat A szimuláció eredményei a „B” komponensre Eluens Fajlagos Extraktum Extraktum acetonTermelékenység eluens tisztasága kihozatal Azonosító koncentráció felhasználás mg A/g töltet %( v/v) m/m% % cm3/mg A min RG1040/SMB8-15 55,00 99,82 87,52 0,419 0,620 RG1040/SMB8-40 55,00 98,89 90,44 0,409 0,474 RG1040/SMB8-41 55,00 98,76 84,89 0,385 0,348 43. táblázat A szimuláció eredményei az „A” komponensre A szimulációs eredményekbıl látható, hogy az RG1040/SMB8-15 és a RG1040/SMB8-40 jelő szimuláció is eleget tesz a követelményeknek (kék színnel jelölve), a harmadik szimuláció, RG1040/SMB8-41 jelő nem teljesíti az elıírt 99,9 % m/m –nál nagyobb raffinátum tisztaságot. Az RG 1040 SMB 8/41 szimuláció esetén azt tapasztaltam, hogy az LROUT és E áramokat frakcionálva, például két-két részre vágva, javítható a tisztaság (58. és 59. ábra).
100
8
90%
7
80%
35
70%
30
60%
25
50%
20
40%
15
30%
10
20%
5
10%
0 540,00
0% 585,00
562,50 Idı (min)
6 5 4 3 2 1 0 540,00
562,50 Idı (min)
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% B komponens 20% A komponens m/m %B 10% 0% 585,00
59. ábra RG1040 SMB8/41 szimuláció
58. ábra RG1040 SMB8/41 szimuláció
Extraktum áram AB komponens
LROUT áram AB komponens
A szimulációk során az LROUT frakciót 540-585 min között megvizsgálva azt látjuk, hogy a 22,5 min kapcsolási idın belül célszerő a frakció „A” komponenssel szennyezett részét elvenni (0-11,25 min), majd a 11,25 – 22,5 min frakciót egyesítve 100 ter% tisztaságú B, kb. 35 g B/dm3 folyadék koncentrációjú raffinátumot lehet nyerni. Ezen utóbbi frakció átlagos aceton összetétele kb. 275 g aceton/dm3 elegy (34,7 %v/v aceton DKM-ban). Az elsı frakció vagy veszteség, vagy recirkuláltatni kell (58. ábra)! Az E extraktum frakció a periódusidı (22,5 min) elsı 3 percében B komponenst tartalmaz. Ha tiszta „A” komponensre van szükségünk, akkor ez a frakció elvehetı. A 3 – 22,5 min közötti frakció 100 ter% tisztaságú A kb. 5,5 g A/dm3 folyadék koncentrációval nyerhetı, melynek aceton tartalma kb. 432 g aceton/dm3 folyadék (54,5 v/v% aceton DKM-ban). Az elsı frakció vagy veszteség, vagy recirkuláltatni kell (59. ábra)! 5.5.1. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén A 44. táblázat a mérések paramétereit, a 45. és 46. táblázat a fajlagosait tartalmazzák.
Átlagos térfogatáramok Mérés azonosító
RG1040/SMB8-15 RG1040/SMB8-40 RG1040/SMB8-41
Extraktum 5,87 4,59 2,62
LROUT Betáplálás 3 cm / min 2,51 0,77 2,58 0,78 2,48 0,77
44. táblázat A mérések fontosabb mőveleti paraméterei
101
Friss oldószer 7,41 6,38 4,15
tisztaság A (m/m %)
100%
3
cA, B (g/dm3)
40
B komponens A komponens m/m %B
cA, B (g/dm )
45
tisztaság B (m/m %)
50
Mérés azonosító RG1040/SMB8-15 RG1040/SMB8-40 RG1040/SMB8-41
LROUT tisztasága
LROUT kihozatala
m/m%
%
99,98 99,98 99,95
85,00 81,02 94,70
Termelékeny- Fajlagos eluens ség felhaszn. mg B/g töltet cm3/mg B min 0,93 0,256 0,86 0,238 0,95 0,118
45. táblázat A mérések eredményei a „B” komponensre:
Mérés azonosító RG1040/SMB8-15 RG1040/SMB8-40 RG1040/SMB8-41
Extraktum tisztasága
Extraktum kihozatala
m/m%
%
71,78 84,08 86,15
54,33 86,23 67,08
Termelékeny- Fajlagos eluens ség felhaszn. mg A/g töltet cm3/mg A min 0,25 0,927 0,40 0,646 0,31 0,213
46. táblázat A mérések eredményei az „A” komponensre A gradiens SMB alkalmazásával, nyitott eluenskör és 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció esetén az extraktum áramának csökkentésével az RG 1040 GSMB 8/41 mérés esetén a „B” komponensre elıírt követelményeket be tudtam tartani (Függelék 31-33.).
Megállapítottam, hogy az optimális mőveleti paraméterek a következık: Betáplálás térfogati sebessége:
F = 0,75 … 0,85 cm3/min
Betáplálás összetétele:
41-42 g B/dm3
Hımérséklet:
20 oC
Eluens:
19-18 g A/dm3 DKM-ben oldva
D = 8,25 – 4,25 cm3/min 55 %v/v aceton–45 %v/v DKM
Ekkor a következı fajlagos eredményeket kaptam: Tisztaság:
B > 99,9 % m/m
Kihozatal:
ηB > 90 %
Termelékenység:
PB = 0,92 – 1,09
Eluens felhasználás:
SFB = 0,27 – 0,123
102
mg B g töltet min
mg friss eluens mg B
5.6. Gradiens SMB kísérletek 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata A vizsgálatot a Pannon Egyetem Vegyipari Mőveletek Tanszékének SMB OUT nevő programjával végeztem el. A szimuláció során megvizsgáltam (Függelék 34-35.), hogy a kapcsolási idı csökkentése, hogy befolyásolja a mőködési paramétereket illetve mekkora termelékenység növekedést okoz a követelmények betartása mellett majd ezek alapján méréseket végeztem (Függelék 36-38.) [95, 96, 97, 98]. 5.6.1. Gradiens SMB szimulációk 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata A rendszerben az optimális áramlási sebességeket a Morbidelli – kritériumok alapján lehet meghatározni. Ezek a következı értékek: – Betáplálás:
F:
0,80
cm3/min
– Extraktum elvét:
E:
2,20
cm3/min
– LROUT elvét:
LROUT: 2,85
cm3/min
– Friss eluens:
S:
4,25
cm3/min
– Recirkuláltatott oldószer:
REC:
0
cm3/min
– Betáplálás összetétele:
cF:
60 g„B”+„A”/dm3 tiszta DKM-ban oldva
A 22,5 perces taktusidıbıl indulva vizsgáltam a taktusidı felét, negyedét, és 9 perces kapcsolási idıvel is végeztem szimulációkat. A 9 perces taktusidejő szimuláció paramétereit szimulációk sorozatával optimalizálva úgy állítottam be, hogy a számunkra támasztott követelményeket kielégítse. A 47. táblázatban a szimulációk során beállított térfogatáram értékek láthatók, a 48. és 49. táblázatban a szimulációk során kapott fajlagos értékek a „B” és az „A” komponensre vonatkozóan.
Szimuláció azonosító SMB8/41 OUT SMB8/42 OUT SMB8/44 OUT SMB8/46 OUT
Oldószer aceton koncentrációja % (v/v)** 55 55 55 55
Kapcsolási idı min 22,5 11,25 5,5 9
*
DKM-ban oldva 41 g B/dm3, 19 g A/dm3
**
Aceton a friss eluensben (S) v/v %-ban DKM mellett
Térfogatáramok Betáplálás (F*) 0,80 1,60 3,20 1,50
Extraktum Friss oldószer (E) (S) cm3 / min 2,20 4,25 4,40 8,50 8,80 17,00 8,50 13,50
47. táblázat A szimulációk paraméterei a kapcsolási idı csökkentése során
103
Emellett a táblázatból az is kiderül, hogy szintén gradienst alkalmaztam, mivel a friss eluens 55 % (v/v) acetont tartalmazott, míg a 60 g/dm3 koncentrációjú belépı szteroid elegyet tiszta diklór-metánban oldottam. B komponens tisztasága % m/m
B komponens kihozatala %
Termelékenység B komponens
Eluens fajlagos B komponens
mg B/g töltet min
cm3eluens/mgB
SMB 8-41 22,5 min
97,4062
> 99,9
1,0892
0,1227
SMB 8-42 11,25min
96,6247
96,4115
2,0379
0,1312
SMB 8-44 5,5 min
97,6668
> 99,9
1,4856
0,1200
SMB 8-46 9 min
99,9914
> 99,9
2,1597
0,1966
Szimuláció
Kapcsolási idı
48. táblázat A kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények a „B” komponensre a szimulációk során A komponens tisztasága % m/m
A komponens kihozatala %
mg A/g töltet min
Eluens fajlagos A komponens cm3eluens/mgA
SMB 8-41 22,5 min
98,7553
84,8891
0,3845
0,3477
SMB 8-42 11,25min
98,5619
86,9231
0,7874
0,3395
SMB 8-44 5,5 min
99,2380
85,0035
0,5150
0,3463
SMB 8-46 9 min
93,4947
98,2557
0,6954
0,6107
Szimuláció
Kapcsolási idı
Termelékenység A komponens
49. táblázat A kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények az „A” komponensre a szimulációk során Termékként a „B” komponens 99,9 m/m% feletti tisztasága és > 90 % kihozatala a cél, ennek csak az SMB8-46 szimuláció felel meg (kék színnel jelölve). 5.6.2. Gradiens SMB mérések 1:1:2:0 oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata Összehasonlításképp mind a négy kapcsolási idıre elvégeztem a laboratóriumi méréseket. Morbidelli háromszögben láthatóak az elvégzett mérések munkapontjai (60. ábra). Látható, hogy a 22,5 min, a 11,25 min és a 5,5 min mérések során a háromszögön kívül, míg a 9 min mérés esetén a háromszög csúcsába helyeztük el a munkapontokat. A mérések során a szimulációknál alkalmazott térfogatáramok beállítására törekedtünk.
104
60. ábra A munkapontok helye a Morbidelli háromszögben a kapcsolási idı csökkentése során A kapcsolási idı (T) csökkentés során az alábbi paraméterekkel végeztem méréseket (50. táblázat). D cm /min
Mérés száma
3
8-41. mérés 8-42 mérés 8-46 mérés 8-44 mérés
22,5 min 11,25 min 9 min*** 5,5 min
4,15 8,47 13,55 14,15
E cm /min 2,62 5,30 7,83 9,67 3
F cm /min 0,77 1,42 1,95 3,19 3
LROUT cm3/min 2,48 4,59 7,67 7,67
50. táblázat A mőveleti paraméterek a kapcsolási idı csökkentésénél a mérések során Az alábbi táblázatokban a mérések során kapott fajlagos eredmények láthatók a „B” és az „A” komponensre (51. és 52. táblázat). Az LROUT áramot, mivel ez tartalmazza a számomra értékes „B” komponenst az elıbbi fejezetben említett okok miatt két részletben győjtöttem, majd a már korábban említett gázkromatográfiás módszerrel vizsgáltuk. Mivel az „A” komponensre nem volt szükségem az extraktum áramot egybe győjtöttem. Mérés száma
Kapcsolási idı Frakció*
8-41. mérés 22.5 min 8-42 mérés 11.25 min 8-46 mérés 9 min*** 8-44 mérés 5.5 min
1, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 2,
B komponens tisztasága
B komponens kihozatala
% m/m 71,4250 99,9500 76,8601 99,2750 96,9552 >99.99 66,9085 95,0720
% 10,6576 94,7000 6,4376 92,8504 6,4601 92,5774 11,4468 78,2013
Termelékenység B komponens mgB/g töltet min 0,1355 0,9500 0,1713 1,9230 0,2265 2,1400 0,3863 2,6393
Eluens fajlagos B komponens cm3el./mgB 0,9633 0,1175 1,5550 0,1220 0,9599 0,1340 1,2210 0,1787
51. táblázat A kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények a „B” komponensre a mérések során 105
Mérés száma
Kapcsolási idı
A komponens tisztasága**
A komponens kihozatala**
% m/m
%
8-41. mérés 22.5 min
86,1553
67,0845
0,3066
0,2129
8-42 mérés 11.25 min
88,9533
53,1725
0,3917
0,2376
8-46 mérés 9 min***
88,8893
68,0588
0,5400
0,2926
8-44 mérés 5.5 min
53,5782
46,0012
0,6600
0,2924
Frakció*
Termelékenység Eluens fajlagos A A komponens** komponens** mgA/g töltet min cm3el./mgA
* 1. A LROUT elsı frakciója "B" veszteség "A" veszteség. 2. A LROUT második frakciója "B" termék. ** A "A" komponens az extraktumban. *** A mérés paraméterei számítógépes szimulációval lettek optimalizálva
52. táblázat A kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények az „A” komponensre a mérések során 5.6.3. A kapcsolási idı csökkentés kísérleti és szimulációs eredményeinek összehasonlítása Megállapítható, hogy a legkedvezıbb eredményt az RG-1040-GSMB 8/46 optimalizált (T = 9 min) mérés adja. A 53. táblázatban a szimulációval együtt adom meg az eredményeket. Látható, hogy az értékek kismértékben térnek el egymástól. Mérés Raffinátum LROUT1 96,96 %m/mB tisztaság (LROUT) LROUT2 > 99,9 %m/mB Extraktum tisztasága 88,89 %m/mA (E) Kihozatal LROUT1 6,46 %B LROUT2 92,6 %B Extraktum 68,1 %A Termelékenység LROUT 2 mg B 2,14 g töltet min Extraktum mg A 0,54 g töltet min Eluens fajlagos LROUT 2 cm 3 friss eluens 0,134 mg B Extraktum cm 3 friss eluens 0,403 mg A
Szimuláció LROUT 1 +LROUT 2 > 99,9 %m/mB 93,5 %m/mA LROUT 1 +LROUT 2 > 99,99 % 98,3 % LROUT 1 +LROUT 2 mg B 2,16 g töltet min Extraktum mg A 0,69 g töltet min LROUT 1 +LROUT 2 cm 3 friss eluens 0,197 mg B Extraktum cm 3 friss eluens 0,61 mg A
53. táblázat Az RG-1040-GSMB 8/46 mérés és szimuláció eredményeinek összehasonlítása
106
A fenti méréssel sikerült a termelékenységet a Preparatív HPLC ipari méréshez képest ~700 %-al növelni (435 g B/kg töltet/nap-ról 3082 g B/kg töltet/nap-ra), míg a friss eluens felhasználást ~50 %-kal csökkenteni (0,354 m3 friss eluens/kg B-rıl 0,134 m3 friss eluens/kg B) (53. táblázat). Az RG-1040 témában végzett mérések eredményei alapján (54. táblázat) megállapítható, hogy > 99,9 %m/m B termék > 90 % B kihozatal esetén elértem a 3,082 kg B/kg töltet/nap termelékenységet 0,134 m3 friss eluens/kg B fajlagos mellett.
A 54. táblázat az összes mérés fontosabb jellemzıit tartalmazza, az 55. táblázat az összes mérés fajlagos eredményeit mutatja a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC méréssel összehasonlítva.
A mérések fajlagos eredményeit diagramos formában is bemutatom, kék színnel kiemelve melyek kielégítik a tisztasági és kihozatali követelményeket és pirossal melyek nem (61.64. ábra). A termelékenységi diagramon látható (63. ábra), hogy a mérések során jelentıs növekedést értünk el, míg az eluens felhasználás során nagymértékő csökkenést (64. ábra).
107
54. táblázat Az RG1040 témában végzett SMB mérések fontosabb mőveleti paraméterei
108
50 aceton 50 DKM
50 aceton 50 DKM
50 aceton 50 DKM 50 aceton 50 DKM
50 aceton 50 DKM
50 aceton 50 DKM
50 aceton 50 DKM
50 aceton 50 DKM
4B 1A
4B 1A
B A B A
4 1 4 1
14 B 6A
14 B 6A
32 B
40 B
SMB 6
SMB 7
DSMB 1
DSMB 2
YMC -S-50 szilikagél
Töltet:
100 DKM
100 DKM
100 DKM
100 DKM
100 DKM
Db= 1cm L=25 cm
18 A
42 B
18 A 42 B 18 A 42 B 18 A
42 B
18 A
42 B
18 A
42 B
10 A
Oszlop:
SMB 8/44
SMB 8/46
SMB 8/42
SMB 8/41
SMB 8/40
SMB 8/15
DSMB 4
DSMB 3
SMB 9
SMB 8
SMB 5
SMB 3
SMB 2
100 DKM
50 aceton 50 DKM 50 aceton 50 DKM 50 aceton 50 DKM 50 aceton 50 DKM
4B 1A 8B 2A 16 B 4A 4B 1A
SMB 1
8A
% v/v
% v/v
45 DKM
55 aceton
45 DKM 55 aceton 45 DKM 55 aceton 45 DKM
55 aceton
45 DKM
55 aceton
45 DKM
55 aceton
50 DKM
50 aceton
50 DKM
50 aceton
50 aceton 50 DKM
50 aceton 50 DKM
45 aceton 55 DKM 55 aceton 45 DKM
40 aceton 60 DKM
70 aceton 30 DKM
50 aceton 50 DKM 50 aceton 50 DKM 50 aceton 50 DKM 60 aceton 40 DKM
Friss eluens
Minta oldószer
Minta g/dm3
RG 1040
9,44
1:1:1:1
1:1:2:0
1:1:2:0
1:1:2:0
1:1:2:0
1:1:2:0
1:1:2:0
1:1:1:1
1:1:1:1
1:1:1:1
14,15
13,55
8,47
4,15
6,38
7,41
8,95
8,47
9,24
9,13
6,79
1:1:1:1
7,21
1:1:1:1
7,44
6,51
1:1:1:1
1:1:1:1
1:1:1:1
6,78
8,85
1:1:1:1
1:1:1:1
9,57
D cm3/min
1:1:1:1
Nyitott eluenskör
Oszlopkonfiguráció
3,19
1,95
1,42
0,77
0,78
0,77
0,73
0,81
1,51
1,47
1,36
1,38
1,27
1,35
1,34
1,5
1,5
1,5
F** cm3/min
0
0
0
0
0
0
2,05
2,1
2,29
2,29
2,29
2,38
2,39
2,27
2,33
2,39
2,23
2,48
R cm3/min
**22,5 min-ra átlagolt érték
9,67
7,83
5,3
2,62
4,59
5,87
5,89
5,76
6,16
5,89
5,86
6,21
6,3
5,56
5,79
6,08
5,89
6,3
E cm3/min
T
5,5
9
11,25
22,5
22,5
22,5
(0-11.25)
22,5*
(0-11.25)
22,5*
22.5* (0-11.25)
22.5* (0-11.25-0)
22,5
22,5
22,5
7,5
7,5
7,5
22,5
22,5
min
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
1-5
bar
Bemenı nyomás
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
°C
Hımérséklet
0 cm3/min 3,02 cm3/min 0 cm3/min 1,62 cm3/min 0 cm3/min 1,46 cm3/min
0-11,25 min 11,25-22,5min 0-11,25 min 11,25-22,5min 0-11,25 min 11,25-22,5min
* A teljes 22,5 minT-idı belül a betáplálás ideje: 0 cm3/min 0-5,6 min 16,85-22,5 min 5,6-16,85min 2,94 cm3/min
7,67
7,67
4,59
2,48
2,58
2,51
1,69
1,3
2,28
2,49
2,38
2,23
2,59
2,39
2,35
2,47
2,23
2,29
LROUT cm3/min
Gradiens SMB + 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció
Dinamikus feed
Gradiens SMB
Izokratikus SMB aceton sajátgradiens
Megjegyzés
Tisztaság (% m/m) A B
RG 1040
Kihozatal (%) A B
Eluens fajlagos (dm3/g) A B
Termelékenység (mg/g min) A B
SMB 1
> 99,9
> 99,9
> 99,9
> 99,9
0,184
0,0466
1,25
4,59
SMB 2
> 99,9
99,50
> 99,9
> 99,9
0,368
0,0933
0,62
2,22
SMB 3
88,20
99,00
99,00
85,79
0,658
0,1933
0,45
1,40
SMB 5
99,88
99,56
99,36
99,73
0,1675
0,042
0,12
5,07
SMB 6
83,80
99,90
99,97
54,91
0,1698
0,0233
1,21
8,78
SMB 7
99,29
69,34
81,30
98,65
0,1298
0,0394
1,80
5,94
SMB 8
> 99,9
> 99,9
> 99,9
> 99,9
0,1738
0,0454
1,39
5,35
SMB 9
> 99,9
> 99,9
> 99,9
> 99,9
0,1855
0,453
1,20
4,81
DSMB 1
87,27
> 99,9
> 99,9
63,00
0,718
0,178
0,40
1,62
DSMB 2
97,80
> 99,9
> 99,9
92,06
1,054
0,273
0,27
1,05
DSMB 3
> 99,9
98,15
98,70
> 99,9
0,906
0,343
0,29
0,78
DSMB 4
91,90
> 99,9
> 99,9
68,26
1,216
2,105
0,23
0,13
SMB 8/15
99,98
71,78
85,00
54,33
0,930
0,250
0,26
0,93
SMB 8/40
99,98
84,08
81,02
86,23
0,860
0,400
0,24
0,65
SMB 8/41
99,95
86,15
94,70
67,08
0,950
0,306
0,12
0,22
SMB 8/42
99,28
88,95
92,85
53,17
1,923
0,392
0,12
0,24
SMB 8/46
> 99,9
88,89
92,58
68,06
2,140
0,540
0,13
0,29
SMB 8/44
95,07
53,58
78,20
46,00
2,639
0,660
0,18
0,29
Prep. HPLC
> 99,9
95,00
0,303
0,35
55. táblázat Az RG1040 témában végzett SMB mérések fajlagosai összehasonlítva a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC méréssel
100
Tisztaság B (m/m%)
80 60 40
G
S
M
B
B
8/
8/
46
44
42 8/ SM G
G
M
SM
B
B
8/
B M S G
P
41
4
3 S D
D
SM
B
B
1 SM
B D
M S D
S
M
B
B
3
2
1 SM
B SM
re
p.
H
PL
C
0
2
R affinátum > 99,9 % m /m B ηB > 90 % R affinátum < 99,9 % m /m B vagy ηB < 90 %
20
61. ábra Különbözı SMB mérések tisztaság adatainak összehasonlítása
109
100
Kihozatal B (%)
80 60 40
Raffinátum > 99,9 % m/m B ηB > 90 % Raffinátum < 99,9 % m/m B vagy ηB < 90
20
B8
/4
/4 SM
B8 G
SM G
SM G
6
4
2 /4
1 B8
SM
G
Pr
B8
/4
B4
3
SM D
D
SM
SM
B
B2
B1 D
ep
D
SM
SM
B3
B2
B1
SM
.H
SM
PL
C
0
62. ábra Különbözı SMB mérések kihozatal adatainak összehasonlítása
Termelékenység B (mg B/g szil.gél min)
3,0
Raffinátum > 99,9 % m /m B ηB > 90 % Raffinátum < 99,9 % m /m B vagy ηB < 90
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
6
4 B8
B8
/4
/4
2
SM
SM
B8
G
G
G
SM
M S
G
P
/4
41 8/ B
SM D
S D
D
B4
3 B M
B SM
SM D
SM
re
p.
2
1 B
B3
2 B SM
H
SM
P
B1
LC
0,0
63. ábra Különbözı SMB mérések termelékenység adatainak összehasonlítása 1 ,4 0
R a ffin á tu m > 9 9 ,9 % m /m B ηB > 90 % R a ffin á tu m < 9 9 ,9 % m /m B v a g y η B < 9 0
(cm eluens/mg B)
1 ,0 0 0 ,8 0 0 ,6 0
3
Eluens fajlagos B
1 ,2 0
0 ,4 0 0 ,2 0
S G
S
M
M
B
B
8/
8/
46
44
42 8/ G
G
S
M
B S
M
B
8/
B M S D
S D
G
P
41
4
3 M
B M D
S
M S D
B
2
1 B
3 M S
S
M
B
B
2
1 B M S
re
p.
H
P
LC
0 ,0 0
64. ábra Különbözı SMB mérések eluens felhasználás adatainak összehasonlítása
110
Összefoglalás Dolgozatom célja egy szteroid elegy két komponensének elválasztása szimulált mozgóréteges kromatográfiás (SMB) módszerrel, mely során a kevésbé kötıdı „B” komponenssel szembeni követelmény a 99,9 m/m % -nál nagyobb tisztaság és 90 %- nál nagyobb kihozatal elérése. Ismertettem az SMB szimulációkat és méréseket megelızı kísérleti eredményeket (például adszorbens
vizsgálat,
Langmuir
állandók,
NTP-HETP
meghatározása,
frontális
adszorpciós-elúciós mérés, melyre szintén szimulációt illesztettem) melyeket mind a szimulációk mind a mérések során felhasználtam illetve alkalmaztam. A különbözı SMB módszerek alkalmazását öt fejezetre bontottam. Kezdeti szimulációkkal megállapítottam a számomra legkedvezıbb mérési paramétereket, térfogatáramokat mind a termék
követelményeire,
mind
a
mérés
gazdaságos
mőködésére
(maximális
termelékenység, minimális eluens felhasználás) vonatkozóan. •
Az elsı részben a szétválasztandó szteroid elegy betáplálási koncentrációját növeltem szimulációk és mérések során a termelékenység növelése céljából. A szimulációk során a szétválasztandó RG-1040 számú A, B szteroid keverék összkoncentrációját növelve 10,…, 50 g/dm3 tartományban azt tapasztaltuk, hogy a Morbidelli tartomány jelentısen megváltozik, 50 g/dm3 betáplálási koncentráció esetén csökkenteni kell a betáplálás eredeti térfogati sebességét 1,5 cm3/min-rıl 0,5 cm3/min–re, hogy a munkapont a Morbidelli háromszögön belül helyezkedjen el, ezáltal mindkét komponenst tisztán tudjuk kinyerni. A preparatrív HPLC módszerhez képest a termelékenységet körülbelül kétszeresére növeltük 530,3 mg B/g szilikagél nap értékrıl 884,8 mg B/g szilikagél nap értékre, az eluens felhasználás pedig csökkent 0,62 cm3 eluens/ mg B értékrıl 0,37 cm3 eluens/ mg B értékre. A mérések során a betáplálási koncentrációt növelve cF= 0, 5, 10, 20 g/dm3-re a megfelelıen beállított térfogati sebességek esetén, az SMB1 és SMB 2 mérésnél a számunkra elıírt 99,9 % m/m –nál tisztább szteroid terméket kaptunk 99,9 %–nál nagyobb kihozatallal. A termelékenység az SMB 2-es mérés esetén a kétszeresére nıtt 265,0 mg B /g szilikagél nap-ról 529,9 mg B /g szilikagél nap-ra , míg az eluens felhasználás a felére csökkent 1,248 cm3 eluens/mg B-rıl 0,623 cm3 eluens/mg B-re. Az SMB 3-as mérés esetén a munkapont a Morbidelli háromszög
111
feletti tartományba esett, így tiszta extraktumot („A” komponens) és 88 % m/m tisztaságú raffinátumot („B” komponens) kaptunk. •
A
gradiens
SMB
vizsgálatakor
a
kapott
szimulációs
eredményekbıl
megállapítható, hogy az aceton koncentráció friss eluensben történı növelésekor a raffinátumban kis mértékben csökken a „B” komponens tisztasága az egyre könnyebben deszorbeálódó „A” komponens megjelenése miatt. A kihozatal a „B”re nézve kismértékben növekszik a gradiens alkalmazásakor, a termelékenység és a fajlagos eluens felhasználás gyakorlatilag nem változik. A másik oldalról vizsgálva a problémát látható viszont, hogy az eredeti cél (min. 99,9 %-os tisztaság a raffinátumban) 65 % v/v-os aceton diklór-metánban koncentráció felett már nem teljesíthetı. A fenti SMB rendszer az aceton mennyiségének növelését eddig a határig teszi lehetıvé. Az aceton koncentráció csökkentése során mindkét komponensre nı a fajlagos eluens igény, csökken a termelékenység és a kihozatal. A raffinátum tisztasága javul, de a kulcskomponens („B”) kihozatala 30 %(v/v) alatti aceton koncentráció esetén már nagyon csökken. A vizsgálat második részének eredménye az a megállapítás, miszerint a csökkenı aceton koncentráció, mint változtatott paraméter-érzékenység vizsgálatakor a rendszer robosztusan viselkedik egészen a 30 % v/v aceton - 70 % v/v diklór-metán összetételig. A gradiens SMB méréseket a 40, 45, 50, 55, 60 és 70 (v/v) %-os aceton tartalmú (diklór-metánban) friss eluens oldószerekkel vizsgáltam. A gradiens SMB mérési eredményeket összehasonlítva a szimulációs eredményekkel megállapítható, hogy a mőszaki optimumnak tekinthetı tartomány az 45-55 % v/v aceton – 55-45 % v/v diklór-metán oldószerösszetétel, mivel ebben a tartományban a „B” komponensre elıírt követelmények megfelelıek és a termelékenységnek maximuma, az eluens felhasználásnak minimuma van. Az SMB mővelet esetén az oszlopok hossza mentén aceton gradienst észleltem, zárt eluenskörő, kvázi-stacioner esetben, melyet az SMB rendszer „saját gradiensének” neveztem el . Az általunk felismert zárt eluens körő SMB mővelet esetén létezı „saját gradiens” jelenségét ezideig a szakirodalomban nem írták le.
112
•
A Dinamikus SMB vizsgálatakor négy szimulációt és mérést végeztem. A kiindulási szimuláció és mérés esetén a betáplálás sebessége 1,5 cm3/min, koncentrációja 20 g/dm3 volt. Elsı esetben a periódus közepén T/4 és 3T/4 között T/2 ideig emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3,0 cm3/min, 20g/dm3). A második esetben a periódus második felében T/2 után T/2 ideig emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3,0 cm3/min, 20g/dm3). A harmadik esetben a periódus felétıl T/2 után T/2 ideig emeltem kétszeresére a betáplálás koncentrációját (1,5 cm3/min, 40g/dm3). A negyedik esetben szintén a periódus második felétıl T/2 után T/2 ideig növeltem a betáplálás koncentrációját a termelékenység illetve kihozatal adatok növelése érdekében (1,5 cm3/min, 50g/dm3). A harmadik mérési esetben (DSMB3) nagyon kedvezı eredményeket kaptunk. Az eredeti 20 g/dm3 koncentrációjú SMB3 mérés során 88,2 m/m %-os tisztaságú raffinátumot (B) kaptunk, ez az eredmény a harmadik esetben > 99,9 m/m % értékre javult. A különbözı SMB módszerek (dinamikus SMB) alkalmazásával a szétválasztandó elegy (80%m/m B, 20%m/m A) mennyiségét meg tudtuk növelni (20 → 40 g/dm3) amellett, hogy a számunkra elıírt tisztasági és kihozatali követelményeket be tudtuk tartani (> 99,9 m/m% B tisztaság, 98,7 % B kihozatal, 1304 mg B/g szilikagél nap és az eluens fajlagos értéke 0,294 cm3 eluens/mg B).
•
A gradiens SMB, 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció alkalmazásakor a szimulációk során megvizsgáltam a különbözı friss oldószer aceton koncentrációk 30, 45, 55, 60 % v/v, és különbözı betáplálási sebességek hatását (0,75; 0,80; 0,85; 0,90; 0,95; 1,00; 1,25; 1,50 cm3/min) a szétválasztás eredményeire vonatkozóan 60 g szteroid/dm3 diklórmetán betáplálási koncentráció esetén. A szimulációk során megállapítottam az optimális mőveleti paramétereket, melyek a betáplálás térfogati sebessége F = 0,75 … 0,85 cm3/min, a betáplálás összetétele 60 g szteroid/dm3 diklór-metán, a friss eluens D = 8,25 – 4,25 cm3/min 55 % v/v aceton–45 % v/v DKM, mely paraméterekkel az elıírt követelményeket teljesítettem (> 99,9 m/m% B tisztaság, > 90 % B kihozatal, 1325-1570 mg B/g szilikagél nap és az eluens fajlagos értéke 0,270,123 cm3 eluens/mg B). Az extraktum áramának csökkentésével (6,2; 4,2; 2,2 cm3/min) három szimulációt és mérést végeztem, melyek jó egyezést mutatnak. Szimuláció során az elsı kettı a mérés során pedig az RG 1040 SMB 8/41 jelő az, amely a „B” komponensre elıírt követelményeket kielégíti (a tisztaság 99,95 m/m%, a kihozatal 94,70 %, a 113
termelékenység 1368 mg B/g szilikagél nap, az eluens fajlagos értéke 0,118 cm3 eluens/mg B), a másik két mérés esetén csak a tisztaságra elıírt követelmények teljesültek a kihozatalra nem. •
A gradiens SMB, 1:1:2:0 oszlopkonfiguráció, kapcsolási idı csökkentés vizsgálatakor a 22,5 perces taktusidıbıl kiindulva vizsgáltam a taktusidı felét (11,25 min), negyedét (5,5 min), és 9 perces kapcsolási idıvel is végeztem szimulációkat és méréseket. A 9 perces taktusidejő szimuláció paramétereit szimulációk sorozatával optimalizáltam,
hogy
a
számomra
támasztott
követelményeket
kielégítse.
Megállapítható, hogy a legkedvezıbb eredményt, amely megfelel a követelményeknek az RG-1040-GSMB 8/46 optimalizált (T = 9 min) mérés és szimuláció adja. A szimulációk és a mérések
jó egyezést mutatnak. Ez a mérés ipari realizálásra
alkalmas, mivel sikerült a termelékenységet a Prep HPLC ipari méréshez képest ~700 %-al növelni (435 g B/kg töltet/nap-ról 3082 g B/kg töltet/nap-ra), míg a friss eluens felhasználást ~50 %-kal csökkenteni (0,354 m3 friss eluens/kg B-rıl 0,134 m3 friss eluens/kg B), az elıírt követelmények betartása mellett.
114
Jelölésmagyarázat Nagybetük Bf: folyadék térfogati sebessége [cm3/perc] D: az összes eluens térfogati sebessége [cm3/min] E: az extraktum térfogati sebessége [cm3/min] F: a betáplálás térfogati sebessége [cm3/perc] K: a k-adik komponens megoszlási hányadosa az állóés mozgófázis között [ cm
3
szabadtérf ogati folyadék
]
cm 3 szilárd szilikagél
L: az oszlop hossza [cm] PB: az eljárás termelékenysége a „B”-re nézve [mg B/g töltet·perc] PA: az eljárás termelékenysége az „A”-ra nézve [mg A/g töltet·perc] R: a raffinátum térfogati sebessége [cm3/perc] RS: felbontás [dimenziómentes] REC: a recirkuláltatott eluens térfogati sebessége [cm3/min] S: Friss eluens térfogati sebessége [cm3/min] S BF : A „B”-re vonatkoztatott eluensfajlagos [cm3 eluens/mg B termék] S AF : Az „A”-ra vonatkoztatott eluensfajlagos [cm3 eluens/mg A termék] Tl: léptetési idı [min] VO : a holtidıhöz tartozó retenciós térfogat [cm3] Vd: holttérfogat [cm3] Vf: az áttörési görbe inflexiós pontja[cm3] V N : a komponens nettó retenciós térfogata [cm3]
VR : a bruttó retenciós térfogat [cm3] Vsp: töltettérfogat a kolonnában [cm3] Kisbetük c: a k-adik komponens koncentrációja a mozgófázisban [mg/cm3] ca: kezdeti oldatkoncentráció [mg/cm3] cb: lépcsızetesen megnövelt oldatkoncentráció [mg/cm3] cBR : átlagos „B” koncentráció a raffinátumban [mg/cm3] c AR : átlagos „A” koncentráció a raffinátumban [mg/cm3] 115
cBE : átlagos „B” koncentráció az extraktumban [mg/cm3] c AE : átlagos „A” koncentráció az extraktumban [mg/cm3]
c F : a betáplálás koncentrációja [mg/cm3] cBF : a „B” koncentráció a betáplálásban [mg/cm3] c AF : az „A” koncentráció a betáplálásban [mg/cm3] db: az oszlop belsı átmérıje [cm] 3 k ' : kapacitásfaktort vagy retenciós faktort [ cm szabadtérf ogati folyadék ]
cm 3 szilárd szilikagél
q: a k-adik komponens koncentrációja az állófázisban [mg/g vagy mg/cm3 szilárd fázis] q (ca): a ca koncentrációjú oldattal egyensúlyban lévı szilárdfázisbeli koncentráció [mg/cm3] q (cb): a cb koncentrációjú oldattal egyensúlyban lévı szilárdfázisbeli koncentráció [mg/cm3]
t R : a bruttó retenciós idı [perc] t O : a holtidı, vagyis a nem kötıdı komponens áthaladási ideje az oszlopon [perc]
t' R : a komponensnek az állófázison való tartózkodási ideje [perc] u ck a folyadékelem lineáris haladási sebessége az oszlopban [cm/perc] v: a mozgófázis lineáris áramlási sebessége [cm/perc] v0: az oszlopban mérhetı üres térfogati sebesség [cm/perc] vsz: adszorbeált fázis áramlási sebessége [cm/perc] y BR , y AE : a „B” illetve az „A” komponens raffinátumbeli tisztasága [m/m%]
Görög betők α12 , α BA : a két komponens elválasztási tényezıje [dimenziómentes] ε: szabadtérfogati tényezı [dimenziómentes] ηB%, ηA%: a „B” illetve „A” komponens kihozatala [%] ρh: a töltet halmazsőrősége [g/cm3] σ: az adott komponens kromatográfiás sávjának szórása a retenciós idejéhez képest [perc]
Jelölések A, B, C: van Deemter egyenlet állandói [cm], [1/perc], [perc] HETP: az elméleti tányérmagasság [cm] N: a rendszer oszlopainak száma NTP: az elméleti tányérszám [dimenziómentes]
116
Irodalomjegyzék [1] Markó L.-Farády L.: Szerves kémia II., Veszprémi Egyetemi Kiadó, 1987 [2] A rétegkromatográfia zsebkönyve , Mőszaki könyvkiadó, 1979 [3] Szepesy L.: Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia elmélete, gyakorlata, BME MTI Budapest 1986 [4] D.T. Day: Proc. Am. Phil. Soc. 36,112 (1897) [5] M. Tswett: Ber. Deut. Botan. Ges. 21, 316 és 318 (1906) [6] Kuhn, Winterstein, Lederer: Hoppe-Seylers’ Z. Physiol. Chem. 197, 158 (1931) [7] L. Zechmeister, L. Cholnoky: Die chromatographische Adsorptionsmethode, Springer, Wien, 1936. [8] Kroeff, Owens, Campbell, Johnson, Marks: J. Chromatogr. 161, 45 (1989) [9] Bonnerjea, Hoare, Dunnill: Biotechnol. 1 (11) 954 (1986) [10] J.X. Huang, G. Guiochon: Bio Chromatography 3,140 (1988) 912, 431 (1989) [11] J.X. Huang, G. Guiochon: J. Chromatogr. 912, 431 (1989) [12] Fekete J.: Folyadékkromatográfia, Jáva-98 Kft. Budapest 2003 [13] Szánya T., Hanák L.: Preparatív folyadékkromatográfia, Szakmérnöki jegyzet, 2000 [14] Kristóf J. dr.: Kémiai analízis II., (Nagymőszeres analízis),Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, 2000 [15] Szepesy L., Békássy S.: Magyar Kémikusok Lapja 2. (1992) [16] M. Verzele, M. De Coninck., J. Vindevogel, C. Dewaele: J. Chromatogr. 450, 47. (1988) [17] G. Guiochon, A. Katti: Chromatographia 24, 165. (1987) [18] J.W. Little, R.L. Cotton, , J.A. Pendergast, , P.D. McDonald: J. Chromatogr. 126, 439. (1976) [19] E. Godbille, P. Devaux: J. Chromatogr. Sci. 12, 565. (1974) [20] H. Colin, P. Hilaireau, J. de Tournemire: LC-GC Intl. 3. (4), 40. (1990) [21] Szánya T., Hanák L.: Szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia (SMB), Szakmérnöki jegyzet, Veszprémi Egyetem (2001). [22] U.S. Patent No. 2.985.589 (1961) a UOP (Universal Oil Products Company) [23] C.M. Grill, L. Miller, T.Q. Yan: J. Chromatogr., A 1026 (2004) 101-108 [24] L. Miller, C. Grill, T. Yan: J. Chromatogr., A 1006 (2003) 267-280 [25] M. Juza, M. Morbidelli, M. Mazotti: Trends Biotechnol. 18 (3) (2000) 108-118 [26] M. Schulte, J. Strube: J. Chromatogr., A 906 (2001) 399-416 [27] E. Cavoy, M.-F. Deltent, S. Lehoucq, D. Miggiano: : J. Chromatogr., A 769 (1997) 49-57 117
[28] E.R. Francotte, P. Richert: : J. Chromatogr., A 769 (1997) 101-107 [29] S. Khattabi, D.E. Cherrak, K. Mihlbachler, G. Guiochon: : J. Chromatogr., A 893 (2000) 307-319 [30] O. Ludemann-Hombourger, G. Pigorini, R.M. Nicoud, D.S. Ross, G. Terfloth: J. Chromatogr., A 947 (2002) 59-68 [31] K.B. Lee, C.Y. Chin, Y. Xie, G.B. Cox, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. (2004) [32] M.A.G. Santos, V. Veredas, I.J. Silva, C. R. D. Correia, L. T. Furlan, C. C. Santana: Braz. J. Chem. Eng. 21 (1) (2004) 127-136 [33] G. Biressi, F. Quattrini, M. Juza, M. Mazzotti, V. Schurig, M. Morbidelli: Chem. Eng. Sci. 55 (2000) 4537-4547 [34] A. Depta, T. Giese, M. Johannsen, G. Brunner: 865 (1999) 175-186 [35] M. Johannsen, D. Peper, A. Depta: J. Biochem. Biophys. Methods 54 (2002) 85-102 [36] G. J. Rossiter, K. Keene, D. Paradis, S. Pease: Continuous process separation: chiral and chromatographic with CSEP and ISEP, PREP97, Washington DC (1997) [37] H. J. Lee, Y. Xie, Y, M. Koo, N.-H.L. Wang: Biotechnol. Prog. 20 (2004) 179-192 [38] Y. Xie, D. Wu, Z. Ma, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 39 (2000) 1993-2005 [39] Y. Xie, C. A. Farrenburg, C.Y. Chin, N.-H.L. Wang: AIChE J. 49 (2003) 2850-2863 [40] N. Gottschlich, S. Weidgen, V. Kasche: J. Chromatogr., A 719 (1996) 267-274 [41] E. Küsters, C. Heuer, D. Wieckhusen: J. Chromatogr., A 874 (2000) 155-165 [42] C. A. Farrenburg, N.-H.L. Wang, Y. Xie, B. J. Hritzko: US Patent Application 2003/0229213 (2003) [43] U. Voight, J. Kinkel, R. Hempel, R.-M. Nicoud: US Patent 6,306,603 (2001) [44] S.-Y. Mun, Y. Xie, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 42 (2003) 3129-3143 [45] S.-Y. Mun, Y. Xie, N.-H.L. Wang: AIChE J. 49(8) (2003) 2039-2058 [46] S.-Y. Mun, Y. Xie, J.-H. Kim, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 42 (2003) 19771993 [47] N.-H.L. Wang, Y. Xie, S.-Y. Mun: US Patent Application 2003/0216543 (2003) [48] Y. Xie, S.-Y. Mun, J.-H. Kim, N.-H.L. Wang: Biotech. Prog. 18 (2002) 1332-1344 [49] Y. Xie, S.-Y. Mun, C.Y. Chin, N.-H.L. Wang: Simulated moving bed technologies for producing high purity biochemicals and Pharmaceuticals. In: N. H.-C.Hwang, S. L.-Y. Woo, Eds. New Frontiers in Biomedical Ehgineering. New York: Kluwer Academic Publishers (2003) [50] Y. Xie, S.-Y. Mun, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 42 (2003) 1414-1425
118
[51] T. Szánya, A. Aranyi, S. Kováts, J. Argyelán, L. Hanák: Mathematical modelling of simulated moving bed chromatography, PREP 2001, International Symposium, Washington DC [52] C. Migliorini,; M. Mazzotti,; M. Morbidelli: J. Chrom. A 827:2 161 (1998) [53] D. A. Firoz, O. Dapremont: Workshop on Simulated Moving Bed Chromatography, PREP 2004, International Symposium, [54] C. Migliorini, M. Wendlinger, M. Mazzotti, M. Morbidelli: Ind. Eng. Chem. Res. (2001) 40, 2606-2617 [55] Snyder-Kirkland: Bevezetés az intenzív folyadékkromatográfiába, New York, (1988) [56] T. Jensen, T. Reijns, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 873 (2000) 149-162 [57] J. Houwing, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 944 (2002) 189-201 [58] J. Houwing, S. Hateren, H. Billiet, L. Wielen: J. Chrom. A 952 (2002) 85-98 [59] S. Abel, M. Mazzotti, M. Morbidelli: J. Chromatogr. A 944 (2002) 23-29 [60] O. Giovanni, M. Mazzotti, M. Morbidelli, F. Denet, W. Hauck, R. Nicoud: J. Chrom. A 919 (2001) 1-12 [61] D. Antos, A. Morgenstern: J. Chrom. 944 (2002) 77-91 [62] D. Antos, A. Morgenstern: Chem. Eng. Science 56 (2001) 6667-6682 [63] W. Hauck, O. Ludemann-Hombourger, R.M. Nicoud, O. Di Giovanni, M. Mazzotti, M. Morbidelli, PREP 2001 14th International Symposium Exhibit & Workshop on PREPARATIVE/PROCESS CHROMATOGRAPHY, Washington, DC. USA [64] D. Beltscheva, P. Hugo, A. Seidel-Morgenstern: J. Chromatogr. A 989 (2003) 31-45 [65] G. Ziomek, M. Kaspereit, J. Jezowski, A. Seidel-Morgenstern, D. Antos: J. Chrom. A 1070 (2005) 111-124 [66] US Patent 5,578,215 (1996) [67] M.M. Kearney, K.L. Hieb:US Patent 5 102 553, (1992). [68] E. Kloppenburg, E.D. Gilles: Chem. Eng. Technol. 70(12):1526-1529, (1998). [69] M. Morbidelli, M. Mazotti: PREP, 15th International Symposium on Preparative/Process Chromatography, Ion Exchange, Adsorption/Desorption Processes and Related Separation Techniques, Washington DC, USA, June 16-19 (2002), Book of Abstracts, L-201, 53 [70] Y. Zang, P.C. Wankat, Ind. Eng. Chem. Res. (2002), 41, 2504 [71] Z. Zhang, M. Morbidelli, M. Mazzotti: AIChE J. (2004) Vol. 50 N°3 [72] H. Schramm, A. Kienle, M. Kaspereit, A. Seidel-Morgenstern: Patentanmeldung DE 102 35 385.9, (2002). 119
[73] M. Mazotti, G. Storti, M. Morbidelli, J. Chromatogr., A 769, (1997) 3. [74] F. Charton, R.M. Nicoud, J. Chromatogr., A 702 (1995). [75] G. Biressi, O. Ludemann-Hombourger, M. Mazotti, R.M. Nicoud, M. Morbidelli: J. Chromatogr., A (2000), 876, 3. [76] A. Nicolaos, L. Muhr, P. Gotteland, R.-M. Nicoud, M. Bailly: J. Chromtogr. A, 908 (2001) 87-109 [77] L. O. Stine, D. J. Ward: Simulated moving bed reaction process. US Patent 4,028,430 (1977) [78] D. C. S. Azevedo, A. E. Rodrigues: Chem. Eng. J. 82 (2001) 95-107 [79] H. Lorenz, P. Sheehan, A. Seidel-Morgentern: J. Chromtogr. A, 908 (2001) 201-214 [80] http://www.groupenovasep.com /2005 [81] http://www.knauer.net
/2005
[82] http://www.astecusa.com
/2005
[83] Tibor Szánya, Antal Aranyi, Sándor Kováts, János Argyelán, László Hanák, Melinda Nagy, Zoltán Molnár:
SPICA 2002 9th International Symposium on Preparative and
Industrial Chromatography and Allied Techniques, 2002 Heidelberg/Germany [84] Tibor Szánya, Antal Aranyi, Sándor Kováts, János Argyelán, László Hanák, Melinda Nagy, Zoltán Molnár: PREP – 2003 16th International Symposium, Exhibit, Workshops on Preparative / Process Chromatography [85] Nagy M., Molnár Z., Szánya T., Hanák L., Argyelán J., Ravasz B., Turza G., Aranyi A., Temesvári K.: Magyar Kémiai Folyóirat 111-2 (2005) 88-91 [86] Z. Molnár, M. Nagy, A. Aranyi, L. Hanák, T. Szánya, J. Argyelán: Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 32. pp. 13-21 (2004) [87] Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, Argyelán János, Ravasz Bernadett, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina: Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2003. [88] M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. Argyelán, T. Szánya, B. Ravasz, A. Aranyi, K. Temesvári: CHROMATOGRAPHIA, 60 (2004) 181-187 [89] Z. Molnár, M. Nagy, A. Aranyi, L. Hanák, J.Argyelán, I. Pencz, T. Szánya: Journal of Chromatography A, 1075, 1-2 (2005), 77-86 [90] M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. Argyelán, T. Szánya, A. Aranyi, K. Temesvári: Sixth International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe and the Commonwealth of Independent States, Prague, 2003
120
[91] M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. Argyelán, T. Szánya, A. Aranyi, K. Temesvári: 5th Balaton Symposium on High – Performance Separation Methods held in Siófok, Hungary, 2003 [92] Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, Argyelán János, Ravasz Bernadett, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina: Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2004 [93] M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. Argyelán, T. Szánya, B. Ravasz, G. Turza, A. Aranyi, K. Temesvári: Hungarian Journal of Industrial Chemistry 32 (2004) 23-31 [94] Z. Molnár, M. Nagy, L. Hanák, T. Szánya,J. Argyelán: CHROMATOGRAPHIA, 60 (2004) 75-80 [95] 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 34 (2006) 21-26 [96] K. Temesvári, A. Aranyi, Z. Horváth, M. Nagy, T. Szánya, L. Hanák, J. Argyelán, and Z. Horváth: Hungarian Journal of Industrial Chemistry 34 (2006) 15-20 [97] Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, Argyelán János, Ravasz Bernadett, Turza Gergely, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina: Elválasztástudományi Vándorgyőlés, Hévíz 2004 [98] Tibor Szánya, Antal Aranyi, Melinda Nagy, László Hanák, Zoltán Molnár,
János
Argyelán, Krisztina Temesvári: PREP – 2005 18th International Symposium, Exhibit, Workshops on Preparative / Process Chromatography, 2005, USA Szabadalmak [99] Szánya Tibor, Hanák László, Kozma Gábor, Németh Attila, Fónagy László, Kardos Zsuzsanna, Szabó Tibor, Vajda Ervin, Horváth Géza, Szabóné Ravasz Bernadett, Strbka Andrásné, Nagy Melinda, Molnár Zoltán: P 05 01144/2005 Eljárás optikai izomerek folyadékkromatográfiás elválasztására Magyar szabadalmi bejelentés [100] Szánya Tibor, Hanák László, Kozma Gábor, Németh Attila, Fónagy László, Kardos Zsuzsanna, Szabó Tibor, Vajda Ervin, Horváth Géza, Szabóné Ravasz Bernadett, Strbka Andrásné,
Nagy
Melinda,
Molnár
Zoltán:
WO
2007/066160
A1
PCT/HU/2006/000105 Process for separation of optical isomers of Corey lactone Nemzetközi szabadalmi bejelentés
121
Tézisek 1. tézis A szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiás mővelet különbözı módszereit tanulmányoztam, különös tekintettel a változó eluens összetételő SMB módszerre. Mindegyik módszer során az optimális mőveleti paraméterek megállapítása volt a cél, melyek az ipari követelményeknek megfelelnek („B” komponens tisztasága >99,9 % m/m, „B” komponens kihozatala > 90 %). A mővelet végrehajtására kézi vezérléső négy oszlopos SMB berendezést terveztem és készíttettem. A méréseket egy olyan kétkomponenső, nem izomer szteroid keverék esetében végeztem el, ahol a komponensek aránya „B:A” 80:20 m/m% volt.
2. tézis Munkám elsı lépéseként illetve a készülék üzembe helyezéseként a szétválasztandó „A, B” szteroid keverék betáplálási koncentrációját növelve azt tapasztaltam, hogy a koncentrációfüggı Morbidelli háromszög jelentısen módosul (szőkül). Nagyobb betáplálási koncentráció esetén csökkenteni kell a betáplálás térfogati sebességét, hogy a munkapont a Morbidelli háromszögön belül helyezkedjen el és így mindkét komponens tisztán kinyerhetı legyen. Az elsı SMB kísérletek alapján megállapítottam, hogy a mért és az alkalmazott szimulációs modellel kapott eredmények igen jó egyezést mutatnak, így a modell jól használható a további feladatok megoldásához. 3. tézis A szimulációs vizsgálatok eredményei alapján kiválasztott kísérletek során a változó eluens összetételő azaz gradiens SMB mővelet vizsgálatakor megállapítottam, hogy a friss eluens összetételét
változtatva mely oldószer összetétel tartomány tekinthetı mőszaki
optimumnak. A kísérletek alapján a következı tapasztalatokat vontam le: 3.1. Az aceton koncentráció növelése (diklór-metán mellett a friss eluensben (D) a szétválasztandó elegy (F) aceton összetételéhez képest) a Morbidelli tartományok (háromszög) mozgását eredményezi. Aceton koncentráció növelésével a Morbidelli háromszög
az mIII = (y),
mII = (x) diagramon az y = x diagonális mentén az origó y = x = 0 felé mozdul el. Az aceton koncentráció csökkentésével a háromszög mozgása ellentétes irányú.
122
A munkapontnak (mII, mIII) a tartományok mozgása miatt nem kell szükségképpen a háromszögön belül lennie. Ekkor is elérhetı, hogy a terméktisztaság nagyobb, mint 99,9 % m/m „B” és a „B” komponens kihozatala nagyobb, mint 90%. 3.2. A megemelt koncentrációjú aceton segíti az „A” komponens deszorpcióját az I. szegmensben. A friss eluens (minimális) mennyisége (Dmin)10-20 %-kal csökkenthetı az izokratikus esethez képest. 3.3. A gradiens kialakításakor a komponensek oldhatósági adatára is tekintettel kell lennünk. Például RG-1040 komponensek diklór-metánban igen jól oldódnak, míg acetonban rosszul oldhatók. 3.4. SMB szeparáció (zárt kör) esetén az oszlopok I., II., III., IV. hossza mentén jelentıs aceton koncentráció eloszlás alakul ki a kapcsolás elıtt, melyet az aceton „saját gradiensének” neveztem el. Az általam felismert zárt eluens körő SMB mővelet esetén létezı „saját gradiens” jelenségét ez ideig a szakirodalomban nem írták le. 4. tézis A gradiens SMB
vizsgálata mellett lehetıségem nyílt egyéb SMB technikákat is
tanulmányozni. 4.1. A modulált betáplálás (dinamikus SMB) alkalmazásával, azaz a szétválasztandó elegy betáplálási térfogati sebességének idıbeli változtatásával javítható a raffinátum, illetve extraktum összetétel. Ezzel a módszerrel egyrészt a bevitt anyag mennyiségét meg tudtam növelni, másrészt az eddigi mérésekhez képest jelentıs termelékenység növekedést és eluens fajlagos csökkenést értem el. 4.2. Az eddigi
SMB szeparációk során, illetve a számítógépi szimulációk eredményei alapján
megállapítottam, hogy a körülbelül 4:1 = B:A arányú keverék és KB < KA reláció miatt a B komponensnek „a lehetı legnagyobb helyet” kell biztosítani az oszlopok (szegmensek) hossza mentén. Négy szegmenses rendszerben erre lehetıség van úgynevezett 1:1:2:0 = I:II:III:IV oszlop (szegmens) konfigurációjú, nyitott eluenskörő SMB mővelet kialakításával.
123
Ez az oszlopkonfiguráció leegyszerősíti a mőveletet, mert nincs eluens recirkuláció, így a paramétereknek egy Morbidelli-kritériummal kevesebbnek kell megfelelnie. További elınye, hogy csak három szivattyú szükséges a mőködtetéshez. Az extraktum áramának csökkentésével sikerült a termelékenység megtartása mellett a felhasznált eluens mennyiségét csökkentenem.
4.3. Végsı feladatként a kapcsolási idı csökkentését vizsgáltam az elıírt követelmények betartása és a fajlagosok javítása mellett. Ennek eléréséhez figyelni kell a munkapont elhelyezkedésére. A kapcsolási idı csökkentésével a „B” komponensre a termelékenységet hétszeresére tudtam növelni míg a friss eluens felhasználást a felére csökkenteni mind a peparatív HPLC méréshez, mind a többi SMB méréshez képest.
124
Theses Thesis 1 I studied different methods of the simulated moving bed preparative chromatography, focusing on the solvent compound changing SMB method. In case of each method the goal was to define the optimal operational parameters, which met the industrial requirements (purity of the component „B” >99,9 % m/m, yield of the component „B” > 90 %). To accomplish the process I planned a manually operated four-column SMB equipment and had it constructed. During the separation I used a non-isomer steroid mixture, where the composition of the compounds were “B:A” 80:20 m/m%.
Thesis 2 In the first step and during the equipment set in operation I increased the feed concentration of the steroid mixture, and I observed that the concentration dependent Morbidelli-triangle was modifying significantly (narrowing). Using higher feed concentration it was necessary to decrease feed flow rate for positioning the work point inside the Morbidelli-triangle, and for obtaining both components pure. The first SMB experimental data were compared to the results of computer simulation and agreed well with each other. The consequence is that the simulation model proved to be applicable for further process design.
Thesis 3 I selected a few experiments according to the results of the simulation and determined the technical optimum in gradient SMB method, changing the fresh eluent compounds concentration. According to the experiments I drew the next conclusions:
3. 1. Increase of the acetone concentration results the movement of the Morbidelli-triangle. The increasing concentration of the acetone moves the Morbidelli-triangle on the mIII = (y), mII = (x) diagram toward to the origo (y =x=0), along the diagonal y =x. Decreasing acetone concentration the Morbidelli-triangle moves in opposite direction. The work points (mII, mIII) must not necessarily be inside the triangle area, because the triangle moves along the diagonal. Even in such cases can be reached for the purity of the component „B” >99,9 % m/m, for the yield of the component „B” > 90 %.
125
3. 2. The increased concentration of the acetone helps the desorption of the component „A” in segment I. The minimal quantity of the fresh eluent (Dmin) can be decreased by 10-20% compared to the isocratic case.
3. 3. While determining gradient concentration, solubility of the components must be taken into consideration. For example, RG-1040 components dissolve well in dichloromethane, and weakly in acetone. (These considerations can prehelp the increase of the operational specifics, e.g. PB, PA productivities).
3. 4. In case of SMB separation (closed loop) the concentration of acetone is changing significantly before the switching time along the lengths of the columns. I denominated it „self-gradient” of acetone. This „self-gradient” phenomenon has not been published in the scientific literature so far.
Thesis 4 I have had opportunities to analyze different SMB techniques over the gradient SMB.
4. 1. Application of modulated feed (dynamic SMB, the flow rate of the feed to be separated is changing in time), improves the purity of the raffinate and extract streams. By this method I was able to increase the quantity of the feed, and I achieved significantly higher productivity and lower fresh eluent consumption compared to the previous measurements.
4. 2. I concluded from the results of the SMB separations and computer simulations, that “the biggest possible space” had to be assured for the component “B” along the length of the columns to fulfill approximately 4:1=B:A ratio and KB < KA relation. In a four segmented system “the biggest possible space” can be reached with 1:1:2:0=I:II:III:IV opened loop column configuration.
126
This column configuration simplifies the operation, as there is no eluent recirculation, and the parameters have to fulfill one less Morbidelli criteria. Another advantage is that operation requires only three pumps. I could reduce the fresh eluent consumption beside given productivity by extract flow rate reduction. 4. 3. In the final task I studied the possibility of the reduction of the switching time beside prescribed requirements while improving the specifics. For the above purpose the work point has to be determined well. Comparing the productivity of component “B” of preparative HPLC measurements to other SMB measurements by the reduction of switching time it was increased with 700 %, and the consumption of fresh eluent was decreased with 50%.
127
Függelék
128
A szimulált mozgóréteges kromatográfia elméleti ciklusa Függelék 1.a
129
A szimulált mozgóréteges kromatográfia elméleti ciklusa Függelék 1.b
130
SMB KROM-N szoftver, zárt eluenskör
SMB KROM-N szoftver, nyitott eluenskör Függelék 2.
131
Vp, cm3/g
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
A YMC S-50 BET fajlagos adatainak összefoglalása
350
MERCK szilikagél 15-40 mikron
300
YMC S-50 szilikagél YMC S-50 szilikagél (ism.)
250 200 150 100 50 0
1
10
100 D, nm
Kummulatív mezopórustérfogateloszlás
1
10
100 D*, nm
Mezopórustérfogat-gyakoriság
-DV/DlgD, cm3/g nm
1,4
MERCK szilikagél 15-40 mikron, FBET=365 m2/g (elôkészítés: 100 °C) YMC S-50 szilikagél , FBET=765 m2/g (elôkészítés: 100 °C) YMC S-50 szilikagél (ism.) , FBET=760 m2/g (elôkészítés: 200 °C)
-DV/DD*10-4, cm3/g nm
A Merck 60 Å BET fajlagos adatainak összefoglalása
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
MERCK szilikagél 15-40 mikron YMC S-50 szilikagél YMC S-50 szilikagél (ism.)
1
10
100 D*, nm
Logaritmikus mezopórustérfogatgyakoriság
A YMC S-50 szilikagél pásztázó elektronmikroszkópos felvétele
A Merck 60 Å szilikagél pásztázó elektronmikroszkópos felvétele
A Merck 60 Å és a YMC S-50 szilikagél BET vizsgálatának és pásztázó elektronmikroszkópos felvételének összehasonlítása Függelék 3.
132
1.5 1.0 B komponens A komponens 200 300 400 szimulációs idı (min)
99.8%
3 2
200
300
500
99.2% 99.0% 98.8% 585.0
562.5 szimulációs idı (min)
398 398 397 397 396 396 395 395 394 540.0
aceton
562.5
400
500
szimulációs idı (min)
100%
RG 1040 SMB6 Extraktum aceton áttörés
397.0
80% 60% 40%
B komponens A komponens 20% m/m% B
396.5 396.0 395.5 aceton
395.0 540.00
0% 585.0
562.5
562.50
szimulációs idı (min)
0
200
400
600
800
B komponens A komponens
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
1,0E+00
RG 1040 SMB6 Oszlopprofil aceton
398,0 397,5 397,0 396,5 396,0 395,5 395,0 394,5 394,0
1,0E-01
aceton 0
0
NTP
100
200
300
400
500
585.00
szimulációs idı (min)
RG 1040 SMB6 Oszlopprofil AB komponens
1,0E+01
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB6 Oszlopprofil AB komponens
3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
585.0
szimulációs idı (min)
RG 1040 SMB6 Extraktum AB áttörés
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 540.0
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens m/m% B
1
0 540.0
B komponens A komponens 100
99.4%
2
RG 1040 SMB6 Extraktum AB áttörés 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0
99.6%
konc. (g/dm3)
100
3
1
0.0 0
100.0%
konc. (g/dm3)
2.0
4
m/m% B
2.5
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3.0
0.5
RG 1040 SMB6 Raffinátum aceton áttörés
RG 1040 SMB6 Raffinátum AB áttörés
RG 1040 SMB6 Raffinátum AB áttörés
3.5
600
700
200
400
800
600
800
NTP
NTP
RG1040 SMB6 szimuláció
2.00 B komponens A komponens
1.50 1.00 0.50 0
100
200
300
400
99.85% 99.80%
1.0
B komponens A komponens 100
200
300
400
500
5% 4% B komponens 3% A komponens 2% m/m% B 1%
0.3 0.2 0.0 540.00
1,5 1,0 0,5
log konc. (g/dm3)
2,0
200
400 NTP
600
800
B komponens A komponens
1.0E-01 0
200
400 NTP
aceton 562.5
600
RG1040 SMB7 szimuláció
133
585.0
szimulációs idı (min)
800
399 398 398 397 397 396 396 395 395 394
aceton 0
200
400 NTP
Függelék 4.
585.0
RG 1040 SMB7 Oszlopprofil aceton
0,0 0
396.8 396.6 396.4 396.2 396.0 395.8 395.6 395.4 395.2 540.0
RG 1040 SMB7 Oszlopprofil AB áttörés
1.0E+00
562.5 szimulációs idı (min)
0% 585.00
562.50 szimulációs idı (min)
1.0E+01 B komponens A komponens
2,5
6%
0.6 0.4
396
RG 1040 SMB7 Extraktum aceton áttörés
7%
0.7 0.5
397
394 540.0
99.70% 585.0
RG 1040 SMB7 Extraktum AB áttörés
0.1
RG 1040 SMB7 Oszlopprofil AB komponens
3,0
562.5 szimulációs idı (min)
aceton
398
395
99.75%
0.8 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB7 Extraktum AB áttörés
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
szimulációs idı (min)
konc. (g/dm3)
99.90%
1.5
0.0 540.0
500
szimulációs idı (min)
3,5
2.0
RG 1040 SMB7 Raffinátum aceton áttörés
399
99.95% B komponens A komponens m/m% B
0.5
0.00
0
2.5
konc. (g/dm3)
3.0
2.50
400
100.00%
konc. (g/dm3)
3.00
RG 1040 SMB7 Raffinátum AB áttörés
konc. (g/dm3)
3.5 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB7 Raffinátum AB áttörés 3.50
600
800
2.5
2.0 1.5 1.0
B komponens A komponens
0.5 100
200
300
400
99.99900%
1.5
99.99850%
1.0
B komponens A komponens m/m% B
0.0 540.00
500
szimulációs idı (min)
99.99800%
99.99750% 585.00
562.50
RG 1040 SMB8 Raffinátum aceton áttörés
399
99.99950%
2.0
0.5
0.0
100.00000%
konc. (g/dm3)
3.0
2.5
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3.0
0
RG 1040 SMB8 Raffinátum AB áttörés
3.5
m/m% B
RG 1040 SMB8 Raffinátum AB áttörés
3.5
398
aceton
397 396 395 394 393 540.0
szimulációs idı (min)
562.5
585.0
szimulációs idı (min)
0.2 B komponens A komponens
0.1 0.0 0
100
200
300
400
500
12%
396.6
10% B komponens A komponens 8% m/m% B
396.4
konc. (g/dm3)
0.3
0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 540.00
m/m% B
0.4
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB8 Extraktum AB áttörés
RG 1040 SMB8 Extraktum AB áttörés
0.5
6% 4%
396.2 396.0 395.8 395.6
2%
aceton
395.4 540.00
0% 585.00
562.50
RG 1040 SMB8 Extraktum aceton áttörés
562.50
585.00
szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min)
2,0 1,5 1,0 0,5
B komponens A komponens
konc. (g/dm3)
2,5
log konc. (g/dm3)
1,0E+01
B komponens A komponens
3,0 konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB8 Oszlopprofil AB komponens
RG 1040 SMB8 Oszlopprofil AB komponens
3,5
1,0E+00
1,0E-01
0,0 0
200
400
600
0
800
200
400
600
RG 1040 SMB8 Oszlopprofil aceton
398,5 398,0 397,5 397,0 396,5 396,0 395,5 395,0 394,5 394,0
800
aceton
0
200
400
NTP
NTP
600
NTP
RG1040 SMB8 szimuláció
1.0 B komponens A komponens
300
400
60%
1.00
40%
B komponens A komponens20% m/m% B
0.50
500
100
200
300
400
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
0
500
0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 540.00
RG 1040 SMB9 Oszlopprofil AB komponens
2,5
394.00 540.00
RG 1040 SMB9 Extraktum AB áttörés
100%
B komponens A komponens m/m% B
80% 60% 40% 20%
562.50
log konc. (g/dm3)
1,5 1,0 0,5
0% 585.00
200
400 NTP
600
800
B komponens A komponens 1,0E+00
1,0E-01 0
200
400
600
NTP
RG1040 SMB9 szimuláció Függelék 5.
134
585.00
397.00 396.80 396.60 396.40 396.20 396.00 395.80 395.60 395.40 540.00
RG 1040 SMB9 Extraktum aceton áttörés
aceton 562.50
585.00
szimulációs idı (min)
0,0 0
562.50 szimulációs idı (min)
RG 1040 SMB9 Oszlopprofil AB komponens
1,0E+01
B komponens A komponens
2,0
395.00
szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB9 Raffinátum AB áttörés
0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
395.50
szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min)
aceton
396.00
394.50
0% 585.00
562.50
RG 1040 SMB9 Raffinátum aceton áttörés
396.50
konc. (g/dm3)
200
1.50
800
konc. (g/dm3)
100
80%
0.00 540.00
0.0 0
2.00
397.00
m/m% B
0.5
100% konc. (g/dm3)
1.5
2.50
m/m% B
2.0
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB9 Raffinátum AB áttörés
RG 1040 SMB9 Raffinátum AB áttörés
2.5
396,60 396,40 396,20 396,00 395,80 395,60 395,40 395,20 395,00 394,80 394,60 0,00
RG 1040 SMB9 Oszlopprofil aceton
aceton 200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
800
1.50 1.00 B komponens A komponens
0.50
80%
1.50
60% 1.00 40% B komponens A komponens m/m% B
0.50 0.00 540.00
0.00 200 300 400 szim. idı (min)
RG 1040 SMB10 Extraktum AB áttörés
0.30 B komponens A komponens
0.10 200
300
400
B komponens A komponens m/m% B
0.50 0.40
500
1,00 0,50
400,00
600,00
800,00
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
1,50
200,00
562.50
585.00
20%
0.10
396.20 396.00 395.80 395.60 395.40
aceton
395.20 540.00
0% 585.00
562.50
RG 1040 SMB10 Extraktum aceton áttörés
562.50
585.00
szim. idı (min)
szim. idı (min)
RG 1040 SMB10 Oszlopprofil AB komponens
0,00 0,00
60% 40%
0.20
szim. idı (min)
2,00
80%
0.30
0.00 540.00
0.00 100
aceton
396.40
100%
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
0.40 0.20
RG 1040 SMB10 Raffinátum aceton áttörés
szim. idı (min)
0.60
0.50
0
398.00 397.50 397.00 396.50 396.00 395.50 395.00 394.50 540.00
szim. idı (min)
RG 1040 SMB10 Extraktum AB áttörés
0.60
0% 585.00
562.50
500
RG 1040 SMB10 Oszlopprofil aceton
RG 1040 SMB10 Oszlopprofil AB komponens
1,00E+07 1,00E+00 1,00E-07 1,00E-14 1,00E-21 1,00E-28 1,00E-35 1,00E-42 1,00E-49 0,00
397,50
B komponens A komponens
200,00
400,00
NTP
600,00
konc. (g/dm3)
100
20%
m/m% B
0
konc. (g/dm3)
100%
konc. (g/dm3)
2.00 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB10 Raffinátum AB áttörés
RG 1040 SMB10 Raffinátum AB áttörés
2.00
397,00 396,50 396,00 395,50 395,00
aceton
394,50 0,00
800,00
200,00
400,00
600,00
800,00
NTP
NTP
RG 1040 SMB11 Raffinátum AB áttörés
B komponens A komponens
100.00%
400
3.50
99.95%
399
3.00
99.90%
2.50
99.85%
2.00
99.80%
1.50
99.75%
B komponens A komponens m/m% B
1.00 0.50
100
200
300
400
0.00 540.00
500
szim. idı (min)
300
400
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
200
0.60 0.50
25%
15%
0.30
10%
0.20
5%
0.10 0.00 540.00
500
30%
20%
0.40
0% 585.00
562.50
396.80 396.60 396.40 396.20 396.00 395.80 395.60 395.40 395.20 395.00 540.00
RG 1040 SMB11 Oszlopprofil AB komponens
399,00
0
200
400
600
800
B komponens A komponens
1,0E+00
konc. (g/dm3)
log konc. (g/dm3)
1,0E+01
B komponens A komponens
1,0E-01 200
NTP
400
600
NTP
RG1040 SMB11 szimuláció Függelék 6.
135
585.00
RG 1040 SMB11 Extraktum aceton áttörés
aceton 562.50
585.00
800
RG 1040 SMB11 Oszlopprofil aceton
398,00 397,00 396,00 395,00 394,00 393,00 0,00
0
562.50
szim. idı (min)
szim. idı (min)
szim. idı (min)
4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00
395
szim. idı (min)
35% B komponens A komponens m/m% B
RG 1040 SMB11 Oszlopprofil AB komponens
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
0.80 0.70
100
396
szim. idı (min)
RG 1040 SMB11 Extraktum AB áttörés
0
397
RG 1040 SMB11 Extraktum AB áttörés
0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
aceton
398
393 540.00
99.60% 585.00
562.50
RG 1040 SMB11 Raffinátum aceton áttörés
394
99.65%
konc. (g/dm3)
0
99.70%
konc. (g/dm3)
4.00
m/m% B
RG 1040 SMB11 Raffinátum AB áttörés
4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB10 szimuláció
aceton
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
400
0.0 540.00
500
562.50
szim. idı (min)
0.08 0.06
B komponens A komponens
0.04 0.02
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
0.10
0.00 100
200
300
400
0.08
20%
0.06 10%
0.04
585.00
0% 585.00
562.50
396.10 396.05 396.00 395.95 395.90
aceton
395.85 540.00
5%
0.02
562.50
585.00
szim. idı (min)
szim. idı (min)
600,00
log konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB12 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
400,00
562.50
396.15
25%
15%
RG 1040 SMB12 Oszlopprofil AB komponens
200,00
395.00
RG 1040 SMB12 Extraktum aceton áttörés B komponens A komponens m/m% B
0.10
0.00 540.00
500
szim. idı (min)
1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,00
395.50
szim. idı (min)
RG 1040 SMB12 Extraktum AB áttörés
0.12
0
396.00
szim. idı (min)
RG 1040 SMB12 Extraktum AB áttörés
0.12
aceton
396.50
394.50 540.00
konc. (g/dm3)
300
B komponens A komponens
1,00E+00
1,00E-01 0,00
800,00
NTP
RG 1040 SMB12 Oszlopprofil aceton
397,00
1,00E+01 konc. (g/dm3)
200
m/m% B
100
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
100.0000000% 99.9999980% 99.9999960% 99.9999940% 99.9999920% 99.9999900% 99.9999880% 99.9999860% 99.9999840% 99.9999820% 99.9999800% 585.00
B komponens A komponens m/m% B
1.4
m/m% B
1.6 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
397.00
0
konc. (g/dm3)
RG 1040 SMB12 Raffinátum aceton áttörés
RG 1040 SMB12 Raffinátum AB áttörés
RG 1040 SMB12 Raffinátum AB áttörés
1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
396,50 396,00 395,50 395,00
aceton
394,50
200,00
400,00
600,00
0
800,00
200
400
600
800
NTP
NTP
RG1040 SMB12 szimuláció
B komponens A komponens
0.15 0.10 0.05 0.00 100
200 300 400 szim. idı (min)
0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 540.00
500
562.50
100.00% 99.99% 99.98% 99.97% 99.96% B komponens 99.95% A komponens 99.94% m/m% B 99.93% 99.92% 585.00
RG 1040 SMB13 Raffinátum aceton áttörés
396.30 konc. (g/dm3)
0.20
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
0.25
0
RG 1040 SMB13 Raffinátum AB áttörés
0.30
m/m% B
RG 1040 SMB13 Raffinátum AB áttörés
0.30
aceton
396.20 396.10 396.00 395.90 395.80 540.00
562.50
585.00
szim. idı (min)
RG 1040 SMB13 Extraktum AB áttörés
B komponens A komponens
100
200
300
400
0.08
500
40%
0.04
20%
0.02
RG 1040 SMB13 Oszlopprofil AB komponens
0,10
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
1E+05 1E-05 1E-15 1E-25 1E-35 1E-45 1E-55 1E-65
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
0,15 0,05 0,00 0,00
396.00 395.95 aceton
395.90 395.85 540.00
0% 585.00
562.50
200
400 NTP
RG1040 SMB13 Oszlopprofil aceton
396,15 396,10 396,05 396,00 395,95 395,90 395,85 395,80
B komponens A komponens
0
600
800
aceton
0
200
400 NTP
RG1040 SMB13 szimuláció Függelék 7. 136
585.00
szim. idı (min)
RG 1040 SMB13 Oszlopprofil AB komponens B komponens A komponens
0,20
562.50
396.05
szim. idı (min)
0,30 0,25
60%
0.06
0.00 540.00
szim. idı (min)
80%
konc. (g/dm3)
0
B komponens A komponens m/m% B
0.10
RG 1040 SMB13 Extraktum aceton áttörés
396.10
100%
konc. (g/dm3)
0.12
m/m% B
0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
szim. idı (min) RG 1040 SMB 13 Extraktum AB áttörés
600
800
B komponens A komponens 0
100
200
300
400
500
szimulációs idı (min)
7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 540.00
RG1040 SMB2 /10 Raffinátumaceton áttörés
100.00% 99.80% 99.60% 99.40% 99.20% B komponens 99.00% A komponens m/m%B 98.80% 98.60% 585.00
562.50
402.00 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB2/10 RaffinátumAB áttörés
RG1040 SMB2/10 Raffinátum AB áttörés
7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00
B komponens A komponens
100
200
300
400
500
B komponens A komponens m/m% B
B komponens A komponens
5,00 4,00 3,00 2,00 1,00
600,00
800,00
1,0E+02 1,0E-04 1,0E-10 1,0E-16 1,0E-22 1,0E-28 1,0E-34 1,0E-40 0,00
RG1040 SMB2/10 Extraktumaceton áttörés
aceton 562.50
400,00
585.00
RG1040 SMB2/10 Oszlopprofil aceton
B komponens A komponens
200,00
585.00
szimulációs idı (min)
RG1040 SMB2/10 Oszlopprofil AB komponens
log konc. (g/dm3)
6,00 konc. (g/dm3)
0% 585.00
562.50
398 397.5 397 396.5 396 395.5 395 394.5 394 540.00
562.50 szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min)
7,00
400,00 NTP
60%
20%
RG1040SMB2/10 Oszlopprofil AB komponens
200,00
80%
40%
szimulációs idı (min)
0,00 0,00
394.00
100%
konc. (g/dm3)
0
RG1040 SMB2/10 Extraktum AB áttörés
1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 540.00
396.00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB2/10 Extraktum AB áttörés
398.00
392.00 540.00
szimulációs idı (min)
1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
aceton
400.00
600,00
800,00
401,00 400,00 399,00 398,00 397,00 396,00 395,00 394,00 393,00 392,00 0,00
aceton
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
NTP
RG1040 SMB2/10 szimuláció RG1040 SMB2/20 Raffinátum AB áttörés
60.00%
8 6
B komponens A komponens m/m% B
4 2
400
500
2.5
konc. (g/dm3)
2.0
1.5
1.5
1
B komponens A komponens
0.5 0 0
100
200
300
400
500
1.0 0.5 0.0 540
szimulációs idı (min) RG1040SMB2/20 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00
200,00
400,00 NTP
400 399 398 397 396 395 394 393 540
600,00
800,00
1,00E+04 1,00E-01 1,00E-06 1,00E-11 1,00E-16 1,00E-21 1,00E-26 1,00E-31 1,00E-36 1,00E-41 0,00
400,00
600,00
aceton
562.5
800,00
NTP
406,00 404,00 402,00 400,00 398,00 396,00 394,00 392,00 390,00 388,00 0,00
aceton
200,00
400,00 NTP
. RG1040 SMB2/20 szimuláció Függelék 8.
137
585
RG1040SMB2/20 Oszlopprofil aceton
B komponens A komponens
200,00
585
szimulációs idı (min)
RG1040SMB2/20 Oszlopprofil AB komponens
14,00
562.5
RG1040 SMB2/20 Extraktum aceton áttörés
0.40% B komponens 0.35% A komponens 0.30% m/m% B 0.25% 0.20% 0.15% 0.10% 0.05% 0.00% 562.5 585 szimulációs idı (min)
2.5
2
aceton
szimulációs idı (min)
RG1040 SMB2/20 Extraktum AB áttörés
3.0
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
szimulációs idı (min)
RG1040 SMB2/20 Extraktum AB áttörés
3
0.00% 585
562.5
406 404 402 400 398 396 394 392 390 388 540
konc. (g/dm3)
300
konc. (g/dm3)
200
szimulációs idı (min)
20.00%
m/m% B
100
0 540
40.00%
konc. (g/dm3)
80.00%
10
m/m% B
B komponens A komponens
0
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB2/20 Raffinátum aceton áttörés 100.00%
12 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB2/20 Raffinátum AB áttörés
14
14 12 10 8 6 4 2 0
600,00
800,00
RG1040 SMB2/30 Raffinátum AB áttörés
RG1040 SMB2/30 Raffinátum AB áttörés
10 5
100% 80%
15
60% 10 40%
B komponens A komponens m/m% B
5
m/m% B
B komponens A komponens
410 konc. (g/dm3)
20
15
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
20
300
400
500
RG1040 SMB2/30 Extraktum AB áttörés
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
B komponens A komponens
0
100
200
300
400
500
RG1040 SMB2/30 Extraktum AB áttörés
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 540.00
0.10% 0.05%
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
10,00 5,00
200,00
400,00
600,00
800,00
NTP
1,00E+05 1,00E+00 1,00E-05 1,00E-10 1,00E-15 1,00E-20 1,00E-25 1,00E-30 1,00E-35 1,00E-40 0,00
RG1040 SMB2/30 Extraktum aceton áttörés
398 396 394
aceton
392 540.00
0.00% 585.00
562.50
585.00
szimulációs idı (min) RG1040SMB2/30 Oszlopprofil aceton
RG1040SMB2/30 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
585.00
400
szimulációs idı (min)
20,00
0,00 0,00
0.25% 0.15%
RG1040SMB2/30 Oszlopprofil AB komponens
15,00
402
0.30% 0.20%
562.50
562.50 szimulációs idı (min)
0.35%
B komponens A komponens m/m% B
szimulációs idı (min)
aceton
390
szimulációs idı (min)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
szimulációs idı (min)
395
385 540.00
0% 585.00
562.50
konc. (g/dm3)
200
400
410,00 aceton
konc. (g/dm3)
100
m/m% B
0
405
20%
0 0 540.00
RG1040 SMB2/30 Raffinátum aceton áttörés
B komponens A komponens
200,00
400,00
600,00
405,00 400,00 395,00 390,00 385,00 0,00
800,00
200,00
400,00
600,00
800,00
NTP
NTP
RG1040 SMB2/30 szimuláció
10.0 B komponens A komponens
0.0 0.0
80%
15
B komponens A komponens m/m% B
10 5
konc. (g/dm3)
4.00 3.00 B komponens A komponens
1.00 0
100
200
300
400
B komponens A komponens m/m% B
4.00
0.20%
1.00
0.10%
log konc. (g/dm3)
15,00 10,00 5,00
400,00 NTP
600,00
800,00
1,0E+05 1,0E+00 1,0E-05 1,0E-10 1,0E-15 1,0E-20 1,0E-25 1,0E-30 1,0E-35 1,0E-40 0,00
562.50
585.00
aceton
396 394 392 540.00
0.00% 585.00
562.50
RG1040 SMB2/40 Extraktum aceton áttörés
398
562.50
585.00
szimulációs idı (min) RG1040SMB2/40 Oszlopprofil aceton
RG1040SMB2/40 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
aceton
400
szimulációs idı (min)
25,00
200,00
402
0.30%
RG1040SMB2/40 Oszlopprofil AB komponens
0,00 0,00
0.40%
2.00
szimulációs idı (min)
20,00
404
3.00
0.00 540.00
500
0.50%
415,00 410,00 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
5.00
RG1040 SMB2/40 Raffinátum aceton áttörés
szimulációs idı (min)
RG1040 SMB2/40 Extraktum AB áttörés
RG1040 SMB2/40 Extraktum AB áttörés
2.00
415 410 405 400 395 390 385 380 540.00
szimulációs idı (min)
0.00
konc. (g/dm3)
0% 585.00
562.50
szimulációs idı (min)
5.00
40% 20%
0 540.00
100.0 200.0 300.0 400.0 500.0
60%
konc. (g/dm3)
5.0
20
konc. (g/dm3)
15.0
100% m/m% B
20.0
25
m/m% B
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB2/40 Raffinátum AB áttörés
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB2/40 Raffinátum AB áttörés
25.0
B komponens A komponens
200,00
400,00 395,00 390,00 385,00
400,00
600,00
800,00
NTP
RG1040 SMB2/40 szimuláció Függelék 9.
138
aceton
405,00
380,00 0,00
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
300
400
B komponens Akomponens m/m%B
5 0 540.00
500
562.50
szimulációs idı (min)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3.00 B komponens A komponens
1.00 100
200
300
390.00 380.00 370.00 540.00
400
562.50
100%
4
80% 60%
3 B komonens A komponens m/m% B
2 1
500
585.00
szimulációs idı (min)
5
0 540.00
0.00 0
400.00
RG1040 SMB2/50 Extraktum AB áttörés
4.00
2.00
aceton
410.00
szimulációs idı (min)
RG1040 SMB2/50 Extraktum AB áttörés
5.00
konc. (g/dm3)
15
40% 20%
konc. (g/dm3)
200
20
420.00
m/m% B
100
25
10
RG1040 SMB2/50 Raffinátum aceton áttörés
100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 585.00
m/m% B
B komponens A komponens
0
RG1040 SMB2/50 RaffinátumAB áttörés
30 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB2/50 Raffinátum AB áttörés
35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00
0% 585.00
562.50
406.00 404.00 402.00 400.00 398.00 396.00 394.00 392.00 390.00 540.00
RG1040 SMB2/50 Extraktum aceton áttörés
aceton
562.50
585.00
szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min) RG1040SMB2/50 Oszlopprofil AB komponens
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
30,00 B komponens A komponens
25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1,00E+05 1,00E+00 1,00E-05 1,00E-10 1,00E-15 1,00E-20 1,00E-25 1,00E-30 1,00E-35 1,00E-40 0,00
RG1040SMB2/50 Oszlopprofil aceton 420,00 415,00 konc. (g/dm3)
RG1040SMB2/50 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
aceton
410,00 405,00 400,00 395,00 390,00 385,00
200,00
400,00
600,00
380,00 0,00
800,00
NTP
NTP
200,00
NTP 400,00 18. ábra
600,00
800,00
RG1040 SMB2/50 szimuláció
20 15 B komponens A komponens
80%
20
60%
15
B komponens A komponens m/m% B
10 5 0 540.00
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
2.0 B komponens A komponens
1.0 0.0 0.00
0.010%
4.0
0.008%
3.0
0.006% B komponens A komponens m/m% B
2.0 1.0 0.0 540.00
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
RG1040SMB2/50/1 Oszlopprofil AB komponens
log konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
15,00 10,00 5,00 0,00 0,00
200,00
400,00
600,00
0.002%
800,00
1,00E+05 1,00E+00 1,00E-05 1,00E-10 1,00E-15 1,00E-20 1,00E-25 1,00E-30 1,00E-35 1,00E-40 0,00
585.00
aceton
562.50
585.00
szimulációs idı (min)
RG1040SMB2/50/1 Oszlopprofil AB komponens
25,00 20,00
0.004%
0.000% 585.00
562.50
562.50
404 402 400 398 396 394 392 390 540.00
szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min)
aceton
RG1040 SMB2/50/1 Extraktum aceton áttörés
5.0
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3.0
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB2/50/1 Extraktum AB áttörés
4.0
RG1040 SMB2/50/1 Raffinátum aceton áttörés
szimulációs idı (min)
szimulációs idı (min)
RG1040 SMB2/50/1 Extraktum AB áttörés
5.0
20%
0% 585.00
562.50
szimulációs idı (min)
40%
415 410 405 400 395 390 385 380 540.00
RG1040SMB2/50/1 Oszlopprofil aceton
415,00 410,00 konc. (g/dm3)
0 0.00
25
m/m% B
5
100%
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
25
10
RG1040 SMB2/50/1 Raffinátum AB áttörés
30
m/m% B
RG1040 SMB2/50/1 Raffinátum AB áttörés
30
B komponens A komponens
aceton
405,00 400,00 395,00 390,00 385,00
200,00
NTP
400,00
600,00
800,00
NTP
380,00 0,00
200,00
400,00 NTP
RG1040 SMB2/50/1 szimuláció Függelék 10. 139
600,00
800,00
RG1040 SMB2/50/2 Raffinátum AB áttörés
10 B komponens A komponens
80% 60%
10
B komponens A komponens m/m% B
5 0 540.00
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
1.5 B komponens A komponens
0.5 0.0 0.0
2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 540.00
100.0 200.0 300.0 400.0 500.0
562.50
szimulációs idı (min)
konc. (g/dm3)
log konc. (g/dm3) 400,00
600,00
385 380 540.00
800,00
1,0E+05 1,0E+00 1,0E-05 1,0E-10 1,0E-15 1,0E-20 1,0E-25 1,0E-30 1,0E-35 1,0E-40 0,00
562.50
585.00
szimulációs idı (min)
0.45% 0.40% 0.35% 0.30% 0.25% B komponens 0.20% A komponens 0.15% 0.10% m/m% B 0.05% 0.00% 585.00
RG1040 SMB2/50/2 Extraktum aceton áttörés
400 399 398 397 396 395 394 393 540.00
aceton
562.50
585.00
szimulációs idı (min)
RG1040SMB2/50/2 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
200,00
390
szimulációs idı (min)
RG1040SMB2/50/2 Oszlopprofil AB komponens
18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00
395
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
2.0
aceton
400
RG1040 SMB2/50/2 Extraktum AB áttörés
3.00
2.5
1.0
405
szimulációs idı (min)
RG1040 SMB2/50/2 Extraktum AB áttörés
3.0
20%
0% 585.00
562.50
szimulációs idı (min)
40%
410
RG1040SMB2/50/2 Oszlopprofil aceton
410,00 konc. (g/dm3)
0 0.00
15
m/m% B
5
100% konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
15
RG1040 SMB2/50/2 Raffinátum aceton áttörés
20
m/m% B
RG1040 SMB2/50/2 Raffinátum AB áttörés
20
B komponens A komponens
200,00
400,00
NTP
600,00
800,00
NTP
RG1040 SMB2/50/2 szimuláció
Függelék 11.
140
405,00
aceton
400,00 395,00 390,00 385,00 380,00 0,00
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
RG1040SMB/1
RG 1040SMB/1 M orbidelli-féle param éterek
12
70
E
Térf.áramok (cm3/min)
10
LROUT F D=REC+S
6
50
mI ,mII, mIII, mIV
8
mI m II m III m IV
60
R
4
40 30 20
2
10 I.ciklus
II.ciklus
III.ciklus
frakcionálás
0
0 0
50
100
150
200
250
300
0
350
50
100
RG1040SM B/1 Raffinátum
3
200
250
300
350
RG 1040SM B /1 Extraktum 0,35
2,5
A kom ponens m ért
0,3
A kom ponens szim uláció 2
konc. (g/dm3)
konc.(g/dm3)
150
idı (min)
Idı (min)
1,5 1 B kom ponens mért 0,5
B kom ponens szimuláció
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05
0 0
22,5 45 67,5 90
0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
0
22,5
45
67,5
90
idı (min)
idı (m in)
ter%
ter%
RG1040SM B/1 Raffinátum átlagos összetétel 100 99,5 99 98,5 98 97,5 97 96,5 96 95,5 95
ter% B mért ter% B szim uláció
0
22,5
45
67,5
90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
RG1040SM B/1 Extraktum átlagos összetétel
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
ter% A mért ter% A szimuláció
0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (m in)
idı (min) RG1040SMB/1 Extraktum IV. ciklus 1. részperiódus
3,5
0,8
3,0
0,7
2,5
0,6 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040SMB/1 Raffinátum IV. ciklus 1. részperiódus
2,0 1,5 1,0 B komponens mért B komponens szimuláció
0,5
A komponens mért A komponens szimuláció
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0,0 0
5,5
11
16,5
0
22
0
5,5
11
400
aceton mért aceton szimuláció
5,5
11
22
Extraktum IV.ciklus I. részperiódus aceton
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
Raffinátum IV. ciklus I. részperiódus aceton 450 440 430 420 410 400 390 380 370 360 350
16,5
idı (min)
idı (min)
16,5
aceton mért aceton szimuláció
398 396 394 392 390
22
5,5
idı (min)
11
16,5 idı (min)
RG SMB 1 mérés Függelék 12.
141
22
SMB /II.mérés
SMB /II. mérés Morbidelli-féle paraméterek
10
60,00 mI mII mIII mIV K1 K2
8 7
Bextr.
6
B raff.
5
BLRout
4 3
B feed
50,00 mI ,mII, mIII, mIV
Térf.áramok cm3/min
9
B Des.
2 1 0
I.ciklus
0
II.ciklus
50
100
150
III.ciklus
200
250
300
40,00 K2=28.78
30,00 20,00
K1=13.28
10,00
frakcionálás
0,00
350
0
Idı min
50
100
150 200 idı, min
300
350
RG1040SMB2 Extraktum
7
0,7
6
0,6
5
0,5 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040SMB2 Raffinátum
250
4 3
0,4 0,3 0,2
2 B komponens mért B komponens szimuláció
1
A komponens mért
0,1
A komponens szimuláció 0,0
0 0
22,5
45
67,5
90
0
112,5 135 157,5 180 202,5 225 247,5 270 292,5
22,5
45
67,5
90
113
135
idı (min)
225 248
270
90
80
80
70
70
60
60 ter%
100
90
50
50 40
40
30
30 B komponens mért B komponens szimuláció
20 10
A komponens mért A komponens szimuláció
20 10 0
0 0
22,5
45
67,5
90
0
112,5 135 157,5 180 202,5 225 247,5 270 292,5
22,5
45
67,5
90
112,5
135
157,5
180
202,5
225
247,5 270
idı (min)
idı (min)
RG1040SMB2 Extraktum IV. ciklus 1. részperiódus
RG1040SMB2 Raffinátum IV. ciklus 1. részperiódus 1,4
7
1,2
6
1 konc. (g/dm3)
8
5 4 3
A komponens mért A komponens szimuláció
0,8 0,6 0,4
2
B komponens mért B komponens szimuláció
1
0,2 0
0
0
0
5,5
11
16,5
5,5
11
16,5
22
22 idı (min)
idı (min)
RG1040SMB2 Extraktum aceton áttörés IV. ciklus 1. részperiódus
RG1040SMB2 Raffinátum aceton áttörés IV. ciklus 1. részperiódus 420 410
aceton mért aceton szimuláció
konc. (g/dm3)
415 konc. (g/dm3)
293
RG1040SMB2 Extraktum átlagos összetétel
100
ter%
180 203
idı (min)
RG1040SMB2 Raffinátum átlagos összetétel
konc. (g/dm3)
158
405 400 395 390 385 380 5,50
11,00
16,50
406 404 402 400 398 396 394 392 390 388 5,50
aceton mért aceton szimuláció
11,00
16,50
22,00 idı (min)
idı (min)
RG SMB 2 mérés Függelék 13.
142
22,00
292,5
RG1040SMB3 Morbidelli-féle paraméterek
RG1040SMB3 Térfogatáramok 10
60 50
8
B extr. B raff. B LRout B Feed B Des.
7 6 5 4
mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
9
3
K2=28,78
30 20
K1=13,28
10
2
I. ciklus
0
1 I.
0 0
22,5
45
67,5
90
II. ciklus
III. ciklus
mI m II m III m IV K1 K2
40
0
frakcionálás
II. ciklus
22,5 45 67,5 90
III. ciklus
frakcionálás
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min) RG1040SMB4 Extraktum A komponens
RG1040SMB3 Raffinátum B komponens 1,2
14
1 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
12 10 8 6 4
0,6 0,4
A komponens mért
0,2
B komponens mért Bkomponens szimuláció
2
0,8
A komponens szimuláció 0
0
0
0
22,5 45 67,5 90
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
RG1040SMB3 Extraktum A komponens
ter% A
ter% B
RG1040SMB3 Raffinátum B komponens 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
B komponens mért B komponens szimuláció 0
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
113 135 158 180 203 225 248 270 293
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
A komponens mért A komponens szimuláció 0
idı (min)
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
RG1040SMB4 Extraktum A komponens
18
4
16
3,5
14
3
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040SMB3 Raffinátum B komponens
12 10 8 6 4
2 1,5
0,5 0
0 0
5,5
11 idı (min)
16,5
0
22
RG1040SMB4 Raffinátum aceton áttörés IV. ciklus 1. részperiódus
5,5
11 idı (min)
16,5
22
RG1040SMB4 Extraktum aceton áttörés IV. ciklus 1. részperiódus 399
450 440 430 420 410 400 390 380 370 360 350
398
aceton mért aceton szimuláció
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
A komponens szimuláció
2,5
1
B komponens mért B komponens szimuláció
2
A komponens mért
397 396 395 394 aceton mért aceton szimuláció
393 392 5,5
11
16,5
391
22
5,5
idı (min)
11
16,5 idı (min)
RG SMB 3 mérés Függelék 14.
143
22
3.5
m/m% B
2.5
B komponens A komponens
2
1.5 1
0.5
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
0 540.0
500.0
idı (min)
365
100.00% 99.99% 99.98% 99.97% 99.96% B komponens 99.95% A komponens 99.94% m/m% B 99.93% 99.92% 585.0
3
562.5
360
konc. (g/dm3)
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
RG SMBgrad16 Raffinátum aceton áttörés
RG SMBgrad16 Raffinátum AB áttörés
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG SMBgrad16 Raffinátum AB áttörés
aceton
355 350 345 340 540.0
562.5
585.0
idı
idı RG SMBgrad16 Extraktum AB áttörés
RG SMBgrad16 Extraktum aceton áttörés
RG SMBgrad16 Extraktum AB áttörés
0.7
0.3 0.2 0.1 0
100
200
300
400
80.00%
0.5 0.4
60.00% B komponens A komponens m/m% B
0.3 0.2 0.1 0 540.0
0 500
idı
328.00
100.00%
0.6
40.00%
m/m% B
0.4
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
0.5
konc. (g/dm3)
0.7
0.6
20.00%
324.00 322.00 320.00 318.00
aceton
316.00 540.0
0.00% 585.0
562.5
326.00
562.5
585.0
idı
idı
RG SMBgrad16 Oszlopprofil AB komponens
RG SMBgrad16 Oszlopprofil aceton
RG SMBgrad16 Oszlopprofil AB komponens
350
3,5
log konc. (g/dm3)
2
B komponens A komponens
1,5 1 0,5 0 0
200
400
600
800
NTP
1,00E+03 1,00E+00 1,00E-03 1,00E-06 1,00E-09 1,00E-12 1,00E-15 1,00E-18 1,00E-21 1,00E-24 1,00E-27 1,00E-30 1,00E-33
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3 2,5
B komponens A komponens
345 340 335
aceton
330 325 320 0
0
200
400
600
200
400
600
800
NTP
800
NTP
RG SMBgrad17 szimuláció (c aceton=316,8 g/dm3)
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
1 0.5
80.00%
2.5
60.00%
2 B komponens A komponens m/m% B
1.5 1 0 540
0
20.00%
200
300
400
500
0.00% 585
562.5
RG SMBgrad15 Extraktum AB áttörés
0.6
0.6 konc. (g/dm3)
0.7
0.5 0.4 B komponens A komponens
0.3 0.2 0.1 0 200
60%
0.4
B komponens A komponens m/m% B
0.3 0.2
300
400
0 540
500
1,5 1 0,5 0 600
800
log konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
400
359 358 aceton
357 562.5
1E+02 1E-01 1E-04 1E-07 1E-10 1E-13 1E-16 1E-19 1E-22 1E-25 1E-28 1E-31 1E-34 1E-37 1E-40
585
idı RG SMBgrad15 Oszlopprofil aceton
RG SMBgrad15 Oszlopprofil AB komponens
3 2
360
356 540
0% 585
562.5
361
idı
3,5 2,5
40% 20%
RG SMBgrad15 Oszlopprofil AB komponens
200
585
RG SMBgrad15 Extraktum aceton áttörés
80%
0.5
idı
0
562.5
362 100%
0.1 100
aceton
idı
RG SMBgrad15 Extraktum AB áttörés
0.7
0
382 380 378 376 374 372 370 368 366 540
idı
idı
konc. (g/dm3)
100
374 372 konc. (g/dm3)
0
konc. (g/dm3)
40.00%
0.5
m/m% B
konc. (g/dm3)
2 1.5
100.00%
3
konc. (g/dm3)
3.5
3 2.5
m/m % B
3.5
konc. (g/dm3)
RG SMBgrad15 Raffinátum aceton áttörés
RG SMBgrad15 Raffinátum AB áttörés
RG SMBgrad15 Raffinátum AB áttörés
B komponens A komponens
aceton
370 368 366 364 362 360 358 0
0
200
NTP
400
600
800
NTP
RG SMBgrad15 szimuláció (c aceton=365,4 g/dm3) Függelék 15.
144
200
400 NTP
600
800
RG SMBgrad06 Raffinátum AB áttörés
RG SMBgrad06 Raffinátum AB áttörés
B komponens A komponens
2.00 1.50 1.00 0.50 200.00
300.00
400.00
3.00
99.90%
424.00
2.50
99.80%
2.00 1.00 0.50
300.00
400.00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
500.00
0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 540.00
100.00%
436.00
80.00%
435.00
40.00% 20.00% 0.00% 585.00
562.50
433.00 432.00 431.00 aceton
430.00 540.00
562.50
1,50 1,00 0,50 600,00
800,00
NTP
585.00
idı (min)
RG SMBgrad06 Oszlopprofil aceton
konc. (g/dm3)
2,00
log konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
2,50
1E+01 1E-04 1E-09 1E-14 1E-19 1E-24 1E-29 1E-34 1E-39 1E-44 0,00
585.00
434.00
RG SMBgrad06 Oszlopprofil AB komponens
3,00 konc. (g/dm3)
562.50
idı (min)
3,50
400,00
412.00 540.00
RG SMBgrad06 Extraktum aceton áttörés
B komponens A komponens m/m % B
RG SMBgrad06 Oszlopprofil AB komponens
200,00
416.00 414.00
idı (min)
60.00%
idı (min)
0,00 0,00
418.00
RG SMBgrad06 Extraktum AB áttörés
B komponens A komponens
200.00
420.00
idı (min)
RG SMBgrad06 Extraktum AB áttörés
100.00
aceton
422.00
99.40% 585.00
562.50
idı (min)
0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0.00
99.60% 99.50%
0.00 540.00
500.00
99.70%
B komponens A komponens m/m% B
1.50
konc. (g/dm3)
100.00
426.00
m/m% B
0.00 0.00
100.00% konc. (g/dm3)
2.50
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3.00
RG SMBgrad06 Raffinátum aceton áttörés
3.50
m/m% B
3.50
B komponens A komponens
436,00 434,00 432,00 430,00 428,00 426,00 424,00 422,00 420,00 418,00 0,00
aceton
200,00
400,00
600,00
800,00
NTP
200,00
400,00
600,00
800,00
NTP
RG SMBgrad06 szimuláció (c aceton=435,6 g/dm3) RG SMBgrad07 Raffinátum AB áttörés
2.00 B komponens A komponens
1.00 0.50
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
B komponens A komponens m/m% B
99.20% 99.00%
440.00 435.00 aceton
430.00 425.00 540.00
98.80% 585.00
562.50
445.00
562.50
585.00
idı (min)
RG SMBgrad07 Extraktum aceton áttörés
0.80 0.60 B komponens A komponens
0.20
100%
0.80
80%
0.60
60% B komponens A komponens m/m%B
0.40 0.20 0.00 540.00
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
470.00 468.00 466.00 464.00 540.00
562.50
585.00
idı (min)
RG SMBgrad07 Oszlopprofil aceton
RG SMBgrad07 Oszlopprofil AB komponens
600,00
800,00
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
400,00
aceton
472.00
idı (min)
RG SMBgrad07 Oszlopprofil AB komponens
200,00
20%
0% 585.00
562.50
idı (min)
40%
1,00E+06 1,00E-01 1,00E-08 1,00E-15 1,00E-22 1,00E-29 1,00E-36 1,00E-43 1,00E-50 0,00
konc. (g/dm3)
0.40
1.00
konc. (g/dm3)
474.00
konc. (g/dm3)
komp. (g/dm3)
99.40%
RG SMBgrad07 ExtraktumAB áttörés
1.00
konc. (g/dm3)
450.00
idı (min)
RG SMBgrad07 Extraktum AB komponens
3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00
99.80% 99.60%
idı (min)
0.00 0.00
455.00
m/m% B
0.00 0.00
100.00%
konc. (g/dm3)
2.50
3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 540.00
m/m% B
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3.00
1.50
RG SMBgrad07 Raffinátum aceton áttörés
RG SMBgrad07 Raffinátum AB áttörés
3.50
B komponens A komponens
200,00
400,00
600,00
800,00
475,00 470,00 465,00 460,00 455,00 450,00 445,00 440,00 0,00
idı (min)
idı (min)
RG SMBgrad07 szimuláció (c aceton=475,2 g/dm3) Függelék 16.
145
aceton
200,00
400,00 idı (min)
600,00
800,00
RG SMBgrad09 Raffinátum aceton áttörés
RG SMBgrad09 Raffinátum AB áttörés
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 idı (min)
562.50
100.0% 99.5% 99.0% 98.5% 98.0% B komponens 97.5% A komponens m/m% B 97.0% 96.5% 585.00
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 540.00
510.00
m/m% B
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG SMBgrad09 Raffinátum AB áttörés
3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.00
500.00 490.00 480.00 470.00
aceton
460.00 540.00
562.50
0.60 B komponens A komponens
0.20 0.00 0.00
1.00
100%
0.80
80%
0.60
60%
0.40
0.00 540.00
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
40%
B komponens A komponens m/m% B
0.20
20%
555.00 konc. (g/dm3)
0.80
m/m% B
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
1.00
0.40
RG SMBgrad09 Extraktum aceton áttörés
RG SMBgrad09 Extraktum AB áttörés
RG SMBgrad09 Extraktum AB áttörés
545.00 540.00 535.00 530.00 540.00
0% 585.00
562.50
aceton
550.00
562.50
idı (min)
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00
RG SMBgrad09 Oszlopprofil aceton
RG SMBgrad09 Oszlopprofil AB komponens
1E+04 1E-04 1E-12 1E-20 1E-28 1E-36 1E-44 1E-52 1E-60 0,00
B komponens A komponens
200,00
400,00
600,00
800,00
550,00 540,00 530,00 520,00 510,00 500,00 490,00 480,00 0,00
NTP
RG SMBgrad09 szimuláció (c aceton=554,4 g/dm3) Függelék 17.
146
585.00
idı (min)
idı (min) RG SMBgrad09 Oszlopprofil AB komponens
585.00
idı (min)
idı (min)
aceton
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
RG1040SMB5 Morbidelli-féle paraméterek
RG1040SMB5 Térfogatáramok 60
B Extr. B raff. B LRout B feed B Des.
mI mII mIII mIV K1 K2
50
mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
40 30
K2=28,78
20 K1=13,28
10
I. ciklus 0
II. ciklus
III. ciklus frakcionálás
I. ciklus
0 0
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
II. ciklus
idı (min) RG1040SMB5/NY Extraktum A komponens
3
0,6
2,5
0,5 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040SMB5/NY Raffinátum B komponens
2 1,5 1 B komponens mért
A komponens mért A kompnens szimuláció
0,4 0,3 0,2 0,1
B komponens szimuláció 0
0
0
0
22,5 45 67,5 90
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
RG1040SMB5/NY Extraktum A komponens
RG1040SMB5 /NY Raffinátum B komponens 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
ter% A
ter% B
frakcionálás
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
0,5
III. ciklus
B komponens mért B komponens szimuláció
A komponens mért A komponens szimuláció 0
0
22,5 45 67,5 90
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min) RG1040SMB5/NY Extraktum A komponens
RG1040SMB5/NY Raffinátum B komponens 2,5
3
A komponens mért
2 konc. (g/dm3)
2 1,5 1 B komponens szimuláció 5,5
11 idı (min)
1
0
0 0
A komponens szimuláció 1,5
0,5
B komponens mért
0,5
16,5
0
22
5,5
RG1040SMB5/NY Raffinátum B komponens 470
kjonc. (g/dm3)
465 460 455 450 445 aceton mért aceton szimuláció
440 435 430 5,5
10,5
15,5 idı (min)
11 idı (min)
16,5
22
RG1040SMB5/NY Extraktum aceton
475
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
2,5
20,5
480 479 478 477 476 475 474 473 472 471 470
aceton mért aceton szimuláció 5,5
11
16,5 idı (min)
RG SMB 5 mérés Függelék 18.
147
22
RG1040 SMB6 Morbidelli-féle paraméterek 60 50 mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
RG1040 SMB6 Térfogatáramok 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des.
30
KA = 28.783
20 10
I. ciklus 0
22,5 45 67,5 90
mI mII mIII mIV KA KB
40
I. ciklus
II. III. frakcionálá ciklus ciklus s 113 135 158 180 203 225 248 270 293
Kb = 13.228 III. ciklus frakcionálás
II. ciklus
0 0
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
RG1040 SMB6 Extraktum A komponens
RG1040 SMB6 Raffinátum B komponens 0,4
3
0,35 0,3 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
2,5 2 1,5 1
0,25 0,2 0,15 0,1
B komponens szimuláció
0,5 0 0
22,5 45 67,5 90
A komponens szimuláció
0,05
B komponens mért
A komponens mért
0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
0
idı (min)
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293 idı (min)
RG1040 SMB6 Extraktum A komponens
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
ter % A
ter % B
RG1040 SMB6 Raffinátum B komponens
B komponen szimuláció B komponens mért 0
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
A komponens szimuláció A komponens mért 0
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
RG1040 SMB6 Extraktum A komponens
RG1040 SMB6 Raffinátum B komponens
3 1,4
A komponens szimuláció
1,2 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
2,5 2 1,5 1 B komponens szimuláció 0,5
A komponens mért
1 0,8 0,6 0,4 0,2
B komponens mért
0
0 0
5,5
11 idı (min)
16,5
0
22
550
556
540 530
554
520
552
510 500 490 480
aceton szimuláció aceton mért
470 460
11 idı (min)
548 546
aceton szimuláció aceton mért
544
450 11
22
550
542 5,5
16,5
RG1040 SMB6 Extraktum aceton
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 SMB6 Raffinátum aceton
5,5
16,5
22
540
idı (min)
5,5
11
16,5 idı (min)
RG SMB 6 mérés Függelék 19.
148
22
RG1040SMB7 Morbidelli-féle paraméterek
RG1040SMB7 Térfogatáramok 60
B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des
10 8 6 4
40
KA = 28.783
30 20
KB = 13.228 10
2 I. ciklus
II. ciklus
III. ciklus
I. ciklus
frakcionálás
II. ciklus
III. ciklus
frakcionálás
0
0 0
22,5 45 67,5 90
0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min) RG1040SMB7 Raffinátum B komponens
RG1040SMB7 Extraktum A komponens
2,50
0,40
2,00
0,35
1,50 1,00
B komponens szimuláció B komponens mért
0,50
0,30
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
mI mII mIII mIV KA KB
50 mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
12
0,25 0,20 0,15
A komponens szimuláció A komponens mért
0,10 0,05
0,00 0
0,00
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
0
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
RG1040SMB7 Raffinátum A komponens
ter %
ter %
RG1040SMB7 Raffinátum B komponens
B komponens szimuláció B komponens mért 0
22,5 45 67,5 90
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
A komponens szimuláció A komponens mért
0
idı (min)
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
RG1040SMB7 Raffinátum B komponens
RG1040SMB7 Extraktum A komponens
3,00
0,90
A komponens szimuláció
2,50
0,80 0,70
A komponens mért
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3,50
2,00 1,50 1,00
B komponens szimuláció B komponens mért
0,50
5,5
11 idı (min)
16,5
0,40 0,30 0,20 0,10
0,00 0
0,60 0,50
0,00
22
0
450 430 410 390 370 350 330 310 290 270 250
aceton szimuláció aceton mért
5,5
11
16,5 idı (min)
11 idı (min)
16,5
22
RG1040SMB7 Extraktum aceton
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040SMB7 Raffintáum B komponens
5,5
22
350 345 340 335 330 325 320 315 310 305 300
aceton szimuláció aceton mért
5,5
11
16,5 idı (min)
RG SMB 7 mérés Függelék 20.
149
22
Morbidelli-paraméterek RGSMB8
Térfogatáramok RGSMB8 60
10 8 6 4
40 30
KA = 28.783
20
KB = 13.228
10
2
I. ciklus
II. ciklus
III. ciklus
0 0
frakcionálás
I. ciklus
0 0
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
II. ciklus
22,5 45 67,5 90
0,40 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040/SMB8 Nyitott Extraktum A komponens 0,45 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10
B komponens szimuláció B komponens mért 0
22,5 45 67,5 90
A komponens szimuláció A komponens mért
0,05 0,00 0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
RG1040/SMB8 Nyitott Raffinátum B komponens 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
RG1040/SMB8 Nyitott Extraktum A komponens
m/m%
ter %
frakcionálás
idı (min)
RG1040/SMB8 Nyitott Raffinátum B komponens
B komponens szimuláció B komponens mért
0
III. ciklus
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min.)
5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
mI mII mIII mIV KA KB
50
B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des
mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
12
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
idı (min)
A komponens szimuláció A komponens mért
0
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min) RG1040/SMB8 Nyitott Extraktum A komponens IV.ciklus 1.részperiódus
konc. (g/dm3)
5 4 4 3 3 2 2
B komponens szimuláció B komponens mért
1 1 0 0
5,5
11 idı (min)
16,5
1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
A komponens szimuláció A komponens mért
0
22
RG1040/SMB8 Nyitott Raffinátum aceton IV.ciklus 1.részperiódus 420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300
aceton szimuláció aceton mért 5,5
10,5
15,5 idı (min)
5,5
11 idı (min)
16,5
22
RG1040/SMB8 Nyitott Extraktum aceton IV.ciklus 1.részperiódus
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc .(g/dm3)
RG1040/SMB8 Nyitott Raffinátum B komponens IV.ciklus 1.részperiódus
20,5
420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300
aceton szimuláció aceton mért
5,5
11
16,5 idı (min)
RG SMB 8 mérés Függelék 21.
150
22
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Morbidelli-féle paraméterek 60
B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des
50 mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
Térfogatáramok
KA = 28.783
30 20
Kb = 13.228 10
I. ciklus 0
II. ciklus
III. ciklus
mI mII mIII mIV KA KB
40
frakcionálás
I. ciklus
II. ciklus
III. ciklus
frakcionálás
0 0
22,5 45 67,5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
22,5 45 67,5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min.)
RG1040/SMB9 Extraktum A komponens
RG1040/SMB9 Raffinátum B komponens 0,35
2,5
0,30 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
2,0 1,5 1,0 0,5
0,15 0,10 A komponens szimuláció A komponens mért
0,00
0,0 22,5 45 67,5 90
0,20
0,05
B komponens szimuláció B komponens mért 0
0,25
0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
50
100
idı (min) RG1040/SMB9 Raffinátum B komponens
150 idı (min)
200
250
300
RG1040/SMB9 Extraktum A komponens
90
100
80
90
70
80
60
70
50
60
m/m% A
m/m% B
100
40 30
50 40 30
20
B komponens szimuláció B komponens mért
10
20
0
22,5 45 67,5 90
A komponens szimuláció A komponens mért
10
0
0
113 135 158 180 203 225 248 270 293 idı (min)
0
22,5
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 B komponens szimuláció B komponens mért
0,0 5,5
11 idı (min)
16,5
22
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
202,5 225
247,5 270
292,5
5,5
11 idı (min)
16,5
22
RG1040/SMB9 Extraktum aceton 550 530 510 490 470 450 430 410 390 370 350
aceton szimuláció aceton mért 5,5
11
157,5 180
A komponens szimuláció A komponens mért
0
aceton szimuláció aceton mért
5,5
112,5 135
1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
RG1040/SMB9 Raffinátum aceton 550 530 510 490 470 450 430 410 390 370 350
90
RG1040/SMB9 Extraktum A komponens
3,5
0
67,5
idı (min)
RG1040/SMB9 Raffinátum B komponens
0,5
45
16,5
11
16,5 idı (min)
22
idı (min)
RG SMB 9 mérés Függelék 22. 151
22
DSMB1 Raffinátum AB komponens
DSMB1 Raffinátum AB komponens
8 6 4 2
200,00
300,00 Idı (min)
400,00
0 540,00
500,00
562,50 idı (min)
300,00 idı (min)
400,00
500,00
konc. (g/dm3)
konc.(g/dm3)
B komponens A komponens
200,00
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 540,00
8 6 4 2 200,00
400,00 NTP
385 562,50
600,00
800,00
585,00
idı (min) DSMB1 Extraktum aceton 397
99,99999%
396
99,99998%
B komponens A komponens m/m% A
99,99997% 99,99996% 99,99995%
394 393 392 391
99,99994%
aceton
390 540,00
99,99993% 585,00
562,50 idı (min)
395
562,50 idı (min)
585,00
DSMB1 Oszlopprofil aceton 410,00
1E+05 1E+00 1E-05 1E-10 1E-15 1E-20 1E-25 1E-30 1E-35 1E-40 0,00
aceton 405,00 konc. (g/dm3)
log konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
0 0,00
390
DSMB1 Oszlopprofil AB komponens
14 10
395
100,00000%
DSMB1 Oszlopprofil AB komponens
12
400
DSMB1 Extraktum AB komponens
DSMB1 Extraktum AB komponens
100,00
aceton
405
380 540,00
konc. (g/dm3)
100,00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
10
4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00
konc. (g/dm3)
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% B komponens 30% A komponens m/m% B 20% 10% 0% 585,00
12
m/m% B
14 B komponens A komponens
DSMB1 Raffinátum aceton
410
m/m% A
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0,00
B komponens A komponens 200,00
400,00 NTP
600,00
400,00 395,00 390,00 385,00 380,00 0,00
800,00
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
DSMB1 szimuláció
100%
10
80%
8
60%
6 B komponens A komponens m/m% B
4 2
400
562,5
500
200
300 idı (min)
400
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 540
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
6,00 4,00 2,00 200,00
400,00
600,00
60% 40% 20%
394 393 392 aceton
391
0% 585
562,5
395
390 540
562,5 idı (min)
DSMB2 Oszloprofil AB komponens
B komponens A komponens
800,00
1E+05 1E+00 1E-05 1E-10 1E-15 1E-20 1E-25 1E-30 1E-35 1E-40 0,00
200,00
400,00 NTP
600,00
DSMB2 szimuláció Függelék 23.
152
585
DSMB2 Oszlopprofil aceton
B komponens A komponens
NTP
585
396
80%
idı (min)
8,00
0,00 0,00
562,5 idı (min)
397
100%
500
14,00 10,00
540
DSMB2 Extraktum aceton
B komponens A komponens m/m% A
DSMB2 Oszloprofil AB komponens
12,00
380
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
100
390
DSMB2 Extraktum AB komponens
B komponens A komponens
0
395
idı (min)
DSMB2 Extraktum AB komponens
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
400
385
0% 585
konc. (g/dm3)
300 idı (min)
20%
m/m% A
200
40%
aceton
405 konc. (g/dm3)
12
0 540
100
410
m/m% B
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
0
DSMB2 Raffinátum aceton
DSMB2 Raffinátum AB komponens
DSMB2 Raffinátum AB komponens
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
800,00
408 406 404 402 400 398 396 394 392 390 388 0,00
aceton
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
RG1040 DSMB3 Raffinátum B komponens A komponens
20 15 10 5
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% B komponens 30% A komponens 20% m/m% B 10% 0% 585,00
14 12 10 8 6 4 2
200,00
300,00 idı (min)
400,00
500,00
100% 90% 80% 70% 60% B komponens 50% A komponens 40% m/m% A 30% 20% 10% 0% 585,00
3,5 konc. (g/dm3)
3,0
B komponens A komponens
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
0,0 0,00
100,00
200,00
400,00
500,00
RG1040 DSMB3 Oszlopprofil
18 16 14
300,00 idı (min)
0,0 540,00
B komponens A komponens
12 10 8 6 4 2 0 0,00
200,00
400,00 NTP
385 380 540,00
562,50 idı (min)
600,00
800,00
562,50 idı (min)
396,0 395,5 395,0 394,5 394,0 393,5
aceton
393,0 540,00
562,50 idı (min)
585,00
RG1040 DSMB3 Oszlopprofil
B komponens A komponens
200,00
585,00
396,5
RG1040 DSMB3 Oszlopprofil
1E+04 1E+00 1E-04 1E-08 1E-12 1E-16 1E-20 1E-24 1E-28 1E-32 1E-36 1E-40 0,00
log konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
4,0 3,5
1,0 0,5
390
RG1040 DSMB3 Extraktum
4,0
3,0 2,5 2,0 1,5
395
RG1040 DSMB3 Extraktum
RG1040 DSMB3 Extraktum
konc. (g/dm3)
562,50 idı (min)
400
konc. (g/dm3)
100,00
0 540,00
aceton
405
konc. (g/dm3)
0 0,00
410
konc. (g/dm3)
16 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 DSMB3 Raffinátum
RG1040 DSMB3 Raffinátum
25
400,00 NTP
600,00
800,00
410,00 408,00 406,00 404,00 402,00 400,00 398,00 396,00 394,00 392,00 390,00 388,00 0,00
aceton
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
DSMB3 szimuláció DSMB4 Raffinátum AB komponens
DSMB4 Raffinátum aceton
DSMB4 Raffinátum AB komponens
35
15 10 5 100,00
200,00
300,00 idı (min)
400,00
500,00
DSMB4 Extraktum AB komponens
390 385 380 375 540,00
2,00 1,50 B komponens A komponens
1,00
2,5
562,50 idı (min)
585,00
2,0
60%
1,5
40%
1,0 20%
0,5 100,00
200,00
300,00 400,00 idı (min)
DSMB4 Oszlopprofil AB komponens
konc. (g/dm3)
B komponens A komponens
15,00 10,00 5,00
400,00 NTP
600,00
395,00 394,50
0% 585,00
562,50 idı (min)
800,00
1E+05 1E+00 1E-05 1E-10 1E-15 1E-20 1E-25 1E-30 1E-35 1E-40 0,00
aceton
393,50 540,00
562,50 idı (min)
585,00
DSMB4 Oszlopprofil aceton
DSMB4 Oszlopprofil AB komponens
25,00
200,00
395,50
394,00
0,0 540,00
500,00
396,00 80%
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
395
100% B komponens A komponens m/m% A
3,0
0,50
konc. (g/dm3)
aceton
400
DSMB4 Extarktum aceton
3,5
2,50
0,00 0,00
405
396,50
3,00
20,00
410
DSMB4 Extraktum AB komponens
3,50
0,00 0,00
415 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
20
100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% B komponens 40,00% 30,00% A komponens 20,00% m/m% B komponens 10,00% 0,00% 562,50 585,00 idı (min)
415,00 410,00 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
25
0 0,00
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 540,00
B komponens A komponens
30
B komponens A komponens
200,00
400,00 NTP
600,00
DSMB4 szimuláció
Függelék 24.
153
aceton
405,00 400,00 395,00 390,00 385,00 0,00
800,00
200,00
400,00 NTP
600,00
800,00
Morbidelli-féle paraméterek RG1040/DSMB1
60 B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des
8 7 6 5
50 mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
Térfogatáramok RG1040/DSMB1 10 9
4 3 2 1
II. ciklus
I. ciklus
0 0
III. ciklus
30
KA = 28.783
20
KB = 13.228
10
frakcionálás
II. ciklus
I. ciklus
III. ciklus
0
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
0
idı (min.)
frakcionálás
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
RG1040/DSMB1 Raffinátum
RG1040/DSMB1 Extraktum 1.20
12
1.00 konc. (g/dm3)
10 8 6 4
B komponens szimuláció B komponens mért
2
0.80 0.60 0.40
A komponens szimuláció 0.20
0 0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
A komponens mért
0.00 0
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
RG1040/DSMB1 Extraktum
ter% A
ter% B
RG1040/DSMB1 Raffinátum
B komponens szimuláció B komponens mért
0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
A komponens szimuláció A komponens mért
0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min) RG1040/DSMB1 Extraktum
14.00
4.00
12.00
3.50
10.00
3.00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040/DSMB1 Raffinátum
8.00 6.00 4.00
B komponens szimuláció
2.00
B komponens mért
A komponens szimuláció A komponens mért
2.50 2.00 1.50 1.00 0.50
0.00
0.00 0
5.5
11 idı (min)
16.5
22
0
RG1040/DSMB1 Raffinátum
5.5
11 idı (min)
16.5
22
RG1040/DSMB1 Extraktum
500
450
450
400 400
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
mI mII mIII mIV KA KB
40
350 300 aceton szimuláció aceton mért
250
350 300
aceton szimuláció aceton mért
250
200 5.5
11
16.5
22
200
idı (min)
5.5
11
16.5 idı (min)
DSMB1 Függelék 25. 154
22
Morbidelli-féle paraméterek RG1040/DSMB2 mI mII mIII mIV KA KB
60 50 B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des
I. ciklus 0
konc. (g/dm3)
térfogatáramok (cm3/min)
Térfogatáramok RG1040/DSMB2
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
40 KA = 28.783
30 20
KB = 13.228
10
II. ciklus
III. ciklus
frakcionálás
II. ciklus
I. ciklus
III. ciklus
0
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
0
idı (min.)
22.5 45 67.5 90
frakcionálás
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min) RG1040/DSMB2 Extraktum
RG1040/DSMB2 Raffinátum 1.6
18
1.4 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
16 14 12 10 8 6
1.2 1 0.8 0.6 0.4
4
B komponens szimuláció B komponens mért
2 0
A komponens szimuláció A komponens mért
0.2 0
0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
0
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
RG1040/DSMB2 Extraktum
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
ter% A
ter% B
RG1040/DSMB2 Raffinátum
B komponens szimuláció B komponens mért
0
22.5 45 67.5 90
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
A komponens szimuláció A komponens mért
113 135 158 180 203 225 248 270 293
0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
RG1040 /DSMB2 Extraktum IV. ciklus 1. részperiódus 4.5 A komponens szimuláció A komponens mért
4.0 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040/DSMB2 Raffinátum IV.ciklus. 1. részperiódus
B komponens szimuláció
5.5
11 idı (min)
16.5
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
B komponens mért 0
3.5
0.5 0.0
22
0
11 idı (min)
16.5
22
RG1040/DSMB2 Extraktum IV. ciklus1. részperiódus
RG1040/DSMB2 Raffinátum IV. ciklus 1. részperiódus 420
450 440 430 420 410 400 390 380 370 360 350
410
aceton szimuláció aceton mért
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
5.5
400 390 380 370
aceton szimuláció aceton mért
360 350 5.5
11
16.5
5.5
22
11
16.5 idı (min)
idı (min)
DSMB2 Függelék 26. 155
22
Térfogatáramok RG1040 DSMB3
Morbidelli-féle paraméterek RG1040 DSMB3 50
10
45
térfogatáramok (cm3/min)
9 8
40
6 5 4
mI, mII, mIII, mIV
B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des
7
3 2 1
II. ciklus
I. ciklus
0 0
III. ciklus
35 30
mI mII mIII mIV KA KB
KA = 28.783
25 20 KB = 13.228
15 10
frakcionálás
5
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
II. ciklus
I. ciklus
0
idı (min.)
0
III. ciklus
frakcionálás
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
RG1040 DSMB3 Extraktum
B komponens szimuláció B komponens mért 0
22.5 45 67.5 90
2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040 DSMB3 Raffinátum
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
A komponens szimuláció A komponens mért 0
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
RG1040 DSMB3 Extraktum
ter% A
ter % B
RG1040 DSMB3 Raffinátum
B komponens szimuláció B komponens mért 0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
A komponens szimuláció A komponens mért
0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min) RG1040 DSMB3 Extraktum
RG1040 DSMB3 Raffinátum 25
6.00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
15 10
4.00 3.00 2.00 1.00
5 B komponens szimuláció B komponens mért
0 0
5.5
11 idı (min)
16.5
0.00 0
aceton szimuláció aceton mért
5.5
11
11 idı (min)
16.5
22
RG1040 DSMB3 Extraktum
16.5
konc. (g/dm3)
450 440 430 420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300
5.5
22
RG1040 DSMB3 Raffintáum
konc. (g/dm3)
A komponens szimuláció A komponens mért
5.00
20
750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50
aceton szimuláció aceton mért
5.5
22
11
16.5 idı (min)
idı (min)
DSMB3 Függelék 27.
156
22
Morbidelli-féle paraméterek RG1040DSMB4
Térfogatáramok RG1040DSMB4 60
B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des
50 mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
mI mII mIII mIV KA KB
40 KA = 28.783
30 20
KB = 13.228
10
I. ciklus
III. ciklus
II. ciklus
I. ciklus
frakcionálás
0
0
II. ciklus
0
III. ciklus
frakcionálás
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min.)
RG1040DSMB4 Raffinátum B komponens
RG1040DSMB4 Extraktum A komponens
25
3.0
A komponens szimuláció A komponens mért
2.5 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
20 15 10
B komponens szimuláció B komponens mért
5
22.5 45 67.5 90
1.5 1.0 0.5
0 0
2.0
0.0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
0
idı (min)
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min) RG1040DSMB4 Extraktum A komponens
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
100 80 ter%
ter %
RG1040DSMB4 Raffinátum B komponens
60 40 A komponens szimuláció
B komponens szimuláció B komponens mért
20
A komponens mért
0 0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
0
idı (min)
22.5 45 67.5 90
idı (min)
RG1040DSMB4 Extraktum A komponens IV. ciklus 1. részperiódus 7.00
25
6.00 konc. (g/dm3)
30
20 15 10
A komponens szimuláció A komponens mért
5.00 4.00 3.00 2.00
B komponens szimuláció
1.00
B komponens mért
0.00
0 0
5.5
11 idı (min)
16.5
0
22
5.5
RG1040DSMB4 Raffinátum aceton IV. ciklus 1. részperiódus
konc. (g/dm3)
aceton szimuláció aceton mért
430 410 390 370 350 5.5
11
16.5
11 idı (min)
16.5
22
RG1040DSMB4 Extraktum aceton IV. ciklus 1. részperiódus
450 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
RG1040DSMB4 Raffinátum B komponens IV. ciklus 1. részperiódus
5
113 135 158 180 203 225 248 270 293
500.0 480.0 460.0 440.0 420.0 400.0 380.0 360.0 340.0 320.0 300.0
22
aceton szimuláció aceton mért
5.5
idı (min)
11
16.5 idı (min)
DSMB4 Függelék 28.
157
22
RG1040 SMB8/15 LROUT AB komponens
40.00 30.00 B komponens A komponens
20.00 10.00 0.00 0.00
50.00
100%
40.00
80%
30.00
60%
20.00
40%
B komponens A komponens m/m %B
10.00 0.00 540.00
20%
0% 585.00
562.50
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
450.00 Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
50.00
RG1040 SMB8/15 LROUT Aceton
m/m % B
RG1040 SMB 8/15 LROUT AB komponens
Aceton
400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 540.00
562.50
Idı (min)
585.00
Idı (min)
Idı (min)
Konc (g/dm3)
6.00 4.00
B komponens A komponens
2.00
100% B komponens A komponens m/m %B
8.00 6.00
0.00 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
80% 60%
4.00
40%
2.00
20%
0.00 540.00
Konc (g/dm3)
10.00
8.00
m/m % A
10.00 Konc (g/dm3)
RG1040 SMB8/15 Extraktum Aceton
RG1040 SMB8/15 Extraktum AB komponens
RG1040 SMB 8/15 Extraktum AB komponens
0% 585.00
562.50
437.00 436.00 435.00 434.00 433.00 432.00 431.00 430.00 429.00 428.00 540.00
Aceton
562.50
585.00
Idı (min)
Idı (min)
Idı (min)
B komponens A komponens
30.00 20.00 10.00 0.00 0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1E+02 1E-04 1E-10 1E-16 1E-22 1E-28 1E-34 1E-40 0.00
450.00 Konc (g/dm3)
log Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
50.00 40.00
RG1040 SMB8/15 Oszlopprofil Aceton
RG1040 SMB8/15 Oszlopprofil AB komponens
RG1040 SMB8/15 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
200.00
400.00
350.00 300.00 250.00 0.00
600.00
Aceton
400.00
200.00
800.00
400.00
600.00
800.00
NTP
NTP
NTP
RG SMB8-15 szimuláció RG1040 SMB8/40 LROUT AB komponens
RG1040 SMB8/40 LROUT Aceton
80%
30.00
60%
30.00 B komponens A komponens
0.00 0.00
0.00 540.00
350.00 300.00 250.00 562.50
Konc (g/dm3)
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 540.00
RG1040 SMB8/40 Extraktum Aceton 100%
B komponens A komponens m/m %B
80% 60% 40% 20%
0% 585.00
562.50
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
Idı (min)
437.00 436.00 435.00 434.00 433.00 432.00 431.00 430.00 429.00 428.00 540.00
Aceton
562.50
Idı (min) RG1040 SMB8/40 Oszlopprofil AB komponens
30.00 20.00 10.00 0.00 0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1.00E+02 1.00E-04 1.00E-10 1.00E-16 1.00E-22 1.00E-28 1.00E-34 1.00E-40 0.00
RG1040 SMB8/40 Oszlopprofil Aceton
450.00 Konc (g/dm3)
B komponens A komponens
log Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
40.00
585.00
Idı (min)
RG1040 SMB8/40 Oszlopprofil AB komponens
50.00
585.00
Idı (min) RG1040 SMB8/40 Extraktum AB komponens
B komponens A komponens
Aceton
400.00
200.00 540.00
Idı (min)
RG1040 SMB 8/40 Extraktum AB komponens
Konc (g/dm3)
20% 0% 585.00
562.50
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 Idı (min)
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.00
40%
B komponens A komponens m/m %B
10.00
450.00
Konc (g/dm3)
10.00
20.00
m/m % A
20.00
500.00 Konc (g/dm3)
100%
40.00
Konc (g/dm3)
50.00
40.00
Konc (g/dm3)
50.00
m/m % B
RG1040 SMB 8/40 LROUT AB komponens
B komponens A komponens
200.00
NTP
400.00
600.00
800.00
NTP
400.00
Aceton
350.00 300.00 250.00 200.00 0.00
200.00
400.00 NTP
RG SMB8-40 szimuláció Függelék 29.
158
600.00
800.00
20.00 10.00
30.00
60%
B komponens A komponens m/m %B
20.00 10.00
20%
0.00 540.00
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
RG1040 SMB 8/41 Extraktum AB komponens
6.00 B komponens A komponens
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 540.00
60%
log Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
40%
B komponens A komponens m/m %B
20%
0% 585.00
562.50
30.00 20.00 10.00 600.00
1E+02 1E-04 1E-10 1E-16 1E-22 1E-28 1E-34 1E-40 0.00
585.00
Aceton
562.50
585.00
Idı(min)
RG1040 SMB8/41 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
400.00
435.00 434.00 433.00 432.00 431.00 430.00 429.00 428.00 540.00
Idı (min)
50.00
200.00
562.50
RG1040 SMB8/41 ExtraktumAceton
80%
RG1040 SMB8/41 Oszlopprofil AB komponens
0.00 0.00
Aceton
Idı (min)
100%
Idı (min)
40.00
100.00
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
8.00
0.00 0.00
200.00
RG1040 SMB8/41 Extraktum AB komponens
10.00
2.00
300.00
0.00 540.00
0% 585.00
562.50
400.00
Idı (min)
Idı (min)
4.00
40%
500.00
RG1040 SMB8/41 Oszlopprofil Aceton 450.00 Aceton
B komponens A komponens
200.00
800.00
400.00
600.00
800.00
NTP
NTP
RG SMB8-41 szimuláció Függelék 30.
159
Konc (g/dm3)
0.00 0.00
80%
m/m % A
30.00
100%
40.00
Konc (g/dm3)
B komponens A komponens
50.00
m/m % B
50.00
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
60.00 40.00
RG1040 SMB8/41 LROUT Aceton
RG1040 SMB8/41 LROUT AB komponens
RG1040 SMB 8/41 LROUT AB komponens
400.00 350.00 300.00 250.00 0.00
200.00
400.00 NTP
600.00
800.00
Morbidelli féle paraméterek SMB 8-15 GRAD1120
Térfogatáramok SMB 8-15 GRAD1120 50
térfogatáramok (cm3/min)
9
45
8 mI, mII, mIII, mIV
40
7
B Extr. B Raff. B LRout B Feed B Des
6 5 4 3
35 KA = 28.783
30 25 20
KB = 13.228
15 10
2 1
I. ciklus
0 0
II. ciklus
22.5 45 67.5 90
III. ciklus
5
frakcionálás
I. ciklus
0 0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
II. ciklus
RG1040/SMB 8-15 GRAD1120 Extraktum A komponens 3.00
25.00 B komponens szimuláció B komponens mért
2.50 konc. (g/dm3)
20.00 konc. (g/dm3)
frakcionálás
idı (min)
RG1040/SMB 8-15 GRAD 1120 Raffinátum B komponens
15.00 10.00
2.00 1.50 1.00
A komponens szimuláció A komponens mért
0.50
5.00
0.00
0.00
0
0
22.5 45 67.5 90
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
RG1040/SMB 8-15 GRAD 1120 Raffinátum B komponens
RG1040/SMB 8-15 GRAD1120 Extraktum A komponens
m/m% A
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
B komponens szimuláció B komponens mért
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
m/m % B
III. ciklus
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min.)
0
mI mII mIII mIV KA KB
113 135 158 180 203 225 248 270 293
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
A komponens szimuláció A komponens mért 0
idı (min)
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min) RG1040/SMB 8-15 GRAD1120 Extraktum A komponens
RG1040/SMB 8-15 GRAD1120 Raffinátum B komponens 7 6
B komponens szimuláció
40
B komponens mért
konc. (g/dm3)
50
30 20
A komponens szimuláció A komponens mért
5 4 3 2 1
10
0
0
0
0
5.5
11 idı (min)
16.5
5.5
650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
11 idı (min)
22
RG1040/SMB 8-15 GRAD1120 Raffinátum aceton
16.5
22
RG1040/SMB 8-15 GRAD1120 Extraktum aceton 600
aceton szimuláció aceton mért
550 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
60
500 450 400 350 aceton szimuláció aceton mért
300 250
5.5
11
16.5
200
22
5.5
idı (min)
11
16.5 idı (min)
GSMB 8-15 1120 Függelék 31.
160
22
Morbidelli-féle paraméterek
Térfogatáramok 60
térfogatáramok (cm3/min)
8 7 mI, mII, mIII, mIV
50
6 B Extr. B LRout I. B LRout II. B Feed B Des
5 4 3 2
KA = 28.783
30 20 10 I. ciklus
1
I. ciklus
0
II. ciklus
III. ciklus
frakcionálás
22.5 45 67.5 90
Kb = 13.228 III. ciklus frakcionálás
II. ciklus
0 0
0
mI mII mIII mIV KA KB
40
113 135 158 180 203 225 248 270 293
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min.) RG1040/SMB 8-40 Grad 1120 3. mérés Extraktum A komponens
RG1040/SMB 8-40 Grad 1120 3. mérés Raffinátum B komponens 3.50
35 B komponens szimuláció B komponens mért
3.00 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
30 25 20 15 10
2.50 2.00 1.50 1.00 A komponens szimuláció A komponens mért
0.50
5
0.00 0
0
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
0 11.3 22.5 33.8 45 56.3 67.5 78.8 90 101 113 124 135 146 158 169 180 191 203 214 225 236 248 259 270 281 293
idı (min)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
RG1040/SMB 8-40 Grad 1120 3. mérés Extraktum A komponens
m/m% A
m/m% B
RG1040/SMB 8-40 Grad 1120 3. mérés Raffinátum B komponens
B komponen 0
22.5 45 67.5 90
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
A komponens szimuláció A komponens mért 0
113 135 158 180 203 225 248 270 293
22.5 45 67.5 90
RG1040/SMB 8-40 Grad 1120 3. mérés Raffinátum B komponens
RG1040/SMB 8-40 Grad 1120 3. mérés Extraktum A komponens
60
7 B komponens szimuláció
40
A komponens szimuláció A komponens mért
6
B komponens mért
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
50
30 20 10
5 4 3 2 1
0
0 0
5.5
11 idı (min)
16.5
22
0
RG1040/SMB 8-40 Grad 1120 3. mérés Raffinátum aceton
konc. (g/dm3)
500 400 300 200
aceton szimuláció aceton mért
100 0 5.5
11
16.5
5.5
11 idı (min)
16.5
22
RG1040/SMB 8-40 Grad 1120 3. mérés Extraktum aceton
600
konc. (g/dm3)
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
22
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
aceton szimuláció aceton mért 5.5
idı (min)
11
16.5 idı (min)
GSMB 8-40 1120 Függelék 32.
161
22
Térfogatáramok
Morbidelli-féle paraméterek
40
4
35
3.5
B Extr. B LRout/1 B LRout/2 B Feed B Des
3 2.5 2 1.5 1 0.5
I. ciklus
II. ciklus
III. ciklus
0 0
frakcionált
mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
4.5
30
KA = 28.783
25 20 15
KB = 13.228
10 5
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
I. ciklus
0
idı (min.)
0
II. ciklus
III. ciklus
frakcionált
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min) RG1040 SMB8-41 Grad1120 Extraktum
RG1040 SMB8-41 Grad1120 LROUT 35.00 5.00
25.00
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
6.00
B komponens szimuláció B komponens mért
30.00
20.00 15.00 10.00
4.00 3.00 2.00 A komponens szimuláció A komponens mért
1.00
5.00
0.00
0.00 0
0
22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293
22.5 45 67.5 90
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
idı (min)
tisztaság (m/m%)
RG1040 SMB8-41 Grad1120 Extraktum
B komponens szimuláció B komponens mért
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0 22.5 45 67.5 90 113 135 158 180 203 225 248 270 293 idı (min)
A komponens szimuláció A komponens mért
0
22.5 45 67.5 90
RG1040 SMB8-41 Grad1120 Extraktum 8.0
40 35 30
B komponens szimuláció
7.0
B komponens mért
6.0
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
113 135 158 180 203 225 248 270 293
idı (min)
RG1040 SMB8-41 Grad1120 LROUT
25 20 15
5.0 4.0 3.0
10
2.0
5
1.0
0
A komponens szimuláció A komponens mért
0.0 0
5.5
11 idı (min)
16.5
22
0
5.5
11 idı (min)
16.5
22
RG1040 SMB8-41 Grad1120 Extraktum
RG1040 SMB8-41 Grad1120 LROUT 600
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
550 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
tisztaság (m/m%)
RG1040 SMB8-41 Grad1120 LROUT 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
aceton szimuláció aceton mért
500 450 400 350 300
aceton szimuláció aceton mért
250 200
5.5
11
16.5
mI mII mIII mIV KA KB
5.5
22
11
16.5 idı (min)
idı (min)
GSMB 8-41 1120 Függelék 33.
162
22
RG1040 SMB 8/42 LROUT AB komponens
RG1040 SMB8/42 LROUT Aceton
RG1040 SMB8/42 LROUT AB komponens
30.00 20.00
B komponens A komponens
10.00
80%
30.00
60%
20.00
40%
10.00
20%
0.00 551.25
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
562.50
B komponens A komponens
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
100% 80% 60%
20 10 580.00
40%
B komponens A komponens m/m %B
20% 0% 573.75
562.50
Aceton
562.50
870.00
1160.00
573.75
Idı (min) RG1040 SMB8/42 Oszlopprofil Aceton
450.00
1E+02 1E-04 1E-10 1E-16 1E-22 1E-28 1E-34 1E-40 0.00
Konc (g/dm3)
log Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
B komponens A komponens
573.75
RG1040 SMB8/42 Extraktum Aceton
435.00 434.00 433.00 432.00 431.00 430.00 429.00 428.00 551.25
RG1040 SMB8/42 Oszlopprofil AB komponens
50
290.00
562.50 Idı (min)
Idı (min)
RG1040 SMB8/42 Oszlopprofil AB komponens
0 0.00
250.00 200.00 551.25
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 551.25
Idı (min)
30
300.00
RG1040 SMB8/42 Extraktum AB komponens
RG1040 SMB 8/42 Extraktum AB komponens
40
350.00
Idı (min)
Idı (min)
8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.00
Aceton
400.00
0% 573.75
m/m % A
0.00 0.00
450.00
100%
B komonens A komponenes m/m %B
Konc (g/dm3)
40.00
40.00
m/m % B
50.00
50.00
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
60.00
B komponens A komponens
290.00
580.00
870.00
Aceton
400.00 350.00 300.00 250.00 0.00
290.00
580.00
870.00
1160.00
NTP
1160.00
NTP
NTP
RG SMB8-42 szimuláció
RG1040 SMB8/44 LROUT AB komponens
40.00 30.00 20.00
B komponens A komponens
10.00 0.00 0.00
100%
40.00
80%
30.00
60%
20.00 10.00 0.00 573.75
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
40%
B komponens A komponens m/m %B
500.00 Konc (g/dm3)
50.00
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
60.00
RG1040 SMB8/44 LROUT Aceton
50.00
m/m % B
RG1040 SMB 8/44 LROUT AB komponens
20%
300.00 200.00 100.00
Aceton
0.00 573.75
0% 585.00
579.38
400.00
579.38
585.00
Idı (min)
Idı (min)
Idı (min)
100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 Idı (min)
0.00
40% 20%
Aceton
579.38
0% 585.00
579.38
585.00
Idı (min)
480.00
RG1040 SMB8/44 Oszlopprofil Aceton
640.00
1.00E+02 1.00E-04 1.00E-10 1.00E-16 1.00E-22 1.00E-28 1.00E-34 1.00E-40 0.00
450.00
B komponens A komponens
160.00
320.00
480.00
640.00
NTP
NTP
RG SMB8-44 szimuláció Függelék 34.
163
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
log Konc (g/dm3) 320.00
60% B komponens A komponens m/m %B
RG1040 SMB8/44 Oszlopprofil AB komponens
B komponens A komponens
160.00
80%
435.00 434.00 433.00 432.00 431.00 430.00 429.00 428.00 573.75
Idı (min)
RG1040 SMB8/44 Oszlopprofil AB komponens 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00
100%
Konc (g/dm3)
B komponens A komponens
8 7 6 5 4 3 2 1 0 573.75
m/m % A
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.00
RG1040 SMB8/44 Extraktum Aceton
RG1040 SMB8/44 Extraktum AB komponens
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
RG1040 SMB 8/44 Extraktum AB komponens
Aceton
400.00 350.00 300.00 250.00 0.00
160.00
320.00 NTP
480.00
640.00
RG1040 SMB8/46 opt LROUT AB komponens
40 30 20
B komponens A komponens
10
50
100%
40
80%
30
60%
20
B komonens A komponenes m/m %B
10 0 711
0 0
100
200
300
400
500
600
716
720
700
40%
m/m % B
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
50
RG1040 SMB8/46 opt LROUT Aceton
450 Konc (g/dm3)
RG1040 SMB 8/46 opt LROUT AB komponens
20%
350 300 250 200 711.00
0% 729
725
Aceton
400
720.00
729.00
Idı (min)
Idı (min)
Idı (min)
3 2 B komponens A komponens
100
200
300
400
500
600
100%
4
80% 60%
3 2
B komponens A komponens m/m %B
1 0 711.00
0 0
5
700
40%
Konc (g/dm3)
4
m/m % A
Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
5
1
RG1040 SMB8/46 opt Extraktum Aceton
RG1040 SMB8/46 opt Extraktum AB komponens
RG1040 SMB 8/46 opt Extraktum AB komponens
20%
0% 729.00
720.00
437 436 435 434 433 432 431 430 429 428 711.00
Aceton
720.00
729.00
Idı (min)
Idı (min)
Idı (min) RG1040 SMB8/46 opt Oszlopprofil AB komponens
RG1040 SMB8/46 opt Oszlopprofil AB komponens
30.00 20.00 10.00 0.00 0
200
400 NTP
600
800
450.00
1E+02 1E-04 1E-10 1E-16 1E-22 1E-28 1E-34 1E-40
Konc (g/dm3)
B komponens A komponens
40.00
log Konc (g/dm3)
Konc (g/dm3)
50.00
RG1040 SMB8/46 opt Oszlopprofil Aceton
B komponens A komponens
Aceton
400.00 350.00 300.00
0
200
400
600
800
NTP
RG SMB8-46 szimuláció
Függelék 35.
164
0
200
400 NTP
600
800
Térfogatáramok SMB8-42 Grad1120 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
80 B Extr. B LRout/1 B LRout/2 B Feed B Des
I. ciklus 0
III. ciklus
II. ciklus
70
mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
Morbidelli-féle paraméterek SMB8-42 Grad1120 90
50 40 KB =
30 20 10
frakcionált
I. ciklus
0
11.3 22.5 33.8 45 56.3 67.5 78.8 90 101 113 124 135 146
0
II. ciklus
RG1040 SMB8-42 Grad1120 Extraktum
45
6.00
B komponens szimuláció B komponens mért
40
5.00 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
35 30 25 20 15
4.00 3.00 2.00
10
1.00
5
0.00
A komponens szimuláció A komponens mért 0
0 0
11.3 22.5 33.8 45 56.3 67.5 78.8 90 101 113 124 135 146 idı (min)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
11. 22. 33. 45 56. 67. 78. 90 101 113 124 135 146 3 5 8 3 5 8 idı (min)
RG1040 SMB8-42 Grad1120 Extraktum
RG1040 SMB8-42 Grad1120 LROUT
tisztaság (m/m%)
100 90
B komponens szimuláció B komponens mért
80 70 60 50 40 30 20
A komponens szimuláció A komponens mért
10 0 0
11.3 22.5 33.8 45 56.3 67.5 78.8 90 101 113 124 135 146 idı (min)
0
11.3 22.5 33.8 45 56.3 67.5 78.8 90
RG1040 SMB8-42 Grad1120 LROUT
RG1040 SMB8-42 Grad1120 Extraktum
40.0
8 B komponens szimuláció
30.0
B komponens mért
7
konc. (g/dm3)
35.0
25.0 20.0 15.0 10.0
6 5 4 3 2
5.0
1
0.0
0 0
2.75
5.5 idı (min)
8.25
11
A komponens szimuláció A komponens mért 0
RG1040 SMB8-42 Grad1120 LROUT 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 2.75
101 113 124 135 146
idı (min)
2.75
5.5 idı (min)
8.25
11
RG1040 SMB8-42 Grad1120 Extraktum 450 440 konc. (g/dm3)
tisztaság "B"(m/m%)
frakcionált
idı (min)
RG1040 SMB8-42 Grad1120 LROUT
konc. (g/dm3)
III. ciklus
11.3 22.5 33.8 45 56.3 67.5 78.8 90 101 113 124 135
idı (min.)
konc. (g/dm3)
mI mII mIII mIV KA KB
KA =
60
aceton szimuláció aceton mért
5.5
8.25
430 420 aceton szimuláció aceton mért
410 400 2.75
11
idı (min)
5.5
8.25 idı (min)
GSMB 8-42 1120 Függelék 36. 165
11
Térfogatáramok SMB8-44 Grad1120
Morbidelli-féle paraméterek SMB8-44 Grad1120
180 B Extr. B LRout/1 B LRout/2 B Feed B Des
20 15
160
10 5 II. ciklus
I. ciklus
III. ciklus
0 0
11.3 22.5 33.8 45 56.3 67.5 78.8 90
140
mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
25
mI mII mIII mIV KA KB
120 100 80 60 40
frakcionált
KA = 28.783 KB = 13.228 III. ciklus frakcionált
20 0
101 113 124 135 146
0
idı (min.)
II. ciklus
I. ciklus
11.3 22.5 33.8 45 56.3 67.5 78.8 90
101 113 124 135
idı (min)
RG1040 SMB8-44 Grad1120 LROUT
RG1040 SMB8-44 Grad1120 Extraktum
60
konc. (g/dm3)
6.00
B komponens szimuláció B komponens mért
50
5.00 konc. (g/dm3)
40 30 20 10
4.00 3.00 2.00 1.00
0 0
5.5
11 16.5 22 27.5 33 38.5 44 49.5 55 60.5 66 71.5 idı (min)
A komponens szimuláció A komponens mért
0.00 0
5.5
11 16.5 22 27.5 33 38.5 44 49.5 55 60.5 66 71.5
idı (min) RG1040 SMB8-44 Grad1120 Extraktum
RG1040 SMB8-44 Grad1120 LROUT 90 80 70
tisztaság (m/m%)
tisztaság "B"(m/m%)
100
60 50 40 30 20
B komponens szimuláció B komponens mért
10 0 0
5.5
11 16.5 22 27.5 33 38.5 44 49.5 55 60.5 66 71.5 idı (min)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
A komponens szimuláció A komponens mért 0
5.5
idı (min)
RG1040 SMB8-44 Grad1120 Extraktum
RG1040 SMB8-44 Grad1120 LROUT 8
45.0 40.0
B komponens szimuláció
7
35.0
B komponens mért
6
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
11 16.5 22 27.5 33 38.5 44 49.5 55 60.5 66 71.5
30.0 25.0 20.0 15.0
5 4 3 2
10.0
A komponens szimuláció A komponens mért
1
5.0
0
0.0 0
1.5
3 idı (min)
0
4.5
1.5
3 idı (min)
4.5
RG1040 SMB8-44 Grad1120 Extraktum
RG1040 SMB8-44 Grad1120 LROUT 450 450
440
350
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
400 300 250 200 150
aceton szimuláció aceton mért
100 50
430 420 aceton szimuláció aceton mért
410 400
0 1.5
3
1.5
4.5
3
4.5 idı (min)
idı (min)
GSMB 8-44 1120
Függelék 37.
166
Morbidelli-féle paraméterek SMB8-46 Grad1120
140 120 B Extr. B LRout/1 B LRout/2 B Feed B Des
I. ciklus
II. ciklus
III. ciklus
mI, mII, mIII, mIV
térfogatáramok (cm3/min)
Térfogatáramok SMB8-46 Grad1120
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
80 60 40
frakcionált
KA = 28.783 KB = 13.228 III. ciklus II. ciklus
20 I. ciklus
0
9
mI mII mIII mIV KA KB
100
18 27 36 45 54 63 72 81 90 99 108 117 idı (min.)
frakcionált
0 0
11.3 22.5 33.8
45
56.3 67.5 78.8
90
101 113 124 135
idı (min) RG1040 SMB8-46 Grad1120 Extraktum
RG1040 SMB8-46 Grad1120 LROUT 3
45
B komponens szimuláció B komponens mért
2.5
35
konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
40 30 25 20 15
2 1.5 1
10
0.5
5
0
A komponens szimuláció A komponens mért
0
0
0
9
18
27
36
45
54 63 72 idı (min)
81
90
9
18
27
45
54 63 72 idı (min)
81
90
99 108 117
RG1040 SMB8-46 Grad1120 Extraktum
100 90
100
80
80
90 tisztaság (m/m%)
tisztaság "B"(m/m%)
RG1040 SMB8-46 Grad1120 LROUT
70 60 50 40 30
B komponens szimuláció
20
B komponens mért
70 60 50 40 30 A komponens szimuláció A komponens mért
20
10 0
10 0
9
18
27
36
45
54 63 72 idı (min)
81
90
0
99 108 117
0
9
RG1040 SMB8-46 Grad1120 LROUT
18
27
36
45
54 63 72 idı (min)
81
90
99 108 117
6.75
9
RG1040 SMB8-46 Grad1120 Extraktum
30.0
4.5 B komponens szimuláció B komponens mért
25.0
4.0 3.5 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
36
99 108 117
20.0 15.0 10.0
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
5.0
A komponens szimuláció A komponens mért
0.5
0.0 0
2.25
4.5 idı (min)
6.75
0.0
9
0
2.25
4.5 idı (min)
RG1040 SMB8-46 Grad1120 Extraktum
RG1040 SMB8-46 Grad1120 LROUT 500
450
450 440 konc. (g/dm3)
konc. (g/dm3)
400 350 300 250 200 150 50 0 2.25
420 410
aceton szimuláció aceton mért
100
430
400 2.25
4.5
6.75
9
aceton szimuláció aceton mért 4.5
6.75 idı (min)
idı (min)
GSMB 8-46 1120 Függelék 38.
167
9
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
Ezúton szeretném köszönetemet kifejezni konzulensem, Szánya Tibor és felesége, Szánya Vera segítségét és támogatását. Külön köszönet Hanák Lászlónak, aki szakmai tapasztalatával segítette munkámat. Továbbá nagyon hálás vagyok a Tanszék dolgozóinak segítségéért, amellyel hozzájárultak az elkészült munkámhoz. Köszönetemet fejezem ki Aranyi Antalnak és Temesvári Krisztinának, amiért a munkámat szakmailag támogatták, javaslatokkal látták el. Hálával tartozom minden tanáromnak és kollégámnak hogy eddigi pályám során segítették munkámat.
Budapest, 2009.
Nagy Melinda
