Enantioszelektiv szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia gyógyszeripari alkalmazásának vizsgálata

Átírás

1 Enantoszelektv szmulált mozgóréteges folyadékkromatográfa gyógyszerpar alkalmazásának vzsgálata Doktor (PhD) értekezés Készítette: Gál Gábor Témavezetők: Dr. zánya Tbor, egyetem doens Dr. Argyelán János, egyetem doens Pannon Egyetem Vegyészmérnök Tudományok és Anyagtudományok Doktor Iskola Vegypar Művelet Intézet Tanszék Veszprém, 2010

2 Enantoszelektv szmulált mozgóréteges folyadékkromatográfa gyógyszerpar alkalmazásának vzsgálata Értekezés doktor (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta: Gál Gábor Készült a Pannon Egyetem Vegyészmérnök Tudományok és Anyagtudományok Doktor skolája keretében Témavezető: Dr. zánya Tbor, egyetem doens Dr. Argyelán János, egyetem doens Elfogadásra javaslom (gen / nem) Elfogadásra javaslom (gen / nem).... (aláírás).... (aláírás) A jelölt a doktor szgorlaton...%-ot ért el, Veszprém,.... a zgorlat Bzottság Elnöke Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve: gen /nem Bíráló neve: gen /nem. (aláírás). (aláírás) A jelölt az értekezés nylvános vtáján...%-ot ért el. Veszprém,. a Bíráló Bzottság elnöke A doktor (PhD) oklevél mnősítése... Az EDHT elnöke

3 Tartalomjegyzék Kvonat...6 Abstrat...7 Auszug...8 I. Bevezetés...9 II. ZAKIRODALMI ÖZEFOGLALÓ Enantomerek Enantomerek elválasztás művelete Enantomerek elválasztása krstályosítással Krstályosító berendezések Frakonált krstályosítással kombnált szmulált mozgóréteges folyadékkromatográfa Kromatográfa és krstályosítás összekapsolása Knetkus rezolválás oltásos krstályosítással konglomerátum típusú raém rendszer esetén Kromatográfás enantomer elválasztás Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfa Kromatográfás töltetek Adszorpós zotermák Preparatív folyadékkromatográfa A frontáls adszorpó matematka leírása Az enantomerek elválasztása kromatográfás módszerrel Mozgóréteges kromatográfa Valód mozgóréteges kromatográfa A szmulált mozgóréteges (mulated Movng Bed, MB) folyadékkromatográfa Az MB elmélet klusa Elmélet analízs lneárs adszorpós zotermák esetén Morbdell-féle paraméterek meghatározása Elmélet analízs nem lneárs adszorpós zotermák esetén Enantomerek MB berendezéssel történő elválasztása A tervezés paraméterek rögzítése A králs állófázs és az eluensrendszer kválasztása, az oldódás tulajdonságok és a szelektvtás vzsgálata Az MB berendezés állandósult állapotának meghatározására szolgáló szmuláós szoftver kválasztása, a művelet feltételek optmalzálása...55

4 III. KÍÉRLETI RÉZ Célktűzés Az és R zomerek analtka HPLC elválasztásának vzsgálata BÉ elegyből Az 46 és 4R6 zomerek analtka HPLC elválasztásának vzsgálata AC elegyből Az és R zomerek elválasztása az EÉ raém elegyből A králs kromatográfás töltetek és eluensek kválasztása analtka HPLC-vel Töltetvzsgálatok Adszorpós egyensúly, elmélet tányérszám (NTP), elmélet tányér-magasság (HETP), szelektvtás, nyomásesés és a művelet paraméterek meghatározása Adszorpós egyensúly zoterma adatok meghatározása k alapján Adszorpós egyensúly zoterma adatok meghatározása frontáls adszorpódeszorpó alapján Mérés körülmények RG OD FR EÉ 11 mérés RG OD FR EÉ 12 mérés RG OD FR EÉ 13 mérés Mérés eredmények Adszorpós egyensúly zoterma adatok meghatározása hodográf módszerrel (hullámelmélet) A számítások eredményenek összefoglalása Adszorpós egyensúly adatok meghatározása OLVER-EXCEL programmal (b-langmur zoterma, lneárs nem szelektív taggal) A OLVER-EXCEL optmalzáló program alkalmazása abszolút hba négyzetes élfüggvény mnmalzáló programmal A OLVER-EXCEL optmalzáló program alkalmazása relatív hba négyzetes élfüggvény mnmalzáló programmal A OLVER-EXCEL optmalzáló programmal nyert eredmények összefoglalása Adszorpós egyensúly zoterma adatok meghatározása tömegmérleg hba módszerrel A számítógépes programok kbővítése χ 2 tömegmérleg hba módszer (b-langmur zoterma, lneárs nem szelektív taggal Optmáls szelektív, nem szelektív borítottság meghatározása Adszorpós egyensúly zotermák adatanak meghatározása nverz módszerrel...91

5 9. MB művelethez satolt krstályosítás részletesebb vzsgálata Fázsdagramok Oldhatóság adatok meghatározása Az oldhatóság kísérletek eredményenek ábrázolása háromszög dagramon Oldhatóság modell számítás eredmények A metastabl tartományok meghatározása n-hexánban hűtéses krstályosítással enantomerben dús R raém esetén A kísérlet berendezés A KR4 mérés eredménye A KR3 mérés eredménye A KR1 mérés eredménye A KR2 mérés eredménye A kísérlet eredmények összefoglalása MB művelet és satolt krstályosítás vzsgálata A számításokhoz felhasznált adszorpós egyensúly zoterma adatok összefoglalása Adszorpós zoterma adatok hatása a Morbdell háromszögre Az MB művelet és a krstályosítás összekapsolása Az MB szmuláó rögzített paramétere A szmuláók bemenő adata A szmuláós eredmények kértékelése A raffnátum áramok krstályosításos tsztítása A krstályosítás optmalzálása MB mérések Az MB készülék A RG OD MB EÉ mérések eredménye A RG OD MB EÉ 06 mérés eredménye A RG OD MB EÉ 07 mérés eredménye A RG OD MB EÉ 08 mérés eredménye ÖZEFOGLALÁ Irodalomjegyzék Tézsek Theses MELLÉKLET...148

6 Kvonat Napjankban a regsztrált gyógyszerpar termékek majdnem fele rendelkezk králs struktúrával, ezért a nagy tsztaságban való előállítás követelménye matt a fgyelem középpontjába kerültek. Gyógyszerészet szempontból sak az egyk optka zomer ér el a kívánt hatást, míg a másk gyógyászat szempontból naktív, esetleg toxkus. Ebből adódk az enantomerek optka tsztaságának követelménye. Mvel az enantomerek hasonló fzka-kéma tulajdonságokkal rendelkeznek és sak optkalag aktív környezetben mutatnak eltérő vselkedést, az elválasztásuk lehetetlen králs nterakó nélkül. Az MB elválasztás előnye a több enantomer-szétválasztás tehnkával szemben, hogy folyamatos a művelet, az oszlopok khasználtsága teljes, a termelékenység és a khozatal magasabb, az eluens felhasználás alasonyabb, mnt a több kromatográfás módszeré. A doktor értekezés a Rhter Gedeon Vegyészet Gyár Nyrt. által előállított kétkomponensű optka zomer keverékek elválasztását vzsgálja. A szerző a králs raém keverékek elválasztásának megvalósíthatóságát vzsgálta laboratórum méretű MB készülékkel. A él az értékes optka zomer 99 m/m %-nál nagyobb tsztaságban történő knyerése 90 % felett khozatallal. Az MB méréseket előkészítő szmuláók pontosságát és hatékonyságát a rendelkezésre álló szoftverek továbbfejlesztésével skerült növeln. Az eredet szoftvert skerült kterjeszten králsan szelektív és nem-szelektív adszorbensekre s. Az MB berendezéshez kapsolt krstályosítóval tovább skerült növeln a művelet hatékonyságát. Kulsszavak: gyógyszerpar enantomerek, králs kromatográfás töltet, enantoszeparáó, preparatív folyadékkromatográfa, szmulált mozgóréteges folyadékkromatográfa (MB-LC), krstályosítás 6

7 tudy of enantoseletve smulated movng bed lqud hromatograph proess applaton for the pharmaeutal ndustry Abstrat Nowadays almost half of the regstered pharmaeutal produts have hral strutures, aordngly they are of mportane n pharmaeutal ndustry. Pharmaologally, most often only one optal somer has proper atvty, whle the other one s natve, and possbly tox. As a onsequene, the optal purty of enantomers has sgnfant mportane. As the enantomers have the same physohemal propertes and they show dfferent haraters only n optally atve surroundngs, the separaton of them s unahevable wthout hral nteratons. The advantage of the MB method s that the proedure an be made ontnuously, the olumns are ompletely utlzed, the produtvty and yeld s hgher, and the onsumpton of the eluent s lower ompared to the bath hromatograph proess. The author nvestgated the separaton of hral raem mxture - pharmaeutal enantomers - on a laboratory sale MB equpment. In the Ph.D. thess bnary optal somer mxtures produed by Gedeon Rhter Pl. were studed. The author nvestgated the feasblty of the separaton of a hral raem mxture on a laboratory sale MB equpment. The objet was to produe the valuable optal somer n hgher than 99 % m/m purty besdes hgher than 90 % yeld. The smulaton programs were mproved, thereby the preson and the effeny of the alulatons were rased. Addtonally, new sotherm equatons were mplemented the omputer smulaton programs. The effeny of the enantomer separaton an be nreased by oupled rystallzaton of the enrhed extrat and raffnate fratons. Keywords: pharmaeutal enantomers, hral hromatograph pakng, enantoseparaton, preparatve lqud hromatography, smulated movng bed hromatography, rystallzaton 7

8 Auszug De Prüfung der Verwendung der enantoselektven smulerten Flüssgketshromatographe mt bewegender hht n der Pharmandustre Heutzutage verfügt fast de Hälfte der regstrerten pharmazeutshen Produkte über de hralshe truktur, deswegen gereten se n den Mttelpunkt der Beahtung wegen der Anforderung der Herstellung n großer Renhet. Aus dem pharmazeutshen Geshtspunkt erreht nur enes von den optshen Isomeren de gewünshte Wrkung, während das anderes aus medznshem Geshtspunkte naktv, eventuell toxsh st. De Anforderung der optshen Renhet der Enantomeren ergbt sh daraus. Da de Enantomeren ähnlhe physkalshe-hemshe Egenshaften haben und se zegen nur n optsher aktver Umwelt en vershedenes Verhalten, hre Trennung st ohne hralshe Interakton unmöglh. Der Vortel der Trennung durh MB st gegenüber der anderen Trennungstehnk der Enantomeren, dass der Vorgang kontnuerlh st, de Auslastung der äulen günstg st, de Produktvtät und das Herausholen höher snd, de Verwendung des Eluens nedrger als de andere hromatographshe Tehnk st. De Doktorarbet prüft de Trennung der von Gedeon Rhter AG hergestellten Mshungen des optshen Isomers mt zwe Komponenten. Der Autor prüfte de Durhführbarket der Trennung der hralshen Raemat-Mshungen mt enem MB Apparat n Laborgröße. Das Zel war, für uns wertvolle optshes Isomer n größere als 99 % m/m auberket zu gewnnen, mt höher als 90 % Ausbeute. Ih erhöhte mt dem Fortentwkeln der zur Verfügung stehenden oftware de Genaugket und de Effektvtät der mulatonen, de de MB-Messungen vorbereten. Ih erweterte de ursprünglhe oftware auf hralsh selektver und nht-selektver Adsorbent. Ih habe den MB Apparat mt Krstallsaton kombnert, so konnte h de Effektvtät des Verfahrens weter erhöhen. hlüsselwörter: pharmazeutshe Enantomeren, hralshe hromatographshe Pakung, Enantoseparatonen, Preparatve Flüssgketshromatographe, smulerte Flüssgkets-hromatographe mt bewegender hht, Krstallsaton 8

9 I. Bevezetés A kraltás mndenütt jelen van a természetben, a mkroszkopkus méretű molekuláktól a makroszkópkus sznten élő szervezetekg. Molekulárs sznten, a králs vegyületeknek, mnt például a tetraéderes szénatomhoz kötött négy különböző funkós soportnak van két egymással nem tükörkép formája. Ezek az úgynevezett enantomer formák. Több az élő szervezetekben jelenlévő amnosav králs, kölsönhatásuk más králs molekulákkal sztereospefkus. Ez különösen fontos a raemátként számon tartott szntetkus gyógyszerek esetén (50:50 %-os keverék a két enantomer formából), mvel az enantomerek kölsönhatása a bológa reeptorokkal különböző hatásokat tud elődézn. A legtöbb esetben, az egyk enantomer adja a kívánt gyógyászat hatást, míg a másk a semleges, ártalmatlan. Például azonban a taldomd raém esetén az egyk enantomer a gyógyszerpar éltermék, míg a másk toxkus méreg [1]. Bár a gyógyszerek sztereospefkus hatása régóta smert volt, hosszú deg nem tanulmányozták, egészen az 1990-es évek elejég, amíg nem írták elő, hogy tszta enantomereket gyártsanak [2]. Ezek az új szabályok már jelentős hatást gyakoroltak a gyógyszerparra. Az enantomer gyógyszerek paának százalékos aránya az összes gyógyszer kereskedelmében az 1990 év 10 %-ról mntegy 37 %-ra nőtt 2005-ben, amkor az enantomer gyógyszerpar termékek értékesítése 225 mllárd UD volt [3, 4]. A Rhter Gedeon Vegyészet Gyár Nyrt. a Pannon Egyetem Vegyészmérnök Intézet Vegypar Művelet Intézet Tanszékét lletve a Kooperáós Kutatás Központot kérte fel a Králs vegyületek elválasztására alkalmas folyadékkromatográf (MB-LC) fejlesztése nevezetű kutatás téma kdolgozására 2004 és 2007 között. Ezen Ph.D. dolgozat a fent K+F feladathoz kapsolódk. A gyógyszerparban, ezen belül a haza gyógyszer gyártóknál az elmúlt években előtérbe került a közel fzka, lletve fzka-kéma tulajdonságú anyagok (zomerek, optka zomerek, bomolekulák) nagytsztaságú előállítása, melyek egyk ígéretes vegypar művelet megoldása a preparatív folyadékkromatográfa. A haza gyógyszerpar terve között szerepel a preparatív folyadékkromatográfa egyk legkorszerűbb módszerének, a szmulált mozgóréteges (mulated Movng Bed, MB) folyadékromatográfás műveletnek laboratórum lletve par méretű megvalósítása. 9

10 A Ph.D. téma kdolgozása során a Rhter Gedeon Vegyészet Gyár Nyrt. egyk komponensszétválasztás feladatának megoldása kapsán egy gyógyszer hatóanyag ntermederjenek - králs észter optka zomerek ( és R, lletve és R, valamnt 4R6 és 46) - elválasztásával foglalkoztam enantoszelektív kromatográfás töltet és szmulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfás művelet lletve készülék alkalmazásával. Áttekntettem a téma szakrodalmát (ene Dret, Web of ene, EIZ, Chem. Abstr. Quk earh), mely az általam szétválasztandó molekulák tekntetében rendkívül hányosnak mutatkozott. Megjegyezném, hogy egyébként az enantomer elválasztás szakrodalma gen gazdag. Így a fenteknek megfelelően kísérletekkel kellet meghatároznom az optka zomer keverékek és a tszta komponensek oldhatóság adatat különböző, a preparatív kromatográfában alkalmazott oldószerekben, majd meg kellett határozn különböző enantoszelektív kromatográfás tölteteken [5] az adszorpós egyensúly adatokat és egyéb vegypar művelet jellemzőket (k, Langmur állandók, b-langmur állandók, zoterma adatok, NTP, HETP, poroztás (ε), halmazsűrűség (ρh), BET felület adatok, szemseméret (d p ), stb.). Ezt követően elúós, frontáls adszorpós-deszorpós mérésekkel készítettem elő az MB művelet paraméterenek meghatározását. A Vegypar Művelet Intézet Tanszéken rendelkezésre álló négy oszlopos, 1:1:1:1 oszlop konfguráójú, nytott eluens körű MB készüléket jelentősen átalakítottam (DAICEL enantoszelektív kromatográfás töltet, polarmetrás- és UV-detektor, dgtáls mérlegek, számítógépes adatgyűjtés megvalósítása), így lehetőségem nyílt a laboratórum kísérletek során a fontosabb műveletjellemzők enantomer elválasztásra gyakorolt hatásanak részletes vzsgálatára. Az analtka kéma vzsgálatokat GILON lletve MERCK Htah La Chrom HPLC készülékekkel lletve IBZ Chralyser polarméterrel, ATLA Betograph, lletve JEOL műszerekkel végeztem. Az MB művelet számítására alkalmas számítógép programot átírtam a művelet matematka modelljének módosításával (az adszorbens töltet felületén králsan szelektív és nem szelektív felület soportokat vettem fgyelembe), kompettív b-langmur adszorpós zotermát alkalmazva, mely jelentősen javította az MB kísérletek tervezését, a kísérlet paraméterek beállítását. A fent matematka modell alapján készítettem a KROM-Chr, MB-Chr programokat DELPHI számítógép nyelven lletve az Exel táblázatkezelő program OLVER bővítményének alkalmazásával. 10

11 1. kép A kslaboratórum méretű MB készülék A számítógépes szmuláókkal előzetesen meghatározott kísérlet paraméterek felhasználásával laboratórum MB kísérleteket végeztem az 1. képen látható készülékkel, mellyel skerült mndhárom optka zomer keverék esetében az előírt termék tsztaságot és khozatalt elérnem. Az előírt termék tsztaságok (>99 m/m %) és khozatalok (>90 %) mellett számítógép szmuláókkal meghatároztam a termelékenység és oldószer fajlagos maxmáls lletve mnmáls értéket. Ennek alapján javaslatot tettem a Rhter Gedeon Vegyészet Gyár Nyrt. részére a gyógyszerpar hatóanyag kéma szntézsen belül az enantoszelektív kromatográfás művelet helyének kjelölésére. A Ph.D. téma kdolgozásának befejező részében az MB művelethez satolt bepárlásos-hűtéses krstályosítással foglalkoztam. Ehhez kapsolódva először meghatároztam az és R valamnt a raém R optka zomerek oldhatóság adatat n-hexánban és megállapítottam, hogy az oldhatóság dagram krstályosítás szempontból konglomerátum típusú. A krstályosítás anyalúg rerkuláójával jelentősen növeltem a szétválasztás művelet gazdaságosságát, a termelékenységet, mközben az eluens felhasználást sökkentettem. 11

12 II. ZAKIRODALMI ÖZEFOGLALÓ A Ph.D. dolgozat kdolgozása során három optka zomer keverék ( és R, valamnt és R lletve 46R és 4R6) elválasztását vzsgáltam králs töltetet alkalmazó kslaboratórum méretű MB-LC készülékkel. A Rhter Gedeon Vegyészet Gyár Nyrt. által átadott vegyületek (králs észterek) és az előállítandó gyógyszer hatóanyag kéma összetételét, szerkezet képletét smerem, de a ttkosság szerződésben leírtak matt nem hozhatom nylvánosságra. A Chemal Abstrat lletve a ene Dret szakrodalom kereső programjaval végzett keresés során a fent vegyületek kromatográfás elválasztására vonatkozóan szakrodalm hvatkozást nem találtam. Egyébként általában a králs vegyületekre vonatkozó szakrodalm publkáók száma rendkívül nagy. A szakrodalm összefoglalás elkészítése során áttekntettem a témához kapsolódó fontosabb könyveket lletve publkáókat a Vegypar Művelet Intézet Tanszék könyve és publkáó mellett [6-20]. 12

13 1. Enantomerek Az olyan aszmmetraentrumot tartalmazó králs vegyületeket, melyeknek két egymással fedésbe nem hozható és optka aktvtást mutató tükörkép szerkezete lehetséges, enantomer vegyületpárnak nevezzük. Egy aszmmetraentrum esetén mndg sak két enantomer térszerkezet lehetséges, melyekre jellemző, hogy kéma tulajdonságak akráls reagensekkel szemben azonosak, a fzka és termodnamka állandók azonosak lletve a fajlagos forgatóképességük nagysága s azonos, sak rányuk ellentétes. A két aktív módosulat képződésének valószínűsége teljesen azonos. Így egy naktív, úgynevezett raém módosulat alakul k. Az egy aszmmetraentrumot tartalmazó vegyületeknek tehát három módosulata lehetséges: két aktív enantomer és az naktív raém. Ha egy molekulában két aszmmetraentrum van, ezek környezete lehet azonos vagy különböző. Ezenkívül mndegyk entrum rendelkezhet kétféle (R vagy ) konfguráóval. A két azonos környezetű aszmmetrkus szénatomot tartalmazó vegyületek klasszkus példája a borkősav. A két azonos környezetű aszmmetraentrumot tartalmazó vegyületek esetén összesen négy módosulat lehetséges: két aktív [(R,R)- ll. (,)-], a mezo- [(R,) = (,R)] és a raém [(R)-] módosulat, mely utóbb a két aktív forma %-os elegye. Az aktív formák egymásnak enantomerje, s a mezo-formával mndegykük dasztereomer vszonyban van. Dasztereomer vegyületpárt alkotnak az olyan, több aszmmetraentrummal rendelkező optka zomerek, amelyek a teljes molekulát tekntve nnsenek tükörkép vszonyban egymással, sak részlegesen tükörképe egymásnak. A dasztereomer párok egymással fedésbe nem hozható, de nem s tükörkép szerkezetek. Ebből adódóan a molekulán belül atomtávolságok sem mnd azonosak, ezért nem azonosak a dasztereomerek kéma tulajdonsága, fzka állandó, a forgatás ránya és a forgatóképesség mértéke sem. A dasztereomer vegyületpárok egyszerű fzka módszerekkel s elválaszthatók egymástól [21]. 13

14 2. Enantomerek elválasztás művelete Közsmert a hatvanas évek gyógyszerbotránya, a Contergan (Thaldomne) esete [1]. A nyugtató hatású gyógyszert széles körben alkalmazták terhes nők gyógyítására s, ám használatának következményeként több ezer sesemő sökevényes végtaggal jött a vlágra. Ennek oka a hatóanyag két enantomerjének eltérő bológa hatásában keresendő: az egyk enantomer nyugtató, a másk magzatkárosító hatású. Egyebek közt a Contergan rányította rá a fgyelmet az enantomerek fontos voltára, arra, hogy tszta állapotban való gyártásuk mennyre szükségszerű. Gyógyszerenk, növényvédő szerenk jelentős része králs vegyület, enantomerjek bológa hatása között azonban nem mndg lyen meglepő a különbség. Például több olyan vegyület van, melynek két enantomerjét szervezetünk más llatként vagy más ízként érzékel. Gyakor, hogy a kívánatos bológa hatást kfejtő enantomer mellett azonos mennységben megtalálható másk enantomernek bzonyíthatóan nnsen semmféle káros hatása. Egy statsztka szernt 1993-ban a szntetkus hatóanyagot tartalmazó gyógyszerek száma 1300 körül volt, közülük kb. 500 tartalmazott králs hatóanyag molekulát. De sak 61 hatóanyaga volt optkalag tszta. A helyzet azóta sokat javult, de még mndg bőven vannak keverékek gyógyszertár forgalomban. A gyógyszerpart és paot jelentős mértékben befolyásoló amerka Federal Drug Admnstraton néhány éve sak tszta enantomer hatóanyagot tartalmazó készítmények forgalmazását engedélyez [7]. Tehát a kéma reakó során, ha králs vegyületek keletkeznek, feltétlenül számoln kell mndkét konfguráójú termék képződésével. Gyakorlat szempontjából két lehetséges megoldás létezk az optka zomerek elválasztására az ndrekt és a drekt szntézs. Indrekt szntézsről beszélünk, amkor a reakót élrányosan végezzük. Amennyben a molekula már tartalmazott aszmmetrkus szénatomot, azzal dasztereomert képzünk. Amennyben egy új asszmetra entrumot akarunk létrehozn, akkor valamlyen módon kraltást kell vnn a rendszerbe, például králs katalzátor vagy králs reagens segítségével. Drekt szntézs során raém elegy keletkezk és azt utólagosan kell elválasztan. A szerves kéma szntézsek során általában az enantomerek azonos arányban keletkeznek. Az így keletkezett raém elegy enantomerekre való szétválasztása a rezolválás. A rezolválás számos smert módszere közül a mehankus eljárás kvételével 14

15 mndegykre érvényes az, hogy az elválasztás sak valamlyen másk králs anyag közreműködésével valósítható meg. Ha az enantomerek külön-külön krstályosodnak (konglomerátumot alkotnak), a fejlett enantomorf krstályok kválogathatók a halmazból. A mehankus módszert azonban rtkán alkalmazzák, mert kevés olyan enantomer van, am külön-külön krstályosodk, lletve megfelelő méretű krstályok rtkán képződnek. Alkalmazzák vszont az átkrstályosítást abban az esetben, amkor az egyk enantomerből sak kevés van az elegyben. A bológa módszer lényege, hogy az enantomerek oldatából az egyk komponenst megfelelő mkroorganzmussal lebontjuk. Hátránya, hogy ez a komponens elvész. Valamlyen optkalag aktív reagens hozzáadásával dasztereomer sókat, komplexeket vagy vegyület párokat képzünk. Ha egy A aszmmetra entrummal rendelkező vegyület raém formáját (A, A ) feloldás után B entrumú optkalag aktív vegyülettel reagáltatjuk, a keletkező AB és A B vegyületek dasztereomer vszonyban lesznek egymással, tehát frakonált művelettel elkülöníthetők. A dasztereomerek elválasztása történhet oldhatóság különbség alapján. Pasteur [22] volt az, ak az első fzkalag s megvalósított enantomer elválasztást elvégezte borkősav krstályos Na és ammónum sónak a szétválogatásával. A rezolválás egymással nem elegyedő oldószerek segítségével s megoldható. A dasztereomer mellől a szabad állapotú enantomer elválasztását megoldhatjuk úgy s, hogy a rezolváló ágenst és a raém vegyületet megfelelő arányban összekeverjük, majd az oldószert eltávolítjuk és a maradék elegyet szuperkrtkus állapotú oldószerrel extraháljuk. Így vsszamarad a dasztereomer só, amely később frakonált krstályosítással elválasztható az oldószertől. Amennyben a králs kölsönhatás szlárd fázsok között játszódk le, a rezolváló ágenssel dasztereomer komplex alakul k, és a kapott keveréket frakonált szublmáóval elválaszthatjuk. Az enantomer elválasztást frakonált desztlláóval s elvégezhetjük, ha a dasztereomer, mely az első frakó után vsszamarad, magasabb hőfokon elbomlk, és a só bomlásával a lehetséges termék keletkezk. A rezolváló ágens kválasztására különböző számítás módszereket dolgoztak k, ugyanakkor a fázsdagramok felhasználásával méréseken alapuló módszereket s javasolnak. 15

16 A gyógyszer- és a növényvédőszer-par egyre nkább a raém vegyület helyett annak sak egyk enantomerjét használja fel, így szükség van a rezolválásra. A rezolválás megoldható a raém elegy optkalag aktív adszorbensen végzett kromatografálásával s. Ilyenkor az enantomerek az adszorbens molekulákhoz eltérő módon lleszkednek, s így az adszorbensen különböző mértékben kötődnek meg. Részletes leírása a fejezetben található. A králs vegyületek nagy enantoszelektvtással történő előállítása a tudományos érdekességen túl gyakorlat szempontból s gen fontos. A králs építőelemek szntézsét lehetővé tevő eljárások, köztük kemelkedő helyen a homogénkataltkus enantoszelektív szntézsek mnd nagyobb jelentőségre tesznek szert [23]. A 2001-es év Kéma Nobel-díj ktüntetettje különböző kéma reakókban valósították meg a tükörkép párok szelektív szntézsét. Ezekben a reakókban átmenetfémeket (ródumot, rídumot, ttánt, ozmumot) tartalmazó, úgynevezett enantoszelektív homogén katalzátorokat alkalmaztak. Ezek olyan - reakóközegben oldott (azaz homogén, az oldószerrel egy fázst képező) - vegyületek (fém komplexek), amelyek a lehetséges két enantomer közül supán az egyk tükörkép formát képvselk. Kataltkus tulajdonságot mutatnak, azaz képesek vegyületeket úgy átalakítan, hogy eközben szerkezetüket és tulajdonságakat változatlanul megőrzk. A kataltkus enantoszelektív szntézsek legnagyobb jelentősége abban áll, hogy ks mennységű optkalag aktív katalzátorral nagy mennységű anyagra vhető át a králs nformáó. Tszta enantomereket hosszú dőn keresztül supán bológa rendszerek segítségével lehetett előállítan, melyek természetes anyagok szntézsére voltak sak alkalmasak. Ezek a rendszerek gen gyakran sérülékenyek. Az aszmmetrkus kataltkus módszerek azzal az előnnyel bírnak, hogy mnd a természetben előforduló, mnd a mesterséges vegyületek szntézsére alkalmasak. 16

17 2.1. Enantomerek elválasztása krstályosítással Krstályosító berendezések A krstályosító berendezés olyan nytott vagy zárt művelet egység, amely keletkező góok vagy beoltott krstályok segítségével krstályok növesztésére képes. Két típusú krstályosító létezk az oldatkrstályosító és az olvadékkrstályosító. A krstályosító után mndg kapsolnak szűrőberendezést vagy entrfugát, ll. szárítókat és sztákat. A végrehajtott művelet alapján a krstályosítók lehetnek egyszerű elpárologtató krstályosítók, hűtőkrstályosítók, bepárló krstályosítók, vákuumkrstályosítók [24] Frakonált krstályosítással kombnált szmulált mozgóréteges folyadékkromatográfa Az enantomerek tsztítására, elválasztására alkalmazott krstályosítás eljárások a két enantomer olvadás vselkedését leíró megfelelő fázsdagramok (bner olvadáspont dagramok) vagy a megfelelő oldószerbel oldódás tulajdonságuk (terner oldhatóság dagram) alapos smeretén alapulnak [25-37]. A fázsdagramok telítés görbének jellege szernt az enantomer rendszerek három alapvető típusát különböztetjük meg. Ezeket először Roozeboom [28] írta le. A konglomerátumok, raém vegyületek és szlárd oldatok által kalakított karaktersztkus bner fázsdagramok láthatók a 2.1. ábrán ábra A raemát típusanak kételemű fázsdagramja: (a) konglomerátum, (b) raém vegyület és () pszeudoraemát 17

18 A raemátok mndössze 5-10 %-a tartozk a konglomerátumok közé, amely a legkedvezőbb soport bzonyos, nem-raém elegyekből, frakonáls krstályosítással történő enantomeres dúsítás megvalósítására. A raemátok %-a tartozk a szlárd fázsban jelen levő, úgynevezett raém vegyületek, vagy más néven gaz raemátok közé. Az utóbb esetben a fázsegyensúly smerete még fontosabb, mvel a fázsdagram tszta enantomerek tartománya, amt a bner/terner eutektkus pont helyzete határoz meg, még ksebb. A szlárd oldatok soportját alkotó raemátok (ún. pszeudoraemátok) vszonylag rtkák. A terner (oldhatóság) fázs dagram megjelenés formája levezethető a fent ábrán tárgyalt (2.1. ábra) bner dagramok alakjából. A bner fázsdagramokra mént tett megállapítás szntén hozzájárul az oldhatóság adatok hozzávetőleges meghatározásához. Az olvadáspont dagramok meghatározása a terner rendszerek oldhatóság mérésehez képest könnyű. A 2.2. ábrán két enantomer és egy oldószer által alkotott rendszer vázlatos oldhatóság dagramja látható a leggyakrabban használt egyenlő oldalú háromszög formájú dagramban. oldószer 2.2. ábra (+)- és (-)-enantomert tartalmazó vegyület vázlatos terner oldhatóság dagramja (T = állandó) 18

19 A háromszög súsa reprezentálják a tszta komponenseket: az oldószert a felső, míg a (+) és ( ) enantomert a jobb és bal alsók. A háromszög oldala (mól vagy tömegtört skálával) a bner rendszereket mutatják: a (+) enantomer/oldószer és ( ) enantomer/oldószer rendszert a bal lletve a jobb oldala, míg a háromszög alapja a (+)/( ) enantomer rendszert, R-rel jelölve azt a pontot, ahol a raém vegyület a mndkét enantomert 50 %-ban tartalmazza. A háromszög mnden egyes belső pontja egy terner elegyet jelöl, am mnd a három komponenst tartalmazza. Az A, A és C pontok jelentk a tszta enantomerek, lletve a raemát oldószerben való oldhatóságát adott hőmérsékleten, következetesen az A-E-C-E -A a terner rendszer oldhatóság görbéje ugyanezen a hőmérsékleten. Ennek következtében az oldhatóság görbe felett telítetlen oldószer (egyfázsú tartomány) van. Az A-E-tszta (+), A -E -tszta ( ) vagy az E-E -R pontok által határolt területek olyan kétfázsú régókat jelölnek, ahol az egyk tszta enantomerből vagy a raém vegyületből álló szlárd fázs egyensúlyban van az oldhatóság görbén levő összetételű telített oldószerrel. A tszta enantomer lletve a raemát tartományában a szakasz osztópontjat a P 2 és P 2 pontok mutatják. A megfelelő összetételű folyékony fázst az M lletve az O pontok mutatják. A háromszög tszta(+)-eraemát vagy a tszta( )-E -raemát által határolt területe háromfázsú tartományokat jelölnek, ahol két szlárd fázs (tszta enantomer és raém keverék) tart egyensúlyt az E vagy E pontokkal jelzett eutektkus összetételű folyékony fázssal. Ebbe a tartományba tartozó összetételű, részlegesen dúsított oldatból a tszta enantomer knyerése nem lehetséges. A P 3 és P 3 összetételű telített oldatok N vagy K összetételű szlárd fázsra tagolódnak, így jutunk a tszta enantomer és a raém elegy keverékéhez. A kapott anyalúg mnden esetben eutektkus összetételű. A tszta enantomer kzárólag frakonáls krstályosítással állítható elő abban az esetben, amkor a kndulás oldat összetétele az A-E-tszta(+) vagy A -E -tszta( ) pontok által határolt tszta enantomer tartományán belül helyezkedett el. Ennek következtében a kromatográfa és a krstályosítás műveletének sorbakapsolásakor az első, kromatográfás lépésben egy mnmáls enantomeres dúsítást teljesíten kell, amely meghaladja a terner fázsdagram eutektkus pontját. Ezt követően az erősen felhígított, telítetlen oldatot (pl.: P 1 -es pont) be kell pároln annak érdekében, hogy a tszta enantomer tartományát elérjük (pl: P 2 -es pont), melynek eredményeképp lehetővé válk a tszta enantomer knyerése a következő, krstályosítás lépés(ek)ben. A betáplált raém elegyet kromatográfás úton nem lehet megfelelően a P 1 -es pontba (melynek tsztasága ksebb, 19

20 mnt az E pontbelé) dúsítan, mvel a bepárlás olyan összetételű elegyet szolgáltat, mnt amlyen a P 2 vagy P 3 pontokban van, melyből a tszta enantomerek nem nyerhetők k krstályosítással. Ha a terner rendszerben az oldhatóság hőmérséklet függése smert, más módszerek s számításba jöhetnek a kromatográfásan dúsított oldat túltelítésének megvalósítására Kromatográfa és krstályosítás összekapsolása A hatékony enantomer szeparáóhoz a folyadékkromatográfa és a frakonált krstályosítás összetett műveletét javasolják. Első lépésként az egyk enantomer feldúsítására egy kromatográfás elválasztó műveletet, főként a szmulált mozgóréteges folyadékkromatográfát (MB) ajánlják (Az MB műveletet lásd részletesebben a 3. fejezetben). Következő lépésként frakonált krstályosítással végezhető el a él enantomer tsztítása. A (+)/( )-enantomerek és az oldószer rendszere egy terner fázsdagramot alkot. Látható a 2.2. ábrán, hogy az egyk enantomert a kívánt tsztaságban akkor lehet knyern, ha egy aszmmetrkus összetételű elegyből ndítjuk a krstályosítást. Tehát a kromatográfás szeparáós művelet során nem szükséges magas tsztaságban knyern az enantomert. A 2.3. ábrán látható az összekapsolt művelet, amely során mnd a két enantomert tsztítják krstályosítással ábra Kétlépsős enantomer elválasztó rendszer 20

21 A művelet során az MB kromatográfás egységre egy 50:50 m/m % összetételű raém elegyet táplálnak be. A folyamatos szeparáó után a két terméket a raffnátum és az extraktum áramokban vezetk k. Ebben a két áramban dúsulnak fel a komponensek. Az enantomerek feldúsulásának mértéke különböző a raffnátum és az extraktum áramokban. A raffnátumban például 80:20 m/m %, míg az extraktumban például 10:90 m/m % összetételűek. Ezt a két áramot betáplálják egy folyamatosan működő krstályosító rendszerbe, ahol a távozó szlárd fázs (krstályok) sak az egyk enantomert fogja tartalmazn 100 m/m %-os tsztaságban. Az egyensúly fázsdagramnak megfelelően a keletkezett anyalúg tartalmazza mndkét enantomert. A keletkezett anyalúg összetétele hasonlít a kndulás raém elegy összetételére, ezért ezt vsszavezetk az MB művelet betáplálás áramába (Az MB és a satolt krstályosítás részletezését lásd a 9. fejezetben) Knetkus rezolválás oltásos krstályosítással konglomerátum típusú raém rendszer esetén Konglomerátum típusú raém rendszerek krstályosítással történő elválasztása esetén alkalmazhatjuk az oltásos knetkus rezolválást (2.4. ábra). T 1 hőmérsékleten legyen az enantomereket tartalmazó oldat telített, melyet hűtsünk le T 2 hőmérsékletre az úgynevezett metastabl zónában. Ha az a pontban levő oldatot úgy hűtjük, hogy homokráls ( )enantomer krstályokat adunk az oldathoz a hűtés során, akkor az oldat összetétele nem jut át közvetlenül a pontba, hanem az a, b, trajektórát követ. Ez az jelent, hogy ( )enantomer krstályban dúsabb frakót kapunk a hűtés elején a b pontg, mközben a krstályosítás anyalúg (+)enantomerre nézve dúsul. Ezt követően a krstályosítás anyalúg (+)enantomer konentráója lesökken a raém konentráót jelölő pontg. Értelemszerűen a b, trajektórán való mozgáskor s ( )enantomerben dúsabb krstályt kapunk. A teljes a, b, trajektórán való mozgás után nyert krstály ntegrálsan raém összetételű, hasonlóan a pontbel raém anyalúg konentráóhoz. A fent elveknek megfelelően létrehozható az úgynevezett butterfly krstályosítás, mely alkalmas konglomerátum típusú raém rendszerekben enantomerek elválasztására knetkus rezolválás oltásos krstályosítás alkalmazásával. A módszert a 2.5. és 2.6. ábrákon mutatom be. 21

22 2.4. ábra Oltásos knetkus rezolválás elve [26] 2.5. ábra A butterfly krstályosítás elve háromszög dagrammon [26] 22

23 2.6. ábra A butterfly krstályosítás megvalósításának elve [26] Az a pontban levő T ra hőmérsékletű telített oldatot T A hőmérsékletg hűtjük és ( )enantomer krstállyal oltjuk be. Az oldatból kváló ( )enantomer krstályokat kszűrjük és eltávolítjuk. A b pontba jutott T A hőmérsékletű anyalúghoz felmelegítés közben (T A - ról T ra -ra növeljük a hőmérsékletet) raém keveréket adunk. Ennek következtében az oldat összetétele a pontba jut. A pontban levő oldathoz (+)enantomer oltókrstályt adunk, mközben hőmérsékletét sökkentjük T ra értékről T B = T A értékg. A rendszer pontból d pontba jut. Ezt követően felmelegítjük T B = T A hőmérséklet értékről az oldatot T ra értékg, mközben raém keveréket adunk az oldathoz. Ennek során d pontból vsszajutunk az a pontba. Ilyen módon a klkus művelet első klusa befejeződött és a fenteknek megfelelően smételhető [26]. 23

24 2.2. Kromatográfás enantomer elválasztás Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfa A HPLC elmélete A HPLC olyan nagynyomású oszlopkromatográfa, amellyel a nem llékony lletve a termkusan nem stabl vegyületek hatékony elválasztása, mennység meghatározása s megoldható. A nagyhatékonyságú folyadékkromatográfa kfejlődése az 1960-as évek közepén kezdődött. Ekkor még polárs állófázsokat alkalmaztak (alumínum-oxd, szlkagélek). A 70-es évek végétől a tehnka ugrásszerű fejlődése ndult meg. Megjelentek az ún. fordított fázsú töltetek, amelyeket a szlkagél felületének kéma módosításával hoztak létre. A polárs szlkagél felületén apolárs soportokat rögzítettek, így a hagyományos polartásvszonyok (polárs töltet, apolárs mozgófázs normál fázs) megváltozásával létrejött a fordított fázsú kromatográfa, ahol víz szerves oldószer elegyeket használnak mozgófázsként. A klasszkus vagy más néven gravtáós áramlású folyadékkromatográfával ellentétben a nagyhatékonyságú folyadékkromatográfa esetében a szemsés töltetet tartalmazó kolonna tetejére feladott elválasztandó mntaelegy öblítő eluens kényszeráramlásban van. Ez a kényszeráramoltatás szvattyúval valósítható meg. A HPLC előnye a klasszkus folyadékkromatográfával szemben a töltet szemseméretének jelentős sökkentése, lletve a folyamat felgyorsítása [38-40] A HPLC berendezés fő része és működése Az eluens tartályból egy keráma vagy fém szűrőn keresztül szvattyúzzuk az oldószereket a pumpa segítségével. Az eluenst a mérés megkezdése előtt gázmentesíten kell. A nagynyomású szvattyú (pumpa) a HPLC rendszer legfontosabb modulja. A mozgófázs felszívását és áramoltatását a szvattyúval végezzük. Mvel a folyadékkromatográfában gyakran kell korrozív lletve magas sótartalmú eluensekkel dolgozn, a pumpafejet, dugattyúkat és szelepeket speáls anyagokból készítk amelyek garantálják a tartós hbamentes működést. 24

25 Izokratkus üzemmódról beszélünk ha a nagynyomású szvattyú az elválasztás deje alatt állandó mozgófázs összetételt szállít. Ennél az üzemmódnál megoldható az eluens vsszaáramoltatása az eluenstartó palakba, amennyben nem tartalmaz szennyező komponenst. Gradens üzemmódról beszélünk ha dőben változtatjuk (növeljük) az eluens erősségét. A modern pumpák 3-4 különféle oldószer keverését tudják elvégezn, a szvattyú szívó és nyomó oldalán egyaránt. Az njektor (mntaadagoló) a mnta bevtelére szolgál. Megkülönböztetünk kéz vagy automata mntaadagolót. Az analtka elválsztó kolonnán (oszlop) történk a mnta elegy komponensenek szétválasztása azok kéma-fzka tulajdonsága alapján. A kolonnák különféle töltettel (állófázs, szorbens) vannak megtöltve. A kolonna bemenet részén és végén védő szűrőt alkalmaznak am egyrészt megakadályozza a töltet kfolyását, másrészt véd a töltetet a mehanka szennyeződésektől. A kolonnák védelmére ún. előtét vagy védő kolonnákat s alkalmazhatunk, amelyek sokkal rövdebbek mnt az analtka kolonna és ugyanolyan töltetet tartalmaznak (esetleg nagyobb szemsemérettel). A detektorok a kolonnáról lejövő, szeparált komponensek detektálására alkalmasak. A nagyhatékonyságú folyadékkromatográfában mndg a vzsgálandó mnta határozza meg az alkalmazott detektálás módot. A kölönféle detektorok más-más vegyületsoportok különböző érzékenységgel történő detektálására alkalmasak. A legtöbb módszerleírás tartalmazza a detektálás módot. A mérésem során UV és Chralyser detektorokat használtam. Az UV detektorok unverzálsan használhatók azoknál a mérendő komponenseknél amelyek UV fényt nyelnek el. Az UV detektorok a HPLC méréseknél leggyakrabban alkalmazott eszközök, melyek nagy érzékenységgel és alasony zajsznttel rendelkeznek, így alkalmasak ks mnta konentráók mérésére. Az UV detektor egy adott hullámhosszon működk, a mérések során mndg 254 nm hullámhosszon detektáltam. Vannak programozható hullámhosszú ll. spektrum felvételére alkalmas detektorok s. Az IBZ gyártmányú Chralyser egy nagy teljesítményű polarmetrás detektor optkalag aktív vegyületek detektálására. A Faraday-kompenzáó elvén működő 426 nm LED fényforással rendelkező műszer lehetővé tesz az optkalag aktív molekulák nem sak az analtkus hanem preparatív detektálását s. 25

26 A HPLC tehnkában használatosak még a dódasoros (Doda array, DA), a fluoreszens (FL), az elektrokéma EC (amperometrás), a tömegszelektív (Mass petrometer, M), a vezetőképesség mérő (onmérés), törésmutató mérő, radokéma és a fényszórásmérő detektorok [40]. A HPLC szoftverek legfőbb feladata a rendszer vezérlése, a detektor adatanak felvétele-tárolása az adatok kértékelése és dokumentálása. A szoftverek felépítése, megjelenés formája sokféle lehet. A ma használatos modern HPLC szoftverek legtöbbje Wndows operáós rendszer felhasználásával működk, am megfelelő adatbztonságot és egyszerű kezelhetőséget jelent Kromatográfás töltetek A králs állófázsú kromatográfát sakúgy, mnt a kromatográfát, általában már a kezdetektől s nkább tszta komponensek előállítására alkalmazták, mnt analtka élokra. Ipar felhasználásuknak sokág magas áruk szabott határt, ematt sak különleges esetekben alkalmazták őket, mnt például bomolekulák elválasztására, ahol más módszer nem volt alkalmazható. Ezzel szemben néhány petrolkéma és ukorpar folyamat esetében nylvánvalóvá vált, hogy az adszorpó lletőleg a kromatográfa elvének alkalmazásával még néhány ksebb értékű termék s nagyon gazdaságosan állítható elő. Kezdetekben a természetes polmereket pl. ellulóz-traetátot és a mesterséges polmereket pl. a pol-trfenl-metl-metakrlátot vagy a pol-amnosavészter-akrlamdot hatalmas üvegkolonnákba töltve alkalmazták gyógyszerpar aktív komponensek tszta enantomerjenek zolálására. Ezt követően Prkle ( brush type králs állófázsok) és Okamoto (ellulóz- és amlóz-karbamátok és -észterek) úttörő munkája révén, akk a szlkagél felületére kötötték meg a králs elválasztó elemeket, vált lehetővé olyan kolonnák kfejlesztése, amelyek már használhatóak voltak a nagyhatékonyságú kromatográfában [13]. Ezen állófázsok alkalmazásával a különböző farmako-knetka, farmakológa és farmako-dnamka tulajdonságokkal rendelkező enantomerek s vzsgálhatóvá váltak. Králs állófázsnak nevezünk mnden olyan kromatográfás elválasztásra alkalmas állófázst, amely ksmolekulájú králs monomerekből felépülő természetes, vagy szntetkus polmer szerkeztű anyag: 26

27 -tszta polmerek -szervetlen váz polmer bevonattal A legjelentősebbek az olgo- és polszahardok valamnt ezek származéka, a polakrlamdok, polakrl-észterek és a proten-alapú fázsok [14]. a hordozó fázs (polmer, szlka gél) felületére rögzített ksmolekulájú szelektort tartalmaz: -szervetlen anyag (pl.: szlka gél) felületének módosításával -szerves polmer hálóba beültetett králs molekulákkal létrehozott fázsok Ilyenek: az amnosav származék, brush type CP (Chral tatonary Phase), koronaéter, borkősav származék és klodextrn alapú fázsok. Az utóbb években számos ég fejlesztett k králs állófázsokat (2.1. táblázat). Jelenleg több, mnt HPLC-hez alkalmazható - par CP létezk. Név Márkanév Cellulóz tr-aetát Chralel OA Cellulóz trsz(3,5-dmetl-fenl-karbamát) Chralel OD Cellulóz trsz(4-metl-benzoát) Chralel OJ Amlóz trsz(3,5- dmetl-fenl-karbamát), 10 µm Chralpak AD Amlóz trsz(3,5- dmetl-fenl-karbamát), 5 µm Chralpak IA * Cellulóz trsz(3,5- dmetl-fenl-karbamát), 5 µm Chralpak IB * Cellulóz tr-benzoát Chralel OB Amlóz trsz[()-fenl-etl-karbamát] Chralpak A Pol[()-N-akrl-olfenl-alann-etl-észter] Chraspher 3,5-Dntro-benzol-fenl-gln DNBPG Keresztkötésű d-(3,5-dmetl-benzol)-l dallltartaramd Kromasl CHI-DMB Keresztkötésű d-(4-ter-butl-benzol)-l dallltartaramd Kromasl CHI-TTB Tetrahdro-amnofenantrén 3,5-dntro-benzamd WHELK-O I * - jó oldószerálló polmer alapú králs töltet 2.1. táblázat Králs állófázsok Franotte szernt öt fő HPLC-CP osztály létezk a kalakuló mnta-cp komplex alapján [14]. Az I-es típus (vagy Prkle típus) vonzó-taszító, főleg Π-elektron donorakeptor mehanzmuson alapuló mnta-állófázs komplexeket tartalmaz. A II-es típust egy 27

28 ellulózszármazékkal lehet szemléltetn, melyet a králs üregekben létrejövő vonzó kölsönhatások jellemeznek. A III-as típusú CP-k, mnt a klodextrnek, koronaéterek befogadó komplexeket képeznek. A IV-es típusú CP-knél a mnta a dasztereomer fémkomplex része (králs lgandumsere kromatográfa). Az V-ös típusú CP egy proten (bovn szérum albumn), a mnta-cp komplexek létrejötte hdrofób és polárs kölsönhatásokon alapszk. A méréseket egy részét a II-es típusú CHIRALCEL OD tölteten (2.7. ábra) végeztem. A töltet 5 vagy 20 µm-es szemseméretű szlkagélre (fzka lesapással) felvtt ellulóz 3,5-dmetl-fenl-karbamátot tartalmaz. Ez egy normál fázsú analtka oszlop, azonban jó kapatása matt preparatív elválasztásokra s alkalmazható. Főként szterodok, egyszerű funkós vegyületek elválasztására szolgál. A töltet hátránya, hogy az oldószereknek sak egy meglehetősen szűk soportjánál alkalmazható. A legtöbb HPLCben eluensként gyakran alkalmazott oldószer (pl.: aeton, kloroform, dmetl-szulfoxd, etl-aetát, metlén-klord, THF), még gen ks mennységben s tönkretehet ábra A CHIRALCEL OD töltet felépítése Ezt a hátrányt küszöbölték k egy a közelmúltban forgalomba hozott töltettípusnál, a CHIRALPAK IB-nél. A töltet sznte teljesen megegyezk a CHIRALCEL OD-H töltettel, a különbség abból adódk, hogy ebben az esetben a 3,5-dmetl-fenl-karbamátot fzka lesapás helyett kéma keresztkötéssel rögzítették a felületre, ezáltal növelve annak oldószer ellenállóságát [9, 14, 41, 42]. 28

29 Adszorpós zotermák Adszorpós egyensúlyról akkor beszélünk, ha egy dőegység alatt az aktív felületre érkező és onnan eltávozó molekulák száma megegyezk. Az adszorpós egyensúly függvénye a hőmérsékletnek, a nyomásnak, valamnt a megkötődő részeske folyadékfázsbel konentráójának. Azt az összefüggést, amely megadja, hogy állandó hőmérsékleten hogyan változk az adszorbeált anyag mennysége a folyadékfázsbel konentráójának függvényében adszorpós zotermának nevezzük (2.8. ábra). Jelentősége, hogy széles konentráótartományban leírja az adott komponens megoszlását a folyadék és az adszorpós fázs között. Ematt az adszorpós zotermák átfogó vzsgálata és smerete nformáót ad a folyamatban résztvevő anyagokról és az adszorpó során végbemenő kölsönhatásokról [39, 43]. q k q ábra Langmur zoterma k, p k Az adszorpós zotermákat a hőmérséklettel (T), az adszorbeálandó komponens adszorbensbel konentráójával (q k ), és az adszorbeálódó komponens folyadékfázsbel konentráójával ( k ) jellemezk. A továbbakban a mértékegységek: q k : [mg adszorbeálódó komponens/m 3 adszorbens] K k : [m 3 folyadék/m 3 adszorbens] k : [mg komponens/m 3 folyadék] a k : [m 3 folyadék/m 3 adszorbens] b k : [m 3 folyadék/mg adszorbeálódó komponens] N: a komponensek száma 29

30 1. Lneárs-zoterma Lneárs zotermának nevezzük az olyan összefüggést, amelyben az adszorbeálandó komponens adszorbensbel és folyadékfázsbel konentráója között lneárs a kapsolat: q k = K (2-1) k k A lneárs összefüggés általában a valós rendszerekre sak nagy körültekntés mellett használható, mert általában sak ks konentráóknál érvényes. 2. Langmur-zoterma A gázokra és a folyadékokra általánosan érvényes adszorpós zoterma egyenletet Langmur vezette le az alább egyszerűsítéseket feltételezve: mnden aktív entrum egy részeskét köt meg, az adszorpó legfeljebb monomolekulárs réteget alkothat a felületen, az adszorbeált molekulák között nns kölsönhatás, az adszorbens felületén adott számú, energetkalag egyenértékű aktív entrum található, az adszorpós réteg és az adszorbeálandó komponens között dnamkus egyensúly van. A Langmur - egyenlet matematka alakja: q k a + b k k = (2-2) 1 k k 3. b - Langmur-zoterma A kromatográfás elválasztások esetében az adszorbens felülete nem teknthető homogénnek. Ilyen eseteknél szokás alkalmazn ezt a fajta zotermatípust, amely két - adszorpós szempontból eltérő - aktív entrummal rendelkező felületet feltételez. A modell így a két független részzoterma összegéből tevődk össze: 30

31 q k a = 1+ k k bk k a + 1+ N k k N bk k (2-3) A b-langmur-zotermák alkalmazása kevésbé elterjedt, de králs töltetek adszorpós tulajdonságanak modellezésekor kfejezetten előnyösnek bzonyult. 4. kompettív Langmur-zoterma Az egykomponensű rendszerekre vonatkozó Langmur-zoterma többkomponensű rendszerekre való kterjesztése: q k k k = N 1+ a k= 1 b k k (2-4) A kompettív zotermák egyk fontos tulajdonsága, hogy az elválasztás tényező nagysága független lesz alkalmazásukkor az összetételtől. 5. kompettív b-langmur-zoterma Néha a kompettív Langmur zotermánál összetettebb adszorpós zotermát kell alkalmazn, am az zoterma kterjesztését jelent két adszorpós helytípussal rendelkező modellre: q k a a + 1+ N k k k k = N N N 1+ bk k bk k= 1 k= 1 k (2-5) Ezt az összefüggést gyakran használják enantomerek adszorptív elválasztása esetén, a változó szelektvtás leírására. Ekkor az zotermát lneárs taggal, vagy újabb Langmur taggal egészítk k. 31

32 Preparatív folyadékkromatográfa Az elmúlt évtzedekben új feladatként jelentkező közel fzka, fzka-kéma tulajdonságú anyagok (zomerek, optka zomerek) elválasztásának megoldása a hagyományos vegypar műveletekkel (rektfkáó, folyadék-folyadék extrakó, folyadékszlárd extrakó, krstályosítás, stb.) nem lehetséges, mvel a szétválasztáshoz szükséges egyensúly egységek száma (NTP = Number of Theoretal Plates = elmélet tányérszám) 100-nál s nagyobb lehet. Ekkora elmélet tányérszámot a hagyományos vegypar művelet egységekben műszaklag gen nehéz megvalósítan, másrészt megvalósítás esetén a berendezések költségesen üzemeltethetők [38, 39]. Az elmélet tányérszám s lehet olyan adszorbenssel töltött nyugvóréteges berendezésekben, ahol az aktív töltet szemseméretét µm között. Ezek a berendezések (folyadék adszorpós berendezés, folyadék kromatográf stb.) alkalmasak a fent elválasztás fokozatok megoldására. Az gen szerteágazó adszorpós-onserés műveletek közül a Preparatív folyadék kromatográfa művelet az egyk legfontosabb a vegyészmérnök gyakorlatban. A preparatív jelzőn nem az analtka készülékeket a termelő folyadék kromatográfás berendezéseket értjük A frontáls adszorpó matematka leírása A kromatográfás elválasztások, sak úgy mnt sok egyéb tsztítás folyamat az oldatban levő komponensek egyensúly lletve nem-egyensúly adszorpóján alapulnak. A frontáls adszorpó szükségképpen félfolyamatos üzemvtelű, mely során konentráó-változtatást alkalmazunk lépsős függvény szernt a művelet egység belépő felületén. Tételezzük fel példaként, hogy az komponenst folyadékból távolítjuk el adszorpóval, zoterm körülmények mellett. Az adszorbenst előzetesen tökéletesen regeneráltuk. Az komponens végghaladva az adszorbens tölteten megkötődk, majd az adszorbens kapatásának kmerülése után áttör az adszorpós oszlopon. Az áttörés görbe a görbe ( ( H t) ), (2.9. ábra). z = H helyen felvett konentráó-dő 32

33 2.9. ábra Egyed komponens frontáls kromatogramja Ha az adszorbens töltet poroztása ε, az adszorpós oszlop keresztmetszete A és a feldolgozandó folyadék térfogat sebessége B állandó az dő és hely függvényében, akkor a következő dfferenál-egyenletet írhatjuk fel az adszorpós oszlopra: B z t + q ε (2-6) t t ( 1 ) A + ε A = 0 z z Az axáls keveredést elhanyagoltuk és feltételeztük, hogy a szlárd fázs átlagos komponens konentráója q az adszorbens szemsében. Az oszlop keresztmetszete A. Tételezzük fel, hogy ks térfogat sebességeknél a folyadék és szlárd fázs az komponensre nézve bármely z helyen és bármely t dőpontban egyensúlyban van egymással (lokáls, pllanatszerű egyensúly feltétele). A továbbakban ezt egyensúly adszorpónak nevezzük. Az egyensúly adszorpót leggyakrabban az adszorpós zotermákkal ábrázolják. Az adszorpós zoterma kapsolatot teremt a folyadékban oldott anyag konentráója és a szlárd fázsban lévő konentráó között, a teljes konentráótartományra állandó hőmérsékleten. Az adszorpós egyensúly zoterma legyen az alább összefüggéssel megadva: ( ) q = f (2-7) 33

34 34 az egyensúly adszorpó feltétele alapján: ( ) 0 1 = + + z z t t A t q A z B ε ε (2-8) a (2-8)-at átrendezve: ( ) 0 1 = + + z t t z q A B ε ε (2-9) írjuk fel a ( ) t z, = függvény teljes derváltját: 1 = t z z z t t (2-10) A (2-7) egyenlet alapján mondhatjuk, hogy q legfeljebb -n keresztül függ z-től. a (2-9) és (2-10) egyenletekből: ( ) ' k v q v u t z + = + = = ε ε (2-11) ha 0 akkor K q k ε ε ε ε = = 1 1 ' (2-12) A megfgyelt konentráójú folyadékelem haladás sebessége ( u ) az adszorbens töltetben ksebb, mnt a ε / 0 v lneárs sebesség. A haladás sebességet az adszorpós egyensúly zoterma helyen vett derváltja határozza meg. Tekntsünk először egy olyan esetet, amkor az komponens adszorpós egyensúlya kedvezőtlen (2.10. ábra).

35 2.10. ábra Kedvezőtlen típusú adszorpós egyensúly zoterma a (2-11) egyenletet szernt derválva az alább összefüggést kapjuk: u = ε + ( 1 ε ) ( 1 ε ) q v 2 2 q 0 2 (2-13) mvel d q du 0, ezért 0 d d 2 2 (2-14) Ez azt jelent, hogy a ks konentráójú folyadék elemek az adszorbens töltetben gyorsabban haladnak, mnt a nagyobb összetételű folyadék elemek. Tehát az adszorpós front elnyúlk az adszorbens töltet hossza mentén, és az áttörés görbe sem éles. Arányos alakú adszorpós frontok (2.11. ábra) alakulnak k a lépsős konentráó függvény bemenetből. 35

36 2.11. ábra Arányos alakú adszorpós frontok kalakulása kedvező adszorpós egyensúly (2.12. ábra) esetén a d 2 2 d q du 0, ezért 0 d (2-15) ábra Kedvező típusú adszorpós zoterma Ebben az esetben a nagyobb konentráójú folyadékelemek haladnak gyorsabban, mnt a ks összetételű folyadékelemek. Ennek következtében egy kezdet tetszőlegesen sökkenő ( z,t 0 ) konentráó eloszlásból lépsős függvény alakul k 36

37 megfelelően hosszú adszorpós oszlopban. Ezeket a frontokat állandó alakú adszorpós frontoknak (2.13. ábra) nevezzük ábra Élesedő adszorpós frontok kalakulása a lépsős függvény u haladás sebességét az alább képlettel számíthatjuk: 0, = 0, ha ha t 0 t 0 u v q ε + ε 0 = (2-16) 0 ( 1 ) 0 A lépsős függvény haladás sebességét nem az adszorpós egyensúly görbe derváltja, hanem a ábráján látható húr (dfferena hányados) alapján számíthatjuk ábra Kedvező típusú adszorpós zoterma, húr-komentráó dfferena ábrázolás A lépsős függvény bemenet konentráó szgmod adszorpós zotermák esetén az adszorpós oszlopban olyan konentráó fronttá alakul, amelynek arányos és állandó alakú része s van (Golden-szabály) [39]. 37

38 Az enantomerek elválasztása kromatográfás módszerrel Az optkalag aktív vegyületek folyadékkromatográfás elválasztására két alapvető módszer smeretes, az ndrekt és a drekt elválasztás. Az ndrekt eljárás során a raém elegyből králs reagens segítségével dasztereomer párokat képeznek, melyeket akráls oszlopon már könnyen szét tudnak választan kromatográfás eljárással. Mvel a dasztereomer pároknak eltérőek a fzka és kéma tulajdonsága, szét lehet őket választan akráls környezetben. Az ndrekt módszer előnye, hogy kevésbé drága, hagyományos kromatográfás oszlop használható; flexblsebb (mvel nagyon sok akráls oszlop és mozgófázs áll rendelkezésre), számos kéma származék lehetséges; a reagensek kevésbé költségesek, mnt egy králs oszlopnál és különböző szelektvtásokat lehet megvalósítan. Másrészről a módszer hátránya a hosszú elemzés dő (pl.: mnta előkészítése). Hogy vsszanyerjük a tszta enantomereket, szntetzáln kell a tszta reagenst és az enantomerek összetétele megváltozhat a származékképzés matt részleges raemzáó vagy a nem azonos reakókészség matt. Az enantomerek ndrekt módszerrel történő szeparáóját GC-s, lletve HPLC-s eljárásokban sokág alkalmazták, és még napjankban s alkalmazzák számos feladat elvégzésére. Boanaltka területen gyakran alkalmazzák az ndrekt módszert, mert az akráls HPLC-n történő dasztereomer szeparáó egyszerűbb a megfelelő álló- és mozgófázs feltételek rugalmassága matt. ok raém elegyet szét lehet választan hagyományos, akráls LC oszlopon úgy, hogy megfelelő králs vegyületet adnak a mozgófázshoz. Ilyen adalékok, mnt az α, β és γ-klodextrnek jól beváltak ezen a területen. Ennek a tehnkának az előnye, hogy kevésbé drága, hagyományos LC kolonna és számos adalék alkalmazható és más-más szelektvtást lehet megvalósítan. Azonban ennek a tehnkának s vannak hátránya; a sok králs segédanyag költséges és néha szntetzáln kell őket, az üzemeltetés bonyolult és alkalmatlan preparatív élokra, mert a králs adalékot el kell távolítan az enantomereket tartalmazó oldatból. A králs oszlopon történő, králs mozgófázst alkalmazó drekt enantomerszeparáót sak HPLC-ben alkalmaznak. A gázkromatográfában a mozgófázs egy nert gáz, ahol a szelektív kölsönhatás lehetősége a mntával vagy az állófázssal mnmáls. A HPLC-ben a mozgófázs dnamkus része a rendszernek, mely befolyásolja 38

39 mnd a mntabel, mnd az állófázsbel kölsönhatásokat. Ennél a módszernél az enantomer szeparáó úgy valósul meg, hogy egy átmenet dasztereomer komplex jön létre a raém mnta és a králs mozgófázs között. A králs szeparáó a dasztereomer komplexek között stabltáskülönbségeken, a mozgófázsbel oldhatóságon és/vagy a szlárdfázshoz való kötődésen alapszk. A dasztereomer komplex kalakulásának három lehetősége az átmenetfémon komplexek (lgandumsere), onpárok, és befogadó komplexek. Az általam használt králs HPLC állófázst alkalmazó enantomerszeparáó egy átmenet dasztereomer komplex kalakulásán alapszk. A dasztereomer komplex egy mnta-cp (Chral tatonary Phase-králs állófázs) komplex, mely az enantomerek és az állófázs nélkülözhetetlen részét képező králs molekulák között jön létre. Dolgozatomban többféle králs állófázst vzsgáltam analtka HPLC-vel ( sreenng ), ezek bemutatását a 6-8. fejezetekben részletezem [7, 9, 42, 44]. 39

40 3. Mozgóréteges kromatográfa 3.1. Valód mozgóréteges kromatográfa A szakaszos elúós kromatográfa esetén az adszorbenssel töltött elválasztó oszlopon keresztül eluenst szvattyúzunk. Ebbe az eluens áramba adagoljuk a szétválasztandó elegyet, melynek komponense a szlárd fázson való eltérő mértékű megkötődés következtében más-más dőben hagyják el az oszlopot (3.1. ábra). Ebben az esetben a töltetnek sak az a része khasznált, ahol a komponensek sávja éppen tartózkodnak, lletve sok esetben a töltet regenerálására és smételt előkészítésére s szükség van. Ez nagyban hozzájárul az par kromatográfás elválasztás költségenek növekedéséhez ábra A szakaszos kromatográfa elv vázlata Az elválasztás hatékonysága növelhető, és a művelet folyamatossá tehető, egy olyan rendszer alkalmazásával, ahol az adszorbens és az oldószer egymással ellenáramban mozog (3.2. ábra) ábra A folyamatos kromatográfa elv vázlata 40

41 A folyamatos kromatográfa a gyakorlatban a valód mozgóágyas kromatográfaként képzelhető el (3.3. ábra). A valód mozgóágyas kromatográfában (True Movng Bed hromatography, TMB) szlárd- és folyadékfázs egymással ellenáramban halad, mközben az elválasztandó elegy erősebben adszorbeálódó komponense ( A ) a szlárd fázssal az extraktum (E) rányába, a kevésbé adszorbeálódó ( B ) pedg az eluensárammal () a raffnátum (R) rányába mozog. zlárd rerkuláó IV III II R B F A+B E A Folyadék rerkuláó I D =E-F+R 3.3. ábra A True Movng Bed (TMB) kromatográfa elv sémája (zárt eluens kör) Mnt ahogy az a 3.3. ábrán s látható, a szétválasztandó elegyet (Feed, A+B) folyamatosan a II. és III. zóna közé adagolják. Mvel az A anyag erősebben kötődk a szlárd fázs felületéhez, mnt a B, ezért az előbb a szlárd fázssal, míg utóbb a folyadékfázssal megegyező rányba fog mozogn a készülékben, megfelelően megválasztott szlárd- és folyadékfázs sebességek esetén. A komponensek a II. és III. zónában az eltérő adszorpós affntásuk matt szétválnak egymástól és a tszta anyagokat az ábrán látható extraktum (nagyobb adszorpós affntású komponens A ), lletve raffnátum (ksebb adszorpós affntású komponens B ) kmeneteken nyerhetjük k. Az I. zónában a szlárd fázs regenerálása történk frss eluenssel, a IV. zónában pedg az 41

42 oldószert regeneráljuk a már regenerált szlárd fázs segítségével. Így bztosítjuk, hogy az eluens és az adszorbens a mndenkor betáplálás helyhez vsszavezethető legyen. A valód mozgóágyas kromatográfa nehezen kvtelezhető (bár a nukleárs parban onsere esetén megvalósították-hggns), mvel a szlárd fázs egy oszlopon belül mozgatása maga után vonja a töltet vsszakeveredés, károsodás problémát, lletve a műszak megvalósítás gen nehéz lenne. Ezek kküszöbölése megoldható az úgynevezett szmulált mozgóréteges kromatográfa (MB) alkalmazásával [39, 45] A szmulált mozgóréteges (mulated Movng Bed, MB) folyadékkromatográfa A szmulált mozgóréteges kromatográfát az 1960-as évek elején szabadalmaztatták. Elsőként Broughton [46] alkalmazta a petrolkéma parban para-xlol C8-as szénhdrogén elegyből történő elválasztására. Az olajparban még ma s eredményesen használják a módszert mlló tonna/év volumenű gyártásra, melynek során főként zeoltokat alkalmaznak állófázsként. A berendezést skeresen alkalmazták monoszahardok szeparáójára s. A ukorparban ma s használják az MB-t többféle mono- és olgoszahard előállítására. Az első skeres MB-vel történt enantomer elválasztásról 1992-ben Negawa és hoj [47] számolt be, akk 1-fenletanolt választottak el Chralel OD oszlopon. Már akkor ktűntek az MB kromatográfa szakaszos üzemű kromatográfával szemben előnye, úgymnt a jobb termelékenység (61:1 = MB:szakaszos) lletve a sökkent fajlagos eluens felhasználás (1:87 = MB:szakaszos). A szmulált mozgóréteges kromatográfa esetében meghatározott számú adszorpós töltetű kromatográfás oszlop (általában 4-12) van sorba kötve. A betáplálás (F - feed, - frss eluens) és elvétel pontok (E - extraktum, R - raffnát) négy zónára I.- II.-III.-IV. osztják a berendezést (3.4. ábra). Az F betáplálás ponton keresztül egy kétkomponensű elegyet vezetünk a rendszerbe, amely elegy A és B komponensekből áll. Az A komponens erősebben kötődk az adszorbensen, mnt a B (sakúgy, mnt a TMB-nél bemutatott esetben). A betáplálás a folyadékáram rányába halad. A III. zónában frontáls adszorpó következtében a töltethez kevésbé kötődő B gyorsabban halad, mnt az A komponens 42

43 és hamarabb ér el az R raffnátum elvétel pontot. Az MB-nél az adszorbens az oszlopokba van elhelyezve és vagy az oszlopok adott dőközönként mozgatása révén, vagy a betáplálás és elvétel helyek a folyadék áramlás rányába történő adott dőközönként léptetésével szmuláljuk az adszorbens mozgását. A két oszlopmozgatás vagy kapsolás között eltelt dőtartamra a kapsolás dő vagy taktusdő (T) elnevezések terjedtek el, a betáplálás és elvétel helyek teljes körbefutását pedg klusnak hívják. Az I. zónában, amely az extraktum (E) elvétel pontg tart, tsztítjuk meg az adszorbenst a megkötődött komponensektől az eluens segítségével. A feladat tehát a szlárd fázs teljes regenerálása, mert ha a regenerálás nem tökéletes, akkor a felső ponton vsszavezetett adszorbens A és B tartalma le fogja rontan a művelet hatékonyságát. IV R zlárd rerkuláó III II B F A+B Folyadék rerkuláó E A I D =E-F+R 3.4. ábra A szmulált mozgóréteges (MB) kromatográfa elv sémája (zárt eluenskörű MB) A II. zónában, amely az extraktum klépés pontjától a betáplálás pontg tart, a lefelé haladó adszorbensről az összes B komponenst deszorbeáltatn kell, azon sak A komponens maradhat, különben az extraktum áram B komponenssel lesz szennyezett. 43

44 A III. zóna, amely a betáplálás pont és a raffnátum (R) elvétel pont kötött helyezkedk el, feladata a betáplált elegy megtsztítása az A komponenstől. Mvel a raffnátumban sak tszta B komponenst szeretnénk kapn, ezért a szegmensben adszorbeáltatn kell a teljes A mennységet. A IV. zónában, amely a raffnátum elvételtől a frss eluens betáplálás pontjág tart, mndkét komponensnek tökéletesen meg kell kötődn az adszorbensen. A rerkulálandó eluens nem tartalmazhat A és B komponenseket, mert azok az első zónában megjelenve szntén lerontják az elválasztás hatékonyságát [45-50] Az MB elmélet klusa Egy négyoszlopos MB-t feltételezve (M 3.1. melléklet) a következő folyamatokat fgyelhetjük meg. Induláskor az I., II., III., IV. adszorpós oszlopok nem tartalmazzák sem a gyengébben kötődő B, sem az erősebben kötődő A komponenst. Az 1. folyadék áramoltatás peródus során az F betáplálással adott mennységű A, B elegyet vszünk a III. oszlopra, ahol a frontáls adszorpó következtében a B előreset, míg az A lemarad az adszorpós tölteten. Az R raffnátumban B terméket kapunk, majd az 1. folyadék áramoltatás peródust befejezve megtörténk az 1. oszlop mozgatás : I. oszlop helyére II. oszlop II. oszlop helyére III. oszlop III. oszlop helyére IV. oszlop IV. oszlop helyére I. oszlop kerül A folyadék áramoltatás deje, a peródus dő, más néven oszlop léptetés dő vagy taktusdő gen lényeges. A 2. folyadék áramoltatás peródus során a rerkuláltatott eluens és frss eluens a III. oszlopból kmossa a B komponenst és III. oszlopban sak A komponens marad, míg a IV. oszlop megköt a III.-ból eluált komponenseket ( A és B ) és B komponenst termel, melyet a raffnátumban kapunk. 44

45 Helyesen beállított T léptetés dő és áramok (D, E, F, R, REC) esetén a B komponens nem tud kfutn az I. oszlopból. Ezután megtörténk a 2. oszlop mozgatás : II. oszlop helyére III. oszlop III. oszlop helyére IV. oszlop IV. oszlop helyére I. oszlop I. oszlop helyére II. oszlop kerül A 3. folyadék áramoltatás peródus során már A terméket kapunk az E extraktumban, mely a III. oszlopból lép k. A III. oszlopot tökéletesen kell regenerálnunk, nem maradhat benne A sak gen ks konentráóban, mvel a következő 4. folyadék áramoltatás peródusban majd II. oszlop helyére kerül. Ha nem tökéletes a regenerálás, akkor az A a rerkuláltatott eluensbe kerül, am a szeparáót rontja a későbbekben. A 3. folyadék áramoltatás peródus végén a III. oszlop tökéletesen regenerált, a IV. oszlop tszta A komponenst tartalmaz az I. oszlopban A, A+B és B komponensek találhatók. A II. oszlopba ks mennységű B jutott és az R raffnátumban B terméket vettünk el. A 3. folyadék átáramoltatás peródus után oszlop mozgatás : III. oszlop helyére IV. oszlop IV. oszlop helyére I. oszlop I. oszlop helyére II. oszlop II. oszlop helyére III. oszlop kerül A 4. folyadék áramoltatás peródus végén a IV. oszlop tökéletesen regenerált állapotú. Az I. oszlop sak tszta A komponenst tartalmaz, a II. oszlopban A, A+B és B komponensek találhatók, míg a III. oszlopba B komponens vándorol, de B nem fut k a III. oszlopból. A 4. áramoltatás peródus végén következk a 4. oszlop mozgatás melynek eredményeként vsszajutunk a teljes klus kezdetére: IV. oszlop helyére I. oszlop I. oszlop helyére II. oszlop 45

46 II. oszlop helyére III. oszlop III. oszlop helyére IV. oszlop kerül Az egyes oszlopmozgatásokat grafkusan a 3.5. ábra szemléltet. Az elmélet klus alapján az alább következtetéseket vonhatjuk le a négyoszlopos MB-re vonatkozóan az 5. folyadék áramoltatás peródus végén: Az I. oszlopnak tökéletesen regeneráltnak kell lenn, sem A, sem B nem maradhat a tölteten. A II. oszlopon tszta A komponens maradhat, az összes B komponensnek át kell kerülne a III. oszlopba. A III. oszlopból sak B komponens távozhat az áramoltatás peródus végég, A nem törhet át a III. oszlopon. A IV. oszlopba sak B komponens juthat, de B nem törhet át a IV. oszlopon [45]. 1. részperódus 2. részperódus 3. részperódus 4. részperódus 3.5. ábra Az MB készülék folyamatábrája 46

47 3.4. Elmélet analízs lneárs adszorpós zotermák esetén egyenlet: Legyen érvényes az egyensúly adszorpóra felírható alább komponens mérleg (A k komponens ndexet most nem használva) B + z q t t ( 1 ε) A + ε A 0 f f = t z z (3-1) Lneárs adszorpós egyensúly zotermát tételezünk fel q = K (3-2) A konentráójú folyadékelem sebessége az oszlopban u / a de-vault egyenlet alapján: z t = u / Bf A f = ε + ( 1 ε)k (3-3) Az oszlop szlárd adszorbenssel van töltve, ezért nem tölt k a teljes térfogatot. Az oszlopot ezért jellemezhetjük az összes poroztással, mely: ε = ε T + ε P (3-4) ahol ε : az összes poroztás ε T : a töltet szemsé között szabadtérfogat ε P : a töltet belső poroztása, értéke függ a szétválasztandó anyagoktól ε = ε + ε + ε (3-5) P makro mezo mkro Esetünkben A és B kétkomponensű elegyet vzsgálunk, melyek adszorpós egyensúly megoszlás hányadosa K A lletve K B [39, 45]. 47

48 3.5. Morbdell-féle paraméterek meghatározása Vzsgáljuk meg az MB kromatográf III. oszlopát. Tételezzük fel, hogy az adszorbens nem tartalmaz sem A sem B komponenst és T deg az oszlopra A és B elegyet táplálunk be [45, 51]. Mvel az adott oszlopban a térfogat sebesség D-E+F, ezért az A és B komponensek sebessége a III. oszlopban a következő: u u A B D E + F Af = ε + ( 1 ε) K (3-6) A D E + F A f = ε + ( 1 ε) K (3-7) B A III. oszlop hossza L és az oszlop keresztmetszete A f. A nem léphet k a III. oszlopból, vszont B -nek el kell hagyna a III. oszlopot: ε + (1-ε)K B < D E + F A f L T < ε + (1-ε)K A (3-8) K B < D E + F T Lε Af < K A (3-9) L( 1 ε) K B < m III < K A Az MB kromatográf II. oszlopára a következőket írhatjuk fel: B komponensnek el kell hagyna a II. oszlopot, de A nem törhet át : D E Af ε + ( 1 ε) K B ε + (1 ε) K A (3-10) L T D E T Lε A f K B K L ( 1 ε ) A (3-11) K B < m II < K A 48

49 Az MB kromatográf I. oszlopában A komponens nem maradhat, tehát a regenerálásnak tökéletesnek kell lenne: D T Lε A f m I = K L ( 1 ε ) Az MB kromatográf IV. oszlopából B komponens nem léphet k: A (3-12) m IV = ( D E + F R) T Lε A f L (1 ε) K B (3-13) Ezek a feltételek szükségesek ahhoz, hogy egy kétkomponensű A, B elegyet tszta A és B komponensekre tudjunk elválasztan. összefoglalva: m IV < K B K B < m III < K A K B < m II < K A m I > K A 3.6. ábra Morbdell féle háromszög lneárs adszorpós zotermák és független adszorpó esetén Ha m II < K B és K B < m III < K A akkor tszta B -t lehet előállítan a raffnátumban, de A nem tszta (2-es tartomány). Ha m III > K A és K B < m II < K A akkor tszta A -t lehet előállítan extraktumban, de B nem tszta (3-as tartomány). A fent tartományokon kívül sak A és B keveréket előállítan az extraktumban és raffnátumban (4-es tartomány). Az 1-es tartományban dolgozk az MB, ezen belül s a derékszögű háromszög súsán maxmáls khasználtsággal. 49

50 3.6. Elmélet analízs nem lneárs adszorpós zotermák esetén Ha az előző fejezetben megadott egyensúly adszorpó elmélet leírása során nem teljesül a lneárs adszorpós egyensúly zoterma és a független adszorpó feltétele, akkor a Morbdell-féle háromszög módosul (3.7. ábra) [45, 51] ábra A Morbdell - féle háromszög változása kompettív Langmur zoterma esetén A fent ábrán látható, hogy a teljes szeparáós régó négy fő területre oszlk fel, úgymnt az 1. ahol az E+R termékáramok tszták; a 2. ahol sak a raffnátum árama tszta; a 3. terület, ahol az extraktum árama tszta; a 4. az A és B keveréke, ahol nem lehet tsztán knyern a komponenseket. Legyen érvényes a kétkomponensű kompettív Langmur adszorpós zoterma: q = a + b + b a = 1+ b + b A A B B = 1, 2 lletve = A, B (3-14) 50

51 A tszta A és B komponensek egydejű előállításának feltétele módosul. m I > K A m II,mn (m II, m III ) < m II < m III < m III,max (m II, m III ) m IV < m IV, Kr m 1 F = [ K B + miii + bb B ( miii m ) 2 IV, Kr II F 2 [ K m + b ( m m )] 4a m ] B + (3-15) ahol az F jelölés az MB betáplálás Feed áram megnevezése. III B B III II B III A 3.7. ábra magyarázata: a pont b pont f pont r pont 2 ωg ωg, K A K A = K A K B = K B ω G = ω G [ ω ( K ω ) ( K K ) + K ω ( K ω )] F A G K A K A B ( K A B ω ) F B G A F w pont K BωG K A ωg, [ ω ( K K ) + K ( K ω )] F A K B B ( K A B ω ) F B F ahol ω F és ω G (ω G > ω F > 0) az alább egyenlet gyöke (1 + b A A F + b B B F )ω 2 - [K A (1 + b B B F ) + K B (1 + b A A F )]ω + K A K B = 0 (3-16) A 3.8. ábrán láthatjuk, hogy a kompettív Langmur zoterma matt jelentősen megváltozk a Morbdell háromszög alakja és területe, melyet a betáplálás konentráó és összetétel értéke és a reáls hatások, adszorpós knetka - komponens transzporttal szemben ellenállás - axáls keveredés és az oszlop töltet hatásossága s befolyásol (b- Langmur zotetma esetén a fejezetben gazoln fogom, hogy a Morbdell tartomány jelentősen változk). 51

52 3.8. ábra A betáplálás konentráó változás hatása a Morbdell-féle háromszögre (L = ~0 g/l; 1<2<3<4 = 1 < 2 < 3 < 4 ) A betáplálás konentráót növelve a háromszög területe sökken alakja torzul, míg az adszorpós egyensúly paraméterek értéke ugyanolyanok. Ez rossz hatással van az enantomerek elválasztására. Az anyagmérleg azt mutatja, hogy a termelékenység maxmáls a betáplálás konentráó növelésével, és megközelít egy határértéket. Míg a termelékenység javul, úgy az elválasztás stabltása érzékenyebbé válk a betáplálás konentráó növelésével. Így a legjobb konentráó értéket kell megválasztan fgyelembe véve a komponens oldhatóságát, hogy egy optmáls munkapontot találjunk. 52

53 4. Enantomerek MB berendezéssel történő elválasztása 4.1. A tervezés paraméterek rögzítése A legfontosabb, de sokszor a legtöbb nehézséggel járó probléma az alkalmazásra kerülő módszer tervezés paraméterenek megfelelő rögzítése. Az eljárás megkezdése előtt néhány fontosabb szempontot mérlegeln kell. Ilyen például a tsztaság (enantomer tsztaság lletve kéma tsztaság) kérdése. Mnél szgorúbbak ugyans a tsztaság követelményenk, annál ksebb lesz a rendszer várható teljesítménye. Néhány esetben jó megoldásnak ígérkezk a tsztaság növelése, a kromatográfás művelethez satolt krstályosítással. Ez utóbb különösen hatékony lehet az előzetesen már a számunkra hasznos enantomerben dúsított mnták esetében. A kívánt enantomer khozatala s egy lényeges szempont. Mndenekelőtt el kell döntenünk, hogy mndkét, vagy sak az egyk enantomert akarjuk-e tsztán knyern. Ennek függvényében kell az MB oszlopok konentráó proflját optmalzáln annak érdekében, hogy a kívánt enantomer(eke)t a lehető legnagyobb tsztaságban és khozatallal, jó termelékenységgel és oldószer fajlagossal nyerhessük k. A tervezés paraméterek rögzítésénél fgyelembe kell venn a később feldolgozás lépéseket s A králs állófázs és az eluensrendszer kválasztása, az oldódás tulajdonságok és a szelektvtás vzsgálata Az 1980-as évektől kezdve egyre több králs töltet került forgalomba. Az ezeknél használatos mozgófázsokat s számításba véve, számtalan lehetséges kombnáó adódk. A feladat tehát, hogy ezek közül az adott szeparáós probléma fgyelembevételével a legmegfelelőbbet válasszuk k. Dolgozatom korább részében már bemutattam a leggyakrabban alkalmazott králs tölteteket. A közülük történő választás általában a korább mérések tapasztalata és rodalm adatok alapján történk. Egy lehetséges választás módszert mutat be a 4.1. ábra. 53

54 A mnta Dsszoatív? AD, A, OD Erősen Gyengén Nem Nem Nem Aromás vegyületek Nem Cklo-alfások Igen Cklo-alkánok vagy laktonok Foszforsav vagy szulfonsav Nem Prmer amn Nem α hdroxkarbonsav Nem Amnosav származékok Nem Igen Igen Igen Igen CR MA(+) WH, WE, WM, OD-R Igen Csak aromások Nem Aromás észterek Nem Egyéb OJ, OB Igen Igen Igen OT, OP, OD OJ, OB-H, OB, CA-1 OD-H, OD, AD, OG, OF, A Igen OB, OA, A OD-R FORDÍTOTT FÁZI NORMÁL FÁZI 4.1. ábra A králs töltet kválasztásának menete [6] Az oldószer összetételét az előzetesen már kválasztott králs töltet esetén úgy kell megválasztan, hogy az ne károsítsa azt, lletve a másk fő szempont, hogy a raemát jól oldódjon benne. Az elválasztás a mozgófázs mnőségével jelentősen befolyásolható, ezért ennek a megválasztását nagy körültekntéssel kell végezn. Ks változtatás a mozgófázs összetételében megváltoztatja a molekulárs kölsönhatásokat, ezzel a komponensek vsszatartását és ezen keresztül a szelektvtást s módunkban áll befolyásoln. (Ezt a folyamatot nevezzük az oldószer összetétel optmálásának.) A králs töltet és a mozgófázs polartásának vszonya alapján normál fázsú (Normal phase, NP) és fordított fázsú (Reverse phase, RP) kromatográfáról beszélhetünk. Az adszorpós normál fázsú HPLC folyadékkromatográfában az eluens, azaz a mozgófázs megválasztásának krtkus szerepe van. A mozgófázsként használt oldószerek kválasztásakor több szempontot kell fgyelembe venn. A fent szempontok alapján az oldószernek apolársnak, ks vszkoztásúnak, jó UV-fény áteresztőképességűnek, nem túl llékonynak és kevésbé toxkusnak kell lenne. Általában nem egyetlen oldószert alkalmaznak mozgófázsként, hanem bner- vagy terner 54

55 oldószerelegyeket. Alap oldószernek általában szénhdrogéneket, úgymnt n-hexánt, n- heptánt vagy zooktánt alkalmaznak. A retenós dőt az általunk megadott tartományba állíthatjuk úgy, ha ehhez egy másk, polársabb oldószert (dklór-metán, észterek, éterek, alkoholok, aetontrl) adunk. Az erősen polárs oldószereket modfkátornak nevezzük. A leggyakrabban modfkátorként alkalmazott anyagok az alkoholok (1-5 v/v %) Az MB berendezés állandósult állapotának meghatározására szolgáló szmuláós szoftver kválasztása, a művelet feltételek optmalzálása A számítógépes szmuláó nagymértékben megkönnyíthet a kutatás munkát, mvel megtakaríthatjuk a méréshez szükséges anyagokat, valamnt a folyamat modellezésének deje törtrésze a laboratórum mérés dőszükségletéhez képest. A valóságos vzsgálat költséget növel még a termékek/mnták (általában HPLC-vel vagy GC-vel történő) elemzésének költsége s, am a számítógépes modellezéskor szntén nem jelentkezk. A szmuláós eredmények értékelésénél vszont fgyelembe kell venn azt, hogy a program által használt modell mennyre közelít meg a valóságos MB rendszer tulajdonságat. Ezért a szmuláó eredményet alá kell támasztan valós mérésekkel s. Egy kromatográfás rendszer vselkedését három fő jelenség befolyásolja. Az adszorpós termodnamka, amt az egyensúly zotermákkal lehet leírn. Az zotermák mnden egyes králs töltetre megadják annak enantoszelektív telítés kapatását. A kolonna hdrodnamkája, vagys a porózus közegen áthaladó folyadék áramlás tulajdonsága, lletve az anyagátadás knetka. A többkomponensű kromatográfa modellezése azt jelent, hogy ezen három jelenséget egyesítjük a matematka egyenletekkel. Ezen bonyolult feladatot a szmuláós szoftverek látják el. Ezek szolgáltatják az MB mérés művelet paraméteret. A szoftver tehát numerkusan megoldja a kolonna egy elem dfferenáls részére felírt tömegmérleg egyenleteket. Korábban rendelkezésre álltak a KROM-N és MB-KROM-N programok, melyeket továbbfejlesztve ( fejezet) a KROM-Chr lletve MB-Chr programokat használtam a modellezéshez. 55

56 A kezdet szmuláót a Dr. Argyelán János modelljén alapuló, Kondor Attla és Kss Krsztán által tovább-fejlesztett programmal végeztem el. A szoftver kszámolja a konentráókat az dő és a hely függvényében s, a kszámolt eredményeket pedg állományokban tárolja el. A program képes egy maxmálsan 20 oszlopból álló oszloprendszer adatat kszámoln, lneárs, kompettív Langmur-, és kompettív b- Langmur-zotermákat tud alkalmazn. A szmuláók eredményet grafkusan s ábrázolhatjuk, lletve a szakrodalom által használt négy legfontosabb paraméter s számolható belőlük. Az eljárás során kapott termékáramok tsztasága a következő összefüggésekkel számolható: a B komponens tsztasága a raffnátumban: X R B R R B T = [ m / m% ] (4-1) R R R T + R T B A az A komponens tsztasága az extraktumban: X E A E E A T = [ m / m% ] (4-2) E E E T + E T A B ahol: R : a raffnátum térfogat sebessége [m 3 /per] R B : átlagos B konentráó a raffnátumban [mg/m 3 ] R A : átlagos A konentráó a raffnátumban [mg/m 3 ] T : taktusdő [per] E : az extraktum térfogat sebessége [m 3 /per] E B : átlagos B konentráó az extraktumban [mg/m 3 ] E A : átlagos A konentráó az extraktumban [mg/m 3 ] 56

57 Az eljárás khozatala, vagys az adott komponens termékbel és betáplálásbel mennységének vszonya: B komponensre: R R B T η B =.100 [%] (4-3) F F T B A komponensre: E E A T η A =.100 [%] (4-4) F F T A ahol: F : a betáplálás térfogat sebessége [m 3 /per] F B : a B konentráó a betáplálásban [mg/m 3 ] F A : az A konentráó a betáplálásban [mg/m 3 ] Az eljárás termelékenysége, azaz az egységny tömegű töltet által egységny dő alatt termelt termék mennysége: B komponensre vonatkoztatva: R R B T mg B PB = π (4-5) 2 d b g töltet mn L ρ T N H 4 A kompononensre: E E A T mg A PA = π (4-6) 2 d b g töltet mn L ρ T N H 4 ahol: d b : az oszlop belső átmérője [m] L : az oszlop hossza [m] 57

58 ρ H : a töltet halmazsűrűsége [g/m 3 ] N: a rendszer oszlopanak száma [db]. A fajlagos eluens felhasználás, vagys az adott komponens egységny tömegének knyeréséhez szükséges oldószer mennysége: B komponensre nézve: 3 F T m eluens B = (4-7) R R B T mg Btermék A komponensre: 3 F T m eluens A = (4-8) E E A T mg A termék ahol: : a frss eluens térfogat sebessége [m 3 /mn] A művelet paraméterek optmalzálása azt jelent, hogy az mént smertetett paramétereket kszámoljuk az egyes szmuláókra, majd ezeket az adott elválasztás feladat tekntetében értékeljük, és közülük a számunkra legmegfelelőbbet kválasztjuk. Az így kválasztott művelet paraméterekkel végezzük el aztán a laboratórum kísérleteket. 58

59 III. KÍÉRLETI RÉZ 5. Célktűzés A Ph.D. dolgozat kdolgozását az alább kutatás-fejlesztés feladat részeként valósítottam meg: VIKKK Králs vegyületek elválasztására alkalmas folyadékkromatográf (MB-LC) fejlesztése A feladat a Rhter Gedeon Vegyészet Gyár Nyrt. Preparatív Kromatográfás Osztályán egy gyógyszer hatóanyag (API) szerves kéma szntézse során keletkező optka zomer keverékek és R, lletve és R, valamnt 4R6 és 46 elválasztása szmulált mozgóágyas folyadékkromatográfás módszerrel és satolt bepárlásos hűtéses krstályosítással. Ezen három optka zomer keverék elválasztása volt a él a leggazdaságosabb működés paraméterek megkeresésével. 99 m/m %-nál nagyobb tsztaságban kívántam előállítan az, lletve R, valamnt a 4R6 optka zomereket kndulás optka zomerek keverékéből 90 %-nál magasabb khozatallal, maxmáls termelékenységgel és mnmáls eluens fajlagossal. A kutatás fejlesztés élja annak megkeresése, hogy a szntézs hányadk egymást követő lépése után lehet megvalósítan a leggazdaságosabban az optka zomerek elválasztását. Az analtka HPLC vzsgálatokat ( sreenng ) Chralel OD, -OD-H, -OJ, -AD és -A, tölteteken végeztem. A töltetek szlkagélre felvtt ellulóz lletve amlóz alapú králs szelektorokat tartalmaznak. Főként szterodok, egyszerű funkós vegyületek elválasztására alkalmasak. A töltetek hátránya, hogy az oldószereknek sak egy meglehetősen szűk soportjánál alkalmazható. A legtöbb olyan oldószer, amt a HPLC-ben gyakran alkalmaznak eluensként mnt például az aeton, a kloroform, az etl-aetát, a metlén-klord, a THF még gen ks mennységben s tönkretehet. Ezt a hátrányt küszöbölték k egy a közelmúltban forgalomba hozott töltettípusnál, a Chralpak-IA és -IBnél. Ezek már nem fzka lesapással felvtt ( borított ), hanem mmoblzált, kémalag kötött králs szelektorokat tartalmaznak, gy ezek oldószerálóbb polmerzátumok. A különböző tölteteket az 5.1. ábra és esetükben alkalmazható eluenseket az 5.1. táblázat szemléltet [52-57]. 59

60 Chralel OD-H, OD 5 µm, 20 µm Cellulóz trsz(3,5-dmetlfenl-karbamát) Chralpak IB Cellulóz trsz(3,5-dmetlfenl-karbamát) 5 µm oldószerállóbb polmerzáó Chralel OJ 20 µm Chralpak AD 20 µm Cellulóz trsz(4-metl-benzoát) Amlóz trsz(3,5-dmetlfenl-karbamát) Chralpak IA Amlóz trsz(3,5-dmetlfenl-karbamát) 5 µm oldószerállóbb polmerzáó Chralpak A 5 µm Amlóz trsz(()-α-metl-benzlkarbamát) 5.1. ábra Az analtka HPLC vzsgálatok ( sreenng ) során használt králs állófázsok Chralel OD, OD-H, OJ, AD, A tszta alkoholok alkánok, alkoholok aetontrl Chralpak IA, IB metl-ter-butl-éter tetrahdro-furán dklór-metán kloroform etl-aetát doxán aeton toluol 5.1. táblázat A különböző töltetek esetén alkalmazható oldószerek 60

61 6. Az és R zomerek analtka HPLC elválasztásának vzsgálata BÉ elegyből A BÉ nevű és R optka zomer keverék elválasztásra legmegfelelőbb töltet és eluensrendszer kválasztása esetén a éltermék az R zomer. A keverék 2,15:7,85 tömegarányban tartalmazta az és R zomereket. A szóba jöhető králs állófázsok és eluensek megtalálása egy a Dael ég által kadott referenakönyv segítségével történt (4.1. ábra). A rövdség kedvéért sak a legjobb elválasztás eredményet közlöm a BÉ elegy esetén. A sreenng kísérletek során a 5.1. ábrán látható Chralpak IB (d sz = 5 µm) králs tölteten vzsgáltam a, R optka zomer keverék mnta elválasztását laboratórum GILON HPLC készülékkel (6.1. ábra) 20ºC-on; n-hexán:-proplalkohol, metl-tererbutl-éter:etanol, metl-terer-butl-éter, n-hexán:metl-terer-butl-éter, n-hexán:etlaetát, n-hexán:kloroform, n-hexán:dklórmetán eluensekben. A CHIRALPAK IB a Dael ég polszahard-alapú töltetenek új generáója. Anyagában megegyezk a CHIRALCEL OD-H töltettel, a különbség az, hogy a 3,5-dmetl-fenl-karbamátot keresztkötéssel rögzítették a szlkagél felületére, ezáltal növelve annak oldószer ellenállóságát. A mntákat 254 nanométer UV hullámhosszon detektáltam ábra Az analtka mérésekre használt Glson HPLC készülék Ahogy a 6.1. táblázatban s látható a legkedvezőbb elválasztást ( α 1, 828 értéket) n-hexán:-proplalkohol = 95:5 v/v % eluens esetén kaptam. Ebben R / = 61

62 az esetben az MB elválasztás gazdaságosan valósítható meg. Az n-hexán:etl-aetát eluens szelektvtása kedvezőbb ( α R / =1,999), azonban megnehezít a krstályosítás lépés satolását az MB berendezéshez, ugyans a gőz-folyadék egyensúly matt nehéz tszta n-hexánt nyern a bepárlás során. D Mérés körülmények: b = 0,46 m L = 25 m ε = 0,7(TTB módszerrel) V k = 4,152 m 3 m B 1 mn V k 3 ε = 2,9 m 3 Vk ε t 0 = = 2,9 mn B t R t 0 α R / = t t 0 ahol: D b : az oszlop belső átmérője [m] L : az oszlop hossza [m] V K : a kolonna térfogata [m 3 ] t 0 : a holtdő [mn] ε : összporoztás [-] B: betáplálás térfogatáram [m 3 /mn] α R / : szelektvtás tényező [-] Eluens Összetétel BÉ keverék [v/v %] t -t 0 [per] t R -t 0 [per] n-hexán:ipa 95:5 21,14 38,64 1,828 n-hexán:ipa 92:8 10,82 18,58 1,717 n-hexán:ipa 90:10 7,83 12,98 1,658 MTBE:EtOH 99:1 2,08 2,65 1,274 MTBE 100 3,11 3,85 1,238 n-hexán:mtbe 70: n-hexán:mtbe 30:70 9,4 12,21 1,299 n-hexán:eta 85:15 42,63 85,2 1,999 n-hexán:eta 75:25 13,36 25,09 1,878 n-hexán:eta 70:30 8,61 15,72 1,826 n-hexán:kloroform 65:35 9,45 16,07 1,701 n-hexán:dkm 40: táblázat A BÉ optka zomer elválasztása Chralpak-IB tölteten 20 C-on α R / 62

63 7. Az 46 és 4R6 zomerek analtka HPLC elválasztásának vzsgálata AC elegyből A keverékben 6,5:3,5 = 4R6:4R6R a komponensek tömegaránya. Ebben az esetben a éltermék a 4R6 zomer. A szóba jöhető králs állófázsok a Dael ég által kadott referenakönyv alapján: Chralel OD-H, -OJ, Chralpak IA, -AD, -A (d sz = 5 µm). Az előzőekhez hasonlóan vzsgáltam a 46, 4R6 optka zomer keverék mnta elválasztását laboratórum GILON HPLC készülékkel 20ºC-on n-hexán:-proplalkohol; n-hexán:metl-terer-butl-éter, n-hexán:etanol; n-hexán:metanol és n-hexán:aetontrl eluensekben. A mntákat 254 nanométer UV hullámhosszon detektáltam. Ahogy a 7.1. táblázatban s látható a legkedvezőbb elválasztást ( α 1, 33 ) 4 R6/ 46 = Chralpak AD tölteten (d sz = 5 µm) n-hexán:-proplalkohol = 99:1 v/v % eluens esetén kaptam. D Mérés körülmények: b = 0,46m L = 25m ε = 0,7(TTB módszerrel) V k = 4,152 m 3 m B 1 mn k 3 V ε = 2,9 m 3 Vkε t 0 = = 2,9 mn B t 4R6 t 0 α4r6/ 46 = t t 46 0 Összetétel Töltet Eluens [v/v %] Chralel OD-H Chralel OJ Chralpak A Chralpak AD Chralpak IA n-hexán:ipa 99,8:0,2 α R/ =1,252 n-hexán:ipa 99:1 α R/ =1,154 α R/ =1,33 α R/ =1,17 n-hexán:ipa 98:2 α R/ =1,196 n-hexán:ipa 95:5 α R/ =1,141 n-hexán:ipa:an 80:10:10 α R/ =1,237 α R/ =1,18 n-hexán:an 98:2 α R/ =1,197 n-hexán:mtbé 80:20 α R/ =1,178 n-hexán:met-oh 99,75:0,25 α R/ =1,238 α R/ =1,047 n-hexán:met-oh 99:1 α R/ =1,066 α R/ =1,066 α R/ =1,253 α R/ =1,119 n-hexán:met-oh 99,5:0,5 α R/ =1, táblázat Az AC optka zomer keverék elválasztása különböző tölteteken, különböző eluensekkel 63

64 8. Az és R zomerek elválasztása az EÉ raém elegyből 8.1. A králs kromatográfás töltetek és eluensek kválasztása analtka HPLC-vel A keverékben 50 m/m % az és 50 m/m % az R zomer aránya. Ebben az esetben a éltermék az zomer. A sreenng kísérleteknél szóba jöhető králs állófázsok a Dael ég által kadott referenakönyv alapján: Chralel OD-H, -OJ, Chralpak IA, -AD, -A (d sz = 5-20 µm). Az előzőekhez hasonlóan vzsgáltam az, R optka zomer keverék mnta elválasztását laboratórum GILON HPLC készülékkel 20ºC-on n-hexán:-proplalkohol; n-hexán:etanol; n-hexán:-proplalkohol:aetontrl; tszta aetontrl; aetontrl:metl-alkohol; tszta etanol; n-hexán:metl-terer-butl-éter; n-hexán:metlterer-butl-éter:etl-alkohol; n-hexán:metanol; n-hexán:dklór-metán; n-hexán:-proplalkohol:etl-alkohol; n-hexán:-proplalkohol:metl-alkohol és n-hexán:etl-alkohol:metlalkohol eluensekben. A mntákat 254 nanométer UV hullámhosszon detektáltam. Összetétel Töltet Eluens [v/v %] Chralel OD-H Chralel OJ Chralpak A Chralpak AD Chralpak IA n-hexán:ipa 70:30 α R/ =1 n-hexán:ipa 80:20 α R/ =1,17 α R/ =1,196 n-hexán:ipa 90:10 α R/ =1,173 α R/ =1 α R/ =1 α R/ =1,08 n-hexán:ipa 97,5:2,5 α R/ =1,06 n-hexán:ipa 95:5 α R/ =1,19 α R/ =1 α R/ =1,03 n-hexán:et-oh 95:5 α R/ =1,122 n-hexán:ipa:an 80:10:10 α R/ =1 AN 100 k' =0,24 α R/ =1 AN-Me-OH 80:20 α R/ =1 α R/ =1 Etanol 100 α R/ =1 n-hexán:mtbé 80:20 k' >20 n-hexán:mtbé 60:40 k' =6,10 n-hexán:mtbe:et-oh (60:40)+5% Et-OH k' =1,086 n-hexán:met-oh 99:1 α R/ =1,12 n-hexán:et-oh 99:1 α R/ =1,11 n-hexán:dkm 75:25 α R/ =1,03 n-hexán:ipa:etoh 95:2,5:2,5 α R/ =1,15 n-hexán:ipa:metoh 95:2,5:2,5 α R/ =1,05 n-hexán:ipa 95:2,5:2,5 α R/ =1, táblázat Az EÉ optka zomer elválasztása különböző tölteteken, különböző eluensekkel Ahogy a 8.1. táblázatban s látható a legkedvezőbb elválasztást Chralel OD-H tölteten (d sz = 5 µm) n-hexán:-proplalkohol eluens esetén kaptam a szelektvtás matt ( α = 1,19), így ezen rendszer tovább vzsgálatát folytattam. R / 64

65 8.2. Töltetvzsgálatok A BET fajlagos felület meghatározása AAP készülékkel történt, seppfolyós ntrogén hőmérsékletén mért adszorpós zotermából. A deszorpós ágból mezopórus méreteloszlás, BET egyenlet alapján BET felület meghatározás, az zoterma 0,1 > p/ps alatt tartományból mkropórus térfogat és felület meghatározás vzsgálatot végeztünk. A vzsgált töltet 20 µm-es Chralel OD (lásd 8.1. ábra). BET vzsgálat eredményeképp kapott felület 59,97 m 2 /g, a BJH felület 51,41 m 2 /g, a poroztás ε p = 0,22 m 3 /g, az átlagos pórusméret d pórus = 11,65 nm. Az oszlop üres térfogata: V d π 4 2 b üres = L = 19,63m 3 D b 1m == L 25m (8-1) A töltet tömege: m töltet = 11, 92 g (8-2) Halmazsűrűség: mtöltet 11,92 g g töltet ρ H = = = 0, 6 (8-3) 3 3 V 19,63m m oszlop A kolonna holttérfogata a t 0 holtdőhöz tartozó térfogat (gravmetrásan): üres 3 V holttér = 13,148 m (8-4) A kolonna összporoztása a kolonna holttérfogatának és ürestérfogatának hányadosa: 3 Vholttér 13,148 m ε = = = 0,67 (8-5) 3 V 19,63 m üres Az összporoztás a töltet szemseközt ε T és a szemséken belül ε P poroztás összege: ε P + ε T = 0,22 + 0,4515 = ε = 0,67 (8-6) A Wang és társa által publkált [53, 54] TTB (1,3,5-tr-ter-butl-benzol) módszer alapján az összporoztás erre a töltetre ε = 0, ábra A Chralel OD töltet elektronmkroszkópos képe [7] 65

66 8.3. Adszorpós egyensúly, elmélet tányérszám (NTP), elmélet tányér-magasság (HETP), szelektvtás, nyomásesés és a művelet paraméterek meghatározása Az (gyengébben kötődő vagy ( ) vagy 1. komponens) és az R (erősebben kötődő vagy (+) vagy 2. komponens) optka zomerek egyensúly adatat UPELCO gyártmányú preparatív HPLC oszlopon (belső ármérő: D b = 1m, oszlophossz: L = 25 m) határoztam meg 20 C-on. A Chralel OD (d sz = 20 µm) állófázst vbrátoros módszerrel töltöttem az oszlopba. A töltet halmazsűrűsége ρ H = 0,6 g/m 3 volt, az összporoztás ε = 0,67. A levegőt az oszlopról n-hexán:ipa = 95:5 v/v % eluenssel távolítottam el LMIM D-167 szvattyúval. RHEODYNE njektorszelepet kapsoltam az oszlop elé 100 mkrolteres hurokkal. A klépő ágban az elúó konentráó-dő görbe regsztrálása Waters UV spektrofotométerel 254 nm-en történt. Az első mnta 541/BK jelű králs raém észter keverék volt 50 mg/m 3 eluensben oldva, melyből a hurokkal 100 mkroltert njektáltam az oszlopra. Az eluenst három különböző konentráóban (n-hexán:ipa = 95:5; 90:10; 80:20 v/v %) és 5 különböző térfogatárammal (2, m 3 /per) használtam. Az elúós kísérletek eredménye (RG OD 03, 04, 05 jelű mérések) a M 8.1. táblázatban láthatóak. A szelektvtás tényező az eluensösszetétel függvényében ksmértékben változk ( ábra). A nyomásesés az oszlop teljes hosszára jóval kevesebb, mnt a töltet károsodásának megelőzése érdekében maxmálsan megengedett 50 bar. Az adszorpós egyensúly adatokat a k értékek alapján állapítottam meg [58, 59]. k' = t R t t 0 0 α R / = t t R R t t 0 R = 0 k' k' R NTP = tr σ 2 HETP = L NTP ahol: k : kapatásfaktor m t R : retenós dő [mn] t 0 : a holtdő [mn] 3 szabadtérfogat 3 m töltet foly. t R R : az R zomer retenós deje [mn] t R : az zomer retenós deje [mn] α R / : szelektvtás tényező [-] k ' R : az R zomer kapatásfaktora 66

67 k ' : az zomer kapatásfaktora σ : bázsszélesség 450 n-hexán:ipa=95:5 [v/v %], zomer n-hexán:ipa= 90:10 [v/v %], zomer n-hexán:ipa= 80:20 [v/v %], zomer n-hexán:ipa= 95:5 [v/v %], R zomer n-hexán:ipa= 80:20 [v/v %], R zomer n-hexán:ipa= 90:10 [v/v %], R zomer NTP / 25m B [m 3 /mn] 8.2. ábra Az elúós mérések eredménye 8 k', α vs. n-hexán:ipa Chralel OD, B=2,5m 3 /per 50g/dm 3 raém mnta, 100µl njektálás 1,4 7 1,2 kapatás tényezők (k'1,k'2) ,0 0,8 0,6 0,4 szelektvtás tényező (α) 1 k'1 k'2 α 0,2 0 0,0 95:5 1 90: :20 3 n-hexán : IPA [v/v %] 8.3. ábra Az RG OD 03, 04, 05 mérések kapatás és szelektvtás tényező 2,5 m 3 /mn eluens térfogatáram esetén 67

68 8 RGOD_03 Kapatás tényezők és a szelektvítás tényező vs. térfogatáram Chralel OD, n-hexán:ipa=95:5 50g/dm 3 raém mnta, 100µl njektálás 1,4 7 kapatás tényezők (k'1,k'2) ,2 1,0 0,8 0,6 0,4 szelektvtás tényező (α) 1 k'1 k'2 α 0,2 0 0, B (m 3 /mn) 8.4. ábra Az RG OD 03 mérések kapatás és szelektvtás tényező eredménye az eluens térfogatáram függvényében 50g/dm 3 raém mnta, 100µl njektálás 25,0 20,0 nyomásesés (bar/25m oszlop) 15,0 10,0 5,0 RGOD_03_95:5 RGOD_04_90:10 RGOD_05_80:20 0, B(m 3 /mn) 8.5. ábra Az RG OD 03, 04, 05 mérések nyomásesése az eluens térfogatáram függvényében 68

69 8.4. Adszorpós egyensúly zoterma adatok meghatározása k alapján A kompettív Langmur zotermát az előző fejezetben meghatározott k értékekből számoltam. Mvel a módszer nem tesz lehetővé a b értékek számolását, ezért azokat besültem. A beslés alapjául egy hasonló témában meghatározott b értékek szolgáltak. Ezen értékekre azért volt szükség, hogy előzetes szmuláókat tudjak futtatn. k, 1 ε = Ks (8-7) ε, k R = 1 ε K R ε (8-8) ε = 0,67 (8-9) ρ Η = 0,6 g töltet (8-10) 3 m oszlop a a 3 1 ε m folyadék = K 5,3366 (8-11) ρ g töltet = H 3 1 ε m folyadék = K R 7,1489 (8-12) ρ g töltet R = H 3 m folyadék b = 0,016 (8-13) mg komponens 3 m folyadék b = 0,0206 (8-14) R mg R komponens ahol: k ' R, ' k : az R lletve az zomer kapatásfaktora K, K R : az lletve az R zomer megoszlás együtthatója ε : összporoztás [-] ρ H : halmazsűrűség [mg/m 3 ] a, b : Langmur-állandók g komponens 3 m töltet g komponens 3 m folyadék A szmuláók gen nagy eltérést mutatnak a mért és számított értékek között. 69

70 8.5. Adszorpós egyensúly zoterma adatok meghatározása frontáls adszorpó-deszorpó alapján Az elválasztás folyamattervezéséhez és optmálásához szükséges adszorpós egyensúly adatok meghatározására dnamkus módszeret használtam. A komponensek szlárd fázsbel konentráóját frontáls adszorpós-elúós mérésekkel határoztam meg, az áttörés görbék kértékelése alapján. A mérések során a kromatográfás oszlopot egyensúlyba hoztam az adott hőmérsékleten az eluenssel, majd az oszlopra a preparatív szvattyúval adott térfogatú eluensben oldott mntát adagoltam. Ezt követően a mnta oszlopról való eluálása frss eluenssel történt Mérés körülmények A frontáls adszorpós kísérleteket egy általam összeállított készülékkel végeztem (8.6. ábra), a készülékek adata a 8.2. táblázatban találhatóak. Két HPLC szvattyúval adagoltam a készülékbe az eluenst lletve a szétválasztandó mntát. A HPLC oszlopot száraz vbráós módszettel töltöttem 20µm szemsemértű Chralel OD töltettel. Az oszlopból távozó komponenseket UV detektorral 254 nm-en és Chyralzer polarmetrás detektoron detektáltam (lásd 8.7. ábra). A belépő ll. klépő folyadék tömegét a kísérlet alatt dgtáls mérlegekkel mértem. A kromatográfás oszlopból távozó folyadékból félperenként mntákat vettem, melyek tömegét utólag mértem. A folyadék mntákat Merk Htah La Chrom analtka HPLC-vel elemeztem ábra A frontáls adszorpós-elúós mérés készülékének elv folyamatábrája 70

71 A készülékek adata Belső átmérő [m] 1 Oszlop Hosszúság [m] 25 Előkészítés egyensúlyba hozva az eluenssel Mnősége CHIRALCEL-OD zemseméret [µm] 20 Töltet Összporoztás 0,67 Halmazsűrűség [g/m 3 ] 0,6 HPLC szvattyúk töltet tömege [g/oszlop] 11,775 Waters 6000A Gynkotek 300C Detektor UV detektor Hullámhossz [nm] GILON nm Mérlegek Polarmetrás detektor IBZ Chralyser Mettler College 1300 Bzerba GE Regsztráló Papírsebesség [m/per] 1,5 Mntaelemzés Merk Htah La Chrom 8.2. táblázat A készülékek adata 8.7. ábra Egy frontáls adszorpós-elúós mérés kromatogramja (a Chralyser regsztráló feje az UV detektor után kb. 10mm-el helyezkedk el) 71

72 Három mérést végeztem, a mérés körülmények az alább (8.3. táblázat) táblázatban találhatóak, a mérés eredmények a ábrákon láthatóak. Megállapítható, hogy az alasonyabb mnta konentráóknál kedvezőbb az és R szeparáója, magasabb mnta konentráónál a szétválasztás ksmértékben romlk. Ha a frontáls adszorpósdeszorpós görbéket le tudjuk írn, akkor az MB-t s, mvel az MB művelet egy fordított frontáls adszorpó-elúó. 11. mérés 12. mérés 13. mérés Eluens [v/v %] n-hexán:zopropanol = 95:5 Mnta konentráója [g(+r)/dm 3 ] 1,25 5,1 2,42 Mnta mennysége [m 3 ] Térfogat sebesség [m 3 /mn] 1,96 1,98 1,95 Hőmérséklet [ C] táblázat A frontáls adszorpós elúós mérések alapadata 72

73 RG OD FR EÉ 11 mérés Az 1924/K számú raém keveréket ( és R) n-hexán:ipa = 95:5 v/v % eluensben oldottam fel, konentráóját 1,25 g(+r)/dm³ eluens értékre állítottam be. Az eluenssel 18 C-on egyensúlyba hozott oszlopba 100 m³ mntát vttem fel 1,96 m³/mn térfogat sebességgel 50 per alatt, majd ezt követően az oszlopot deszorbeáltattam tszta eluenssel. Az eluens térfogat sebességét 1,55 m³/mn értékre tudtam beállítan (az eluens szvattyúval nem volt lehetőségem nagyobb térfogatáram beállítására). Az oszlopból távozó folyadékból kb. perenként mntavétellel elegendő mntát kaptam, melyeket megelemezve kaptam a 8.8. ábrán található eredményeket. A frontáls adszorpósdeszorpós görbék (deáls esetben az MB készülék axáls konentráó profljanak felelnek meg 180 -os átrendezéssel) műszaklag optmáls szétválasztást mutatnak az MB-vel történő megvalósításhoz. Eluens: n-hexán:ipa=95:5 v/v % mnta = 1,25 g/dm 3 B= 1,96 m 3 /mn, V mnta =100m 3 RG OD FR EÉ 11 1,0 0,9 mnta 100m 3 eluens 0,8 0,7 0,6 [g/dm 3 ] 0,5 0,4 mért R mért 0,3 0,2 0,1 0, V [m 3 ] 8.8. ábra Az RG OD FR EÉ 11 mérés eredménye grafkonon 73

74 RG OD FR EÉ 12 mérés Az 1924/K számú raém keveréket ( és R) n-hexán:ipa = 95:5 v/v % eluensben oldottam fel, konentráóját kb. 5 g(+r)/dm³ eluens értékre állítottam be. Az eluenssel 20 C-on egyensúlyba hozott oszlopra 100 m³ mntát vttem fel 1,98 m³/mn térfogat sebességgel 50 per alatt, majd ezt követően az oszlopot deszorbeáltattam tszta eluenssel. Az eluens térfogat sebességét 1,59 m³/mn értékre tudtam beállítan. Az oszlopról távozó folyadékból kb. perenként mntavétellel elegendő mntát kaptam, melyeket megelemezve kaptam a 8.9. ábrán található eredményeket. Az előző méréshez képest megnövelt mnta konentráónál még mndg jól elkülönül az és R optka zomer a frontáls adszorpósdeszorpós görbék alapján. 5,0 4,5 Eluens: n-hexán:ipa=95:5 v/v % mnta= 5,098 g/dm 3 B= 1,98 m 3 /mn, V mnta =100m 3 mnta 100m 3 RG OD FR EÉ 12 eluens 4,0 3,5 3,0 [g/dm 3 ] 2,5 2,0 mért R mért 1,5 1,0 0,5 0, V [m 3 ] 8.9. ábra Az RG OD FR EÉ 12 mérés eredménye grafkonon 74

75 RG OD FR EÉ 13 mérés Az 1924/K raém keveréket ( és R) n-hexán:ipa = 95:5 v/v % eluensben oldottam fel, konentráóját kb. 2,5 g(+r)/dm³ eluens értékre állítottam be. Az eluenssel 16 C-on egyensúlyba hozott oszlopra 100 m³ mntát vttem fel 1,95m³/mn térfogat sebességgel 50 per alatt, majd ezt követően az oszlopot deszorbeáltattam tszta eluenssel. Az eluens térfogat sebességét 1,97 m³/mn értékre állítottam be. Az oszlopról távozó folyadékból kb. perenként mntavétellel elegendő mntát kaptam, melyeket megelemezve kaptam a ábrán található eredményeket. Látható, hogy az és R optka zomerek jól elkülönülnek egymástól. Eluens: n-hexán:ipa=95:5 v/v % mnta = 2,423 g/dm 3 B= 1,95 m 3 /mn, V mnta =100m 3 RG OD FR EÉ 13 2,0 mnta 100m 3 eluens 1,5 [g/dm 3 ] 1,0 mért R mért 0,5 0, V [m 3 ] ábra Az RG OD FR EÉ 13 mérés eredménye grafkonon A mérések eredményet (RG OD FR EÉ 11, 12, 13) a ábrán s ábrázoltam. Megállapítható, hogy az alasonyabb mnta konentráóknál kedvezőbb az és R szeparáója, magasabb mnta konentráónál az és R szétválasztás ksmértékben romlk. 75

76 [g/dm 3 ] RG OD FR EÉ ,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 11. mérés 11. mérés R 12. mérés 12. mérés R 13. mérés 13. mérés R 1,0 0,5 0, V [m 3 ] ábra Az RG OD FR mérések eredménye Mérés eredmények A frontáls adszorpós-deszorpós görbék kedvező szétválasztást mutatnak. A komponensek kapatásának meghatározását Noud és edel-morgenstern [55] publkáója alapján végeztem, amely az áttörés görbéjék ntegrálásán alapszk (lásd 8-15, 16). A mérések alapján az alább egyenletekkel számított adszorpós egyensúly konentráók a következő táblázatban vannak feltüntetve (8.4. táblázat). Frontáls adszorpó alapján: q = tm 0 0 ( ) B V ρ k dt εv H 0 k (8-15) A frontáls deszorpó alapján: q = tm B dt εv V ρ k H 0 k (8-16) ahol: q : szlárdfázsbel konentráó [mg komponens/m 3 töltet] t M : mnta adagolás dő [mn] 76

77 B : térfogat sebesség [m 3 /mn] 0 : belépő konentráó [mg/m 3 ] : folyadékfázsbel konentráó [mg/m 3 ] t : dő [mn] ε = 0,67 : összporoztás [-] V k 2 D π = L : oszlop térfogat [m 3 ] 4 ρ H = 0,6 : halmaz sűrűség [mg/m 3 ] 11. mérés 12. mérés 13. mérés Frontáls adszorpó alapján q [mg/g töltet] 3,606 9,3592 6,259 q R [mgr/g töltet] 4,614 12,57 8,019 [mg/m³ folyadék] 0,6292 2,5600 1,2070 R [mgr/m³ folyadék] 0,6250 2,5400 1,2160 Frontáls deszorpó alapján q [mg/g töltet] 3,4600 9,3588 6,0050 q R [mgr/g töltet] 4, ,1886 7,6870 [mg/m³ folyadék] 0,6292 2,5600 1,2070 R [mgr/m³ folyadék] 0,6250 2,5400 1, táblázat Adszorpós egyensúly konentráók A kapott adatokat átlagoltam (8.5. táblázat), a kísérlet eredményekre legjobban lleszkedő zoterma paraméteret kerestem. Mérés q R q R [mg/m³] [mg/g töltet] [mgr/m³] [mgr/g töltet] 11 0,629 3,533 0,625 4, ,207 6,132 1,216 7, ,560 9,359 2,540 11, táblázat Átlagolt adszorpós egyensúly konentráók 77

78 8.6. Adszorpós egyensúly zoterma adatok meghatározása hodográf módszerrel (hullámelmélet) A 8. fejezetben leírt frontáls adszorpós-deszorpós kísérletek elméletét GUIOCHON [60] tárgyalja részletesen kompettív Langmur adszorpós zoterma esetén két komponensre: q q a = b11 + b2 (8-17) 2 a = b11 + b2 (8-18) 2 A frontáls adszorpós-deszorpós kromatográfás művelet áttörés görbéje az egyensúly elmélet szernt I, II, III, IV, V tartományokra bontható (8.12. ábra). Az adszorpós művelet befejezése és a deszorpós folyamat kezdete a t P vonalnál történk (t P = t M ). [g/dm 3 ] t P zomer 1 A R zomer 1 0 = 2 0 t 1 F 2 B t 2 I. II. III. IV. V. t [mn] t R,1 t R,2 t F t E t I t 0 R,2+ t P ábra Adszorpós-elúós konentráó-dő dagram Az I. kromatográfás zónában mvel az első () komponenst lépsős függvény szernt szorítja le a másodk (R) komponens a kromatográfás oszlopban, ezért =. A A t R,1 retenós dőt az első () komponens lépsős függvény sebessége alapján határozhatjuk meg. 78

79 Amkor a 2. komponens áttör, akkor konentráója 0-ról 0 2 -ra növekszk, mközben az 1. komponens összetétele A 1 -ról 1. és 2. komponensek lépsős függvénye határozza meg. A III. kromatográfás zónában a 0 1 -ra sökken. A t R,2 retenós dőt az = összetételű konentráó platót t p dőpontban 1 = 2 = 0 konentráójú tszta oldószerrel eluáljuk, melynek következtében 0 1 és 0 2 konentráók arányos, dffúz frontok szernt sökkennek. 1 értéke ra sökken, míg 2 értéke 0 2 -ról B 2 értékre sökken ról 1 = 0- A hodográf transzformáó adata alapján meghatározható b 1, b 2 lletve az a 1 és a 2 értéke a tszta 1. komponens és az 1., 2. frontok retenós dő alapján (8.13. ábra) mérés 12. mérés mérés [g/dm 3 ] R [g/dm 3 ] ábra Az RG OD FR EÉ mérések hodográfja A IV. zónában az arányos alakú frontokban 1 konentráó 0 1 = 1 értékről 1 = 0 értékre sökken, míg 2 konentráó értéke 0 2 = 2 értékről egy közbenső konentráó plató B 2 = 2 értékg sökken. Ezt hívják tag-along jelenségnek. Az V. kromatográfás tartományban a tszta 2. komponens arányos alakú elúós görbéjét láthatjuk. 79

80 A számítások eredményenek összefoglalása Az alábbakban összefoglalt eredmények kompettív Langmur adszorpós zotermára vonatkoznak. RG OD EÉ 11 RG OD EÉ 12 RG OD EÉ 13 0,108 0,119 0,118 b 1 3 m mg foly I., II., III. zóna alapján 0,088 0,177 0,158 6,254 6,628 b a m mg foly R 3 m foly g töltet 8,224 9,161 8,351 a 2 3 m foly g töltet 0,12 0,137 0,129 b 1 3 m mg foly IV. zóna alapján 0,097 0,204 0,173 6,306 6,742 b a m mg foly R 3 m foly g töltet 8,327 9,766 8,545 a 2 3 m foly g töltet V. zóna alapján 8,958 8,376 9,401 0,317 0,299 0, táblázat A hodográf módszer eredménye a b m foly g töltet 3 m mg foly R Később bemutatom, hogy a legpontosabb eredményeket a 13. mérés adja az nverz módszer alapján (lásd táblázat). 80

81 8.7. Adszorpós egyensúly adatok meghatározása OLVER-EXCEL programmal (b-langmur zoterma, lneárs nem szelektív taggal) A szakrodalm összeállításban közölt publkáók szernt a DAICEL ég töltetet úgy állítják elő, hogy szlkagél felületét ellulózra, ll. amlózra felvtt králs szelektív soportokat tartalmazó réteggel borítják be. A kéma átalakítás nem tökéletes konverzója matt a szlkagél nem lekötött (end appng folyamat konverzója) OH soportja, valamnt a ellulóz és amlóz polmer nem reagált OH soportja nem szelektív aktív helyekként befolyásolják az adszorpós egyensúlyokat. Esetünkben Chralel-OD tölteten szlkagélre felvtt ellulóz-trsz-fenl-karbamát szelektív soportok vannak a szlkagél felületén kéregként. Valószínűleg a nem 100 %-os konverzó matt a pórusok belsejében, valamnt a ellulóz rétegben nem szelektív OH soportok s találhatók. Az adszorpós egyensúlyok leírására az alább összefüggést használtam és R optka zomerek elválasztása esetén: = xa a (8-19) q + (1 x) 1+ b + brr R R q R (1 x) 1+ b + brr ( a (1 x) a ) = + a (8-20) Az (8-19) és (8-20) egyenletek szernt x = 1 szelektív relatív felület borítottság esetén, mnden adszorpós hely szelektív, nns nem-szelektív aktív hely a felületen. Ekkor a szokásos kétkomponensű kompettív Langmur zotermát alkalmazhatjuk az adszorpós egyensúly leírására, ahol a, b, a R, b R állandókat használtam. Ideáls esetben (a R /b R = a /b ) megegyezk az és R maxmáls adszorpós kapatása, lletve állandó az R és adszorpós szelektvtás a R /a = b R /b = α R/. Ha a szelektív soportok hányada, a szelektív relatív felület borítottság x<1, ll. a nem szelektív soportok hányada λ = (1-x), akkor komponens esetében az új a állandók: zelektív soportok Nem szelektív soportok R x a R komponens esetében az új a állandók: zelektív soportok a R -(1-x) a (1-x) a Nem szelektív soportok (1-x) a 81

82 A fentek szernt azt tételeztem fel, hogy = R = 0 konentráójú helyen a szelektív és nem szelektív soportok a állandónak összege a és a R értékét adja. Az előző fejezetben számítással meghatározott adszorpós kapatások smeretében a fent összefüggéseket és a OLVER-EXCEL többváltozós optmalzáló programot alkalmazva meghatározhatjuk a kísérlet eredményekre legjobban lleszkedő közelítő összefüggés paraméteret (lásd 8.5. táblázat) A OLVER-EXCEL optmalzáló program alkalmazása abszolút hba négyzetes élfüggvény mnmalzáló programmal Az előző fejezetben közölt adszorpós egyensúly modell és a közölt mérés adatok alapján a OLVER EXCEL programmal meghatározhatjuk az adszorpós zotermákat közelítő összefüggéseket: CF = e 1 + e 2 + e 3 (8-21) e 1 = Σ(q M -q Z )² komponensre (8-22) e 2 = Σ(q M -q Z )² R komponensre (8-23) ahol CF: a élfüggvény, e 1, e 2, e 3 : hbák, q M : mérés adat, q Z : számolt adat. e 3 = a a R b b 2 R mnden mérés adatra (8-24) (Ideáls esetben (a R /b R = a /b ) megegyezk az és R maxmáls adszorpós kapatása, lletve állandó az R és adszorpós szelektvtás a R /a = b R /b = α (R/)) Feltételek: 0,5< x < 1 (8-25) 0< b R, b < 0,5 (8-26) Az eredményeket az M 8.1. ábrán és az M 8.2. ábrán láthatjuk, x = 1 lletve x= 0,9 esetére. 82

83 A OLVER-EXCEL optmalzáló program alkalmazása relatív hba négyzetes élfüggvény mnmalzáló programmal Az előző fejezetekben leírtakhoz képest az optmalzálás élfüggvényét (8-22, 8-23) módosítottam mnden mást változatlanul hagytam. e 1 = Σ(q M -q Z )²/q M komponensre (8-27) e 2 = Σ(q M -q Z )²/q M R komponensre (8-28) Ideáls esetben (a R /b R = a /b ) megegyezk az és R maxmáls adszorpós kapatása, lletve állandó az R és adszorpós szelektvtás a R /a = b R /b = α (R/)) Az eredményeket az M ábrán láthatjuk A OLVER-EXCEL optmalzáló programmal nyert eredmények összefoglalása A kdolgozott optmalzálás módszer gyorsan és gen pontosan számol. A fontosabb adatokat a 8.7. táblázatban foglaltam össze. a b a R b R zámítás 3 m foly g töltet 3 foly mg m 3 m foly g töltet 3 foly mg R m x absz. = 1 abszolút hba x absz. = 0,9 abszolút hba x rel. = 1 relatív hba x rel. = 0,9 relatív hba 7,2406 6,5165 7,1031 6,3928 0,1675 0,1675 0,1599 0,1599 9,2526 8,5285 9,0781 8,3678 0,2137 0,2137 0,2043 0, táblázat OLVER-EXCEL számítások eredménye A relatív hba módszer jobban közelít a később bamutatásra kerükő nverz módszerrel kapott eredményekhez (lásd táblázat). 83

84 8.8. Adszorpós egyensúly zoterma adatok meghatározása tömegmérleg hba módszerrel A számítógépes programok kbővítése Az új feltételeknek megfelelően átalakítottam b-langmur adszorpós egyensúly zoterma esetére a korábban kfejlesztett számítógépes szmuláós programokat (4.4. fejezet). A töltetet egy optkalag szelektív és optkalag nem szelektív kapatással jellemezzük q = q + q N, mndkét esetben kompettív Langmur zotermával írtam le az adszorpós egyensúlyt. A szorbens kapatása az. komponensre nézve: N a a q = + (8-29) n n N 1+ b 1+ b = 1 í Ha az optka zomereket külön komponensként kezeljük, akkor a szelektív rész kapatáshányadára vonatkozó zoterma egyenlet: = 1 = 1 a q = (8-30) n 1+ b n 1+ b = = 1 í ahol a és b értékek komponensenként különböznek. Ugyanezen komponenseknek kötődése az optkalag nem szelektív kapatáshányadon: = 1 (8-31) N N a q = (8-32) n N 1+ b í n 1+ b = 1 N = N ahol az optka zomerek a és b állandó megegyeznek. Az adszorpós oszlopot leíró egyensúly modell: (8-33) N q q v0 + ε + ρ H + ρ H = 0 (8-34) x t t t 84

85 85 Az egyensúly összefüggést felhasználva az egyenletből q N és q kküszöbölhető és így egy, supán folyadékkonentráókat tartalmazó paráls dfferenálegyenlethez jutunk: 0 ) ( = = = t N b a t b a t N a t a t x v k n k N k N H k n k k H N H H ρ ρ ρ ρ ε (8-35) Rendezve az egyenletet: 0 ) ( ) ( ) ( = t N b a t N b a t b a t b a t N b a b a N a a k x v k N k N H N N H k k H H N N H H N H H ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ ρ (8-36) = + + t N b a t N b a t b a t b a x v t N b a N a b a a N k k N k N k k k H N N N H ) ( ) ( ) ( ρ ρ ε (8-37) A rég programokhoz képest új változók bevezetésére volt szükség, ezek a változók az optkalag aktív kapatások jellemzésére szolgáltak. A kompettív Langmur zoterma egyenlet most kompettív b-langmur zoterma egyenletté vált. A nem králs rész jellemzésére az a N, b N vektorokat használtam, míg a králsan aktív kapatást jellemző vektorokra az a, b vektorokat vezettem be. Az a N, b N, a, b vektorok megadásával a kapatás megoszlását s defnáljuk. Az ndexek nullától maxmum tízg terjednek, élszerűen nullával az oldószerkomponenst jelöljük, 1-el, 2-vel az optkalag aktív komponenseket, míg az egyéb szennyezéseket a magasabb ndexű tagokkal. Az új programok adatbevtel ablakát mutatják a ábrák. A változásokat átvezettük a KROM-N, ll. MB-KROM-N programba, am tulajdonképpen a számolás blokk módosítását jelentette. Az új programok neve KROM- Chr ll. MB-Chr. Néhány változó típusváltásával és standard függvény használatával skerült a programot gyorsítan s. Ha nem ragaszkodunk a konentráó proflok on-lne grafkus ábrázolásához, ezen szolgáltatás kkapsolásával tovább 50 %-os gyorsításra van

86 lehetőség. Így egy szmuláó lefutása, egy ma átlagos számítógépet használva, körülbelül 1 peret vesz génybe ábra Az KROM-CHIR nevű szmuláós szoftver adatbevtel ablaka 8.15.ábra Az MB-CHIR nevű szmuláós szoftver adatbevtel ablaka 86