Változó eluens összetételő szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás mővelet vizsgálata

Átírás

1

2 Változó eluens összetételő szimulált mozgóréteges (SM) preparatív folyadékkromatográfiás mővelet vizsgálata Doktori (PhD) értekezés Készítette: Nagy Melinda Témavezetık: Dr. Szánya Tibor, egyetemi docens Dr. Horváth Géza, egyetemi docens Pannon Egyetem Vegyipari Mőveleti Intézeti Tanszék Veszprém, 9

3 Változó eluens összetételő szimulált mozgóréteges (SM) preparatív folyadékkromatográfiás mővelet vizsgálata Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta: Nagy Melinda Készült a Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Doktori Iskolája keretében Témavezetık: Dr. Szánya Tibor, egyetemi docens Dr. Horváth Géza, egyetemi docens Elfogadásra javaslom (igen / nem).. (aláírás) Elfogadásra javaslom (igen / nem).. (aláírás) jelölt a doktori szigorlaton... % -ot ért el, Veszprém,.. a Szigorlati izottság elnöke z értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: íráló neve: igen /nem.. (aláírás) íráló neve: igen /nem.. (aláírás) jelölt az értekezés nyilvános vitáján...% - ot ért el Veszprém, doktori (PhD) oklevél minısítése.... a íráló izottság elnöke. az EDT elnöke

4 Tartalomjegyzék KIVONT... 5 STRCT... 6 USZUG EVEZETÉS IRODLMI ÁTTEKINTÉS SZTEROIDOK KROMTOGRÁFIÁS MŐVELETEK Kromatográfiás alapfogalmak Kromatográfiás eljárások Ipari adszorbensek kromatográfiás mőveletek matematikai modellezése VLÓDI MOZGÓRÉTEGES ÉS SZIMULÁLT MOZGÓRÉTEGES KROMTOGRÁFIÁS MŐVELETEK valódi mozgóréteges (TM) kromatográfia szimulált mozgóréteges (SM) kromatográfiás mőveletek bemutatása szimulált mozgóréteges folyadék kromatográfia elméleti ciklusa Elméleti analízis a karakterisztikák módszerével lineáris adszorpciós izotermák esetén Morbidelli-féle paraméterek, az SM-HPLC berendezés térfogatáramaira vonatkozó kritériumok szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás mővelet matematikai modellje és megoldása numerikus módszerrel Elméleti analízis nem lineáris adszorpciós izotermák és reális rendszerek esetén Fİ FEJLESZTÉSI IRÁNYOK Gradiens módszerek Hımérsékletgradiens Nyomásgradiens (SFC-SM) Oldószergradiens (SG-SM) gradiens és izokratikus SM-HPLC eljárások elméleti és gyakorlati összehasonlítása VariCol-folyamat térfogatáramok változtatása ModiCon-folyamat Egyéb technikák JELENLEGI GYÁRTÓK, FORGLMZÓK VIZSGÁLT PROLÉM VIZSGÁLT PROLÉM ISMERTETÉSE Z SM SZIMULÁCIÓS SZOFTVER ISMERTETÉSE SZIMULÁCIÓS ÉS KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE KÍSÉRLETI RÉSZ YMC S-5 ÉS MERCK 6 Å SZILIKGÉL DSZORENS ÖSSZEHSONLÍTÁS Z RG-14 SZÁMÚ, SZTEROIDOK ÉS Z CETON DSZORPCIÓS EGYENSÚLYI DTINK MEGHTÁROZÁS , HETP MÉRÉSEK YMC S-5 SZILIKGÉLEN FRONTÁLIS DSZORPCIÓS ELÚCIÓS MÉRÉS SM KÉSZÜLÉK TERVEZÉSE, KÉSZÍTÉSE ÉS ÜZEMEHELYEZÉSE SM SZÁMÍTÓGÉPES SZIMULÁCIÓK ÉS MÉRÉSEK EREDMÉNYEI SZÉTVÁLSZTNDÓ SZTEROID KEVERÉK KONCENTRÁCIÓJÁNK NÖVELÉSE SZIMULÁCIÓK ÉS MÉRÉSEK SORÁN betáplálási koncentráció növelése SM szimulációk során betáplálási koncentráció növelése SM mérések során GRDIENS SM VIZSGÁLT z aceton koncentráció növelésének hatása a szimulációk során... 8

5 5... z aceton koncentráció csökkentésének hatásai a szimulációk során szimulációs eredmények alapján végzett laboratóriumi mérések eredményei SJÁT GRDIENS JELENSÉGE DINMIKUS SM Dinamikus SM során végzett szimulációk Dinamikus SM során végzett mérések GRDIENS SM KÍSÉRLETEK 1:1:: OSZLOPKONFIGURÁCIÓ, NYITOTT ELUENSKÖR ESETÉN Gradiens SM szimulációk 1:1:: oszlopkonfiguráció esetén Gradiens SM mérések 1:1:: oszlopkonfiguráció esetén GRDIENS SM KÍSÉRLETEK 1:1:: OSZLOP KONFIGURÁCIÓ ESETÉN, KPCSOLÁSI IDİ CSÖKKENTÉS VIZSGÁLT Gradiens SM szimulációk 1:1:: oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata Gradiens SM mérések 1:1:: oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata kapcsolási idı csökkentés kísérleti és szimulációs eredményeinek összehasonlítása ÖSSZEFOGLLÁS JELÖLÉSMGYRÁZT IRODLOMJEGYZÉK TÉZISEK... 1 THESES FÜGGELÉK... 18

6 Kivonat gyógyszer hatóanyagok nagy tisztaságban történı elıállítása napjainkra alapkövetelménnyé vált. szigorú minıségi elıírások teljesíthetısége miatt egyre fontosabbá és elterjedtebbé válnak a kromatográfiás elválasztási és tisztítási mőveletek, azaz a szakaszos preparatív folyadékkromatográfia (HPLC), illetve a folyamatos szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia (SM). z SM ipari megvalósítások korábban szinte kizárólag a hagyományos izokratikus módszert alkalmazták, a közelmúltban azonban jelentıs eredmények születtek a mővelet továbbfejlesztése tekintetében. doktori értekezés egy Richter Gedeon Rt. által elıállított kétkomponenső nem izomer szteroid elegy (komponensek aránya : 8: m/m%) elválasztását tanulmányozza. szerzı vizsgálta a változó eluens összetételő (gradiens) szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás mővelet hatását a két szteroid komponens elválasztásának hatékonyságára vonatkozóan, mely módszer lehetıséget nyújt az eluens felhasználás csökkentésére, illetve a termelékenység növelésére. cél olyan rendszer tervezése volt, amellyel a szétválasztás a lehetı legkisebb költséggel megoldható a szteroid elegy kevésbé kötıdı komponensének ( ) 99,9 m/m %-nál nagyobb tisztaságban történı kinyerése, illetve 9 %- nál nagyobb kihozatal mellett. z izokratikus mérések vizsgálatakor kiderült a rendszernek az a sajátossága, hogy a berendezés hossza mentén az elválasztásnál használt gradiens képzı oldószer, az aceton koncentráció eloszlása nem egyenletes, az acetonnak saját gradiense van. munka során nagy segítséget nyújtottak a rendelkezésre álló szimulációs szoftverek is (KROM-N, SM4) melyekkel számos anyagáram rendszerre végeztem el szimulációkat. legjobbnak ígérkezı beállításokkal SM méréseket végeztem. Kulcsszavak: preparatív folyadékkromatográfia, szimulált mozgóréteges kromatográfia (SM), oldószer gradiens SM 5

7 Study of the solvent gradient simulated moving bed preparative liquid chromatographic process bstract Nowadays the production of PI s (ctive Pharmaceutical Ingredients) with high purity is a basic requirement. To fulfill the strict quality specifications the batch preparative liquid (HPLC) and the continuous simulated moving bed chromatography (SM) techniques are getting higher and higher significance. Previously most of the industrial-scale SMs are used the original isocratic method, recent developments are focusing on the current procedure's technical improvement. In the Ph.D. thesis the separation of a non-isomer steroid mixture (composition of the compounds was : 8: m/m%) produced by Gedeon Richter Ltd.was studied. I had investigated the effect of the changing solvent compound concentration (gradient) on the simulated moving bed chromatography, on the efficiency of the separation of the two steroid component. Gradient SM-LC provides chance to reduce solvent consumption and increase product purity, yield and productivity. In my Ph.D. work I dealt with this gradient SM-LC focusing on the determination of optimal cost minimized operating parameters and the goal was to produce the less retained compound ( ) with purity higher than 99.9 m/m % beside higher than 9 % yield. During the evaluation of isocratic measurements it turned out that the system has a specific feature, namely acetone, the gradient forming solvent, used for the separation has uneven distribution along the length oh the equipment, that is it has a self-gradient. The work was supported by simulation softwares KROM-N and SM4, used for the investigation of several process parameters. ased on simulation results, the most favourable process parameters were tried in an SM experiment. Keywords: preparative liquid chromatography, simulated moving bed chromatography (SM), solvent gradient SM 6

8 Untersuchung zur Verwendungsmöglichkeit von SM-Prozessen mit Gradienten Verfahren uszug Die Herstellung von Wirkstoffen für Medikamente in hoher Reinheit ist eine unserer wichtigsten ufgaben. Um die strengen Qualitätsvorschriften zu erreichen, haben die verschiedenen chromatographischen Trennverfahren mehr an edeutung und Raum gewonnen. Neben der klassischen Elutions Chromatographie ist die kontinuierliche Simulated Moving ed (SM) Chromatographie ein wichtiges chromatographisches Trennprozess. Früher waren die industriellen nwendungen des SM-Prozesses durch einen isokratischen etrieb gekennzeichnet, aber man hat schnell wichtige Vorschritte im Weiterentwickelung des Prozesses gemacht. In der vorliegenden Dissertation hatte ich die Trennung eines zweikomponenten Steroidengemisches von Gedeon Richter Ltd. studiert. Die Verwendungsmöglichkeit der SM mit Gradient-methode wurde für dieses Gemisch experimentell untersucht. Die Methode verbesserte die Leistungskennzahlen (Produktivität, Lösemittelverbrauch) stark. Das Zeil meiner rbeit war, eine neue SM Methode zu entwerfen, welche bei geringsten etriebskosten, eine mehr als 99,9% Reinheit der weniger adsorbierten Komponente ( ) erzielt und bei der die Gesamt-usbeute bei mehr als 9% liegt. ei der Untersuchung der isokratischen Experimente, wurde festgestellt, dass die cetonkonzentration (ceton ist das Lösungsmittel für Gradient, was ich bei der Trennung verwendet hatte) entlang sich des pparats nicht gleichmäßig sondern mit eigenem Gradienten. Zur usführung des Experiments hatte ich verschiedene Simulations-Software (KROM-N, SM4) verwendet. ufgrund der Simulationsergebnisse wurden SM Experimente durchgeführt. Schlüsselwörter: Präparative Flüssigkeitschromatographie, simulierte Gegenstromchromatographie (SM), Lösungsmittel Gradient 7

9 1. evezetés finomkémiai mőveletek egyik fontos célja a nagytisztaságú termékek elıállítása, illetve az elıállításakor keletkezı, a termékeket és a melléktermékeket tartalmazó elegyekbıl a tiszta anyagok elıállítása. Ez különösen fontos például olyan esetekben, amikor az elıállított anyagot gyógyászati vagy élelmezési célra akarjuk felhasználni, hiszen ezekben az esetekben ma már alapkövetelmény a gyártó céggel szemben, hogy a végtermék a lehetı legkevesebb, esetenként akár káros hatású mellékterméket tartalmazzon. z egyik legnagyobb hazai gyógyszer elıállítással és hatóanyag kutatással foglalkozó cég a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Rt. vállalat az új hatóanyagok kifejlesztésénél és azok elıállításánál felhasználja a legújabb vegyipari mőveleti megoldásokat is. Richter Gedeon Vegyészeti Gyár NyRt. a Pannoni Egyetem Vegyipari Mőveleti Tanszékével illetve a Kaposvári Egyetem Informatika Tanszékével közösen pályázatot nyújtott be a Széchenyi Terv Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Program keretében az Oktatási Minisztériumba Új hulladékszegény kromatográfiás eljárások bevezetése a gyógyszeriparban címmel, mely pályázat sikeres volt. Richter Gedeon Vegyészeti Gyár NyRt. a Pannon Egyetem Vegyipari Mőveleti Tanszékét bízta meg azzal a feladattal, hogy egy kétkomponenső szteroid elegy szétválasztását dolgozza ki szimulált mozgóréteges (SM) folyadékkromatográfiás módszerrel, szilikagél adszorbenst és aceton, diklór-metán eluenst alkalmazva. kutatás következı szakasza olyan üzemviteli paraméterek kiválasztása volt, amelynél az ipari megvalósítás gazdaságilag és minıségi szempontok figyelembevételével a legjobb feltételekkel rendelkezik. z SM téma jelenlegi iránya a gradiens SM, ahol igen lényeges a gradiensképzı oldószer komponens koncentráció változása az SM készülék egyes szegmenseiben. z oldószeres gradiens elúciós SM kromatográfiás eljárás, mint lehetséges szétválasztási módszer alkalmazásával egy megfelelı tulajdonságokkal rendelkezı rendszernél megkereshetı az optimális üzemeltetési pont, ahol az elválasztás megfelelı, de a szétválasztás megvalósításához a lehetı legkevesebb friss oldószert kell a rendszerbe betáplálni és emellett a termelékenység is a lehetı legnagyobb. Rendszerünkben a gradiens alkalmazása megvalósíthatónak tőnt, mert az izokratikus mérések vizsgálatakor kiderült a rendszernek az a sajátossága, hogy a berendezés hossza mentén, az elválasztásnál használt gradiens képzı oldószer, az aceton koncentráció eloszlása nem egyenletes, az acetonnak saját gradiense van. doktori értekezés erre a problémára keres megoldást, 8

10 megvizsgáltam a rendszert számítógépes szimulációval, majd a kapott eredményeket a laboratóriumi berendezés segítségével ellenıriztem.. Irodalmi áttekintés.1. Szteroidok természetes szénvegyületek egyik legfontosabb csoportját képezı szteroidok elnevezése az elsıként megismert képviselıjük, az 1815-ben epekıbıl izolált koleszterin nevébıl származik. E vegyületcsalád alapját a szteránváz alkotja, amelyen a jellemzı szénatomokon különbözı szubsztituenseket tartalmazhat. jellegzetes oldalláncok szerint a szteroidokat az alábbi csoportokba sorolhatjuk [1]: Szterinek (szteroid alkoholok) Zooszterinek (állati eredető) Fitoszterinek (növényi eredetü) Mikoszterinek (gombákból nyerhetık) Epesavak Szteroid hormonok Férfi és nıi nemi hormonok Kortikoszteroid Szteroid glikozidok Szívre ható glikozidok Szteroid-szaponinok szteroidok az el nem szappanosítható lipidek csoportjába tartoznak. Ezenkívül a növény- és állatvilágban sokoldalú hatóanyagok. Minden sejtben elıfordulnak. Elıállításuk természetes anyagokból, de mesterséges úton is lehetséges. iológiai vagy más minták szteroid elemzése során sokszor állítanak elı módosított vegyületeket. E származékképzés célja hatékonyabb elválasztás szennyezésektıl vagy más szteroid csoportoktól, érzékenyebb vagy megbízhatóbb mennyiségi mérés kolorimetriás, fluorimetriás, gázkromatográfiás stb. módszerekkel, vagy egyszerően csak a szteránvázas vegyületek kromatográfiás elmozdulásának követése színes származékok kromatográfiájával. További oka a szteroid származékok kromatográfiás vizsgálatának az a körülmény is, hogy a szteroid hormonok, epesavak, szterolok közül számos észterifikált állapotban képzıdik vagy kerül kiválasztásra az emberi és állati szervezetbıl. Ezenkívül a szintetikus bioaktív anyagok biológiai hatásának fokozása, ill. elnyújtása is adhat okot a vizsgálatra []. z általam elválasztott szteroid keverék a szteroid hormonok csoportjába tartozik. 9

11 .. kromatográfiás mőveletek Kromatográfia győjtınévvel foglaljuk össze azokat az elválasztási módszereket, amelyekben az elválasztás az elválasztandó komponensek egy álló és egy mozgó fázis között létrejövı megoszlása következtében jön létre [3]. folyamat során a komponensek az állófázison való áthaladás közben megkötıdnek annak felületén és eluálódnak a mozgóáramba. Ezen folyamatok az állófázison sokszor lejátszódnak és az egyes komponensek megoszlási tényezıje közötti különbsége miatt a gyengébben kötıdı komponens "elıresiet", vagyis gyorsabban fogja elhagyni az állófázist az erısebben kötıdı komponensnél. folyadékkromatográfia elsı gyakorlati megoldásai a századforduló körül kıolaj frakcionálásra [4] illetve levélzöld festékanyagának preparatív elválasztására [5] irányultak. kromatográfiás módszerek elterjedése csak a 3-as évek elején kezdıdött, amikor Kuhn és munkatársai [6], valamint a magyar Zechmeister és Cholnoky [7] munkái nyomán sok kutató kezdte alkalmazni festékek, cukrok, aminosavak elválasztására. z as években a folyadékkromatográfia új fejlıdésnek indult a vékonyrétegkromatográfia, az ioncserés kromatográfiával dolgozó aminosav-elemzık és polimerek vizsgálatára kidolgozott gélkromatográfiás berendezések és töltetek kifejlesztésével. z 196-as évek végén kezdıdött a nyomás alatti folyadékkromatográfiás készülékek és módszerek kifejlıdése és elterjedése. korszerő nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (High Performance Liquid Chromatography (HPLC)) jellemzıje, hogy kis szemcsemérető (5-3 µm), szők szemcseméret-eloszlású töltetet használnak, a folyadék kényszeráramlással nagy nyomáson (5-3 bar) lép be és viszonylag nagy, állandó sebességgel (1-5 cm 3 /cm min) halad át az oszlopon. z 198-as évek elején a preparatív és ipari elválasztások területén jelentıs áttörés történt a nagyhatékonyságú, nyomás alatti módszerek kifejlesztésével és alkalmazásával. Ez a fejlıdés szorosan kapcsolódik a biotechnológia ipari bevezetéséhez. HPLC technikák és módszerek széles választéka lehetıséget nyújt különbözı típusú kölcsönhatásokon alapuló elválasztások kombinált megvalósítására, nagy hatékonysággal, viszonylag rövid idı alatt, az értékes komponensek nagy tisztaságban való kinyerése és a termékek biológiai aktivitásának megtartásával [8-11]. kromatográfiát elnevezhetjük az alapján, hogy milyen folyamatok játszódnak le a mozgó és az álló fázisban, nevezetesen mi az a fı folyamat, amely eredményeként az egyik komponens több, míg a másik kevesebb idıt tölt az álló fázison. Ez utóbbi alapján a kromatográfia lehet adszorpciós, megoszlásos illetve ioncserés. z adszorpciós 1

12 kromatográfiában az elválasztás alapja fıként a minta komponenseknek az aktív szilárd felülethez való adszorpciós affinitása közötti különbség. megoszlásos elválasztás alapját fıként a minta komponensek állófázisbeli oldékonyságainak különbsége gázkromatográfia, illetve a mozgó- és állófázisbeli oldékonyságainak különbsége folyadékkromatográfia képezi. z ioncserés kromatográfia esetében pedig az elválasztás alapját a minta komponensek ioncserélıhöz való affinitásának különbsége adja [1]. z elválasztási módszerek osztályba sorolása megtörténhet a két fázis minısége, vagy az eltérı vándorlási sebességet létrehozó erı megvalósítási módja szerint is (1. ábra). vándorlását (migrációját) okozó erı nyomáskülönbség hatására mozgó fázis elektromos erıtér hatására mozgó fázis mozgófázis állófázis elnevezés gáz folyadék gáz-folyadék kromatográfia gáz adszorbens gáz-szilárd kromatográfia szilárd kapilláris elektroforézis micelláris elektrokinetikus kromatográfia kapilláris gélelektroforézis elektrokromatográfiás módszerek folyadék fluid folyadék szilárd folyadék folyadék kromatográfia szuperkritikus kromatográfia 1. ábra Kromatográfiás módszerek osztályba sorolása a komponens mozgását létrehozó kényszererı és a fázisok minısége szerint z állófázis alakja szerint oszlop- és rétegkromatográfiát szoktunk megkülönböztetni. z oszlopkromatográfia esetében az állófázist egy csıben helyezik el. szilárd állófázist, vagy a folyadék állófázissal befedett szilárd hordozó részecskéit vagy oszlopba töltik (töltött oszlop), illetve a falon vagy annak belsı peremén koncentrálják, ezáltal a mozgófázis akadály nélkül halad át a nyitott, középen üres oszlopon (WCOT kolonnák). rétegkromatográfiánál az állófázis egy síkfelület, vagy egy síkfelületen terül el. felület 11

13 lehet papír-papír kromatográfia-, illetve lehet valamilyen hordozón, pl.: üvegen szétterített, szilárd szemcsékbıl álló réteg-vékonyréteg kromatográfia. Megkülönböztethetünk normál és fordított fázisú kromatográfiás módszert. Normál fázisú kromatográfiáról akkor beszélünk, ha az álló fázis polárisabb, mint a mozgófázis. Fordított fázisú kromatográfiánál az álló fázis mindig apolárisabb jellegő, mint a mozgó fázis. két fázis között kvázi egyensúlyi koncentráció viszonyok alakulnak ki. hhoz, hogy az oszlop mindenegyes pontján egyensúly alakuljon ki, a folyamatnak reverzibilisnek kell lennie. Tehát ezeket a folyamatokat a fizikai szorpció kategóriájába sorolhatjuk. Kismértékő változtatás akár az álló fázis felületi tulajdonságaiban, akár a mozgó fázis összetételében megváltoztatja a molekuláris kölcsönhatásokat és ezzel a komponensek visszatartását. folyadékkromatográfiában általában adszorpciós vagy ioncserés mőveleteket alkalmaznak a szétválasztásra, az álló fázis szilárd halmazállapotú. z állófázis mind oszlopos, mind réteg lehet. klasszikus folyadékkromatográfiában (beleértve a rétegkromatográfiás eljárásokat is) a mozgófázis átfolyása az állófázison a gravitációs erı hatására valósul meg (emiatt gyakran gravitációs kromatográfiáknak is nevezik ıket). folyadék áramlása és emiatt a szétválasztás is meglehetısen lassú lesz és az állófázis szemcséinek mérete is csak bizonyos mértékig csökkenthetı (d p > µm). z analitikai és a preparatív elválasztás célja alapvetıen különbözı, így megvalósításuk eltérı megközelítést igényel. Míg analitikai elválasztásánál a cél a lehetı legtöbb információ elérése a minta komponenseinek minıségérıl és mennyiségérıl, a preparatív elválasztások célja a mintából egy vagy több komponens elválasztása, illetve adott tisztaságú anyagok kinyerése. HPLC-s módszerek alkalmazásakor analitikai mérések esetén az elválasztás hatékonyságának növelése miatt a detektor által legkisebb mérhetı mintamennyiségeket juttatnak fel az állófázisra, míg preparatív alkalmazásoknál mindig a lehetı legnagyobb beméréssel dolgoznak a gazdaságos üzemvitel miatt. lkalmazzák még az ún. Overload Chromatography (túlterheléses kromatográfiás) technikát is, ekkor a töltet kapacitását meghaladó mennyiségő bemérést juttatnak az állófázisra. termelı mérető ipari eljárásoknál alapvetı célkitőzés a maximális nyereség, vagyis az adott tisztaságú termék elıállítása minimális ráfordítási költséggel [13]. HPLC módszerek egy új családját képezik a szimulált mozgóréteges berendezések (SM-HPLC, Simulated Moving ed-hplc) [1]. Ennél a mőveletnél a folyadékfázis 1

14 mozgatása mellett a szilárd fázis mozgatását is megvalósítják. rendszer ezáltal kvázifolyamatos üzemővé válik és így a HPLC mővelet kisebb termelékenysége nagymértékben javítható...1. Kromatográfiás alapfogalmak kromatográfiás módszerrel szétválasztandó elegy komponensei elvileg kétféleképpen mozoghatnak az állófázison való áthaladásuk során : 1. a mozgófázissal együtt mozog, ekkor sebessége a mozgófázis sebességével megegyezı nagyságú.. megkötıdik az állófázis felületén, ekkor sebessége kisebb a mozgófázis sebességénél. ek oszlopon való áthaladását ez a két folyamat határozza meg, így az áthaladáshoz szükséges idı az ún. visszatartási vagy retenciós idı két részbıl tevıdik össze[14] (.ábra): t R = t t' ( 1) + R. ábra z elúciós kromatogram jellemzıi Ha ezt az összefüggést az átáramoltatott mozgófázis áramlási sebességével megszorozzuk, akkor megkapjuk az adott komponens ún. retenciós térfogatát ( V R ): V + V ( ) R = t R F = t F + t N F = V N 13

15 Mivel t R függ az áramlási sebességtıl, továbbá a töltött ágy (kolonna) méreteitıl, a jellemzésre célszerő a dimenziómentes használni. k ' kapacitásfaktort vagy retenciós faktort t R to 1 ε k' = = * K ( 3) t ε O retenciós faktor tehát az állófázisban és a mozgó fázisban töltött idık hányadosa. Egy komponensnek az álló- és a mozgófázis közötti egyensúlyi megoszlását az ún. megoszlási hányados (K) jellemzi. dq K = ( 4) dc Ebben a rendszerben a lineáris izoterma azért alkalmazható, mert a komponensek koncentrációja általában igen kicsi ( c c ). 1 Egy kétkomponenső rendszer esetén definiálhatjuk az ún. elválasztási tényezıt is, amely arra ad felvilágosítást, hogy a két komponens (1 és illetve és ) tulajdonságai mennyire térnek el egymástól, és emiatt mennyire könnyen választhatóak el egymástól: α K k' t R 1 = = = ha 1 = c K1 k' 1 t R1 z elválasztás megvalósíthatóságáról elmondható, hogy: c = c ( 5) α >> 1 esetén (ha K >> K ) a szétválasztás jól és könnyen megvalósítható, a két komponens a rendszerben jól elkülönül egymástól, ekkor a komponens jobban kötıdik az állófázishoz, mint az komponens. zonban amikor a két fázisban a vizsgált komponens koncentrációjának aránya változik, k és t R függnek a betáplált mennyiségtıl. Ez a túlterhelt kolonnákra jellemzı. Kétféle túlterhelés lehetséges: térfogati és koncentrációs. Túlterhelt állapotban két új jelenség lép fel. kiszorítás (displacement) és az alácsúszás (tag along effect). kiszorítás lényege, hogy a nagy koncentrációban jelenlévı, jobban szorbeálódó második komponens mintegy kiszorítja az elsı komponenst az állófázisból, és zónáját összenyomja. z alácsúszás akkor lép fel, ha az elsı komponens koncentrációja lényegesen nagyobb, mint a második komponensé. Ekkor ennek molekulái befedik, telítik az állófázist. jobban szorbeálódó komponens molekulái csak részben férnek hozzá az állófázishoz, ezért gyorsabban 14

16 haladnak, mint tiszta állapotban és egy elnyúlt zónát képeznek. Ennek következtében a két zóna egymásba tolódik, a második komponens mintegy alácsúszik az elsı komponens csúcsának, és az elválasztás lényegesen romlik. α << 1 esetén (ha K <<K ) a szétválasztás ugyancsak könnyen megvalósítható, ekkor a komponens kevésbé kötıdik az állófázishoz, mint az komponens. Ezekben az esetekben a komponensek kromatográfiás sávjai jól elkülönülnek egymástól. α 1 esetén a két komponens tulajdonságai nagyon hasonlítanak, a szétválasztás csak nehezen valósítható meg. ek sávjai ebben az esetben csak részlegesen különülnek el, átfedés is létrejöhet közöttük. α = 1 esetén a két komponens nem választható szét az adott rendszerben. két komponens sávjai nem különböztethetıek meg ebben az esetben. kromatográfiás oszlop hatékonyságának szempontjából fontos az is, hogy a kromatográfiás sávok milyen szélesek lesznek, vagyis a rendszer milyen kimenettel válaszol az igen rövid idejő, elvileg Dirac-delta alakú bemenetre. sávszélesedés segítségével definiálható az oszlop hatékonyságára jellemzı érték, az elméleti tányérszám (, Number of Theoretical Plates). z elméleti tányérszám megmutatja, hogy az adott oszlopon a komponens hányszor fog adszorbeálódni és deszorbeálódni egyensúlyi körülmények között. z elméleti tányérszám kiszámolása azon a feltételezésen alapul, hogy a rendszer a Dirac-delta bemenetre Gauss-féle eloszlású kimenettel válaszol: t R = ( 6) σ Ha az oszlop hosszát elosztjuk az elméleti tányérszámmal, akkor megkapjuk az elméleti tányérmagasságot, vagyis egy egyensúlyi egység magasságát (HETP, Height of Theoretical Plates): L HETP = ( 7) van Deemter által levezetett egyenlet szerint az elméleti tányérmagasság és a mozgófázis lineáris áramlási sebessége között összefüggés van (3. ábra): HETP = + + C v ( 8) v 15

17 z elmélet szerint az oszlopban az adszorpciós-deszorpciós zóna szélesedése, vagyis az adott komponens sávszélessége az oszlopban végbemenı örvénydiffúzió (), longitudinális diffúzió () és az anyagátadási folyamatok (C) eredıjeként jön létre. Tányérmagasság, [HETP] Mozgófázis áramlási sebesség, [v] 3. ábra van-deemter egyenlet grafikus ábrázolása Örvénydiffúzióról akkor beszélünk amikor az oszlop töltet szemcséi közt a mozgó fázis örvényszerő mozgása (visszakeveredés) késlelteti a komponens elırehaladását (). Longitudinális diffúzió esetén a komponens molekulái a sáv közepétıl a sáv két széle felé mozdulnak el (). nyagátadási gátlás esetén a két fázis közötti anyagátadás (transzport) nem pillanatszerő folyamat (C). z elválasztás hatékonyságának jellemzésére a felbontást (R S ) használják, amely a két komponens egymástó való elválasztásának hatásosságát jellemzi. R=1-nél az átfedés körülbelül %, általános követelmény R>1,5. R s 1 = 4 α 1 α ' k ' k + 1 ( 9)... Kromatográfiás eljárások z iparban a kromatográfiás eljárásokat olyan esetekben alkalmazzák, ha egymástól kevéssé különbözı tulajdonságú anyagok elegyét akarják szétválasztani. különbözı adszorpciós tulajdonságú anyagok szétválasztására különféle kromatográfiás mőveleteket alkalmaznak [15]: 1. Frontális kromatográfián értjük azt az eljárást, amikor az elválasztandó elegyet állandó sebességgel vezetjük az oszlopra. z oszlopon való keresztülhaladás közben az egyes komponensek a saját adszorpciós megoszlási hányadosuknak megfelelıen 16

18 különbözı mértékben kötıdnek meg az állófázison és emiatt különbözı mértékben lemaradnak egymáshoz képest a rendszerben. z oszlop végén elıször a legkevésbé kötıdı komponens ( ) jelenik meg, majd az adszorpciós sorrendnek megfelelıen a többi komponens ( ) is kilép az oszlopból [13] (4. ábra). 4. ábra frontális kromatográfia áttörési görbéje. Kiszorításos kromatográfiáról beszélünk abban az esetben, ha a szétválasztandó komponenseket tartalmazó elegy bevitele után olyan anyagot ( C ) vezetünk át az oszlopon, amely jobban kötıdik az állófázishoz, mint a mintakomponensek, és ezáltal kiszorítja azokat a rendszerbıl. Detektor jel Detektor jel 5. ábra kiszorításos kromatográfia áttörési görbéje z oszlop végén a kiszorítás következtében a komponensek a megkötıdési erısségük sorrendjében távoznak zónákat alkotva (5. ábra). 3. z elúciós kromatográfia során a szétválasztandó elegyet egy adszorpciós szempontból indifferens oldószerrel (eluenssel) együtt áramoltatjuk át az oszlopon. mővelet során adott mennyiségő elegyet visznek az oszlop elejére, és ezt az elegyet eluálják át az oszlopon. 17

19 ek az adszorpciós tulajdonságaiknak megfelelıen haladnak át az oszlopon, és egy adott oszlophossz után szétválnak egymástól. z elúciós görbék alakja közelíti a Gauss féle eloszlási görbét. (6. ábra). Detektor jel 6. ábra z elúciós kromatográfia áttörési görbéje z elúciós kromatográfiát kétféleképpen valósíthatjuk meg: Izokratikus módszernél adott koncentrációjú, állandó összetételő oldószerelegyet vezetnek át az oszlopon. Ha az elválasztandó elegy komponenseinek megkötıdése, vagyis retenciós faktora nem tér el jelentısen egymástól (k = 1-1), izokratikus elúcióval általában megfelelı elválasztást kapunk, és a bevitt anyag oszlopból való távozása után az oszlop ismételt bemérésre alkalmas állapotban van. Gradiens elúció esetén az eluens adszorpciós erısségét változtatjuk a mővelet során. Ebben az esetben az újabb mintabevitel elıtt a kolonnát az induló eluenssel egyensúlyba kell hozni. z oldószeres gradiens elúciót már negyven éve alkalmazzák a folyadékkromatográfiában olyan esetekben, ha a szétválasztandó folyadékelegy elválasztása még kromatográfiával is nehéz izokratikus körülmények között. lkalmazzák még azokban az esetekben is, ha valamelyik komponens nagyon erısen adszorbeálódik a tölteten és emiatt a kromatográfiás folyamat nagyon elhúzódik. fı különbség az izokratikus és a gradiens elúció között az, hogy a gradiens módszernél a mozgófázisban levı oldószer adszorpciós erıssége (polaritása) változik a szétválasztás alatt, például lépcsıs függvény szerint. módszer fı elınye a jobb elválasztás. könnyen eluálódó komponensek felbontása növekszik, a jól adszorbeálódó komponensek retenciós ideje pedig csökken. Emiatt a folyamatban kevesebb eluenst kell alkalmazni és a termékek töményebbek lesznek. z SM mőveletekben is alkalmazható a gradiens módszer és elınyei miatt az iparban egyre népszerőbb eljárássá válik. fı elınyei itt is a fent említettek, vagyis leginkább a gazdaságosabb elıállítás miatt alkalmazzák a gradiens módszert. 18

20 z eluens megválasztásánál többféle különbözı követelményt kell egyidejőleg figyelembe venni. Igen fontos az oldószer fizikai jellemzıinek hatása. folyadékkromatográfiás detektor kiválasztása a használható oldószerek körét leszőkíti. UV detektor esetén csak az alacsony UV abszorpcióval rendelkezı oldószerek használhatók. RI detektor esetén a mintakomponensek törésmutatója határozza meg az oldószerek használható RI tartományát. z egyéb detektoroknál is figyelembe kell venni az oldószer hatását (1. táblázat). viszkozitás, hasonlóan a sebességhez mind a kolonna nyomásesését, mind az anyagátadás sebességét, tehát a kolonna hatékonyságát befolyásolja. Hasonló erısségő oldószereknél a legkisebb viszkozitásúval lehet a legjobb eredményt elérni. z oldószer forráspontja elsısorban a preparatív munkáknál fontos, ahol a levett frakcióról el kell távolítani az oldószert. fenti jellemzık mellett az oldószer gıznyomása, lobbanáspontja és egészségvédelmi szempontok is befolyásolják az eluens kiválasztását. gyakorlatban még két lényeges tényezı szerepel: az oldószer ára és a kereskedelmi termék tisztasága. Folyadékkromatográfiás minıségő speciálisan tisztított oldószerekre van szükség, melyek jóval drágábbak a technikai minıségő oldószereknél. dott állófázison a komponensek abszolút és relatív retenciója az eluens minıségének megválasztásával befolyásolható. z oldószer erısségének jellemzésére a Snyder-féle oldószer erısségi paraméter szolgál, melynek segítségével az oldószerek erısségük növekvı sorrendjében elutrop sorba rendezhetık. Minthogy azonban az egyes oldószerek szerkezetüktıl függıen különbözı típusú molekuláris kölcsönhatásba léphetnek az elválasztandó vegyületekkel, a különbözı típusú mintakomponensekre az oldószer minıségétıl függıen azonos erısségő eluenssel lényegesen eltérı retenciós adatok érhetık el. Preparatív Kapacitásfaktor Forráspont Molekulatömeg Sőrőség Törésmutató LC oldószer k' [ C] [g/mol] [g/cm 3 ] diklór-metán 1, ,34 1,44 aceton ,79 1, táblázat használt oldószerek tulajdonságai z állófázist úgy kell megválasztani, hogy a szétválasztási feladathoz a legkedvezıbb legyen. klasszikus- vagy normálfázisú folyadékkromatográfiában az állófázis erısen poláris 19

21 csoportokat tartalmaz és a mozgófázis apoláris oldószer. Ennél a módszernél elıször a legkevésbé poláris komponens fog eluálódni, mivel ez fog a legjobban oldódni az eluensben. fordított fázisú kromatográfiánál az állófázis felületét úgy módosítják, hogy az apoláris karakterő legyen és ebben az esetben poláris oldószereket alkalmaznak (pl. víz, metanol, acetonitril). Itt elıször a legpolárisabb komponens fog eluálódni. Preparatív elválasztásoknál sok esetben a tisztítani kívánt komponensnél nehezebb komponensek is vannak az elegyben, melyek elúciója hosszú idıt és felesleges eluensfogyasztást igényel. Ilyen esetben az úgynevezett back-flush technika használható, amikor az értékes komponensek lejövetele után az eluens áramlási irányát az oszlopban szelepváltással megfordítják és a nehéz komponenseket, amelyek még az oszlop elsı részén vannak megkötve, visszafelé viszonylag gyorsan, egy frakcióban eluálják...3. Ipari adszorbensek nagy átmérıjő és ezáltal nagy kapacitású, jó hatásfokú HPLC oszlopok készítéséhez fontos a homogén töltet elállítása és ennek mőködés közbeni stabilizálása. 3-5 cm-nél nagyobb átmérıjő oszlopokban a hagyományos töltési módszerekkel (száraz töltés, zagy töltés), különösen kis szemcsékkel nem lehet kellıen egyenletes töltetet készíteni [16,17] ez csak az 197-es évek közepén kidolgozott kompressziós eljárással vált lehetıvé. Ez a lépés alapozta meg a nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia ipari elválasztó módszerré fejlıdését. kompresszióval jelentısen csökkenteni lehet a rendezetlen helyek számát és el lehet kerülni a használat közbeni elmozdulást. töltet komprimálásának három változata alakult ki. z egyik a Waters cég által kidolgozott sugárirányú (radiális) kompresszió [18]. Francia kutatók dolgozták ki a tengelyirányú (axiális) kompressziót [19]. módszert továbbfejlesztve, a Prochrom cég kidolgozta a dinamikus tengelyirányú kompressziót []. két említett kompressziós elv között egyfajta átmenetet képez a vegyes (annuláris) kompresszió, amit a SepTech cég dolgozott ki és amely során hosszirányú és sugárirányú erık is hatnak. gyógyszeriparban legelterjedtebben alkalmazott adszorbensek oldhatatlan, nagy fajlagos felülettel rendelkezı szervetlen anyagok, vagy háromdimenziós keresztkötéseket tartalmazó szerves makropórusos szerkezető polimerek. Ezek az anyagok nem tartalmaznak ioncserélı és egyéb reaktív funkciós csoportokat. folyadékkromatográfiában leggyakrabban szilikagél alapú tölteteket alkalmaznak [13]. szilikagél enyhén savas kémhatású, poláris adszorbens, a felületén a kialakításakor alkalmazott hımérséklettıl függıen 15 - C-os kezelés esetén szilanol- (-Si-OH), -

22 5 C-os kezelés esetén pedig sziloxán- (-Si-O-Si-) csoportokat tartalmaz. z ilyen tölteteket a normál fázisú kromatográfiákban alkalmazzák fordított fázisú kromatográfiában módosított felülető szilikagéleket alkalmaznak. felület módosítása kémiai módszerekkel érhetı el. Ezekben az esetekben a termikusan elıkezelt szilanol csoportokat tartalmazó szilikagélt mono-, di- és trifunkciós szilánokkal kezelik szerves oldószerekben. z így kapott felületre kapcsolhatóak azok az apoláris csoportok (általában egyenes szénláncú C 4, C 8 vagy C 18 vegyületek), amelyek a fordított fázisú felületet eredményezik. z elválasztástechnikában a szilikagél alapú adszorbensek mellett ipari méretekben a következı anyagokat alkalmazzák: lumínium-oxid alapú adszorbensek: ezek poláris felülető és amfoter karakterő adszorbensek. z alumínium-oxid a felületi adszorpciós aktivitás szempontjából az elektron-donor és elektron-akceptor centrumok miatt kevésbé heterogén, mint a szilikagél. Cellulóz alapú adszorbensek: a kelát-bázisú ioncserélı tölteteket elsısorban a biotechnológiai termékek szeparációjánál alkalmazzák az iparban. Polisztirol-divinil-benzol alapú (DIION-SP) adszorbensek: ezeket az anyagokat az utóbbi idıben kezdte az ipar csak alkalmazni. Manapság a kémiai szerkezetátalakítással módosított szerves, aromás alapú adszorbensek a legtöbb elválasztási problémában sikerrel alkalmazhatóak, ezért széleskörben kezdenek elterjedni a gyógyszer- és élelmiszeriparban...4. kromatográfiás mőveletek matematikai modellezése kromatográfiás mőveletek leírásához szükségünk van a matematikai modellekre. modellek segítségével a mővelet végrehajtása elıtt kiszámíthatóak az eredmények, segítségükkel idı és költség takarítható meg [13]. matematikai modelleket és megoldásaikat több szempont alapján lehet csoportosítani: modell alapja szerint lehet: Egyensúlyi modell Nem egyensúlyi modell. modellben használt izoterma fajta szerint: Lineáris és Nem lineáris kromatográfiás modell. 1

23 megoldásuk szerint lehetnek: nalitikus megoldásúak Numerikus módszerrel megoldott modellek Karakterisztikák módszerével megoldott modellek. fenti modellek közül a kromatográfia egyensúlyi modelljét és annak analitikus megoldását mutatom be részletesebben. Legyen az adszorbens szabadtérfogati tényezıje ε, az adszorpciós oszlop keresztmetszete f. feldolgozandó folyadék térfogati sebességét, f -t állandónak tekintjük az idı és a hely függvényében. z így definiált oszlopban a folyadékelegy k-adik komponensére a következı komponensmérleget írhatjuk fel, ha az oszlopban az axiális keveredést elhanyagoljuk: ( ) 1 = + + z k f z k f t k f t c t q z c ε ε ( 1) Mivel egyensúlyi, ideális rendszert vizsgálunk, tételezzük fel a következıket. Kis térfogati sebességeknél a folyadék és a szilárd fázis az oszlop bármely pontjában, tetszıleges idıpillanatban egyensúlyban van egymással. k-adik komponensre nézve legyen az adszorpciós izoterma a következı alakú: ) ( k k c f q = ( 11 ) Ezt az összefüggést beírva a (-1) egyenletbe: ( ) 1 = + + z k f z k c k k f t k f t c t c c q z c i ε ε ( 1) Ezt átrendezve: ( ) 1 = + + z k t k c k k f f t c z c c q k ε ε. ( 13) lkalmazzuk a parciális differenciálokra vonatkozó láncszabályt: = 1 t k c z k c z z t t c k. ( 14) (-13) és (-14) egyenletekbıl megkapjuk a kromatográfia alapegyenletét (de Vault egyenlet):

24 z t ck = u ck v = q k ε + (1 ε ) ck ck. ( 15) Ez az egyenlet azt fejezi ki, hogy a megfigyelt c k koncentrációjú folyadékelem haladási sebessége mindig kisebb, mint a v / ε lineáris haladási sebesség. folyadékelem haladási sebességét az izoterma c k helyen vett meredekségétıl függ. haladási sebesség határozza meg az adszorpciós front alakját is. Ez a következı egyenlettel magyarázható. Tekintsünk elıször egy olyan esetet, amikor az "i" komponens adszorpciós egyensúlya kedvezıtlen (7. ábra). q i 7. ábra Kedvezıtlen típusú adszorpciós egyensúlyi izoterma c i ( - 15) egyenletet c k szerint deriválva az alábbi összefüggést kapjuk: du dc ck k qk (1 ε ) ck = q ε + (1 ε ) c ck k k v ck. ( 16) ( - 16) egyenlet fizikai tartalmának vizsgálata mutatja meg a front alakjának kialakulását. k-adik komponens kedvezıtlen adszorpciós egyensúlya a következı feltétel fennállása esetén valósul meg: q k ck Ebbıl következik, hogy: du dc c k k >. ( 17) <. ( 18) 3

25 ( 18) azt jelenti, hogy a kis c k koncentrációjú folyadékelemek az adszorberben gyorsabban haladnak, mint a nagyobb koncentrációjúak. Emiatt az adszorpciós front elnyúlik a töltet hossza mentén (8. ábra), és az áttörési görbe nem lesz éles. lépcsıs koncentráció függvény bemenetbıl úgynevezett arányos alakú adszorpciós frontok alakulnak ki. c i c i t 5 t t 1 t t 3 t 4 Z= H Z= Z= H t 8. ábra rányos alakú adszorpciós frontok kialakulása k-adik komponens kedvezı adszorpciós egyensúlya (9. ábra) esetén igaz, hogy: q k ck (-19)-bıl az következik, hogy: du dc c k k < ( 19) > ( ) ( - ) alapján a nagyobb c k koncentrációjú folyadékelemek fognak gyorsabban haladni az adszorbensben, és emiatt az adszorpciós front élesedni fog a töltet hossza mentén, vagyis tetszıleges c k (z, t ) koncentráció-eloszlású bemenetbıl lépcsıs függvény alakul ki megfelelıen hosszú oszlopban (9. és 1. ábra). q i 9. ábra Kedvezı típusú adszorpciós izoterma Ezeket a frontokat állandó alakú vagy élesedı adszorpciós frontoknak nevezzük. c i 4

26 c i t t 1 t t 3 Z=H c i z 1. ábra Élesedı adszorpciós frontok kialakulása t, ha t < c i = { c i, ha t lépcsıs függvény u haladási sebességét az alábbi képlettel számíthatjuk: u c i c i = v = ( 1) q k ε+ (1 ε) c k lépcsıs függvény haladási sebessége nem az adszorpciós egyensúlyi görbe deriváltja, hanem az ábrán látható húr alapján számítható (11. ábra). q i, c i, 11. ábra Kedvezı típusú adszorpciós izoterma.3. valódi mozgóréteges és a szimulált mozgóréteges kromatográfiás mőveletek z eddigi mőveleteknél a szilárd fázis mindig nyugvó réteget alkotott. z ilyen rendszerek csak félfolyamatos üzemmódban mőködnek, mert az állófázis telítése után mindig abba kell hagyni a betáplálást, mert regenerálni kell az adszorbenst. Emiatt a mővelet nem túl gazdaságos, és ezért az ipari kromatográfia költséges elválasztási mőveletnek számít. Elméletileg a mővelet és az elválasztás hatékonysága nagyban megnövelhetı, ha olyan rendszert alkalmazunk, ahol az adszorbens és az oldószer egymással ellenáramban mozognak. 5

27 Ilyen rendszerben a betáplálás folyamatossá tehetı és folyamatos a termékelvétel is. kutatók ennek a problémának a megoldására dolgozták ki a mozgóágyas kromatográfiák elméletét és ennek gyakorlati megvalósításait. mozgóágyas mőveletek közé tartozik a valódi mozgóágyas kromatográfia (TM, True Moving ed Chromatography) és a szimulált mozgóágyas kromatográfia (SM, Simulated Moving ed Chromatography) valódi mozgóréteges (TM) kromatográfia z eljárás lényege egy olyan kromatográfiás mővelet kifejlesztése, amelyben a szilárd- és a folyadékfázis egymással ellenáramban mozog folyamatosan. mővelet megvalósításánál a szilárd fázis mozgatására fluidizációs mőveletet alkalmaztak, azonban az alkalmazás során derült fény a módszer nagy hibájára, ami a fluidizáció jellegébıl következik. fluidizált szilárd fázis a mozgatás során számottevı mennyiségben visszakeveredik, és ez nagymértékben rontja az elválasztás hatékonyságát. probléma megoldására dolgozta ki 1964-ben Higgins a pulzáló ágyas mőveletet, melynek során a szilárd réteget pulzáló, egyenként fluidizált szakaszokra bontják, így akadályozva meg a visszakeveredést. legújabb TM eljárások során mágnesesen stabilizált fluid ágyat alkalmaznak [1]. Elınye az, hogy a mágneses térben a megfelelıen elıkezelt adszorbens visszakeveredése minimális lesz, és kicsi a mővelet során fellépı nyomásveszteség, azonban hátránya a módszernek, hogy speciális mágneses tulajdonságú adszorbenst igényel. z ilyen adszorbensek gyártása a mai korlátja a mővelet elterjedésének. TM mővelet elvi sémája az ábrán látható (1. ábra). Szilárd Folyadék etáplálás (F) + IV III II I Raffinátum (R) Extraktum (E) D Friss eluens (S) 1. ábra valódi mozgóágyas kromatográfia elvi sémája (TM) 6

28 mőveletet egy kétkomponenső, és komponenseket tartalmazó folyadékelegyre vonatkozóan mutatom be. z komponens legyen az adszorbensen az erısebben, a pedig a gyengébben kötıdı komponens. valódi mozgóréteges kromatográfia során az adszorbens folyamatosan mozog felülrıl lefelé az eluens pedig vele ellenáramban halad a berendezésben. z + elegyet az oszlop adott pontján (F; Feed) folyamatosan adagolják be a rendszerbe. z adszorpciós megoszlási jellemzık és a szilárd-folyadék fázisok áramlási sebességének arányában az komponens erısebben kötıdik meg az adszorbensen, és emiatt azzal együtt az oszlop alja felé halad, míg a, mivel kevésbé jól adszorbeálódik, az eluenssel az oszlop teteje felé vándorol. z oszlop két elvételi pontján, az extraktum és a raffinátum áramokban az és a komponens a betáplálástól eltérı koncentrációban fog megjelenni, z extraktum az komponensben lesz gazdag, a raffinátum pedig a -ben. betáplálási és elvételi pontok négy részre osztják az oszlopot, ezek alapján mutatható be a mővelet elmélete. z oszlop I. szegmensében, amely a kolonna aljától az extraktum elvételi pontjáig tart, tisztítjuk meg az adszorbenst a megkötıdött komponensektıl az eluens segítségével. z oszloprész feladata tehát a szilárd fázis teljes regenerálása, mert ha a regenerálás nem tökéletes, akkor a felsı ponton visszavezetett adszorbens és tartalma le fogja rontani a mővelet hatékonyságát. II. szegmens az extraktum kilépési pontjától a betáplálási pontig tart. Ebben a részben a lefelé haladó adszorbensrıl az összes komponenst deszorbeáltatni kell az adszorbensrıl, azon csak komponens maradhat, különben az extraktumáram komponenssel lesz szennyezett. III. szegmens, amely a betáplálási pont és a raffinátum elvételi pont kötött helyezkedik el, feladata a betáplált elegy megtisztítása az komponenstıl. Mivel a raffinátumban csak tiszta komponenst szeretnénk kapni, ezért a szegmensben adszorbeáltatni kell a teljes mennyiséget. IV. szegmensben, amely a raffinátum elvételtıl az oszlop tetejéig tart, mindkét komponensnek tökéletesen meg kell kötıdni az adszorbensen. recirkulálandó eluens nem tartalmazhat és komponenseket, mert azok az oszlop alján megjelenve szintén lerontják az elválasztás hatékonyságát. TM technikában az I. - IV. szegmensek egyetlen oszlopon belül helyezkednek el, ezért a töltet visszakeveredése a rendszer egyik legnagyobb problémája. Ennek a problémának a 7

29 kiküszöbölése olyan rendszer megvalósításával érhetı el a legegyszerőbben, ahol a fenti szegmenseket térben elválasztjuk egymástól és az elválasztott részek megfelelı kapcsolásával valósul meg a mővelet. z ilyen berendezéseket nevezzük szimulált mozgóágyas folyadékkromatográfiás mőveleteknek (SM-HPLC)..3.. szimulált mozgóréteges (SM) kromatográfiás mőveletek bemutatása szimulált mozgóréteges kromatográfiát az 196-as évek elején szabadalmaztatták []. Elsıként roughton alkalmazta a petrolkémiai iparban para-xilol C8-as szénhidrogén elegybıl történı elválasztására. z olajiparban még ma is eredményesen használják a módszert millió tonna/éves volumenő gyártásra, melynek során fıként zeolitokat alkalmaznak állófázisként. Néhány évvel késıbb a berendezést sikeresen alkalmazták monoszacharidok szeparációjára is. cukoriparban ma is sikeresen használják az SM-t többféle mono- és oligoszacharid elıállítására. Késıbbi francia cégek (PROCHROM és NOVSEP) fejlesztettek ki egy készülék családot a laboratóriumi mérettıl az ipari berendezésekig. Ezen berendezések esetén a nyugvóréteges oszlopokon az idıben és térben programozott betáplálásokat, valamint elvételeket számítógép irányítású automatika biztosítja. Német fejlesztık (KNUER) olyan SM berendezést hoztak létre, ahol különleges szerelvény mozgatásával oldják meg a nyugvóréteges oszlopok bemeneteinek, illetve kilépı oldatainak programozott kapcsolását. merikai kutatók, fejlesztık kis laboratóriumi méretekre 1- oszlopot, 3-1 cm oszlophosszt és 1-5 cm oszlopátmérıt ajánlanak. nagymérető berendezések D b = 1- m, L = 1-3 m oszlopokat is tartalmaznak, az oszlopok száma a szétválasztási feladattól függıen 4- db. gyógyszeripari alkalmazások az 199-es évektıl kezdıdtek fıként enantiomerek elválasztása céljából, amikor megindult a nagyszelektivitású királis töltetek fejlesztése. Ekkor hasonlítják össze elıször több publikációban az SM technikát más kromatográfiás eljárásokkal és egyre inkább elınyben részesítik preparatív szétválasztásoknál [3, 4]. Két friss tanulmány született az enantiomerek szétválasztására SM módszerrel [5, 6] de ezeken túl folyóiratokban sok más cikk található e témában [7, 8, 9, 3, 31, 3]. Enantiomerek szétválasztására a 9-es évek végétıl szuperkritikus és GC-SM-t is használnak [33, 34, 35]. szimulált mozgóágyas elválasztási mőveletek biotechnológiai alkalmazási területe is egyre bıvül, szennyezı anyagok eltávolítására használják kis koncentrációban jelen lévı értékes 8

30 anyagoktól, pl. fermentlevekbıl hatóanyag izolálásra [36]. Értékes szerves savak [37, 38, 39], enzimek [4], gyulladáscsökkentı szerek [41], antibiotikum [4], immunszupresszív hatóanyagok (pl. ciklosporin) [43], humán inzulin [44, 45, 46, 47, 48, 49, 5] SM-vel történı elıállításával kapcsolatos publikációk olvashatók a -es évek szakirodalmában. szimulált mozgóágyas mőveleteknél tehát a TM-HPLC oszlop szegmenseit térben elkülönítjük egymástól. z egyes szegmenseket nyugvóágyas adszorbenssel töltött oszlopok sorozata adja. 13. ábrán az SM mővelet elvi sémája látható. 13. ábra Szimulált mozgóréteges kromatográfia (SM) z SM technika megvalósítása során két alapvetı eljárás terjedt el: 1. z oszlopok mozgatása úgy valósul meg, hogy az oszlopok tetején található összekötési pontokat fizikailag mozgatják az oszlopok között. Ennek a módszernek hátránya, hogy a mőködésük során nyomás alatt levı oszlopokat fizikailag meg kell bontani és újrazárni, ami mőveleti és gépészeti problémát jelent. z oszlopok mozgatása fizikailag nem történik meg, a kapcsolási sorrendet precíziós, nagynyomású, többállású szelepek segítségével valósítják meg. gyakorlatban inkább ez a technológia terjedt el. legegyszerőbb SM berendezés négy, egyenlı hosszúságú oszlop sorbakötésével valósítható meg. berendezésben az adszorbens mozgatása az oszlopkaszkád betáplálási és elvételi helyeinek bizonyos idıközönkénti megváltoztatásával jön létre. z oszlopok váltási idejét nevezzük léptetési idınek, taktus idınek vagy kapcsolási idınek. többállású szelepek megfelelı mőködtetése és a ciklusok közti váltás könnyen automatizálható, így az ipari gyakorlat könnyen adaptálhatja az eljárást. 9

31 .3.3. szimulált mozgóréteges folyadék kromatográfia elméleti ciklusa további fejezetekben a következı jelöléseket fogom alkalmazni z SM oszlop hossza: L [cm] z SM oszlop keresztmetszete: f [cm ] z oszlop léptetési idı: T l [min] z oszlop ürestérfogati hányadosa: ε [dimenziómentes] z komponens-megoszlási tényezıje: K [ komponens-megoszlási tényezıje: K [ 3 cm szabadtérfogati folyadék 3 cm szilárd szilikagél 3 cm szabadtérfogati folyadék 3 cm szilárd szilikagél ] ] szétválasztandó elegy betáplálási térfogati sebessége: F [cm 3 /min] z extraktum térfogati sebessége: E [cm 3 /min] raffinátum térfogati sebessége: R [cm 3 /min] friss eluens betáplálás térfogati sebessége: S [cm 3 /min] recirkuláltatott eluens térfogati sebessége: REC [cm 3 /min] z összes eluens térfogati sebessége: D (=S+REC) [cm 3 /min] mővelet elméleti ciklusa a Függelék 1.a és 1.b ábrán látható. Induláskor az I, II, III, IV adszorpciós oszlopok nem tartalmazzák sem a gyengébben kötıdı, sem az erısebben kötıdı komponenst [1]. z 1. folyadék áramoltatási periódus során az F betáplálással adott mennyiségő, elegyet viszünk a III. oszlopra, ahol a frontális adszorpció következtében a elıresiet, míg az lemarad az adszorpciós tölteten. z R raffinátumban terméket kapunk, majd az 1. folyadék áramoltatási periódust befejezve megtörténik az 1. oszlopmozgatás : I. oszlop helyére II. oszlop II. oszlop helyére III. oszlop III. oszlop helyére IV. oszlop IV. oszlop helyére I. oszlop kerül. 3

32 folyadék áramoltatási ideje, más néven oszlopléptetési idı (T l ) helyes megválasztása igen lényeges a szétválasztás szempontjából.. folyadék áramoltatási periódus során a recirkuláltatott eluens és friss eluens a III. oszlopból kimossa a komponenst és a III. oszlopban csak komponens marad, míg a IV. oszlop megköti a III.-ból deszorbeált komponenseket ( és ) és komponenst termel, melyet a raffinátumban kapunk meg. Helyesen beállított T l léptetési idı és áramok (E, F, R, D) esetén a komponens nem tud kifutni az I. oszlopból. Ezután megtörténik a. oszlopmozgatás : II. oszlop helyére III. oszlop III. oszlop helyére IV. oszlop IV. oszlop helyére I. oszlop I. oszlop helyére II. oszlop kerül. 3. folyadék áramoltatási periódus során már terméket kapunk az E extraktumban, mely a III. oszlopból lép ki. III. oszlopot tökéletesen kell regenerálnunk, nem maradhat benne csak igen kis koncentrációban, mivel a következı 4 folyadék áramoltatási periódusban majd II. oszlop helyére kerül. Ha nem tökéletes a regenerálás, akkor az a recirkuláltatott eluensbe kerül, ami az elválasztást rontja a késıbbiekben. 3. folyadék áramoltatási periódus végén a III. oszlop tökéletesen regenerált, a IV. oszlop tiszta komponenst tartalmaz, az I. oszlopban, és komponensek találhatók. II. oszlopba kis mennyiségő jutott és az R raffinátumban terméket vettünk el. 3. folyadék átáramoltatási periódus utáni oszlopmozgatás : III. oszlop helyére IV. oszlop IV. oszlop helyére I. oszlop I. oszlop helyére II. oszlop II. oszlop helyére III. oszlop kerül. 4. folyadék áramoltatási periódus során a IV. oszlopból terméket kapunk az E extraktumban. II. oszlopból terméket kapunk az R raffinátumban 4. folyadék áramoltatási periódus végén a IV. szegmens tökéletesen regenerált állapotú. z I. oszlop csak tiszta komponenst tartalmaz, a II. oszlopban, és komponensek találhatók, míg a III. oszlopba komponens vándorol, de nem fut ki a III. oszlopból. 31

33 4. áramoltatási periódus végén következik a 4. oszlopmozgatás melynek eredményeként visszajutunk a teljes ciklus kezdetére: IV. oszlop helyére I. oszlop I. oszlop helyére II. oszlop II. oszlop helyére III. oszlop III. oszlop helyére IV. oszlop kerül. z elméleti ciklus alapján az alábbi következtetéseket vonhatjuk le a leírt négyoszlopos SM berendezésre vonatkozóan az 5. folyadék áramoltatási periódus végén. z I. oszlopnak tökéletesen regeneráltnak kell lenni, sem sem nem maradhat a tölteten. II. oszlopon tiszta komponens maradhat, az összes nek át kell kerülnie a III. oszlopba. III. oszlopból csak komponens távozhat az áramoltatási periódus végéig, nem törhet át a III. oszlopon. IV. oszlopba csak komponens juthat, de nem törhet át a IV. oszlopon Elméleti analízis a karakterisztikák módszerével lineáris adszorpciós izotermák esetén Legyen érvényes az egyensúlyi adszorpcióra felírható a (-) komponensmérleg egyenlet egykomponenső folyadékfázisra [1, 51]. Lineáris adszorpciós egyensúlyi izotermát tételezünk fel, így, a (-1) helyett írhatjuk: q = K c ( ) f c z t + c c ε f f ( 3) t z t ( 1 ) K + ε = z c koncentrációjú folyadékelem sebessége az oszlopban u Ic z t c f f = u c = / ε + 1 ( 4) ( ε ) K továbbiakban a (-4)-es egyenletet felhasználva vezetem le a Morbidelli-féle paramétereket, mellyel a térfogatáramok állíthatók be. Esetünkben és kétkomponenső elegyet vizsgálunk, melyek adszorpciós egyensúlyi megoszlási hányadosa K illetve K. Esetünkben K > K. 3

34 .3.5. Morbidelli-féle paraméterek, az SM-HPLC berendezés térfogatáramaira vonatkozó kritériumok megfelelı hatásfokú elválasztáshoz pontosan meghatározott és beállított térfogatáramokra és a hozzájuk tartozó léptetési idıre van szükség. z áramok helytelen sebessége a komponensek adszorpciós frontjainak átlapolását eredményezi. Emiatt az egyes szegmenseken belül a komponensek keverednek és a termékáramok összetétele nem megfelelı, illetve bizonytalan lesz. Massimo Morbidelli és társai által publikált, független adszorpciót és lineáris izotermákat feltételezı elméleti módszer alapján azonban jól megbecsülhetıek a térfogatáramok helyes beállítási értékei [5]. 13. ábra alapján belátható, hogy egy négyoszlopos SM-rendszer térfogatáramai a következık: I. oszlop: D II. oszlop: D - E III. oszlop: D - E + F IV. oszlop: D - E + F - R. tömegmérlegbıl következik, hogy: D E + F R = REC következıkben Morbidelli-féle kritériumok levezetését mutatjuk be az alábbiak szerint: 1. z SM kromatográf III. oszlopának vizsgálata Tételezzük fel, hogy az adszorbens nem tartalmaz sem sem komponenst és T l ideig az oszlopra és elegyet táplálunk be []. Mivel az adott oszlopban a térfogati sebesség D-E+F, ezért az ill. komponensek sebessége, a ( - 4)-nek megfelelıen, a III. oszlopban a következı lesz: u u D E + F f = ε + ( 1 ε ) K ( 5) D E + F f = ε + ( 1 ε ) K ( 6) 33

35 Ha a III. oszlop hossza L és az oszlop keresztmetszete f, akkor az és által T l idı alatt befutott távolságok: L L D E + F f z, III = T ( 7) l ε + (1 ε ) K D E + F f z, III = T ( 8) l ε + (1 ε ) K z elméleti ciklusban leírtaknak megfelelıen nem futhat ki a III. oszlopból, viszont -nek el kell hagynia a III. oszlopot. Átrendezve ( 8), ( 9) egyenleteket: D E + F l f L T D E + F l f L T ( ) K ε + 1 ε ( 9) ( ) K ε + 1 ε ( 3) ε + (1-ε)K < D E + F l f L T < ε + (1-ε)K ( 31) Mivel, D E + F l f L T = v v III o sz ( 3) ( - 31)-bıl következik: D E + F Tl Lε f K < < K ( 33) L( 1 ε ) 34

36 evetjük az m III jelölést: K < m III < K ( 34) hol az m III a III. oszlopra felírt Morbidelli-féle sebesség-arány: D E + F L T l f (1 ε ) ε = m 1 ε III ( 35) Tehát v sz III vo ε = m (1 ε) 1 ε III ( 36). z SM kromatográf II. oszlopának vizsgálata z SM-rendszer II. oszlopára a fentiekkel megegyezı gondolatmenet szerint a következıket írhatjuk fel: komponensnek el kell hagynia a II. oszlopot, de nem törhet át rajta: D E ε + ( 1 ε ) K f T = z l, II L ( 37) D E ε + ( 1 ε ) K f T = z l l, II L D E D E f L f ε + ( 1 ε ) K T ε + (1 ε ) K ( 38) ( 39) D E f ε + ( 1 ε ) K ε + (1 ε ) K ( 4) L T l D E l f L T v = v II o sz ( 41) 35

37 36 l f K L L T E D K ) 1 ( ε ε ( 4) K < m II < K ( 43) hol m II a Morbidelli-féle sebesség-arány a II. oszlopra. 3. z SM kromatográf I. oszlopának vizsgálata z SM kromatográf I. oszlopában az komponens nem maradhat benn, tehát a regenerálásnak tökéletesnek kell lennie. Ennek folyománya: L z K T D I l f = +, ) 1 ( ε ε ( 44) l f sz I o K T L D v v ) 1 ( ε ε + = ( 45) l f I K L L T D m = ) 1 ( ε ε ( 46) hol m I az I. oszlopra felírt Morbidelli-féle sebesség-arány. 4. z SM kromatográf IV. oszlopának vizsgálata. z SM kromatográf IV. oszlopából a komponens nem léphet ki, tehát a már alkalmazott elv az alábbi összefüggésekhez vezet: L z K T R F E D IV l f = + +, ) (1 ) ( ε ε ( 47) l l f sz IV o K T L T R F E D v v ) (1 ) ( ε ε + = + = ( 48) m IV = l f K L L T R F E D + ) (1 ) ( ε ε ( 49)

38 hol m IV a IV. oszlop Morbidelli-féle sebesség-aránya. Összefoglalva, az SM-ciklusra felírható kritériumok: m I > K ( 5) K < m II < K ( 51) K < m III < K ( 5) m IV < K ( 53) Ezek a feltételek szükségesek ahhoz, hogy egy kétkomponenső, elegyet tiszta és komponensekre tudjunk elválasztani abban az esetben, ha független adszorpcióról van szó és az adszorpciós izotermák lineárisak. kapott eredményeket ábrázolhatjuk olyan diagramban, amelyben az m III értékeket tüntetjük fel az m II értékeinek függvényében. z ilyen diagramokban a K, a K és az m III = m II egyenesek kijelölnek egy háromszög alakú területet, amelyet Morbidelli-háromszögnek nevezünk. Morbidelli-háromszögben levı pontokban mőködı rendszerekben egymástól teljesen elválasztható a két komponens. Ez a diagram látható a 14. ábrán, melynek számmal jelölt tartományai a következık: 1. Tiszta " és tiszta " tartománya. Tiszta " a raffinátumban 3. Tiszta " az extraktumban 4. z " és a " keveredik egymással a termékáramokban 14. ábra Morbidelli-féle diagram izokratikus kromatográfiára 37

39 Ha m II < K és K < m III < K akkor tiszta raffinátumot lehet elıállítani, de nem tiszta az extraktumban. Ha m III > K és K < m II < K akkor tiszta extraktumot lehet elıállítani, de nem lesz tiszta a raffinátumban. fenti tartományokon kívül csak, és keveréket lehet elıállítani az extraktumban és raffinátumban szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás mővelet matematikai modellje és megoldása numerikus módszerrel matematikai modellt és a számítógépes programot Dr. rgyelán János egyetemi adjunktus készítette, majd a programot Kondor ttila Ph.D. és Lerner Zoltán egyetemi hallgató fejlesztette tovább orland Delphi-nyelvő fejlesztıi környezetben (Függelék.). modell egy többkomponenső, kompetitív Langmuir-izotermával leírható rendszer matematikai leírása [51]. differenciálegyenlet-rendszert a véges differenciák módszerének numerikus megoldásával oldja meg a szimulációs szoftver. matematikai modell a következı: (-1)-es komponensmérleg-egyenlet felírva egy N komponenső rendszer k-adik komponensére a következı: v c + q c ε ( 54) k k ( 1 ) + ε k = z t t z t z kompetitív Langmuir-izoterma egyenlete az i -edik komponensre: q i i = n 1+ a c j= 1 i b j c j ( 55) z egyszerőség kedvéért tekintsünk egy kétkomponenső -t és -t tartalmazó elegyet. (-55) differenciálegyenletbıl ekkor az komponensre a következı kifejezést kapjuk: v c ε c = 1 ε z 1 ε t q + c c t q + c c t ( 56) és a (-56) egyenletbıl két komponensre: q a c + b c + b c = ( 57) 1 (-58) egyenletet deriválva c és c szerint: 38

40 39 ( ) 1 ) (1 c b c b c b a c b c b a c q = ( 58) ( ) 1 c b c b b c a c q + + = ( 59) továbbiakban vezessük be a következı jelölést: c b c b N + + = 1 ( 6) (-589) és (-59) egyenleteket a (-54) egyenletbe beírva, és alkalmazva a (-6) szerinti jelölést: t c N b c a N c b a N a t c z c v + = 1 1 ε ε ε ( 61) Mindkét oldalt N - tel megszorozva kapjuk meg a modell differenciális mérlegegyenletét: t c b c a N c b a N a t c z c N v + = 1 1 ε ε ε ( 6) (-6) egyenlet lesz a modell alapja, a két komponensre egy két egyenletbıl álló differenciálegyenlet-rendszert kapunk. Ezt pedig a szimulációs szoftverrel, a véges differenciák módszerével oldjuk meg. z így kapott egyenlet: t c b c a N c b a N a t c z c N v + = 1 1 ε ε ε ( 63) differenciák a következıképpen vannak definiálva: z c c z c k j i k j i k =, 1,,,, ( 64) t c c t c k j i k j i k =, 1,,,, ( 65) ahol i: az idılépték j: a helylépték. Ez a modell numerikus megoldása kétkomponenső rendszer esetén. N komponenső elegyre a megoldás teljesen analóg a fent leírttal.

41 matematikai modellhez tartoznak még kezdeti és peremfeltételek is: 1. Kezdeti feltételek: rendszer kezdeti feltételén a t = idıponthoz tartozó c k (z,) és q k (z,) koncentráció (hely, idı) függvényeket értjük, melyeket meg kell adni az I.-IV. szegmensek hossza mentén a folyadékáramoltatás megkezdésekor.. Peremfeltételek: Állandó értékek az idı függvényében: elépı folyadékelegy térfogati sebessége: elépı folyadékelegy összetétele. elépı friss eluens térfogati sebessége: F [cm 3 /perc] c F [cm 3 /perc] S [cm 3 /perc] elépı friss eluens elegy összetétele. c S [mg/cm 3 ] Extraktum térfogati sebessége: E [cm 3 /perc] Raffinátum térfogati sebessége: R [cm 3 /perc] Számított értékek az idı függvényében: Recirkuláltatott eluens összetétele a kezdeti feltételben megadott összetételbıl kiindulva (c REC ) Extraktum összetétele a kezdeti feltételben megadott összetételbıl kiindulva (c E ) Raffinátum összetétele a kezdeti feltételben megadott összetételbıl kiindulva (c R ) T l idı elteltével megtörténik az 1. oszlopmozgatás és kezdıdik a. folyadék áramoltatási periódus. periódus kezdeti feltételeit az I.-IV. szegmensekben az 1. áramoltatási periódus végén kialakult folyadék- és szilárd fázisbeli oszlophosszmenti összetételek adják.. folyadék áramoltatási periódus peremfeltételei formálisan azonosak az 1. periódus peremfeltételeivel a T l < t < T l idıintervallum alatt. számolás menete megegyezik a fent leírtakkal. számítás a következı periódusokban ciklikusan ismétlıdik. program a leírt numerikus módszerrel számítja ki az oszlopok kimenetén az áttörési görbéket, az egyes oszlopokon belül az idıben változó hely szerinti folyadék és szilárd fázisbeli koncentrációkat, a raffinátum és az extraktum áram idıbeli változását. szoftver lehetıséget ad olyan kezdeti feltétel alkalmazására is, amikor a ciklikus mővelet megkezdése elıtt a III. oszlopot frontálisan telítjük a belépı eleggyel. Ennek eredményeképpen csökkenthetı a kvázistacioner állapot eléréséhez szükséges ciklusszám. 4

42 .3.7. Elméleti analízis nem lineáris adszorpciós izotermák és reális rendszerek esetén Ha az elızıekben megadott egyensúlyi adszorpció elméleti leírása során nem teljesül a lineáris adszorpciós egyensúlyi izotermák és a független adszorpció feltétele, akkor a Morbidelli-féle háromszög módosul (15. ábra). Morbidelli féle háromszög területét a betáplálási koncentráció és összetétel, valamint a kinetika és axiális keveredés, mint reális hatások is módosítják [1]. míg az izoterma lineáris szakaszán dolgozunk, vagyis híg oldatok esetén, a háromszöget csak az egyensúlyi paraméterek határozzák meg, a betáplálási koncentráció nem befolyásolja az alakját. De valós esetekben ez nem áll fenn, mivel az SM berendezést általában jelentıs túlterheléssel mőködtetik, a minél jobb termelékenység elérése érdekében. lineáris esethez képest túlterhelt tartományban, kompetitív Langmuir izoterma esetén (-55 egyenlet) a tökéletes szétválasztáshoz szükséges és elégséges feltételek az áramlási sebesség arányokra a következıképpen alakulnak: tiszta és ek egyidejő elıállításának feltétele módosul a (-33)., (-36) egyenletekhez képest. m I > K ( 66) m II,min (m II, m III ) < m II < m III < m III,max (m II, m III ) ( 67) m IV < m IV, Kr ( 68) 1 IV, Kr = III III II III III II F F [ K + m + b c ( m m ) [ K + m + b c ( m m )] a m ] m 4 ( 69) z alsó határ m I, a felsı határ m IV érték. zonban az alak független más térfogatáram arányoktól, de m II és m III térfogatáram arányok függvénye. z m II, m III implicit érték, de függetlenek m I és m IV -tıl. Ezért definiálhatunk egy egyedi szeparációs mezıt az m II -m III síkban, amely egy háromszög alakú terület (15. ábrán abw pontokkal jelölt). wf egyenes: wb egyenes: z ra görbe: F F ( K ω ( + K c ) m + K c ω m = ω ( K ω ) G 1 ( 7) Λ Λ Λ Λ G 3 F F ( K K ( + K c ) m + b c K m = K ( K K ) Λ Λ Λ Λ Λ 3 G 1 ( 71) ( K m ) Λ m3 = m + ( 7) b c Λ F Λ Λ G III 41

43 z ab egyenes: m 3 = m ( 73) m III K + keverék w Tiszta Extraktum (E) r f a K Tiszta Raffinátum b K K m II 15. ábra Morbidelli-féle háromszög nemlineáris esetben pontok koordinátái: a pont ( K Λ, K Λ ) b pont ( K, K ) f pont ( ω G, ω G ) ω G r pont, K Λ ωg [ ω ( )( ) ( )] ( ) F K Λ ωg K Λ K + K ωg K Λ ω F K Λ K K Λ ωf ( 74) [ ( ) ( )] K ω G ωg ω F K Λ K + K K ω F w pont ( ), ( 75) K Λ K K Λ ωf Ezen kifejezések függnek a betáplálás koncentrációjától ω G és ω F paraméteren keresztül, amelynek a következı másodfokú egyenlet az alapja (ω G > ω F > ): F F F F ( 1 K c + K c ) [ K ( 1+ K c ) + γ ( 1+ K c )] ω + K K = + Λ Λ Λ Λ Λ Λ ω ( 76) z 16. és 17. ábrákon láthatjuk, hogy a kompetitív Langmuir izoterma miatt jelentısen megváltozik a Morbidelli-féle háromszög alakja és területe, melyet a betáplálási koncentráció értéke és a reális hatások, adszorpciós kinetika (komponens transzporttal szembeni ellenállás), axiális keveredés, és az oszlop töltet hatásossága is befolyásol. 4

44 m 4,5 4, 3,5 3,,5, 1,5 1, m 1 m 3 m m T c (g/l) c F F 16. ábra Morbidelli paraméterek változása a betáplálási koncentráció függvényében c c 3 c 4 c 1 c F 17. ábra Morbidelli háromszög módosulása a betáplálási koncentráció növelésével c F, c < c < c < c.4. Fıbb fejlesztési irányok z utóbbi idıben több olyan SM üzemmód jelent meg a szakirodalomban, amely az elızı fejezetben összefoglalt jellemzık változtatásán keresztül eredményezett valamilyen szempontból gazdaságosabb üzemvitelt [53]. Ezek közül négy fontosabb elvet megemlíteni az SM módszer mellett: Gradiens módszerek Hımérséklet Nyomás Oldószer koncentráció VRICOL (Novasep) Térfogatáramok változtatása Térfogatáram variációk Powerfeed Modicon-folyamat.4.1. Gradiens módszerek Három lehetséges gradiens módszer terjedt el, a hımérséklet, a nyomás és az oldószer- koncentráció változtatása (18. ábra). kell 43

45 18. ábra z alkalmazott gradiensek az oszlop hossza mentén Hımérsékletgradiens gradiensképzés egy lehetséges megvalósítása lehet a lépcsıs függvény szerinti hımérsékletváltoztatás. Ebben az esetben az I. és II. oszlopokat magasabb hıfokon tartjuk, mint a III. és IV. oszlopokat, ezért ott a deszorpció gyorsabban fog lejátszódni. négy zóna különbözı hımérsékleten való mőködése kedvez az elválasztásnak és csökken az oldószer felhasználás [54] Nyomásgradiens (SFC-SM) Egy másik, iparilag még nem túlságosan elterjedt módszer az a módszer, amikor szuperkritikus állapotú oldószert alkalmaznak. z ilyen, úgynevezett szuperkritikus oldószeres SM (SFC-SM, SuperCritical Fluid-SM) eljárások alkalmazásakor, mint olcsó és könnyen elıállítható szuperkritikus fluidumot, a szén-dioxidot szokták oldószerként alkalmazni. Ebben az esetben a gradiens hatást a szegmensek közötti különbözı nyomások alakítják ki Oldószergradiens (SG-SM) z SM technikánál lépcsıs függvény szerinti gradienst alkalmaznak az SM berendezés belépı pontjai között. módszert itt is olyan esetekben alkalmazzák, ha egy elegy komponensei nem- vagy nehezen választhatóak el egymástól, illetve ha az elegy komponensei közül valamelyiket nehezen lehet deszorbeáltatni az állófázisról. technika alkalmazásával 44

46 mindkét probléma megoldható. z ilyen rendszereknél a gradienst a friss oldószer betáplálási és a szétválasztandó elegy betáplálási pontja között állítják elı ig az SM-vel történı szétválasztások esetén csaknem kizárólag klasszikus üzemvitelt alkalmaztak, tehát a betáplálási és friss eluens árammal azonos erısségő oldószert juttattak a rendszerbe. z oldószerek erıssége az oldószer adszorpciós energiájával van összefüggésben. Ezt az erısséget az ún. Snyder-féle paraméterrel (ε ) szokás megadni [55] (. táblázat). Oldószer ε Oldószer ε n-pentán Etil-acetát,58 Szén-tetraklorid,18 cetonitril,65 Kloroform,4 Etil-alkohol,88 ceton,56 Metil-alkohol,95. táblázat Oldószerek elutróp sora, ε értékek alumínium-oxid adszorbensen Normál fázisú töltetnél (pl.: szilikagél, alumínium-oxid, poláris fázisok) az ε számít gyenge oldószernek és az ε 1 erısnek. Fordított fázis (C 4 -, C 8 -borítású szilikagélek, apoláris fázisok) esetén pedig fordítva. Ez utóbbinál a víz mint legpolárisabb komponens a leggyengébb oldószerként értelmezhetı. z SM fejezetnél már említésre került, de itt még egyszer utalnánk az I. és IV. zóna speciális szerepére, mely a megfelelı terméktisztaságokhoz elengedhetetlen. Míg az I. zónában a szilárd fázisnak tökéletesen regeneráltnak kell lennie, vagyis a komponenseket deszorbeálni kell az adszorbens felületérıl, addig a IV. zónában az eluens fázis tökéletes regenerálása, vagyis a komponensek adszorpciója a feladat. ek adszorpciós-deszorpciós tulajdonságait az adszorpciós izotermák befolyásolják, melyek viszont többek között az oldószer erısségétıl függnek. Ez a gondolatsor vezetett ahhoz, hogy a friss eluensáram és a betáplálási áram különbözı erısségő oldószert tartalmazzon, melyen keresztül a zónák mőködésbeli különbségét még inkább javítani lehet. z erısebb oldószer a deszorpciót-, a gyengébb pedig az adszorpciót növeli. Tehát ha friss eluensként egy erısebb oldószert alkalmazunk, akkor az I. zóna az erısebb oldószer hatására könnyebben regenerálódik, a II. zónában pedig ezzel az erısebb oldószerrel történik az elválasztás, ami a közel maximális deszorpcióját eredményezi. III. zónába aztán már a gyengébb oldószer áramlik (lévén, hogy a II. és III. zóna között van az elválasztandó elegy betáplálási helye), ami az amúgy is erısen kötıdı tökéletes 45

47 adszorpcióját eredményezi. IV. zónában aztán ez a gyengébb oldószer áramlik tovább elısegítve a komponensek (fıleg ) tökéletes adszorpcióját (19. ábra). módszer elınye a hagyományos SM-üzemvitelhez képest, hogy alacsonyabb az oldószerszükséglete, nagyobb a termékáramok koncentrációja, és ezen keresztül jelentısebb a termelékenysége is. 4 lépcsõs lépcsõs R-LROUT 4 zóna a gyenge Feed Extraktum 3 zóna zóna 1 zóna b c d erõs szilárd anyag folyadék Euens oldószer koncentrációja oldószer koncentrációja 19. ábra Különbözı oldószererısségek a zónákban Szakirodalmi adatok alapján négy tudományos iskolában foglalkoznak gradiens SM módszerrel. Hollandiában a Kluyer Laboratory for iotechnology Delft University of Technology-nál [56, 57, 58]. Svájcban a FTH Zürich, Inst. Verfahrenstechnik-nél [59, 6]. Németországban a MPI Magdeburg Institut Dynamik Komplexer Technischer System szakemberei foglalkoznak a témával [61, 6] és Franciaország is jelentıs eredményeket ért el e tématerületen [63]. Morbidelli-háromszög oldószer gradiens esetén torzul, az alakja függ az izotermától (. a,b,c ábra). z optimum pont (W) távolabb kerül az átlótól, mint izokratikus esetben [59, 64]. m 3 w SG w Izo m 3 m 3 w SG w SG m m m a b c. a,b,c ábra Morbidelli háromszög lehetséges alakjai gradiens SM esetén 46

48 gradiens és izokratikus SM-HPLC eljárások elméleti és gyakorlati összehasonlítása z összehasonlítás alapja a Morbidelli-féle elmélet lesz. vizsgálatban itt is lineáris izotermákat és független adszorpciót feltételezünk. fı különbség a két módszer között az, hogy az oldószer-gradiens két részre osztja a rendszert: z I. és II. oszlop a betáplálás elıtti szekció, itt nagyobb az oldószererısség. Ebben a két oszlopban a K és a K csökken. III. és IV. oszlopok alkotják a betáplálás utáni szekciót, itt kisebb az oldószer adszorpciós erıssége. Ebben a két oszlopban a K és a K növekszik. Összefoglalva: K I II K III, IV, < és ( 77) K I II K III, IV, < ( 78) z oldószer erısségének különbsége miatt különbözni fognak a megoszlási hányadosok a két részben. ek megoszlási hányadosai itt tulajdonképpen az oldószer-összetétel függvényei, az összefüggést az oldószer összetétele és a szétválasztási tényezı között meghatározhatjuk mérésekkel. Emiatt a sajátosság miatt az oldószeres gradiens elúciót olyan esetekben lehet alkalmazni, ha a komponensek megoszlási hányadosa elég nagy mértékben függ az oldószer összetételétıl. megoszlási hányadosok folyamaton belüli megváltozása fogja elıidézni azt a jelenséget, hogy az izokratikus elúciónál Morbidelli-háromszögként megismert szétválasztási terület megváltozik, a szétválasztási terület megnövekszik illetve a munkapontot máshova kell elhelyezni gradiens SM esetén, mint izokratikusnál (1. ábra). z oldószer erısségének változtatásával a termelékenységnek maximuma, az eluens fajlagosnak pedig minimuma alakul ki [65] (. ábra). szeparációs terület növekedése és a csökkentett eluens felhasználás miatt várhatóan a gradiens elúciós SM technikák a jövıben széles körben elterjedt mőveletekké fognak válni. 47

49 I (ml /ml *min) P termék állófázis K m 3 K K 1 K 3 gradiens izokratikus m c =,3 F c =,3 F K 1 K K gradiens K 3 c = 3 F c = 3 F izokratikus gradiens K K K 1 K 1 K Eluens felhasználás csökkentése m K 4 6 m 1. ábra Morbidelli-féle diagram gradiens elúciós kromatográfiára,3 % térf. 1 % térf. 3 % térf. maximum 5 % térf Módosító koncentráció (% térf.) I (ml /ml ) el. haszn. eluens termék minimum,3 % térf. 1 % térf. 3 % térf. 5 % térf Módosító koncentráció (% térf.). ábra Termelékenységi és eluens felhasználási diagramok gradiens alkalmazásával.4.. VariCol-folyamat NovaSEP által szabadalmaztatott [66] eljárásban a hagyományos üzemmóddal ellentétben a betáplálási és elvételi pontok átkapcsolása nincs szinkronban egymással, hanem különbözı idıpontokban történik. kapcsolási idıt 5 részre oszthatjuk fel olymódon, hogy egy részidıt megválasztunk, majd a többit ennek segítségével az oszlophosszok ismeretében számítjuk. Minden kapcsolási rész lejárta után a betáplálási, illetve elvételi helyek közül egyet meghatározott sorrendben (raffinát, feed, extrakt, eluens) a folyadékáram irányával megegyezı irányban továbbkapcsolunk (3. ábra). kapcsolási idı végére a hagyományos esethez hasonlóan minden betáplálás és elvételi pontot továbbkapcsolunk, amin keresztül a folyamat periodicitása megmarad. Ennél az eljárásnál egy-egy zóna átlagos hossza az asszinkronikus kapcsolási idık változtatásával módosítható. módszer elnevezése is erre utal: VRICOL= Variable Column Length Process. 48

50 Ezzel a szabadsági fokkal elérhetjük azt, hogy az aszinkronikus üzemmódban azonos adszorbens mennyiségek esetén az elválasztási hatékonyság nagyobb lesz a hagyományos móddal elérhetı értékeknél, vagy azonos követelmények esetén az oszlopszámot lecsökkenthetjük és ezzel a készülék gazdaságosságát jelentısen megnövelhetjük. z eljárás hátránya, hogy a tervezési és optimalizációs költségei meglehetısen magasak. 3. ábra VariCol-folyamat lényege.4.3. térfogatáramok változtatása térfogatáramok változtatását úgy valósítják meg, hogy a kapcsolási periódus alatt a betáplálási (feed, eluens) és elvételi (extraktum, raffinátum) pontokon keresztül bevitt, illetve elvett mennyiségek a hagyományos módnál bevitt- és elvett mennyiségekkel összességében megegyeznek csak éppen az idıben nem állandóak. Ennek az elsıre talán bonyolultnak hangzó megoldásnak megértésére szolgál a 4. ábra, amely egy periódus alatt mutatja be a fent említett áramok megváltozását. 49

51 q (extraktum) q (betáplálás) 8 6 4,,4,6,8 1 t/t s q (raffinátum) q (eluens),,4,6,8 1 t/t s 15,,4,6,8 1,,4,6,8 1 t/t s t/t s 4. ábra betáplálások (feed, eluens) és elvételek (extraktum, raffinátum) térfogatáramainak változása a kapcsolási idı alatt Ezt a módszert Kearney és Hieb [67] 199-ben szabadalmaztatta, melyen keresztül a terméktisztaság, illetve a termelékenység növekedése érhetı el csökkenı oldószerfelhasználás mellett. Ezzel azonos elvet követett Kloppenburg és Gilles [68], akik egy ipari elválasztó folyamat jelentıs javulását érték el a kapcsolási intervallumokon belül megváltozó térfogatáramok dinamikus optimalizációján keresztül. z utóbbi idıben publikáltak két olyan új üzemvitelt, amelyek kizárólag a betáplálási áram modulációján keresztül értek el a hagyományos technikánál jobb teljesítmény-mutatókat. Ilyen mőveleti megoldást javasolt Morbidelli és Mazotti [69]. z SM eljárás ezen módszerét ún. Power Feed -nek nevezték el, egy másikat pedig Zang és Wankat javasolt [7, 71] ModiCon-folyamat Ezt az eljárást H. Schramm,. Kienle, M. Kaspereit és. Seidel-Mogenstern [7] szabadalmaztatta -ben. módszer lényege, hogy a klasszikus mővelettel ellentétben ennél az eljárásnál a kapcsolási idın belül a betáplálás koncentrációja megváltozik ( betáplálás gradiens). z SM-mővelet ModiConra való átalakításánál fontos szempont a betáplálási koncentráció helyes megválasztása. z már több irodalomban is publikálásra került, [73, 74, 75] hogy az SM-mővelet termelékenysége egyenesen arányos a betáplálási koncentrációval, tehát növekvı koncentráció esetén megnı. fajlagos oldószer-szükséglet pedig fordítottan arányos 5

52 a betáplálási koncentrációval, vagyis nagyobb koncentráció esetén kevesebb oldószer szükséges (5. ábra). Termelékenység etáplálási koncentráció 5. ábra z SM-folyamat mőveleti fajlagosainak változása a betáplálási koncentráció függvényében Mindkét mőveleti fajlagos (termelékenység, oldószer felhasználás) annál kedvezıbben alakul, minél nagyobb betáplálási koncentrációt választunk. Sok esetben ez azonban nem kivitelezhetı, ugyanis a stabilitás (vagyis a rendszer azon képessége, hogy különbözı zavarások esetén mennyire tud adott munkapontban megmaradni) szintén fordítottan arányos a betáplálási koncentrációval, tehát nagy koncentrációknál kritikusan lecsökkenhet. 51

53 .4.5. Egyéb technikák Három komponenső keverékek elválasztása különbözı zóna (szegmens) szám kialakításával [76] (6. ábra). Szilárd Folyadék Szilárd Folyadék Szilárd Folyadék etáplálás 1,,3 V III II I Raffinátum 1 Extraktum1,3 Extraktum 3 Eluens etáplálás 1,,3,3 VIII VII VI V III II I Raffinátum1 1 Eluens1 Raffinátum Extraktum 3 Eluens etáplálás 1,,3,3 IX VIII VII VI V III II I Eluens 5 zónás TM Szilárd Folyadék 8 zónás TM 9 zónás TM III Raffinátum 1 Szilárd Folyadék 1,,3 II Extraktum III I,3 Eluens II I 3 Eluens Szilárd Folyadék 4+4 zónás TM Szilárd Folyadék 1 1,,3 III II I,3 3 Eluens III II I 3 Eluens 5+4 zónás TM 6. ábra Három komponens szeparációja TM mővelettel (5, 8, 9, 4+4, 5+4 zóna) 5

54 Reaktor SM 1977-ben szabadalmaztatták az SM reaktort [77], amelyben egyensúlyra vezetı reakciók szimultán szeparációval mennek végbe. Ezzel a módszerrel a reakciótermékek folyamatosan elválaszthatók a kiindulási anyagoktól, ami a céltermék keletkezésének irányába tolja el a reakciót. Metil-acetát, β-feniletil-acetát elıállításra, ill. cukor inverzióval kombinált glükóz fruktóz elválasztásra [78] történı alkalmazásai a legismertebbek. Kromatográfia (SM) és kristályosítás összekapcsolása hatékony enantiomer szeparációhoz a folyadékkromatográfia és a frakcionált kristályosítás összetett mőveletét javasolják [79]. Elsı lépésként az egyik enantiomer feldúsítására egy kromatográfiás elválasztó mőveletet, fıként a szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiát (SM) ajánlják. Következı lépésként frakcionált kristályosítással végezhetı el a cél enantiomer tisztítása..5. Jelenlegi gyártók, forgalmazók Jelenleg három vezetı cég gyárt SM készülékeket. 3. táblázatban látható, hogy milyen típusúakat és milyen méretekben. 4. táblázat ezen készülékekkel elért termelékenységi eredményeket tartalmazza. Novasep [8] az egyik vezetı technológiai vállalat, mely kiszolgálja a tudományos életet és az ipari megrendeléseket egyaránt, elıállít egyedi és keresett termékeket és molekulákat, és új tisztítási módszereket ajánl. Novasep technológia fı alkalmazási területei: Gyógyszeripar iotechnológia Állategészségügy Mezıgazdasági kémia Speciális kémiai területek Kozmetikai ipar Élelmiszeripar KNUER [81] cég fıként analitikai és preparatív HPLC és SM készülékeket illetve azok alkatrészeit gyártja. Minden egyes rész biztosítja és szolgáltatja, hogy a KNUER készülék mőködése megbízható és hosszú élető. 53

55 z dvanced Separation Technologies [8] összekapcsolja a világelsı kutatási és fejlesztési lehetıségeket az elsı osztályú tudományos és mérnöki feladatokkal. Típus Oszlopszám Oszlopátmérı Oszlophossz db mm mm NOVSEP LICOSEP-L 1 max. 6 1 max. 5 LICOSEP LICOSEP LICOSEP 8-8 LICOSEP KNUER CSEP C916 max. 16 max. 16 max. 3 DVNCED SEPRTION TECHNOLOGIES CSEP C91 max. 1 max. 5 max. 1 C-9-as sorozat egyedi táblázat Különbözı SM készülék gyártók és készülék jellemzık Típus CSEP C916 (16 db 16x5 mm-es oszlop) LICOSEP 6-45: optikai izomerek szilikagélen Termelékenység 1 kg /év 5-5 tonna/év 5- tonna/év 4. táblázat Elért termelékenység adatok a különbözı készülékekkel 54

56 3. vizsgált probléma 3.1. vizsgált probléma ismertetése z iparban igen fontos a berendezés mőködésének optimalizása, vagyis olyan mőködési paraméterek keresése, amelyeknél a berendezés gazdasági és mőszaki szempontból a lehetı legjobban mőködik. doktori értekezés témája keretében egy kétkomponenső szteroid elegy szétválasztását vizsgáltam. két szteroid, a kevésbé kötıdı, az erısebben kötıdı (termék vagy, és szennyezı vagy jelölést használok hivatkozásként a késıbbiek során) szteroid elválasztási tényezıje α =,18 megfelelı, ezért a szétválasztás szimulált mozgóágyas kromatográfiás eljárással igen jól megvalósítható. ek aránya : :8 m/m% volt. szétválasztási mővelet javítására megvizsgáltam a szétválasztási problémát lépcsıs friss oldószer gradiens alkalmazásával is. gradiens szétválasztást az a kísérletileg bizonyított hatás teszi lehetıvé, hogy a rendszerben a hossz függvényében változik az aceton koncentrációja a szétválasztás során, még abban az esetben is, ha a betáplálási és a friss oldószer koncentrációja azonos. Ennek oka az, hogy az aceton a szilikagél tölteten adszorbeálódik, és ez befolyásolja a szétválasztandó komponensek és az aceton összetételét a fluid fázisban. z aceton a legjobban kötıdı komponens, ezért koncentrációjának növelése elısegíti a jobban kötıdı komponens deszorpcióját, így könnyebbé teszi a szétválasztást. probléma vizsgálatának oka ezért két részbıl áll: a) Esetleges optimalizálási szélsıérték keresése a rendszerben, amely technikailag is megvalósítható és gazdaságilag is érdemes vele foglalkozni. b) rendszer oldószer-összetételre, mint üzemi paraméterre való érzékenységének vizsgálata. z a) esetben csökkentett friss oldószer-mennyiség igény és a töményebb termékek elıállítása miatt érdemes a problémával foglalkozni. gazdasági jelentısége mindkét esetnek nagy lehet, mert a csökkentett oldószer alkalmazás kisebb szivattyúzási munkát és kevesebb regenerálandó oldószert jelent, míg a töményebb termékek a szétválasztást követı töményítési lépés során jelenthetnek kisebb költséget és üzemeltetési elınyöket. Ehhez természetesen alapfeltétel olyan eredmények feltárása, amelyek ezeket indokolttá teszik, hiszen elıfordulhat olyan eset is, hogy a termék tisztasága, kihozatala és a felhasznált fajlagos eluens felhasználás csökken ugyan, de a 55

57 javulás mértéke nincs arányban azzal, hogy az eluens regenerálása mekkora többletköltséget jelent. b) esetben pedig fény derülhet olyan problémára, amely esetleg az üzemeltetést veszélyezteti. Ha például a vizsgálat során az derül ki, hogy a rendszer igen érzékeny az eluens összetételének megváltozására, akkor ez problémát és többletköltséget jelenthet az ipari termelés során. költségnövekedés elıállhat például egy olyan esetben, ha a rendszer annyira érzékeny az eluens összetételre, hogy annak kismértékő változása is elıidézheti a termék tisztaságának megváltozását, vagy a szétválasztás hatékonyságának módosulását. Ekkor a többletköltséget pl. process-kromatográf beépítése jelenti, amit a fent vázolt probléma indokolttá tesz. 3.. z SM szimulációs szoftver ismertetése számítógépes szimuláció nagymértékben megkönnyítheti a kutatási munkát, mivel nem kell a méréshez szükséges anyagokat fizikailag elhasználni, valamint a folyamat modellezésének ideje törtrésze a fizikai vizsgálat idıszükségletéhez képest (például a munkám során számolt 585 perces folyamat átlagos lefutási ideje a szimulációs szoftverrel 5-3 perc volt). valóságos vizsgálat költségeit növeli még a termékek vizsgálati költsége is, ami a számítógépes modellezéskor szintén nem jelentkezik. szimulációs eredmények értékelésénél viszont figyelembe kell venni azt, hogy a modell, amit a program használ mennyire közelíti meg a valóságos SM rendszer tulajdonságait. Ezért a szimuláció eredményeit alá kell támasztani valóságos mérésekkel is. Mivel a kísérletek igen jó egyezést mutatnak a szimulációval, így a modellünk pontosnak tekinthetı. Egy elızı doktori értekezésben (Dr. Temesvári Krisztináéban) volt arra példa, hogy hosszabb ideig futatott szimuláció során, míg az elején tiszta terméket kapott, a szimuláció vége felé szennyezıdött a termék. Ezeket az eredményeket mérésekkel is igazolta. Hasonló hosszabb ideig futatott szimulációkat végeztünk mi is, és ugyanezt tapasztaltuk. szimulációt a Dr. rgyelán János modelljén alapuló, Kondor ttila és Lerner Zoltán által tovább-fejlesztett programmal végeztem el (Függelék.). z adszorpciós modell kompetitív Langmuir-izotermát vett alapul. szoftver kiszámolja a koncentrációkat az idı és a hely függvényében is, a kiszámolt eredményeket pedig állományokban tárolja el [83, 84]. program képes egy maximálisan oszlopból álló oszloprendszer adatait 56

58 kiszámolni, lineáris, kompetitív Langmuir-, és kompetitív bi-langmuir-izotermákat alkalmazni. munkám során egy négy oszlopos 1:1:1:1 és egy 1:1:: oszlop konfigurációjú SM készülék szimulációját és kísérleti vizsgálatait végeztem el. méréseknél határt szabott, hogy egy kézi vezérléső készülékünk van. Így olyan idıintervallumot választottam, ami egy átlagos munkaidıbe belefér, ezért a szimulációkat 585 percig végeztem. szimuláció során ügyelni kell arra, hogy az eredmények az eredeti céloknak megfeleljenek. célok szerint a kevésbé kötıdı () szteroidot a raffinátumnak minimálisan 99,9 %-os tisztaságban kell tartalmaznia, 9%-nál nagyobb kihozatallal, a lehetı legnagyobb termelékenység és legkisebb eluensfogyasztás mellett szimulációs és kísérleti eredmények értékelése z értékelés során ábrázoltam a raffinátum és az extraktum áramokban az egyes komponensek és az aceton koncentrációját az idı függvényében. z utolsó két taktusnál, mivel itt már láthatóan beállt a rendszer kvázistacioner állapota, ábrázoltam mindkét áramban a koncentrációkat és a tömegszázalékban kifejezett tisztaságot az adott komponensre vonatkoztatva. z eredményeket négy paraméter alapján vizsgáltam. z eljárás során kapott termékáramok tisztasága, amelyet a következı összefüggés alapján számítottam: a) komponens tisztasága a raffinátumban: R R R = R c Tl c y 1 = 1 (m/m%), (3 1) R R R R c T + R c T c + c R l z komponens tisztasága az extraktumban: l E E E = E c Tl c y 1 = 1 (m/m%), (3 ) E E E E c T + E c T c + c E l l z eljárás kihozatala, vagyis az adott komponens termékbeli és betáplálásbeli mennyiségének viszonya: b) komponensre: R R R c Tl R c η % = 1 = 1, (3 3) F F F c T F c l 57

59 58 c) z komponensre: 1 1 % = = F E l F l E c F c E T c F T c E η, (3 4) z eljárás termelékenysége, azaz az egységnyi tömegő töltet által egységnyi idı alatt termelt termék mennyisége: d) komponensre vonatkoztatva: N L d c R N T L d T c R P h b R l h b l R = = ρ π ρ π 4 4, (3 5) z kompononensre: N L d c E N T L d T c E P h b E l h b l E = = ρ π ρ π 4 4, (3 6) fajlagos friss eluens felhasználás, vagyis az adott komponens egységnyi tömegének kinyeréséhez szükséges oldószer mennyisége: e) komponensre nézve: R l R l F c R S T c R T S S = =, (3 7) f) z komponensre nézve: E l E l F c E S T c E T S S = =, (3 8)

60 4. Kísérleti rész 4.1. YMC S-5 és Merck 6 Å szilikagél adszorbens összehasonlítása Richter Gedeon Rt. két szilikagélt javasolt adszorbens töltetként a szteroid elegy szétválasztásához, melyeken ET fajlagos felület (SP készülékkel a cseppfolyós nitrogén hımérsékletén adszorpciós izotermából a deszorpciós ágból mezopórus méreteloszlás meghatározás; az izotermából a ET egyenlet alapján ET felület meghatározás; az izoterma,1 >p/ps alatti tartományból mikropórus térfogat és felület meghatározás) és pásztázó elektronmikroszkópos (JEOL JSM-5 Pásztázó elektronmikroszkóp: a vizsgálandó tárgyfelületet kisátmérıjő elektronszondával pontról pontra végigpásztázzák, egy oszcillográf ernyıjén szinkronban fut egy elektronsugár. tulajdonképpeni kép keletkezése azon alapszik, hogy az elektronszonda és a mindenkori tárgypont közötti kölcsönhatásban keletkezı jeleket a legkülönfélébb módokon detektorokkal regisztrálják, megfelelıen felerısítik, és végül egy képcsı elektronsugarának vezérléséhez használják.) vizsgálatokat végeztem. YMC S-5 szilikagél polimerizált, gömbszerő, míg a Merck 6 Å szilikagél ırölt töltet. z egyenletes szemcseméret miatt a YMC S-5 szilikagél esetében közel azonos sebességgel halad a folyadék fázis az oszlopban, ami kedvez az elválasztásnak, illetve az oszlop hatékonyságának. ET fajlagos felület vizsgálat részletei a Függelék 3.-ban találhatók, a 5. táblázatban a két adszorbens fontosabb paramétereinek összehasonlítása látható. vizsgálatokból megállapítottam, hogy mindkét adszorbens 5 µm átlagos szemcsemérető és átlagos pórusméretük is körülbelül megegyezik, de a YMC S-5 szilikagél fajlagos felülete és pórustérfogata körülbelül kétszerese a Merck 6 Å szilikagélnek, így további kísérleteinkhez a YMC S-5 szilikagélt használtuk. dszorbens YMC S-5 Merck 6Å, 15-4 mm ET felület 798,63 m /g 49,76 m /g JH felület 1,7nm<d pórus<3nm 976,6 m /g 641,19 m /g JH pórustérfogat 1,7nm<d pórus<3nm 1,318 cm 3 /g,7699 cm 3 /g JH átlagos pórusátmérı 5,46 nm 4,83 nm 5. táblázat YMC S-5 és Merck 6 Å szilikagél adszorbens összehasonlítása 59

61 fenti adatok alapján a YMC S-5 szilikagélt választottam preparatív folyadékkromatográfiás célokra, mert egyenletes a szemcsemérete és olcsó az elıállítási költsége. töltet jellemzıi a következık: YMC S-5 szilikagél részecskemérete ~5 µm, pórusátmérı ~5,4 nm (54 Å) és gömbszerő töltet. YMC S-5 szilikagél szemcseméret eloszlása kedvezı, így nagy oszlop hatékonyságot érhetünk el. 4.. z RG-14 számú, szteroidok és az aceton adszorpciós egyensúlyi adatainak meghatározása z adszorpciós egyensúlyi adatokat a Richter Gedeon Preparatív Kromatográfiás Osztályán mérték YMC S 5 szilikagél, aceton-diklór-metán 1:1 v/v térfogatarányú rendszerben C-on. mérést analitikai HPLC-vel végezték többlépcsıs frontális telítési módszert alkalmaztak. z egyes koncentrációkhoz tartozó pontok mérését megismételve, azok jó egyezést mutattak. mérési pontokra Langmuir modellt illesztve, a kapott diagramokból meghatározott Langmuir állandókat a szimulációk során használtam fel. Langmuir modellt eredetileg nem folyadék-szilárd rendszerekben lejátszódó adszorpció esetére alkalmazták, de mégis számos példát lehet találni az irodalomban ilyen alkalmazásokra, mivel ez a legegyszerőbb modell, és sok esetben elegendıen pontos ahhoz, hogy a mért adatokra illesztve a preparatív elválasztások tervezéséhez fel lehessen használni. z izotermák mérésére számos módszert fejlesztettek ki. eszélhetünk statikus és dinamikus módszerekrıl. Ma fıképp dinamikus módszereket használnak egyszerő, illetve összetett izotermák meghatározására. Izoterma mérés frontális módszerrel frontális módszer egy gyors és pontos módszer az izotermák mérésére. Különösen hasznos amikor ritka vagy drága keverékkel foglalkozunk, mert nem igényel túl sok mintamennyiséget. kolonna bemenetére a mintát növekvı koncentrációban visszük fel, ami a kolonna kimenetén áttörési görbéket eredményez. holtidı és az áttörési görbe inflexiós pontja közötti terület alapján az adszorbeált mennyiség számítható. Egyedi izotermák meghatározása frontális módszerrel Egy komponens esetén, a tiszta mozgó fázissal egyensúlyba hozott kolonnára elıször a legkisebb koncentrációjú oldatot injektáljuk és felvesszük az anyag áttörési görbéjét, majd a következı koncentrációjú oldatot injektáljuk az oszlopra (7. ábra). kapott áttörési 6

62 görbék segítségével számolható az oszlopon megkötıdött mennyiség a következı képlet alapján: q( c ) b ( c c ) ( V b a f d = q( c ) + a (4 1) V sp V ) c (mol/dm 3 ) V (dm 3 ) 7. ábra Egyedi komponens frontális kromatogramja kivitelezés gyorsabb módja, ha az oszlopra egymás után visszük fel a növekvı koncentrációjú oldatokat úgy, hogy az új minta bevitele elıtt nem mossuk tisztára az oszlopot, azaz tiszta mozgó fázissal nem hozzuk újra és újra egyensúlyba. Így jelentısen csökkenthetı az analízis idı, azonban az izotermapontok számításakor nı a kumulatív hiba. Ez a hiba elkerülhetı, de legalábbis csökkenthetı, ha az oszlopot minden új koncentrációjú oldat betáplálása elıtt tiszta mozgófázissal hozzuk egyensúlyba és csak ezután telítjük az új oldattal. cetontartalmú diklór-metán oldatból az aceton adszorpciós izotermája YMC S-5 szilikagélen C hımérsékleten (8. ábra): q aceton (g/g töltet),6,5,4,3,,1, c aceton (g/dm 3 eluens) q aceton (g/g) mért q aceton (g/g) számított a ceton = cm 3 folyadék/cm 3 szilikagél b ceton=.1517 cm 3 folyadék/mg aceton 1/q aceton (g töltet/g) y = 653,9x +,956 R =,996 aceton mért aceton számított Lineáris (aceton számított),5,1,15 1/c aceton (dm 3 eluens/g) q 8. ábra z aceton adszorpciós izotermája a c 1,543 c mg cm = = a ceton = 1, b c 1+,1517c g 61 b ceton =,1517 szemcseközti folyadék g szilikagél cm 3 szemcseközti mg aceton folyadék

63 szteroid izotermája 5 % v/v aceton 5 % v/v diklór-metán oldatban (9. ábra): q, q (g/g töltet),,18,16,14,1,1,8,6,4,, q számolt q mért q számolt q mért a = 14,486 cm 3 szemcseközti folyadék/g szilikagél b =,41481 cm 3 szemcseközti folyadék/mg a = 6,4747 cm 3 szemcseközti folyadék/g szilikagél b =,16711 cm 3 szemcseközti folyadék/mg c (g/dm 3 eluens) 1/q, (gtöltet/g) /q mért 1/q számolt 1/q mért 1/q számolt Lineáris (1/q számolt) Lineáris (1/q számolt) y = 154,63x +,579 R =,9998 y = 71,37x +,8191 R =,9989,,4,6,8 1 1, 1/c (g/dm 3 eluens) q 9. ábra z és komponens adszorpciós izotermája 6,474 c mg = a = 6,474 1+,16711 c g cm 3 szemcseközti folyadék g szilikagél b =,1671 cm 3 szemcseközti folyadék mg Ezt az adatot átszámítottam tiszta diklór-metán esetére. Ha kompetitív izotermával számolunk, akkor: a c a c 1+ b c q = = 1+ b c b b + c 1+ c 1+ b c Feltéve, hogy az aceton és diklór-metán térfogatok additívek: 1 cm 3 aceton 79 g 1 cm 3 diklór-metán 1336 g cm 3 oldat 79 g acetont tartalmaz így c = 396 mg/cm 3. a = 6, , b =, , Ezek után, a = 1,36 cm 3 /mg, b =,675 cm 3 /mg a komponens Langmuir állandói tiszta diklór-metánban. z szteroid izotermája ugyancsak 5 % v/v aceton 5 % v/v diklór-metán oldatban: q 14,86 c mg = a =14,86 1+,41481 c g cm 3 szemcseköz ti folyadék g szilikagél b =,41481 cm 3 szemcseközti folyadék mg fenti adatokat átszámítottam tiszta diklór-metánra. Kompetitív izotermával ugyanez: 6

64 q a c = 1+ b c + b c a c 1+ b c = b 1+ c 1+ b c a = 14,86 1+, b =, , Ezek után, a =,55 cm 3 /mg, b =,664 cm 3 /mg az komponens Langmuir állandói tiszta diklór-metánban. 6. táblázat az izoterma paraméterek maradékszórását, a szórását és a megbízhatóságát mutatja (mértékegységeket lásd az elıbbieknek megfelelıen). z aceton izoterma: a paraméter:,1543 a paraméter szórása:,61 Konfidencia intervallum: (95%) a paraméter:,117-,6493 b paraméter:,335-,7154 z komponens izotermája: a paraméter:,1486 a paraméter szórása:,13981 Konfidencia intervallum: (95%) a paraméter:,13755-,14417 b paraméter:,38899-,4463 z komponens izotermája: a paraméter:,6474 a paraméter szórása:,143 Konfidencia intervallum: (95%) a paraméter:,6155-,6793 b paraméter:,13986-,19436 b paraméter:,1517 b paraméter szórása:,51367 b paraméter:,41481 b paraméter szórása:,1918 b paraméter:,1671 b paraméter szórása:, táblázat z izoterma paraméterek maradékszórását, a szórását és a megbízhatóságát Langmuir állandók értékeit összefoglalva a 7. táblázat tartalmazza: Név a i (cm 3 szemcseközti folyadék /g töltet) b i (cm 3 szemcseközti folyadék /mg i) ceton 1,543,1517 komponens 1,36,675 komponens,55, tábázat z aceton és a szteroidok Langmuir állandó 63

65 4.3., HETP mérések YMC S-5 szilikagélen Supelco kromatográfiás oszlopot (D b = 1 cm, L= 5 cm) YMC S-5 szilikagéllel töltöttem meg kromatográfiás oszloptöltı vibroszitával (Medingen MLW, ~ 6 min töltési idı). töltet tömege 8 g. z oszlopot LMIM D-167 szivattyúval légtelenítettem 1:1 v/v aceton : diklór-metán eluenssel. z oszlop bementén Rheodyne injektáló csapot helyeztem el 1 illetve µl-es hurokkal. z oszlop kimenetén Waters átfolyóküvettás UV detektort helyeztem el, ahol 33 nm hullámhosszon detektáltam a % v/v acetofenon eluensben, illetve a diklór-metán impulzusok változását. tartózkodási idı sőrőségfüggvényeket háromszögelési módszerrel értékeltem. R = t σ HETP = modellezési számításoknál használtam fel az -HETP értékeket, melyeket az SM készülék egyik oszlopára vonatkozóan mértem -14 cm 3 /min térfogati sebesség tartományban (3. és 31. ábra). L Diklórmetán y = 164,3x -,659 R =,945 Injektálás: 1 µl %v/v acetofenon eluensben y = 15,4x -,77 R =, Térfogatáram, cm 3 /min HETP,mm 1, 1,,8,6,4,, Injektálás:1µl /%V/Vacetofenon eluensben y =,164x,77 R =,9639 Injektálás:1µl diklór-metán y =,154x,659 R =, Térfogatáram, cm 3 /min 3. ábra z elméleti tányérszám meghatározása a térfogatáram függvényében 31. ábra z elméleti tányérmagasság meghatározása a térfogatáram függvényében 4.4. Frontális adszorpciós elúciós mérés kromatográfiás oszlopot (D b =,735 cm, L=4 cm) YMC S-5 szilikagéllel (7, g) töltöttem meg vibroszitával (Medingen MLW, ~ 6 min töltési idı) rázva az oszlopot. Majd az oszlopot 1:1=aceton:diklór-metán térfogatarányú eleggyel C on kilevegıztettem és egyensúlyba hoztam alulról-felfelé áramoltatva a folyadékot LMIM- D167 dugattyús szivattyúval. Ezt követıen az oszlopot átfolyó küvettás Spektromom-195D D UV spektrofotométerhez illetve Radelkisz OH-85 típusú lefutószalagos regisztrálóhoz csatlakoztattam. 64

66 frontális adszorpció során,47 cm 3 /min térfogati sebességgel C-on 5 g (+)/dm 3 ( 8 m/m%, m/m%) elegyet vezettem az oszlopra, felülrıl lefelé áramoltatva a folyadékot. z, beadagolást 55 perc után ( 135 cm 3 folyadék) befejeztem, majd az oszlopra tiszta eluenst (1:1 v/v% aceton:diklór-metán) vezettem,85 cm 3 /min térfogati sebességgel. z oszlopból kilépı folyadékot C-ra hőtött mintavevıkbe győjtöttem, koncentrációjukat analitikai gázkromatográfiás méréssel határoztam meg. mérést 113 min mőveleti idınél fejeztem be (8 cm 3 folyadék térfogat) (33. és 34. ábra). szteroidok és az aceton elemzése gázkromatográfiával Szteroidok vizsgálata GC-vel z elemzés során HP 589 II GC készüléket, HP 3396 integrátort, FID detektort, nitrogén vivıgázt (5 cm 3 /sec), a Ultra-1 (HP) kapillár oszlopot (5 m x, mm x,33 µm) alkalmaztam. termosztát hımérséklete 7 C, az injektoré és a detektoré 95 C, a minta injektálás 1µl volt. vizsgált koncentrációtartományban a koncentráció-detektorjel összefüggés lineáris (3. ábra). z értékelés normalizációval történt, mivel elızetesen bizonyítottam, hogy a detektor érzékenysége a két komponensre azonos. tájékoztató retenciós adatok: terület, Szteroid : Szteroid : , min 6,5 min Lineáris () Lineáris () y = 89x + 38,9 R =,997 y = 78,3x - 44,871 R =, c betáplálás (g/dm 3 ) 3. ábra Kalibráló görbe 65

67 ceton elemzése GC-vel z aceton elemzését Shimadzu 14 készülékkel, CP-Sil-8 oszloppal (5 m x,53 mm I.D., 5 µm film réteg), FID detektorral végeztem, eluensként argont használtam (1,4 bar bemenı nyomás). z oszlop hımérséklete 5 C, az injektoré és a detektoré 95 C, a minta injektálás,1 µl volt. z értékelés során szintén normalizációs módszert alkalmaztam. tájékoztató retenciós adatok. tájékoztató retenciós adatok: Diklór-metán: ceton: 1,9 min 1,71 min frontális adszorpciós-elúciós mérést a KROM-N számítógépi programmal szimuláltam, ahol a szteroid koncentrációk változása mellett az aceton koncentráció változásait is számítottam. Frontális adszorpció elúció szimulációs adatai (Számítás KROM N program eluens adszorpció-deszorpcióval) szoftver bemenı adatai: Komponensek száma: k = 3 Oszlop belsı átmérıje: Oszlop hossza: D b =,735 cm L = 4 cm Szabadtérfogati tényezı: ε =,818 etáplálás: =,47 cm 3 /min Halmazsőrőség: ROH =,445 g szilikagél 3 cm oszlop Langmuir állandók: a aceton = 1,543 a = 1,36 a =,55 cm 3 cm 3 cm 3 szemcseközti folyadék g szilikagél szemcseközti folyadék g szilikagél szemcseközti folyadék g szilikagél b ceton =,1517 cm 3 szemcseközti folyadék mg aceton b =,675 cm 3 szemcseközti mg folyadék 66

68 b =,664 cm 3 szemcseközti mg folyadék Minta adagolási idı: 55 min (135, 85 cm 3 ) Minta koncentráció c ceton = 396 mg/cm 3 folyadék c = 4 mg/cm 3 folyadék c = 1 mg/cm 3 folyadék Eluens koncentráció: c ceton = 396 mg/cm 3 c = c = mg/cm 3 Elméleti tányérszám = 4 Elúció végsı idıpontja 11 min Nyomtatási idı,5 min Koncentráció eloszlások 5 min 33. és 34. ábrán látható a frontális adszorpciós-elúciós mérés eredménye mely jó egyezést mutat a szimuláció lefutásával. c, (g/dm 3 ) 5, 4, 3,, 5 % v/v aceton 5 % v/v DKM 4 g /dm 3 1 g /dm cm 3 5% v/v aceton, 5% v/v diklórmetán Mért "" Mért "" Számitott "" Számított "" 1,, V (cm 3 ) 33. ábra z és komponens frontális adszorpciós-elúciós görbéje ceton koncentráció (g/dm 3 ) ceton konc. számított ceton konc. mért V (cm 3 ) 34. ábra z aceton frontális adszorpciós-elúciós görbéje 34. ábrán látható aceton hullám még az 5.3. fejezetben magyarázatra kerül. 67

69 4.5. SM készülék tervezése, készítése és üzembehelyezése Négyoszlopos, négyszektoros, nyitott eluenskörrel rendelkezı SM preparatív folyadékkromatográfiás berendezést (35. és 36. ábra) a Pannon Egyetem Központi Gépmőhelyében készítették és az alábbi alkatrészekbıl állítottuk össze: Saválló acélból készült állvány. 4 db Preparatív HPLC oszlop, saválló acélból, D b = 1mm, L= 5mm, db µmes saválló frittel, fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16 - os kapillárishoz (SIGM-LDRICH-SUPELCO-1 Katalogusszám:5817). 5 db Négyállású, kézi mőködtetéső váltó csap, saválló acélból készült, nagynyomású (75C/5 psi liq.), fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16 -os kapillárishoz (VLCO INTERNTIONL, NOVO- L t., Prod. No.: C54). 4 db Folyadékelosztó 4-utas, saválló acélból készült, nagynyomású, fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16 -os kapillárishoz (VLCO INTERNTIONL, NOVO-L t., Prod. No.: ZX1). 4 db Folyadékelosztó 1+6-utas, saválló acélból készült, nagynyomású, fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16 -os kapillárishoz (VLCO INTERNTIONL, NOVO-L t., Prod. No.: Z6M1). Nyitó-záró csap, saválló acélból, nagynyomású (1 C, 1 psi), fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16 -os kapillárishoz (VLCO INTERNTIONL, NOVO-L t., Prod. No.: SFVOL). 4 db Gilson tipusú HPLC szivattyú (MODEL 3; 3;3;33), különbözı pumpafejekkel ellátva (5, 1, 5 cm 3 /min) 5. SC; 5. SC; 1. SC; 1. SC. Szerelvények: eluens szőrık, kilevegıztetı szelep (581), nyomásmérı adapter (Model 8C). db visszacsapó szelep, nagynyomású, állítható nyomás értékő saválló acélból készült, fémes tömítéső, holttérmentes csatlakozó szerelvényekkel 1/16 -os kapillárishoz. 1 m saválló kapilláris, 1/16 OD,,3,75mm ID, 316SS, (VLCO INTERNTIONL, NOVO-L t., Prod. No.: TSS13). 68

70 D LR 1. periódus. periódus 3. periódus 4. periódus D LR D LR D LR D LR I. II. III. IV. E F R LROUT LROUT LROUT E F R E F R E F R LROUT E F R LROUT 35. ábra z SM készülék folyamatábrája 36. ábra z SM készülék fényképe z üzembe helyezés során a négy preparatív folyadékkromatográfiás oszlopot YMC S-5 szilikagéllel töltöttem meg vibrációs módszerrel (Medingen MLW, ~ 6 min töltési idı). töltet halmazsőrősége,45 g/cm 3 oszlop, szabadtérfogati tényezıje,818. z oszlopokba egyenként töltött szilikagél tömege ~ 7,95 g. z oszlopok µm saválló frittel vannak ellátva alul felül, melyeket a mérés megkezdése elıtt diklór-metán eluenssel légtelenítettem. 69

71 Morbidelli-féle megoszlási állandók (K és K ) meghatározása z 5 % v/v aceton 5 % v/v diklór-metánban, YMC S-5 szilikagélen, C-on meghatározott adszorpciós izotermákat alkalmazzuk: K K 3 a 6,474 cm = ρ H =,45 = 13,89 1 ε 1,818 3 szabadtérfogati folyadék cm 3 a 14,86 cm = ρ H =,45 = 8,783 1 ε 1,818 3 cm szilárd szilikagél szabadtérfogati folyadék szilárd szilikagél Morbidelli kritériumok szerint, ha tiszta és szteroidokat kívánunk elıállítani, akkor az alábbi relációknak kell teljesülnie: m I > K = 8,783 13,9 = K < m II < K = 8,783 13,9 = K < m III < K = 8,783 m IV < K = 13,9 5. SM számítógépes szimulációk és mérések eredményei z SM mérések megkezdése elıtt szimulációkat végeztem, melynek gazdaságossági okai voltak (Függelék 4.-7.). Szimulációval próbáltam a számomra legkedvezıbb mérési paramétereket megállapítani, mind a termék (kevésbé kötıdı szteroid komponens, ) követelményeire (> 99,9 %m/m tisztaság és > 9 % kihozatal), mind a mérés gazdaságos mőködésére (maximális termelékenység, minimális eluens felhasználás) vonatkozóan. szimulációk során 5 g/dm 3 koncentrációjú volt a betáplálási szteroid elegy, 5:5 v/v % aceton:diklór-metán eluenst használtam mind a szteroidok oldószereként, mind friss eluensként valamint,5 min léptetési idıt alkalmaztam. Morbidelli háromszög területét és a munkapontok M (m II, m III ) helyzetének a fontosabb jellemzıkre való hatását vizsgáltam rögzített m I és m IV értékek mellett. z ábrán látható a lineáris adszorpciós izotermára (c F ) vonatkozó Morbidelli háromszög, illetve, hogy a Morbidelli háromszögben egy m II és egy m III irányú elmozdulást tettem a szimulációk során (37. ábra), a táblázatok pedig a különbözı szimulációk mőveleti paramétereit és fajlagosait tartalmazzák (8-13. táblázat). 7

72 3 5 m III RG1435SM6 RG1435SM7 RG1435SM8 RG1435SM9 RG1435SM1 RG1435SM11 RG1435SM1 RG1435SM m II RG1435SM6 m II =16, m III =4,88 RG1435SM7 m II =15,4 m III =3,7 RG1435SM8 m II =15,4m III =,83 RG1435SM9 m II =15,4m III =7,19 RG1435SM1m II =19,9m III =3,7 RG1435SM11m II =13,89m III =3,7 RG1435SM1m II =15,4m III =16, RG1435SM13m II =3,14m III =3,7 37. ábra Morbidelli háromszög a munkapontok ábrázolásával 5 g/dm 3 betáplálási koncentráció esetén Elıször az m II növekedésének hatását vizsgáltam meg (piros színnel jelölve) és rögzítettem m I, m III, m IV értékeket (az SM 6-os sorozat értékei kicsit eltérnek) (8. táblázat). Szimuláció azonosítója m I m II m III m IV SM11 5,64 13,89 3,7 6,37 SM7 5,64 15,4 3,7 6,37 SM6 6,48 16, 4,88 1,4 SM1 5,64 19,9 3,7 6,37 SM13 5,64 3,14 3,7 6,37 8. táblázat szimulációk Morbidelli paraméterei három táblázatban a szimulációk fontosabb mőveleti jellemzıi (9. táblázat) és fajlagosai láthatók (1. és 11. táblázat). Szimuláció azonosítója F S R E REC Oszlopok száma Léptetési idı Szimulációs idı cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min db min min SM11 1,7 8, 3, 6,7 1, ,5 585 SM7 1,5 8, 3, 6,5 1, ,5 585 SM6 1,5 9,,5 8,, ,5 585 SM1,8 8, 3, 5,8 1, ,5 585 SM13,1 8, 3, 5,1 1, , táblázat szimulációk mőveleti paraméterei 71

73 Szimuláció Tisztaság Kihozatal Termelékenység Eluens fajlagos azonosítója % m/m % mg /g szil.gél min cm 3 eluens/mg SM11 99, ,9477,74 1,135 SM7 99, ,5,1835 1,37 SM6 99, ,7,1843 1,54 SM1 99, ,35,959,66 SM13 99, ,4444,13,5 1. táblázat szimulációk eredményei komponensre nézve Szimuláció Tisztaság Kihozatal Termelékenység Eluens fajlagos azonosítója % m/m % mg /g szil.gél min cm 3 eluens/mg SM11 97,48 9,95,4817 5,3 SM7 99, ,76,433 5,944 SM6 99,937 >99,99,539 5,6168 SM1 97, ,585,8 11,891 SM13 >99,99 85,578,691 98, táblázat szimulációk eredményei komponensre nézve szimulációs eredményekbıl (1. és 11. táblázat) megállapítható, hogy m II növelésvel a termelékenység (P ) igen jelentısen csökken,74 mg /g szilikagél min értékrıl,13 mg /g szilikagél min értékig illetve jelentısen megnı a friss eluens fajlagos értéke 1,1- rıl,5 cm 3 eluens/mg értékig. z m II érték növelésével a raffinátum tisztasága és a kihozatalok jelentısen nem változnak. ábra). c 99,98 99,999 % m/m, η 97 97,4% (38. R P (mg /g szilikagél min),5,,15,1,5,,7 1,1,184 1,37,184 1,54 RG1435 SM7 C R 99,98 99,999 % m/m η 97 97,4 % P =,184 mg /g szilikagél min S F = 1,37 cm 3 eluens/mg,96,6,5, m II P S F S F (cm 3 eluens/mg ) 38. ábra termelékenység és eluens fajlagos változása m II növelésével 7

74 második szimulációs sorozatban m III értékét változtattam (piros színnel jelölve) és rögzítettem m I, m II és m IV értékeit (1. táblázat). Szimuláció azonosítója m I m II m III m IV SM1 5,64 15,4 16, 6,37 SM8 5,64 15,4,38 6,37 SM7 5,64 15,4 3,7 6,37 SM9 5,64 15,4 7,19 6,37 1. táblázat szimulációk Morbidelli paraméterei táblázatokban a szimulációk fontosabb mőveleti jellemzık (13. táblázat) és fajlagosok találhatók (14. és 15. táblázat). Szimuláció azonosítója F S R E REC Oszlopok száma Léptetési idı Szimuláció s idı cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min db min min SM1, 8, 1,7 6,5 1, ,5 585 SM8 1, 8,,5 6,5 1, ,5 585 SM7 1,5 8, 3, 6,5 1, ,5 585 SM9,1 8, 3,6 6,5 1, , táblázat szimulációk mőveleti paraméterei Szimuláció Tisztaság Kihozatal Termelékenység Eluens fajlagos azonosítója % m/m % mg /g szil.gél min cm 3 eluens/mg SM1 >99,99 95,61,47 1,46 SM8 99, ,1,1,61 SM7 99, ,5,1835 1,37 SM9 98,574 97,44,573, táblázat szimulációk eredményei komponensre nézve Szimuláció Tisztaság Kihozatal Termelékenység Eluens fajlagos azonosítója % m/m % mg /g szil.gél min cm 3 eluens/mg SM1 98, ,457, ,7513 SM8 99,957 >99,99,334 7,7798 SM7 99, ,76,433 5,944 SM9 6, ,6554,11, táblázat szimulációk eredményei komponensre nézve z m III érték növelésével a termelékenység (P ) igen jelentısen növekszik,47 mg /g szilikagél min-rıl,573 mg /g szilikagél min értékre illetve jelentısen csökken a friss 73

75 eluens fajlagos 1,46-ról,98 cm 3 eluens/mg értékig. termék tisztaság m III növelésével csökken 99,9999 % m/m értéktıl 98,5 % m/m ig (39. ábra). P (mg /g szilikagél min),3,5,,15,1,5, 1,46,4 RG1435 SM7 C R 99,98 % m/m η 97 % P =,184 mg /g szilikagél min S F = 1,37 cm 3 eluens/mg,1,6,184 1,37,57, m III P S F S F (cm 3 eluens/mg ) 39. ábra termelékenység és eluens fajlagos változása m III növelésével z SM 7 szimuláció eredményei (kék színnel jelölve) megfelelı eredményeket adnak komponensre nézve (η> 9 %, tisztaság > 99 % m/m) szétválasztandó szteroid keverék koncentrációjának növelése szimulációk és mérések során betáplálási koncentráció növelése SM szimulációk során SM mővelet termelékenységét úgy növelhetjük, hogy megnöveljük a szétválasztandó szteroid elegy koncentrációját 5 g/dm 3 -rıl 1,, 3, 4, 5 g/dm 3 értékre (Függelék ). Ennél nagyobb koncentráció értéket nem alkalmazhatunk 5 % v/v aceton 5 % v/v diklór-metán eluens esetén a szteroidok oldhatósága miatt. szimuláció során a szétválasztandó RG-14 számú, szteroid keverék összkoncentrációját növelve 1,, 3, 4, 5 g/dm 3 tartományban azt tapasztaltuk a koncentrációfüggı Morbidelli tartománynak megfelelıen, hogy 5 g/dm 3 betáplálási koncentráció esetén csökkenteni kell a betáplálás térfogati sebességét 1,5 cm 3 /min-rıl,5 cm 3 /min re, ha mind a mind az komponenseket tisztán szeretnénk kinyerni (17. táblázat). z 4. ábrán látható a Morbidelli háromszög szőkülése a betáplálási koncentráció növelésével. 41. ábrán 5 g/dm 3 betáplálási koncentráció esetén az SM mővelet munkapontjának változtatása, az m III Morbidelli paraméter csökkentése látható 74

76 (F= 1,5 1,5 cm 3 /min). munkapont a Morbidelli háromszögön belül kell, hogy elhelyezkedjen, hogy mindkét komponenst tisztán tudjuk kinyerni [85, 86, 87]. 16. táblázat foglalja össze a Morbidelli paraméterek értékeit m III érték csökkentése esetén. 4. ábra Morbidelli tartomány változása a betáplálási koncentráció növelésével 41. ábra z 5 g/dm 3 betáplálási koncentráció esetén az SM mővelet munkapontjának változtatása RG14 SM/1 5 RG14 SM/5/1 RG14 SM/5/ m I 5,9 5,9 5,9 m II 15,4 15,4 15,4 m III 3,7,8 17,94 m IV 8,68 8,68 8, táblázat Morbidelli paraméterek a szimulációk során 17. táblázat a betáplálási koncentráció növelésére (5, 5 g/dm 3 ) vonatkozó szimulációk fontosabb paramétereit tartalmazza. Szimuláció azonosítója c F F S R E REC Léptetési idı Szimulációs idı g/dm 3 cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min min min RG14 SM1 5 1,5 7,3,6 6,,,5 585 RG14 SM/1 1 1,5 7,3,6 6,,,5 585 RG14 SM/ 1,5 7,3,6 6,,,5 585 RG14 SM/3 3 1,5 7,3,6 6,,,5 585 RG14 SM/4 4 1,5 7,3,6 6,,,5 585 RG14 SM/5 5 1,5 7,3,6 6,,,5 585 RG14 SM/5/ ,3,6 6,,,5 585 RG14 SM/5/ 5,5 7,3,6 6,,, táblázat szimulációk mőveleti paraméterei 75

77 18. és 19. táblázatokban a szimulációk során kapott fajlagos eredmények láthatók a raffinátum áramban a, az extraktum áramban az komponensre. (Kék színnel jelölve azokat a méréseket és eredményeit, melyek a re vonatkozó követelményeket kielégítik). Szimuláció etáplálás Tisztaság Kihozatal azonosítója koncentrációja Termelékenység Eluens fajlagos g/dm 3 % m/m % mg /g szil.gél min cm 3 eluens/mg RG14 SM7 5 99,98 97,47,1835 1,37 RG14 SM/1 1 99,93 97,58,3683,6 RG14 SM/ 96, 97,83,7386,31 RG14 SM/3 3 9,87 97,87 1,183, RG14 SM/4 4 89,9 97,89 1,478,15 RG14 SM/5 5 88,5 98,1 1,8514,1 RG14 SM/5/1 5 93,5 97,97 1,37,18 RG14 SM/5/ 5 >99,99 97,68,6145, táblázat szimulációk eredményei komponensre nézve Szimuláció etáplálás Tisztaság Kihozatal azonosítója koncentrációja Termelékenység Eluens fajlagos (g/dm 3 ) (% m/m ) (% ) (mg /g szil.gél min) (cm 3 eluens/mg ) RG14 SM1 5 99,5 >99,99,485 4,73 RG14 SM/1 1 99,8 >99,99,988,3 RG14 SM/ 99,94 87,81,1657 1,38 RG14 SM/3 3 99,97 69,93,198 1,15 RG14 SM/4 4 99,98 57,83,183 1,5 RG14 SM/5 5 99,99 49,18,3,98 RG14 SM/5/1 5 99,99 73,83,3,98 RG14 SM/5/ 5 99,94 >99,99,1657 1, táblázat szimulációk eredményei komponensre nézve betáplálási koncentráció növelésével g/dm 3 értéknél a raffinátum tisztasága jelentısen csökken (96, % m/m ), az extraktum összetétele viszont igen magas (99,99 % m/m ). komponens tisztaságát csak úgy tudjuk növelni, ha csökkentjük a betáplálást 1,5 cm 3 /min-rıl 1 cm 3 /min, illetve,5 cm 3 /min értékig. betáplálási térfogatáramot,5 cm 3 /min értékre csökkentve 5 g/dm 3 betáplálási koncentrációnál ismét > 99,9 % m/m nél nagyobb tisztaságot értünk el, miközben a termelékenységet körülbelül megdupláztuk,3683 mg /g szilikagél min értékrıl,6145 mg /g szilikagél min értékre, az eluens felhasználás pedig csökkent,6 cm 3 eluens/mg értékrıl,37 cm 3 eluens/mg értékre. 76

78 5.1.. betáplálási koncentráció növelése SM mérések során mérések céljára az alábbi paramétereket választottam ki, a. táblázat tartalmazza a szivattyúk által beállított konkrét értékeket. F = 1,5 cm 3 /min E = 6, cm 3 /min R =,6 cm 3 /min D = 9,5 cm 3 /min Morbidelli paraméterek értékei: m I = D f T L ε L (1 ε ) = 5,9 > 8,783 D E T Lε f 13,9 < mii = = 15,4 < 8,783 L(1 ε ) D E + F T Lε f 13,9 < miii = = 3,7 < 8,783 L(1 ε ) m IV D E + F R T Lε f = = 8,68 < 13,9 L(1 ε ) betáplálási koncentrációt növelve c F =, 5, 1, g/dm 3 -re a Morbidelli háromszög tartománya jelentısen megváltozik (4. ábra). 4. ábra Morbidelli tartomány változása a mérések során négyoszlopos SM készülék oszlopait elızetesen C-on egyensúlyba hoztuk 5 %v/v aceton-5 %v/v diklór-metán eluenssel, majd megkezdtük a 4 g/dm 3, 1 g/dm 3 77

79 koncentrációjú szteroid elegy elválasztását, melyet szintén a fenti eluensben oldottunk fel. készülék III. oszlopára az 1. részperiódusban,5 min idın keresztül a szétválasztandó elegyet tápláltuk be 1,5 cm 3 /min térfogat sebességgel, majd ezt követıen az SM mővelet szerint váltottuk az oszlopokat, az eluenst nem recirkuláltattuk. következıkben megismételtük a mérést 1 g/dm 3 (8 g/dm 3, g/dm 3 ), majd g/dm 3 (16 g/dm 3, 4 g/dm 3 ) koncentrációjú szteroid eleggyel. mintákat periódusidınként, azaz,5 min idınként vettük, majd gázkromatográfiásan vizsgáltuk (Függelék 1-14.). RG-14 számú szteroid keverék SM elválasztása során jelentısen szőkül a Morbidelli-féle tartomány Langmuir izotermák esetén a betáplálási koncentráció növelésével (5, 1, g/dm 3 eluensben oldva) (4. ábra). z optimális térfogatáramokat sikerült úgy beállítanunk, hogy kedvezı termék tisztaságokat és kihozatalokat kaptunk. mérési eredmények a számunkra értékes komponensre a 1. táblázatban láthatók összehasonlítva a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC-s méréssel, a. táblázat az komponensre vonatkozó eredményeket tartalmazza. Megállapítottuk, hogy megfelelıen beállított térfogati sebességek esetén, az SM1 és SM mérésnél a számunkra elıírt 99,9 % m/m nál tisztább szteroid terméket kaptunk 99,9 % nál nagyobb kihozatallal. termelékenység az SM -es mérés esetén a kétszeresére nıtt,184 mg /g szilikagél min-ról,368 mg /g szilikagél min-ra, míg az eluens felhasználás a felére csökkent 1,48 dm 3 eluens/g -rıl,63 dm 3 eluens/g -re. z SM mérés esetén a preparatív HPLC-hez képest a kihozatal 5 %-kal, azaz 95%-ról >99,9 %-ra, a termelékenység %-kal, azaz,3 mg /g szilikagél min-ról,368 mg /g szilikagél min-ra nıtt. z SM 3-as mérés esetén a munkapont a Morbidelli háromszög feletti tartományba esett, így tiszta extraktumot ( komponens) és 88 % m/m tisztaságú raffinátumot ( komponens) kaptunk. Mérés azonosítója F D R E Léptetési idı Szimulációs idı cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min min min RG14 SM1 1,5 9,57,48 6,3,5 9,5 RG14 SM 1,5 8,85,3 5,89,5 9,5 RG14 SM3 1,5 9,44,39 6,8,5 9,5. táblázat mérések fontosabb mőveleti paraméterei 78

80 Mérés etáplálás azonosítója koncentrációja Tisztaság Kihozatal Termelékenység Eluens fajlagos g/dm 3 % m/m % mg /g szil.gél min cm 3 eluens/mg RG14 SM1 5 (eluensben) > 99,9 > 99,9,184 1,48 RG14 SM 1 (eluensben) > 99,9 > 99,9,368,63 RG14 SM3 (eluensben) 88, 99,658,45 Prep. HPLC 6 (DKM-ban) > 99,9 95,3, táblázat mérések során kapott fajlagos eredmények összehasonlítva a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC-s méréssel Mérés etáplálás azonosítója koncentrációja Tisztaság Kihozatal Termelékenység Eluens fajlagos g/dm 3 % m/m % mg /g szil.gél min cm 3 eluens/mg RG14 SM1 5 > 99,9 > 99,9,466 4,59 RG14 SM 1 99,5 > 99,9,933, RG14 SM ,79,1933 1,4. táblázat mérések eredményei komponensre nézve 5.. Gradiens SM vizsgálata Megvizsgáltam a friss eluens aceton : diklór-metán öszetétel változtatás hatását a raffinátum és extraktum összetételére vonatkozóan 1,, 9 % (V/V) aceton diklórmetánban tartományban számítógépi szimulációkkal (Függelék ), illetve laboratóriumi kísérletekkel (Függelék 18-.) [88, 89, 9, 91, 9] 5 g/dm 3 betáplálási koncentráció esetén.. Kiindulási alapként az RG SM 7 szimulációt és mérést vettem. probléma vizsgálatának módja szimulációk során a kiindulási, 5 % (v/v)-os aceton koncentráció közelében több, attól távolabb kevesebb pontot vettem fel. Ennek oka az volt, hogy a kiindulási adataim mind az 5%(v/v) aceton-5%(v/v) diklór-metán rendszerre vonatkoztak, beleértve a kompetitív Langmuir-izotermák állandóit is, és a kiindulási ponttól távol már ezek az értékek eltérhetnek a valóságostól, nagyobb a bizonytalanságuk. felvett acetonkoncentrációk (a kiindulási 5 %(V/V)-os összetételen kívül): 1; ; 3; 4, 4,5; 45; 47,5; 48; 48,5; 49; 49,5 % (v/v) az alsó tartományban, 5,5; 51; 51,5; 5; 5,5; 55; 6; 65; 7; 8; 9 % (v/v) a felsı tartományban. vizsgálatot a Pannon Egyetem Vegyipari Mőveletek Tanszékének SM-Krom-N szoftverével végeztem. szimulációk során az alábbi térfogatáramokat és mőveleti paramétereket állítottam be: etáplálás: F: 1,5 cm 3 / min Raffinátum elvétel: R:,6 cm 3 / min 79

81 Extraktum elvétel: E: 6, cm 3 / min Friss eluens mennyisége: S: 9,5 cm 3 / min etáplálás koncentráció: etáplálás koncentráció: F c : 4 g / dm 3 F c : 1 g / dm 3 Kapcsolási idı: T:,5 min z aceton koncentráció növelésének hatása a szimulációk során z elsı részében megvizsgáltam, hogy a friss eluensben történı aceton koncentrációnövelés milyen hatással van a rendszerre, hogyan befolyásolja a szteroid szeparációt. zt vártuk, hogy mivel az aceton leszorító gradiens képzı komponensként viselkedik a folyamatban, ezért könnyebbé fogja tenni a jobban kötıdı komponens elúcióját a rendszerbıl. Ebben az esetben javulást vártunk a fajlagos eluens fogyasztás tekintetében. vizsgálatot az 5-9 %(v/v) aceton, 5-1 %(v/v) diklór-metán tartományban végeztem el. z értékelés során meghatároztam a komponensekre nézve a raffinátumbeli és extraktumbeli tisztaságot, a kihozatalait, az eljárás termelékenységeit és a fajlagos eluens felhasználásokat. Ezeket az aceton koncentráció függvényében ábrázoltam és a következtetéseimet ezekbıl a diagramokból vontam le. számításnál alkalmazott oldószer összetétel és a kapott eredmények táblázatos összefoglalása a komponensre nézve a 3. táblázatban, illetve a 43.a,b,c,d ábrákon adottak. zonosító Eluens aceton koncentráció Raffinátum tisztasága Kihozatal Termelékenység Fajlagos eluens felhasználás %(v/v) m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg SMgrad 5, 99, ,553,186 1,345 SMgrad1 5,51 99, ,564,186 1,344 SMgrad 51,1 99, ,573,186 1,343 SMgrad3 51,5 99,985 98,5781,186 1,34 SMgrad4 5, 99, ,5855,1861 1,341 SMgrad5 5,53 99,981 98,59,1861 1,34 SMgrad6 55,5 99,975 98,63,1861 1,337 SMgrad7 59,97 99, ,67,186 1,331 SMgrad8 65,3 99,946 98,7133,1863 1,35 SMgrad9 7,8 99, ,763,1864 1,319 SMgrad1 8,5 99,6 98,8641,1866 1,36 SMgrad 9,3 97,433 98,93,1867 1,98 3. táblázat z aceton koncentráció növelésekor kapott eredmények komponensre nézve számításnál alkalmazott oldószer összetétel, és a kapott eredmények táblázatos összefoglalása az komponensre nézve a 4.táblázatban található. 8

82 zonosító Eluens aceton koncentráció Extraktum tisztasága Kihozatal Termelékenység Fajlagos eluens felhasználás %(v/v) m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg SMgrad 5, 99,575 1,,485 4,737 SMgrad1 5,51 99,6135 1,,485 4,736 SMgrad 51,1 99,6487 1,,485 4,735 SMgrad3 51,5 99,681 1,,485 4,7343 SMgrad4 5, 99,715 1,,485 4,7333 SMgrad5 5,53 99,7376 1,,485 4,734 SMgrad6 55,5 99,8414 1,,486 4,78 SMgrad7 59,97 99,9445 1,,486 4,74 SMgrad8 65,3 99,987 1,,487 4,7165 SMgrad9 7,8 99,9951 1,,486 4,76 SMgrad1 8,5 99,9997 1,,477 4,8174 SMgrad 9,3 1, 9,9917,438 5, táblázat z aceton koncentráció növelésekor kapott eredmények komponensre nézve kapott eredményekbıl jól látható, hogy az aceton koncentrációjának növelésekor a raffinátumban kis mértékben csökken a komponens tisztasága, az egyre könnyebben deszorbeálódó komponens megjelenése miatt. kihozatal a -re nézve kismértékben növekszik a gradiens alkalmazásakor, a termelékenység és a fajlagos eluens felhasználás a gyakorlat szempontjából figyelembe vehetı mértékben nem változik (43. ábra). z elızetes várakozáshoz képest a fajlagos eluens felhasználás az aceton koncentráció növelésével csak igen kismértékben javul, azaz csökken. másik oldalról vizsgálva a problémát látható viszont, hogy az eredeti cél (min. 99,9 %-os tisztaság a raffinátumban) 65 %-os aceton koncentráció felett már nem teljesíthetı. fenti SM rendszer az aceton mennyiségének növelését eddig a határig teszi lehetıvé. kapott diagramokat megvizsgálva az is látható hogy az komponensre nézve 5-6 %-os tartományban szélsıértéke van a rendszernek (44. ábra). Körülbelül. 55 %-os aceton koncentrációnál minimuma van az eluens szükségletnek és maximuma van a termelékenységnek, valamint a kihozatalnak. Ez a jelenség ezt a pontot igen alkalmassá teszi az esetleges alkalmazására. z oszlopprofil görbék összehasonításából látszik, hogy 65 % feletti koncentráció alkalmazásánál már az komponens egyre nagyobb része siet elıre a raffinátumba és emiatt romlik a szétválasztás hatékonysága. 81

83 5... z aceton koncentráció csökkentésének hatásai a szimulációk során feladat második részében csökkenı aceton koncentrációt alkalmaztam a friss eluensben. vizsgálat ezen része arra irányult, hogy egy esetleges üzemzavar következtében elıálló friss eluens összetétel-változásra hogyan reagál a rendszer. Ez az ipari alkalmazás során nagyon fontos lehet, hiszen a rendszer nagyfokú érzékenysége többletkiadásokat eredményez a figyelı- és szabályzórendszerekkel szembeni megnövekvı igények miatt. z elméletek alapján az aceton koncentrációjának csökkenése az oldószerben káros hatással van a rendszerre, mert ekkor növekedni fog a fajlagos eluens mennyisége a nehezebb elúció miatt, ami költségnövekedést idéz elı. Ezzel szemben a raffinátum tisztaságának javulnia kell, mert a jól kötıdı komponens egyre nehezebben eluálódik és így egyre jobban lemarad az oszloprendszeren. Ez a folyamat addig javíthatja a raffinátum tisztaságot, ameddig az t még le lehet deszorbeáltatni a töltettisztító szegmensrıl, ezután viszont a nem tökéletesen regenerált töltet tartalma már meg fog jelenni a raffinátumban is. vizsgálatot a 1-5 %(v/v)-os acetonkoncentráció-tartományban végeztem el. számításnál alkalmazott oldószer összetétel, és a kapott eredmények táblázatos összefoglalása a komponensre nézve a 5.táblázatbn illetve a 43.a,b,c,d ábrák adottak. zonosító Eluens aceton koncentráció Raffinátum tisztasága Kihozatal Termelékenység Fajlagos eluens felhasználás %(v/v) m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg SMgrad 5, 99, ,553,186 1,345 SMgrad1 49,49 99, ,54,186 1,347 SMgrad11 48,99 99, ,5357,186 1,347 SMgrad1 48,48 99,988 98,57,1859 1,349 SMgrad13 47,98 99,989 98,514,1859 1,35 SMgrad14 47,47 99, ,53,1859 1,351 SMgrad15 44,95 99,997 98,43,1858 1,36 SMgrad16 4,4 99, ,34,1855 1,373 SMgrad17 39,9 99, ,1977,1853 1,39 SMgrad18 9,9 99,999 96,75,186 1,575 SMgrad19 19,95 99, ,984,1736 1,37 SMgrad 9,97 1, 8,77,1553 1, táblázat z aceton koncentráció csökkentésekor kapott eredmények komponensre nézve számításnál alkalmazott oldószer összetétel, és a kapott eredmények táblázatos összefoglalása az komponensre nézve a 6. táblázatban található. 8

84 zonosító Eluens aceton koncentráció Extraktum tisztasága Kihozatal Termelékenység Fajlagos eluens felhasználás %(v/v) m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg SMgrad 5, 99,575 1,,485 4,737 SMgrad1 49,49 99,5336 1,,485 4,7381 SMgrad11 48,99 99,4881 1,,485 4,7391 SMgrad1 48,48 99,4389 1,,484 4,74 SMgrad13 47,98 99,385 1,,484 4,741 SMgrad14 47,47 99,37 1,,484 4,7419 SMgrad15 44,95 98,9556 1,,484 4,7467 SMgrad16 4,4 98,416 1,,483 4,7515 SMgrad17 39,9 97,967 1,,483 4,7553 SMgrad18 9,9 9,511 1,,481 4,777 SMgrad19 19,95 74,876 1,,48 4,788 SMgrad 9,97 56,8941 1,,478 4, táblázat z aceton koncentráció csökkentésekor kapott eredmények komponensre nézve kapott eredményekbıl látszik, hogy az oldószer erısségének csökkentése éppen a fent leírt jelenségeket okozza. Mindkét komponensre nı a fajlagos eluens igény, csökken a termelékenység és a kihozatal. vártaknak megfelelıen a raffinátum tisztasága javul, de a kulcskomponens kihozatala 3 %(v/v) alatti aceton koncentráció esetén már nagyon lecsökken. Ennek oka az áttörési görbék vizsgálatából derül ki: 3 %(v/v) aceton koncentráció alatt az egyre nehezebb elúció miatt a komponens egyre nagyobb hányada marad le az oszlopokon és jelenik meg az extraktumban. vizsgálatból látható, hogy az aceton csökkentés hatása kb. 3 %-ig nem borítja fel a rendszert alapvetıen, tehát eddig a koncentrációig le lehet menni az eluensben anélkül, hogy a termék tulajdonságai nagymértékben leromlanának. vizsgálat második részének eredménye az a megállapítás, miszerint a csökkenı aceton koncentráció, mint változtatott paraméter-érzékenység vizsgálatakor a rendszer robosztusan viselkedik egészen a 3 % aceton - 7 % diklór-metán összetételig szimulációs eredmények alapján végzett laboratóriumi mérések eredményei modellezés eredményeit a gyakorlatban is meg kell vizsgálni illetve ellenırizni kell azok helyességét, mivel a modellekben általában csak közelíteni lehet a valós rendszereket és az azokban lezajló folyamatokat. szimulációk eredményeit kiértékelve megállapítható, hogy a gradiens technika jól alkalmazható a rendszerben. 83

85 mérési körülmények rövid ismertetése laboratóriumi vizsgálatot a 4 %(v/v), 45 %( v/v), 5 %( v/v), 55 %( v/v), 6 %( v/v) és 7 %( v/v) aceton koncentrációjú oldószerekkel, nyitott körő SM módszerrel végeztük. mérés elején a rendszert egyensúlyba hoztuk a betáplálásnak megfelelı, 5 %(v/v)-os aceton koncentrációjú aceton - diklór-metán oldószer eleggyel. mérési idı 9,5 perc volt, ezalatt három teljes ciklust vizsgálunk, illetve a 7-9,5 perc között a negyedik ciklus elsı részciklusának termékeit négy részre frakcionáltuk, és így elemeztük meg ıket. termékáramok és koncentrációját analitikai gázkromatográffal mértük meg, majd az analitikai eredményekbıl számoltuk ki az SM mérés fajlagosait. mérések paramétereinek táblázatos összefoglalását az egyes méréseknél a 7. táblázat tartalmazza. Eluens Átlagos térfogatáramok zonosító aceton Extraktum Raffinátum etáplálás Friss oldószer LROUT koncentráció % (v/v) cm 3 / min RG14/SM7 4, 6,3,39 1,7 7,44,59 RG14/SM8 45, 6,1,38 1,38 7,1,3 SMmérés1 5, 6,3,48 1,5 7,8,9 RG14/SM9 55, 5,86,9 1,36 6,79,38 RG14/SM5 6, 5,79,33 1,34 6,78,35 RG14/SM6 7, 5,56,7 1,35 6,51,39 7. táblázat laboratóriumi mérések fıbb paraméterei mérések eredményeit a 8. és 9. táblázatok mutatják be: komponensre vonatkozó eredmények: zonosító Eluens aceton koncentráció Raffinátum tisztasága Kihozatal Termelékenység Fajlagos eluens felhasználás %(v/v) m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg RG14/SM7 4, 99,934 81,976,198 1,815 RG14/SM8 45, >99,9 >99,9,1738 1,3855 SMmérés1 5, >99,9 >99,9,1887 1,133 RG14/SM9 55, >99,9 >99,9,1855 1,1 RG14/SM5 6, 99, ,3611,1675 1,73 RG14/SM6 7, 83,83 99,9761,1698 1,58 8. táblázat laboratóriumi mérések eredményei a komponensre nézve 84

86 z komponensre vonatkozó eredmények: zonosító Eluens aceton-konc. Extraktum tisztasága Kihozatal Termelékenység Fajlagos eluens felhasználás %(v/v) m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg RG14/SM7 4, 69, ,654,394 5,9384 RG14/SM8 45, >99,9 >99,9,454 5,35 SMmérés1 5, >99,9 >99,9,47 4,853 RG14/SM9 55, >99,9 >99,9,453 4,85 RG14/SM5 6, 99,56 99,763,4 5,736 RG14/SM6 7, 99, ,9136,33 8, táblázat laboratóriumi mérések eredményei az komponensre nézve szimulációs eredmények és laboratóriumi mérések eredményeit a 43. és 44. összefoglaló ábrákon mutatom be. Tisztaság, ter % a szimuláció mért D aceton, v/v% DKM-ban Kihozatal, % b szimuláció mért D aceton, v/v % DKM-ban Termelékenység, mg /g töltet min,6,4,,,18,16,14,1,1 c szimuláció mért D aceton, v/v % DKM-ban Eluens fajlagos, cm 3 eluens/mg, 1,8 1,6 1,4 1, 1,,8,6 d szimuláció mért D, aceton (v/v%) DKM-ban 43. a,b,c,d, ábra tisztaság, kihozatal termelékenység és eluens felhasználás a szimulációs és laboratóriumi mérések során a komponensre 85

87 Tisztaság, m/m % Termelékenység,mg / g töltet min szimuláció mért D aceton, v/v % DKM-ban,6,5,4,3,,1, a c mért szimuláció D, aceton (v/v%) DKM-ban Kihozatal, % Eluens fajlagos, cm 3 eluens/mg szimuláció mért D aceton, v/v % DKM-ban 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3,, 1,, b d mért szimuláció D aceton, v/v% DKM-ban 44. a,b,c,d ábra tisztaság, kihozatal termelékenység és eluens felhasználás a szimulációs és laboratóriumi mérések során az komponensre szimulációs és a valóságos mérések eredményeit megvizsgálva a következı tapasztalatok szőrhetık le: z 5 %(v/v) és a 6 %(v/v) aceton tartalom között végzett mérés jól közelíti a szimuláció eredményeit. gradiens SM mérési eredményeket összehasonlítva a szimulációs eredményekkel megállapítható, hogy a mőszaki optimumnak tekinthetı tartomány az % v/v aceton % v/v diklór-metán oldószerösszetétel, mivel ebben a tartományban a komponensre elıírt követelmények megfelelıek és a termelékenységnek maximuma, az eluens felhasználásnak minimuma van. raffinátum tisztasága a szimulációs számításoknál kapott 65 %(v/v)-os aceton koncentráció felett csökken a tisztasági kritériumban megadott 99,8 %(m/m)-os érték alá, és ugyanez figyelhetı meg a valós méréseknél is, de a tisztaság csökkenése jóval nagyobb a vártnál. 4 %(v/v)-os aceton koncentrációjú oldószerrel végzett mérés alapján kijelenthetı, hogy a rendszer a másik irányban történt beavatkozásra is jóval érzékenyebb a modellezési eredmények alapján vártnál, hiszen az extraktum tisztasága és emiatt a termék raffinátumbeli kihozatala csökkent. 86

88 valóságos mérések tapasztalatai alapján valószínőnek tőnik, hogy a szimulációs szoftver a következı elıre nem látható folyamatokkal nem számolt a magas aceton koncentráció tartományban: z adszorpciós izotermák a valóságban nagymértékben függenek az oldószer összetételétıl, és ezért adódott az eltérés a valós és a szimulált mérések között. z aceton koncentráció növelése illetve csökkentése (diklór-metán mellett a friss eluensben (D) a szétválasztandó elegy (F) aceton összetételéhez képest) a Morbidelli tartományok (háromszög) mozgását eredményezi (45. ábra). ceton koncentráció növelésével a Morbidelli tartomány (háromszög) az m III = (y), m II = (x) diagramon az y = x diagonális mentén az origó y = x = felé mozdul el. z aceton koncentráció csökkentésével a háromszög mozgása ellentétes irányú. különbözı aceton koncentrációhoz tartozó megoszlási hányadosok a 3. táblázatban találhatók. 45. ábra Morbidelli háromszög mozgása az aceton koncentráció változtatásával ceton (mg/cm³) K K 1,169 46,78 316,8 (4% v/v) 14,98 31,1 356,4 (45% v/v) 13,739 9, (5% v/v) 13,8 8, ,6 (55% v/v) 1,746 7, , (6% v/v) 1,31 6, ,4 (7% v/v) 11,499 5,9 3. táblázat megoszlási hányadosok az aceton koncentráció változtatásával K 1, 36 = 1+, 1517 c c, 45 ( 1, 818) K, 55 = 1+, 1517 c c, 45 ( 1, 818) 87

89 z oldószer mennyiségének csökkenése gradiens SM bevezetésének gazdasági hasznot kell hozni, amely az oldószer fajlagosok csökkenésében (SF, SF ), termelékenységek növekedésében (P, P ) jelentkezik rögzített kihozatalok η, η 1 % és termék tisztaságok c = 1 %, c = 1 % mellett. Tekintsük a 5:5 % v/v aceton-diklór-metán izokratikus rendszert. m IV = K REC m I = 13,89 = Max = K ( REC,5 Max,45,785 4,955 3 cm =,985 5% v/v aceton-dkm-ban min Dmin,5,45,785 = 8,783 = 4,955 R E cm 3 D min =5,675 min 5% v/v aceton-dkm-ban cm 3 S min =5,675,985 =,69 min Ha 6% v/v aceton 4% v/v DKM eluenst alkalmazunk friss eluensként (S), akkor az I. szegmensben megváltozna K értéke: m Grad I Dmin,5,45,785 = 6,776 = 4,955 Grad cm 3 D min =5,38 min 6% v/v aceton DKM-ban Grad cm 3 S min =5,38-,985=,34 min z oldószer mennyisége tehát csökken: D D min,34 = 87,1% Csökkenés 1,9 %,69 Grad min = gradiens SM alkalmazásával, 6% v/v aceton 4% v/v diklór-metán friss eluens esetén 1,9 %-os csökkenést érhetı el, az izokratikus esethez képest (5 % v/v aceton 5 % v/v diklór-metán a friss eluens és a betáplálási szteroid elegy oldószere). 88

90 5.3. Saját gradiens jelensége z SM mővelet esetén az oszlopok hossza mentén aceton gradienst észleltem, zárt eluenskörő, kvázi-stacioner esetben, melyet az SM rendszer saját gradiensének neveztem el. Elúciós kromatográfia esetén az oldószer adszorpciós-deszorpciós hullám jelentısen befolyásolhatja a csúcsok retenciós idejét és alakját. Frontális-elúciós kromatográfiás elválasztás esetén az aceton 396 mg/cm³ értéke mg/cm 3 értékek között ingadozik (4.4. fejezet, 34. ábra). front elıtt aceton maximum és plató, a deszorpciós részben aceton minimum és plató látható (KROM-N oldószer adszorpció-deszorpcióval bıvített számítógépi programmal végzett számítások). SM szeparáció (zárt kör) esetén az oszlopok I., II., III., IV. hossza mentén jelentısen vátozó aceton koncentráció eloszlás alakul ki a kapcsolás után (belépı elegy összetétele 5 g/dm³ szteroid) (46. ábra). ceton koncentráció (g/dm 3 ) 398,5 398, 397,5 397, 396,5 396, 395,5 395, 394,5 394, ceton "sajátgradiens" kapcsolás után II. III IV. I. ceton 46. ábra z aceton koncentrációja az oszlop hossza mentén kapcsolás után RG 14 SM 7 szimuláció esetén (feed 5 g/dm 3 ) z I. szegmens gyakorlatilag egyensúlyba kerül a belépı 396 mg aceton/cm³ folyadék eluenssel. Ezt egy kicsit módosítja a REC idıben változó aceton összetétele (396,5 mg aceton/cm³ folyadék). II. szegmensben az aceton koncentráció csökken 396,5-rıl 396 mg/cm³-re. III. szegmensben az aceton koncentráció csökken 396 mg/cm³-rıl 394,3 mg/cm³-re. IV. szegmensben az aceton koncentráció 394,3 mg/cm³-rıl 397,5 mg/cm³-re növekszik. Ha a szétválasztandó elegy összetételét 5 g/dm³-re növeljük, akkor az aceton hosszmenti eloszlása még erısebben változik kapcsolás után (47. ábra). 89

91 konc. (g/dm 3 ) ceton "sajátgradiens" kapcsolás után II. I III. IV. ceton ábra z aceton koncentrációja az oszlop hossza mentén Kapcsolás után RG14 SM/5 szimuláció esetén (feed 5 g/dm 3 ) z I. szegmens összetétele, ~41 mg aceton/cm³ folyadék, gyakorlatilag állandó. ( belépı 396 mg aceton/cm³ elegy összetételét az aceton deszorpció (REC) növeli ~41 mg aceton/cm³ folyadék értékre). II. szegmens összetétele 41 mg aceton/cm³ folyadék és 398 mg aceton/cm³ folyadék értékek között változik. III. szegmensben 398-ról 387-re csökken az aceton összetétele (mg aceton/cm³ folyadék) IV szegmensben az aceton összetétele kb. 385 mg aceton/cm³ folyadék, a szegmens kilépı oldalán 415 mg aceton/cm³ folyadékra növekszik. fenti eredményeket SM mérések során kísérleti úton is igazoltuk. Megállapítottuk, hogy az SM szeparációnak ún. saját gradiense is van. I. szegmensben aceton többlet van a 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest II. szegmensben aceton többlet van a 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest III. szegmensben aceton hiány van a 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest IV. szegmensben aceton hiány van a 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest. RG 14 SM 5 szimuláció esetén mg aceton/cm³ folyadék értékek között változik az aceton összetétele. 396 mg aceton/cm³ folyadékhoz képest 96, % eltérést mutatnak a számítások. z általunk felismert zárt eluens körő SM mővelet esetén létezı saját gradiens jelenségét ezideig a szakirodalomban nem írták le. 9

92 5.4. Dinamikus SM Megvizsgálva a dinamikus SM (modulált betáplálás) alkalmazási lehetıségeit és munkahipotézisként feltételeztük, hogy a szétválasztandó elegy betáplálási térfogati sebességének idıbeli változtatásával javítható a raffinátum, illetve extraktum összetétel. Négy szimulációt (Függelék 3-4.) és ennek alapján négy mérést végeztem (Függelék 5-8.). Mint már említettem a.4.3. fejezetben a modulált betáplálás lényege, hogy a térfogatáramok változtatását úgy valósítják meg, hogy a kapcsolási periódus alatt a betáplálási- (feed, eluens) és elvételi (extraktum, raffinátum) pontokon keresztül bevitt, illetve elvett mennyiségek a hagyományos módnál bevitt- és elvett mennyiségekkel összességében megegyeznek csak éppen az idıben nem állandóak. kiindulási szimuláció és mérés esetén a betáplálás áramlási sebessége 1,5 cm 3 /min, koncentrációja g/dm 3 volt. Elsı esetben a periódus közepén T/4 és 3T/4 között emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3, cm 3 /min, g/dm 3 ) T/ ideig. második esetben a periódus második felében T/ után emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3, cm 3 /min, g/dm 3 ) T/ ideig. harmadik esetben a periódus második felétıl T/ után emeltem kétszeresére a betáplálás koncentrációját (1,5 cm 3 /min, 4g/dm 3 ) T/ ideig. negyedik esetben a periódus idı felétıl T/ után növeltem a betáplálás koncentrációját T/ ideig 1,5 cm 3 /min térfogati sebesség mellett a termelékenység illetve kihozatal adatok növelése érdekében (1,5 cm 3 /min, 5g/dm 3 ) (31. táblázat). zonosító DSM1 DSM DSM3 DSM4 Paraméterek T T T T F (cm 3 /min) 3, 3, 1,5 1,5 S (cm 3 /min) 9,5 9,5 9,5 9,5 R (cm 3 /min),6,6,6,6 E (cm 3 /min) 6, 6, 6, 6, c F (mg/cm 3 ) c F (mg/cm 3 ) c F ac (mg/cm 3 ) C S ac (mg/cm 3 ) Telítési,5,5,5,5 Periódus idı (min) /T/ Oszlop konfiguráció F F F F,5,5,5,5 1:1:1:1 1:1:1:1 1:1:1:1 1:1:1:1 31. táblázat dinamikus SM fontosabb mőveleti paraméterei 91

93 Dinamikus SM során végzett szimulációk táblázatokban a dinamikus SM szimulációk során kapott fajlagos eredmények láthatóak (3. és 33. táblázat). Tisztaság [m/m%] Kihozatal [%] Termelékenység [mg /g szil.gél min] Eluens fajlagos [cm 3 eluens/mg ] DSM1 89,9 > 99,9,668,447 DSM 8,943 > 99,9,667,448 DSM3 89,66 > 99,9,718,416 DSM4 9,39 > 99,9,959, táblázat dinamikus SM szimulációk fajlagos eredményei a komponensre nézve Tisztaság [m/m%] Kihozatal [%] Termelékenység [mg /g szil.gél min] Eluens fajlagos [cm3eluens/mg ] DSM1 > 99,9 7,113,4 1,463 DSM > 99,9 5,53,143,89 DSM3 > 99,9 79,715,15 1,986 DSM4 > 99,9 56,85,134,9 33. táblázat dinamikus SM szimulációk fajlagos eredményei az komponensre nézve szimulációk során egyik sem teljesítette a komponensre elıírt követelményeket Dinamikus SM során végzett mérések 34. táblázat a dinamikus SM mérések fontosabb mőveleti paramétereit tartalmazza, a 35. és 36. táblázatokban a dinamikus SM mérések során kapott fajlagos eredmények láthatók. Mérés F D R E Léptetési idı etáplálási idı azonosítója cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min min min RG14 DSM1 1,47 9,13,9 5,89,5 5,63-16,88 között RG14 DSM 1,51 9,4,9 6,16,5 11,5-,5 között RG14 DSM3,81 8,47,1 5,76,5 11,5-,5 között RG14 DSM4,73 8,95,5 5,89,5 11,5-,5 között 34. táblázat dinamikus SM mérések fontosabb mőveleti paraméterei Tisztaság [m/m%] Kihozatal [%] Termelékenység [mg /g szil.gél min] Eluens fajlagos [cm 3 eluens/mg ] DSM1 87,69 > 99,9,718,43 DSM 97,795 > 99,9 1,54,73 DSM3 > 99,9 98,7,96,94 DSM4 91,93 > 99,9 1,16, táblázat dinamikus SM mérések fajlagos eredményei a komponensre nézve 9

94 Tisztaság [m/m%] Kihozatal [%] Termelékenység [mg /g szil.gél min] Eluens fajlagos [cm3eluens/mg ] DSM1 > 99,9 63,,178 1,61 DSM > 99,9 9,59,73 1,54 DSM3 98,147 > 99,9,343,777 DSM4 > 99,9 68,56,15, táblázat dinamikus SM mérések fajlagos eredményei az komponensre nézve harmadik esetben (DSM3) nagyon kedvezı eredményeket kaptunk. korábbi g/dm 3 koncentrációjú SM3 mérés során 88, m/m %-os tisztaságú raffinátumot () kaptunk, ez az eredmény a DSM3 esetben > 99,9 m/m %-osra javult. különbözı SM módszerek (dinamikus SM) alkalmazásával a szétválasztandó elegy (8%m/m, %m/m ) mennyiségét meg tudtuk növelni amellett, hogy a számunkra elıírt tisztasági és kihozatali követelményeket be tudtuk tartani (37. táblázat). Mérés elépı elegy Raffinátum Extraktum Feldolgozott szteroid g/dm 3 m/m % m/m % mg ( + ) részperiódus RG 14/SM 1 5 > 99,9 > 99,9 168,75 RG 14/SM 1 > 99,9 > 99,9 337,5 RG 14/DSM3 4* > 99,9 98,15 74,5 * 11 percig F=, 11-,5 percig F=1,5 1,8 cm 3 /min 37. táblázat Különbözı SM mérések összehasonlítása 5.5. Gradiens SM kísérletek 1:1:: oszlopkonfiguráció, nyitott eluenskör esetén z RG-14 komponensek SM szeparációja során, illetve a számítógépi szimulációk eredményei alapján megállapítottam, hogy a körülbelül 4:1 = : arányú keverék és K < K reláció miatt a nek a lehetı legnagyobb helyet kell biztosítani az oszlopok (szegmensek) hossza mentén (49. ábra). Négy szegmenses rendszerben erre lehetıség van úgynevezett 1:1:: = I:II:III:IV oszlop (szegmens) konfigurációjú, nyitott eluenskörő SM mővelet kialakításával [93, 94]. Ebben az esetben a raffinátum szivattyút nem mőködtettem (R= értékre van állítva). térfogatáramot a III szegmensben ( oszlop) úgy állítottam be, hogy a az LROUT áramban jelenjen meg (REC = ) nyitott eluenskörő SM esetén (48. ábra). z I. szegmens (1 oszlop) feladata az adszorbens regenerálása és termék elıállítása az 93

95 extraktumban. II. szegmens (1 oszlop) feladata az, szeparáció, eltávolítása a szegmensbıl. III. szegmens ( oszlop) feladata, szeparáció, termék elıállítása a LROUT áramban. z 1:1:: mővelet elınye, hogy csak 3 szivattyú szükséges a mőködtetéshez (D, E, F). D szivattyú az I. szegmens bemenetén van elhelyezve, az E szivattyú I. szegmens után szivattyúzza ki az extraktumot az SM készülékbıl, az F szivattyú a II. szegmens után adagolja a szétválasztandó elegyet (48. ábra). D 1. periódus. periódus 3. periódus 4. periódus D LR D LR D D LR I. II. III. IV. LROUT LROUT LROUT E F R E F R E F R E F R LROUT E F R LROUT 48. ábra z SM készülék folyamatábrája 1:1:: oszlopkonfiguráció esetén 49. ábra z és a komponens koncentrációja az oszlop hossza mentén kapcsolás elıtt 94

96 Gradiens SM szimulációk 1:1:: oszlopkonfiguráció esetén táblázatokban a szimulációs paraméterek és fajlagos eredmények találhatók, melyeket az SM OUT nyitott eluenskörő programmal végeztem. szimuláció során megvizsgáltam a különbözı aceton koncentrációk 3, 45, 55, 6 % v/v, és különbözı betáplálási sebességek hatását (,75;,8;,85;,9;,95; 1,; 1,5; 1,5 cm 3 /min) (38. táblázat) a szétválasztás eredményeire vonatkozóan 6 g szteroid/dm 3 koncentráció esetén (39. és 4. táblázat). diklór-metán betáplálási R=cm 3 /min F E D ceton cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min % SM8 OUT1,75 6, 8,5 55 SM8/1 OUT 1, 6, 8,5 55 SM8/ OUT 1,5 6, 8,5 55 SM8/3 OUT 1,5 6, 8,5 55 SM8/4 OUT,75 6, 8,5 6 SM8/5 OUT 1, 6, 8,5 6 SM8/6 OUT 1,5 6, 8,5 6 SM8/7 OUT 1,5 6, 8,5 6 SM8/11 OUT,75 6, 8,5 45 SM8/1 OUT 1, 6, 8,5 45 SM8/13 OUT 1,5 6, 8,5 45 SM8/14 OUT 1,5 6, 8,5 45 SM8/15 OUT,8 6, 8,5 55 SM8/16 OUT,85 6, 8,5 55 SM8/17 OUT,9 6, 8,5 55 SM8/18 OUT,95 6, 8,5 55 SM8/19 OUT,75 6, 8,5 3 SM8/ OUT 1, 6, 8,5 3 SM8/1 OUT 1,5 6, 8,5 3 SM8/ OUT 1,5 6, 8,5 3 SM8/4 OUT,8 6, 8,5 45 SM8/5 OUT,85 6, 8,5 45 SM8/6 OUT,9 6, 8,5 45 SM8/7 OUT,95 6, 8,5 45 SM8/8 OUT,8 6, 8,5 6 SM8/9 OUT,85 6, 8,5 6 SM8/3 OUT,9 6, 8,5 6 SM8/31 OUT,95 6, 8,5 6 SM8/36 OUT,8 6, 8,5 3 SM8/37 OUT,85 6, 8,5 3 SM8/38 OUT,9 6, 8,5 3 SM8/39 OUT,95 6, 8, táblázat szimulációk fontosabb mőveleti paraméterei 95

97 R=cm 3 /min komponens tisztasága komponens kihozatala Termelékenység P Eluens fajlagos SF % % mg/g töltet min cm 3 el./mg SM8 OUT1 > 99,9 > 99,9 1,731,418 SM8/1 OUT 87,853 93,731 1,84,147 SM8/ OUT 83, ,6519 1,3968,1858 SM8/3 OUT 8,183 79,8358 1,5444,168 SM8/4 OUT > 99,9 > 99,9 1,38,535 SM8/5 OUT 86,671 94,75 1,13,139 SM8/6 OUT 81, ,43 1,3896,1867 SM8/7 OUT 79,4185 8,6593 1,563,1663 SM8/11 OUT > 99,9 > 99,9,9681,68 SM8/1 OUT 91,567 9,756 1,196,169 SM8/13 OUT 85,7 85,7673 1,386,1877 SM8/14 OUT 8,11 79,151 1,534,1693 SM8/15 OUT > 99,9 > 99,9 1,748,414 SM8/16 OUT 99,697 1, 1,1331,9 SM8/17 OUT 9, ,5591 1,17,315 SM8/18 OUT 89, ,473 1,1697,19 SM8/19 OUT 99,737 87,41,8455,369 SM8/ OUT 99, ,1594 1,1369,8 SM8/1 OUT 9,67 8,3647 1,377,1954 SM8/ OUT 85, ,151 1,494,1739 SM8/4 OUT > 99,9 99,983 1,37,518 SM8/5 OUT > 99,9 98,6136 1,81,41 SM8/6 OUT > 99,9 97,9895 1,1373,8 SM8/7 OUT 99,676 97,1876 1,197,179 SM8/8 OUT 99,9865 > 99,9 1,85,391 SM8/9 OUT 9, ,835 1,834,395 SM8/3 OUT 88,835 97,58 1,136,91 SM8/31 OUT 87,43 95,99 1,1664,5 SM8/36 OUT 99, ,194,9,8 SM8/37 OUT 99,771 87,6489,968,71 SM8/38 OUT 99,797 88,936 1,31,514 SM8/39 OUT 99,814 87,18 1,681, táblázat szimulációk eredményei a komponensre nézve szimulációk eredményeit összehasonlító diagrammokon is ábrázoltam ezek a ábrán láthatók. 96

98 ábrákon látható a raffinátum tisztaság, kihozatal, termelékenység, és eluens fajlagos változása a betáplálás függvényében változó friss eluens aceton koncentráció és tiszta diklór-metán betáplálás mellett a re nézve. 5. ábrán látható, hogy a görbék lefutása azonos, az aceton koncentráció növelése nagyobb tisztaságot eredményez a kisebb betáplálási sebességek mellett. z 51. ábra szerint a nagyobb aceton koncentrációk szintén nagyobb termék kihozatalt eredményeznek a kisebb betáplálási sebességek mellett. 5. ábrán látható, hogy a nagyobb betáplálás és nagyobb aceton koncentráció mellett növekszik a termelékenység. 53. ábra szerint a legkisebb eluens fajlagost nagyobb betáplálási sebesség és nagyobb aceton koncentráció esetén tapasztaltam, de az elıírt feltételt a > 99,9 % m/m és > 9 % kihozatalt maximum,8 cm 3 /min betáplálási sebesség mellett értem el. tisztaság (ter %) termelékenysége (mg/g töltet min) 1:1:: oszlopkonfiguráció D, v/v% aceton DKM-ban ,5,75 1, 1,5 1,5 1,75 F (cm 3 /min)- DKM RG14 5. ábra Raffinátum tisztaság változása a betáplálás változtatásával 1,6 1,5 1,4 1,3 1, 1,1 1,,9,8 1:1:: oszlop konfiguráció D, v/v% aceton DKM-ban,5,75 1, 1,5 1,5 1,75 F (cm 3 /min)- DKM RG14 5. ábra Raffinátum termelékenységének változása a betáplálás változtatásával kihozatala (%) Eluenes fajlagos (cm 3 eluens/mg) :1:: oszlop konfiguráció D, v/v% aceton DKM-ban ,5,75 1, 1,5 1,5 1,75 F(cm 3 /min)- DKM RG ábra Raffinátum kihozatalának változása a betáplálás változtatásával,33,31,9,7,5,3,1,19 D, v/v% aceton DKM-ban ,17 1:1:: oszlop konfiguráció,15,5,75 1, 1,5 1,5 1,75 F (cm 3 /min)- DKM RG ábra Eluens fajlagos (SF) változása a betáplálás változtatásával szimulációk során az komponenst is vizsgáltam szintén táblázatos és diagramos formában. 39. táblázat a szimulációk fajlagosait tartalmazza az komponensre nézve. 97

99 R=cm 3 /min komponens tisztasága komponens kihozatala Termelékenység P Eluens fajlagos SF % % mg/g töltet min cm 3 el./mg *SM8 OUT1 99,19 91,345,493,6339 SM8/1 OUT 99,53 7,8,4184,6 SM8/ OUT 99, ,5,4184,61 SM8/3 OUT 99, ,6848,4185,61 SM8/4 OUT 99, ,95,39,6654 SM8/5 OUT 99, ,6,39,6654 SM8/6 OUT 99,756 5,9,39,6653 SM8/7 OUT 99,71 43,567,39,6654 SM8/11 OUT 94, ,15,4348,5968 SM8/1 OUT 96,487 8,444,4796,5411 SM8/13 OUT 96, ,1996,4796,5411 SM8/14 OUT 96,385 53,511,4796,5411 SM8/15 OUT 99,181 87,54,4185,61 SM8/16 OUT 99,144 8,3777,4185,61 SM8/17 OUT 99,111 77,819,4185,61 SM8/18 OUT 99,81 73,775,4185,61 SM8/19 OUT 76,57 97,6699,4378,598 SM8/ OUT 86,643 97,1986,589,4467 SM8/1 OUT 87,183 78,983,5895,44 SM8/ OUT 87,138 65,7591,5895,44 SM8/4 OUT 95, ,813,469,566 SM8/5 OUT 96, ,419,4796,5411 SM8/6 OUT 96,415 89,1687,4796,5411 SM8/7 OUT 96,487 84,4767,4796,5411 SM8/8 OUT 99,739 81,573,39,6654 SM8/9 OUT 99, ,7748,39,6654 SM8/3 OUT 99,735 7,513,39,6654 SM8/31 OUT 99, ,6944,39,6654 SM8/36 OUT 78,954 97,597,4666,556 SM8/37 OUT 81,749 97,531,4954,538 SM8/38 OUT 83,75 97,434,541,495 SM8/39 OUT 84, ,379,556, táblázat szimulációk eredményei az komponensre nézve z ábrákon látható a extraktum tisztaság, kihozatal, termelékenység, és eluens fajlagos változása a betáplálás függvényében változó aceton koncentráció mellett az komponens tekintetében. 98

100 z 54. ábrán látható, hogy a nagyobb aceton koncentráció nagyobb tisztaságot eredményez, illetve kisebb aceton koncentrációk esetén a betáplálás térfogatáramának növelésével növelhetı a tisztaság. z 55., 56. és 57. ábrán az extraktum kihozatal, termelékenység és eluens fajlagos görbéket mutatom be változó aceton koncentráció és különbözı betáplálási sebességek mellett. szimulációkból kitőnik, hogy a mőveleti paraméterek megválasztásával több lehetséges kombináció van amely a kitőzött raffinátum 99,9%-os tisztaságának és > 9 % kihozatalának is megfelel (kék színnel jelölve 39. táblázat). komonenes tisztaság (%) termelékenysége (mg/g töltet min) D, v/v% aceton DKM-ban :1:: oszlopkonfiguráció,5,75 1, 1,5 1,5 1,75 F(cm3/min)- DKM RG ábra Extraktum tisztaságának változása a betáplálás változtatásával,6,55,5,45,4,35,3 1:1:: oszlop konfiguráció D, v/v% aceton DKM-ban ,5,75 1, 1,5 1,5 1,75 F (cm 3 /min)- DKM RG ábra Extraktum termelékenységének változása a betáplálás változtatásával kihozatala (%) Eluenes fajlagos (cm 3 eluens/mg) :1:: oszlop konfiguráció D, v/v% aceton DKM-ban ,5,75 1, 1,5 1,5 1,75 F (cm 3 /min)- DKM RG ábra Extraktum kihozatalának változása a betáplálás változtatásával,7,65,6,55,5,45,4 1:1:: oszlop konfiguráció D, v/v% aceton DKM-ban ,5,75 1, 1,5 1,5 1,75 F (cm 3 /min)- DKM RG ábra Eluens fajlagos (SF) változása a betáplálás változtatásával Ezek közül a szimulációk közül választottam ki az SM8/15 OUT jelő szimulációt laboratóriumi kísérlet céljából. Illetve ehhez kapcsolódóan még két szimulációt és mérést végeztem az extraktum áramának csökkentésével (6,; 4,;, cm 3 /min, piros színnel jelölve, 41. táblázat) (Függelék 9-3.) ezáltal a felhasznált eluens mennyiségét tudtam csökkenteni. 99

101 41. táblázat a szimulációk paramétereit, a 4. és 43. táblázat a fajlagosait tartalmazzák. zonosító Átlagos térfogatáramok Extraktum LROUT etáplálás Friss oldószer cm 3 / min RG14/SM8-15 6,,85,8 8,5 RG14/SM8-4 4,,85,8 6,5 RG14/SM8-41,,85,8 4,5 41. táblázat szimulációk fontosabb mőveleti paraméterei Eluens acetonkoncentráció LROUT tisztasága LROUT kihozatal Termelékenység Fajlagos eluens felhasználás zonosító %(v/v) m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg RG14/SM , > 99,9 > 99,9 1,75,41 RG14/SM8-4 55, > 99,9 > 99,9 1,81,1 RG14/SM , 97,41 > 99,9 1,89,13 4. táblázat szimuláció eredményei a komponensre Eluens acetonkoncentráció Extraktum tisztasága Extraktum kihozatal Fajlagos eluens felhasználás Termelékenység zonosító %( v/v) m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg RG14/SM , 99,8 87,5,419,6 RG14/SM8-4 55, 98,89 9,44,49,474 RG14/SM , 98,76 84,89,385, táblázat szimuláció eredményei az komponensre szimulációs eredményekbıl látható, hogy az RG14/SM8-15 és a RG14/SM8-4 jelő szimuláció is eleget tesz a követelményeknek (kék színnel jelölve), a harmadik szimuláció, RG14/SM8-41 jelő nem teljesíti az elıírt 99,9 % m/m nál nagyobb raffinátum tisztaságot. z RG 14 SM 8/41 szimuláció esetén azt tapasztaltam, hogy az LROUT és E áramokat frakcionálva, például két-két részre vágva, javítható a tisztaság (58. és 59. ábra). 1

102 c, (g/dm 3 ) m/m % 54, 56,5 585, Idı (min) 58. ábra RG14 SM8/41 szimuláció LROUT áram 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% % 1% % tisztaság (m/m %) c, (g/dm 3 ) m/m % 54, 56,5 585, Idı (min) 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% % 1% % 59. ábra RG14 SM8/41 szimuláció Extraktum áram tisztaság (m/m %) szimulációk során az LROUT frakciót min között megvizsgálva azt látjuk, hogy a,5 min kapcsolási idın belül célszerő a frakció komponenssel szennyezett részét elvenni (-11,5 min), majd a 11,5,5 min frakciót egyesítve 1 ter% tisztaságú, kb. 35 g /dm 3 folyadék koncentrációjú raffinátumot lehet nyerni. Ezen utóbbi frakció átlagos aceton összetétele kb. 75 g aceton/dm 3 elegy (34,7 %v/v aceton DKM-ban). z elsı frakció vagy veszteség, vagy recirkuláltatni kell (58. ábra)! z E extraktum frakció a periódusidı (,5 min) elsı 3 percében t tartalmaz. Ha tiszta komponensre van szükségünk, akkor ez a frakció elvehetı. 3,5 min közötti frakció 1 ter% tisztaságú kb. 5,5 g /dm 3 folyadék koncentrációval nyerhetı, melynek aceton tartalma kb. 43 g aceton/dm 3 folyadék (54,5 v/v% aceton DKM-ban). z elsı frakció vagy veszteség, vagy recirkuláltatni kell (59. ábra)! Gradiens SM mérések 1:1:: oszlopkonfiguráció esetén 44. táblázat a mérések paramétereit, a 45. és 46. táblázat a fajlagosait tartalmazzák. Mérés azonosító Átlagos térfogatáramok Extraktum LROUT etáplálás Friss oldószer cm 3 / min RG14/SM8-15 5,87,51,77 7,41 RG14/SM8-4 4,59,58,78 6,38 RG14/SM8-41,6,48,77 4, táblázat mérések fontosabb mőveleti paraméterei 11

103 LROUT tisztasága LROUT kihozatala Fajlagos eluens felhaszn. Mérés azonosító m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg RG14/SM ,98 85,,93,56 RG14/SM8-4 99,98 81,,86,38 RG14/SM ,95 94,7,95, táblázat mérések eredményei a komponensre: Extraktum tisztasága Extraktum kihozatala Termelékenység Termelékenység Fajlagos eluens felhaszn. Mérés azonosító m/m% % mg /g töltet min cm 3 /mg RG14/SM ,78 54,33,5,97 RG14/SM8-4 84,8 86,3,4,646 RG14/SM ,15 67,8,31, táblázat mérések eredményei az komponensre gradiens SM alkalmazásával, nyitott eluenskör és 1:1:: oszlopkonfiguráció esetén az extraktum áramának csökkentésével az RG 14 GSM 8/41 mérés esetén a komponensre elıírt követelményeket be tudtam tartani (Függelék ). Megállapítottam, hogy az optimális mőveleti paraméterek a következık: etáplálás térfogati sebessége: F =,75,85 cm 3 /min etáplálás összetétele: 41-4 g /dm g /dm 3 DKM-ben oldva Hımérséklet: o C Eluens: D = 8,5 4,5 cm 3 /min 55 %v/v aceton 45 %v/v DKM Ekkor a következı fajlagos eredményeket kaptam: Tisztaság: > 99,9 % m/m Kihozatal: η > 9 % Termelékenység: P =,9 1,9 g mg töltet min mg friss eluens Eluens felhasználás: SF =,7,13 mg 1

104 5.6. Gradiens SM kísérletek 1:1:: oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata vizsgálatot a Pannon Egyetem Vegyipari Mőveletek Tanszékének SM OUT nevő programjával végeztem el. szimuláció során megvizsgáltam (Függelék ), hogy a kapcsolási idı csökkentése, hogy befolyásolja a mőködési paramétereket illetve mekkora termelékenység növekedést okoz a követelmények betartása mellett majd ezek alapján méréseket végeztem (Függelék ) [95, 96, 97, 98] Gradiens SM szimulációk 1:1:: oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata rendszerben az optimális áramlási sebességeket a Morbidelli kritériumok alapján lehet meghatározni. Ezek a következı értékek: etáplálás: F:,8 cm 3 /min Extraktum elvét: E:, cm 3 /min LROUT elvét: LROUT:,85 cm 3 /min Friss eluens: S: 4,5 cm 3 /min Recirkuláltatott oldószer: REC: cm 3 /min etáplálás összetétele: c F : 6 g + /dm 3 tiszta DKM-ban oldva,5 perces taktusidıbıl indulva vizsgáltam a taktusidı felét, negyedét, és 9 perces kapcsolási idıvel is végeztem szimulációkat. 9 perces taktusidejő szimuláció paramétereit szimulációk sorozatával optimalizálva úgy állítottam be, hogy a számunkra támasztott követelményeket kielégítse. 47. táblázatban a szimulációk során beállított térfogatáram értékek láthatók, a 48. és 49. táblázatban a szimulációk során kapott fajlagos értékek a és az komponensre vonatkozóan. Szimuláció azonosító Oldószer aceton koncentrációja Kapcsolási idı Térfogatáramok etáplálás (F*) Extraktum (E) % (v/v)** min cm 3 / min SM8/41 OUT 55,5,8, 4,5 SM8/4 OUT 55 11,5 1,6 4,4 8,5 SM8/44 OUT 55 5,5 3, 8,8 17, SM8/46 OUT ,5 8,5 13,5 * DKM-ban oldva 41 g /dm 3, 19 g /dm 3 ** ceton a friss eluensben (S) v/v %-ban DKM mellett 47. táblázat szimulációk paraméterei a kapcsolási idı csökkentése során Friss oldószer (S) 13

105 Emellett a táblázatból az is kiderül, hogy szintén gradienst alkalmaztam, mivel a friss eluens 55 % (v/v) acetont tartalmazott, míg a 6 g/dm 3 koncentrációjú belépı szteroid elegyet tiszta diklór-metánban oldottam. Szimuláció Kapcsolási idı komponens tisztasága komponens kihozatala Termelékenység Eluens fajlagos % m/m % mg /g töltet min cm 3 eluens/mg SM 8-41,5 min 97,46 > 99,9 1,89,17 SM ,5min 96,647 96,4115,379,131 SM ,5 min 97,6668 > 99,9 1,4856,1 SM min 99,9914 > 99,9,1597, táblázat kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények a komponensre a szimulációk során Szimuláció Kapcsolási idı Eluens Termelékenység komponens komponens fajlagos tisztasága kihozatala komponens % m/m % mg /g töltet min cm 3 eluens/mg SM 8-41,5 min 98, ,8891,3845,3477 SM ,5min 98, ,931,7874,3395 SM ,5 min 99,38 85,35,515,3463 SM min 93, ,557,6954, táblázat kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények az komponensre a szimulációk során Termékként a komponens 99,9 m/m% feletti tisztasága és > 9 % kihozatala a cél, ennek csak az SM8-46 szimuláció felel meg (kék színnel jelölve) Gradiens SM mérések 1:1:: oszlop konfiguráció esetén, kapcsolási idı csökkentés vizsgálata Összehasonlításképp mind a négy kapcsolási idıre elvégeztem a laboratóriumi méréseket. Morbidelli háromszögben láthatóak az elvégzett mérések munkapontjai (6. ábra). Látható, hogy a,5 min, a 11,5 min és a 5,5 min mérések során a háromszögön kívül, míg a 9 min mérés esetén a háromszög csúcsába helyeztük el a munkapontokat. mérések során a szimulációknál alkalmazott térfogatáramok beállítására törekedtünk. 14

106 6. ábra munkapontok helye a Morbidelli háromszögben a kapcsolási idı csökkentése során kapcsolási idı (T) csökkentés során az alábbi paraméterekkel végeztem méréseket (5. táblázat). Mérés száma D E F LROUT cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min mérés,5 min 4,15,6,77, mérés 11,5 min 8,47 5,3 1,4 4, mérés 9 min*** 13,55 7,83 1,95 7, mérés 5,5 min 14,15 9,67 3,19 7,67 5. táblázat mőveleti paraméterek a kapcsolási idı csökkentésénél a mérések során z alábbi táblázatokban a mérések során kapott fajlagos eredmények láthatók a és az komponensre (51. és 5. táblázat). z LROUT áramot, mivel ez tartalmazza a számomra értékes komponenst az elıbbi fejezetben említett okok miatt két részletben győjtöttem, majd a már korábban említett gázkromatográfiás módszerrel vizsgáltuk. Mivel az komponensre nem volt szükségem az extraktum áramot egybe győjtöttem. Mérés száma Kapcsolási idı mérés.5 min 8-4 mérés 11.5 min 8-46 mérés 9 min*** 8-44 mérés 5.5 min tisztasága kihozatala Termelékenység Eluens fajlagos komponens Frakció* % m/m % mg/g töltet min cm 3 el./mg 1, 71,45 1,6576,1355,9633, 99,95 94,7,95,1175 1, 76,861 6,4376,1713 1,555, 99,75 9,854 1,93,1 1, 96,955 6,461,65,9599, > ,5774,14,134 1, 66,985 11,4468,3863 1,1, 95,7 78,13,6393, táblázat kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények a komponensre a mérések során 15

107 Mérés száma Kapcsolási idı Termelékenység Eluens fajlagos tisztasága** kihozatala** ** komponens** Frakció* % m/m % mg/g töltet min cm 3 el./mg mérés.5 min 86, ,845,366, mérés 11.5 min 88, ,175,3917, mérés 9 min*** 88, ,588,54, mérés 5.5 min 53,578 46,1,66,94 * 1. LROUT elsı frakciója "" veszteség "" veszteség.. LROUT második frakciója "" termék. ** "" komponens az extraktumban. *** mérés paraméterei számítógépes szimulációval lettek optimalizálva 5. táblázat kapcsolási idı csökkentésével kapott fajlagos eredmények az komponensre a mérések során kapcsolási idı csökkentés kísérleti és szimulációs eredményeinek összehasonlítása Megállapítható, hogy a legkedvezıbb eredményt az RG-14-GSM 8/46 optimalizált (T = 9 min) mérés adja. 53. táblázatban a szimulációval együtt adom meg az eredményeket. Látható, hogy az értékek kismértékben térnek el egymástól. Mérés Raffinátum LROUT1 96,96 %m/m tisztaság (LROUT) LROUT > 99,9 %m/m Extraktum tisztasága (E) Kihozatal LROUT1 6,46 % LROUT 9,6 % Extraktum 68,1 % Termelékenység LROUT mg,14 g töltet min Extraktum mg,54 g töltet min Eluens fajlagos LROUT cm 3,134 Extraktum cm 3,43 Szimuláció LROUT 1 +LROUT > 99,9 %m/m 88,89 %m/m 93,5 %m/m friss eluens mg friss eluens mg LROUT 1 +LROUT > 99,99 % 98,3 % LROUT 1 +LROUT mg,16 g töltet min Extraktum mg,69 g töltet min LROUT 1 +LROUT cm 3 friss eluens,197 mg Extraktum cm 3 friss eluens,61 mg 53. táblázat z RG-14-GSM 8/46 mérés és szimuláció eredményeinek összehasonlítása 16

108 fenti méréssel sikerült a termelékenységet a Preparatív HPLC ipari méréshez képest ~7 %-al növelni (435 g /kg töltet/nap-ról 38 g /kg töltet/nap-ra), míg a friss eluens felhasználást ~5 %-kal csökkenteni (,354 m 3 friss eluens/kg -rıl,134 m 3 friss eluens/kg ) (53. táblázat). z RG-14 témában végzett mérések eredményei alapján (54. táblázat) megállapítható, hogy > 99,9 %m/m termék > 9 % kihozatal esetén elértem a 3,8 kg /kg töltet/nap termelékenységet,134 m 3 friss eluens/kg fajlagos mellett. 54. táblázat az összes mérés fontosabb jellemzıit tartalmazza, az 55. táblázat az összes mérés fajlagos eredményeit mutatja a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC méréssel összehasonlítva. mérések fajlagos eredményeit diagramos formában is bemutatom, kék színnel kiemelve melyek kielégítik a tisztasági és kihozatali követelményeket és pirossal melyek nem ( ábra). termelékenységi diagramon látható (63. ábra), hogy a mérések során jelentıs növekedést értünk el, míg az eluens felhasználás során nagymértékő csökkenést (64. ábra). 17

109 RG 14 SM 1 SM SM 3 SM 5 SM 6 SM 7 SM 8 SM 9 DSM 1 Minta Minta oldószer Friss eluens Oszlopkonfiguráció D E F** R LROUT T emenı nyomás Hımérséklet Megjegyzés g/dm 3 % v/v % v/v Nyitott eluenskör cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min cm 3 /min min bar C aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 6 aceton 4 DKM 7 aceton 3 DKM 4 aceton 6 DKM 45 aceton 55 DKM 55 aceton 45 DKM 5 aceton 5 DKM 1:1:1:1 9,57 6,3 1,5,48,9, :1:1:1 8,85 5,89 1,5,3,3, :1:1:1 9,44 6,8 1,5,39,47 7, :1:1:1 6,78 5,79 1,34,33,35 7, :1:1:1 6,51 5,56 1,35,7,39 7, :1:1:1 7,44 6,3 1,7,39,59, :1:1:1 7,1 6,1 1,38,38,3, :1:1:1 6,79 5,86 1,36,9,38, :1:1:1 9,13 5,89 1,47,9,49.5* (-11.5-) 1-5 Izokratikus SM aceton sajátgradiens Gradiens SM DSM DSM 3 DSM aceton 5 DKM 5 aceton 5 DKM 1:1:1:1 9,4 6,16 1,51,9,8.5* (-11.5) 3 5 aceton 5 aceton,5* 1:1:1:1 8,47 5,76,81,1 1, DKM 5 DKM (-11.5) 4 5 aceton 5 aceton,5* 1:1:1:1 8,95 5,89,73,5 1, DKM 5 DKM (-11.5) 4 55 aceton SM 8/15 1 DKM 1:1:: 7,41 5,87, DKM 4 55 aceton SM 8/4 1 DKM 1:1:: 6,38 4,59,78, DKM 1-5,51, ,5 1-5 Dinamikus feed 4 55 aceton SM 8/41 1 DKM 1:1:: 4,15,6,77,48,5 1-5 Gradiens SM DKM 4 55 aceton DKM 4 55 aceton DKM SM 8/4 1 DKM 1:1:: 8,47 5,3 1,4 4,59 11,5 SM 8/46 1 DKM 1:1:: 13,55 7,83 1,95 7, aceton SM 8/44 1 DKM 1:1:: 14,15 9,67 3,19 7,67 5, DKM :1:: oszlopkonfiguráció Oszlop: D b = 1cm L=5 cm **,5 min-ra átlagolt érték * teljes,5 mint-idı belül a betáplálás ideje: Töltet: YMC -S-5 szilikagél -5,6 min 16,85-,5 min cm 3 /min 5,6-16,85min,94 cm 3 /min -11,5 min cm 3 /min 11,5-,5min 3, cm 3 /min -11,5 min cm 3 /min 11,5-,5min 1,6 cm 3 /min -11,5 min cm 3 /min 11,5-,5min 1,46 cm 3 /min 54. táblázat z RG14 témában végzett SM mérések fontosabb mőveleti paraméterei 18

110 RG 14 Tisztaság (% m/m) Kihozatal (%) Termelékenység (mg/g min) Eluens fajlagos (dm 3 /g) SM 1 > 99,9 > 99,9 > 99,9 > 99,9,184,466 1,5 4,59 SM > 99,9 99,5 > 99,9 > 99,9,368,933,6, SM 3 88, 99, 99, 85,79,658,1933,45 1,4 SM 5 99,88 99,56 99,36 99,73,1675,4,1 5,7 SM 6 83,8 99,9 99,97 54,91,1698,33 1,1 8,78 SM 7 99,9 69,34 81,3 98,65,198,394 1,8 5,94 SM 8 > 99,9 > 99,9 > 99,9 > 99,9,1738,454 1,39 5,35 SM 9 > 99,9 > 99,9 > 99,9 > 99,9,1855,453 1, 4,81 DSM 1 87,7 > 99,9 > 99,9 63,,718,178,4 1,6 DSM 97,8 > 99,9 > 99,9 9,6 1,54,73,7 1,5 DSM 3 > 99,9 98,15 98,7 > 99,9,96,343,9,78 DSM 4 91,9 > 99,9 > 99,9 68,6 1,16,15,3,13 SM 8/15 99,98 71,78 85, 54,33,93,5,6,93 SM 8/4 99,98 84,8 81, 86,3,86,4,4,65 SM 8/41 99,95 86,15 94,7 67,8,95,36,1, SM 8/4 99,8 88,95 9,85 53,17 1,93,39,1,4 SM 8/46 > 99,9 88,89 9,58 68,6,14,54,13,9 SM 8/44 95,7 53,58 78, Prep. HPLC > 99,9 95, 46,,639,66,18,33,35,9 55. táblázat z RG14 témában végzett SM mérések fajlagosai összehasonlítva a Richter Gedeon Rt.-nél végzett preparatív HPLC méréssel 1 Tisztaság (m/m%) Prep. HPLC SM1 SM SM3 DSM1 Raffinátum > 99,9 % m /m η > 9 % Raffinátum < 99,9 % m /m vagy η < 9 % DSM DSM3 DSM4 GSM8/41 GSM8/4 GSM8/44 GSM8/ ábra Különbözı SM mérések tisztaság adatainak összehasonlítása 19

111 1 Kihozatal (%) Prep. HPLC SM1 SM SM3 Raffinátum > 99,9 % m/m η > 9 % Raffinátum < 99,9 % m/m vagy η < 9 DSM1 DSM DSM3 DSM4 GSM8/41 GSM8/4 GSM8/44 GSM8/46 6. ábra Különbözı SM mérések kihozatal adatainak összehasonlítása Termelékenység (mg /g szil.gél min) 3,,5, 1,5 1,,5 Raffinátum > 99,9 % m/m η > 9 % Raffinátum < 99,9 % m/m vagy η < 9, Prep. HPLC SM1 SM SM3 DSM1 DSM DSM3 DSM4 GSM8/41 GSM8/4 GSM8/44 GSM8/ ábra Különbözı SM mérések termelékenység adatainak összehasonlítása 1,4 1, R a ffin á tu m > 9 9,9 % m /m η > 9 % R a ffin á tu m < 9 9,9 % m /m v a g y η < 9 Eluens fajlagos (cm 3 eluens/mg ) 1,,8,6,4,, Prep. HPLC SM1 SM SM3 DSM1 DSM DSM3 DSM4 GSM8/41 GSM8/4 GSM8/44 GSM8/ ábra Különbözı SM mérések eluens felhasználás adatainak összehasonlítása 11

112 Összefoglalás Dolgozatom célja egy szteroid elegy két komponensének elválasztása szimulált mozgóréteges kromatográfiás (SM) módszerrel, mely során a kevésbé kötıdı komponenssel szembeni követelmény a 99,9 m/m % -nál nagyobb tisztaság és 9 %- nál nagyobb kihozatal elérése. Ismertettem az SM szimulációkat és méréseket megelızı kísérleti eredményeket (például adszorbens vizsgálat, Langmuir állandók, -HETP meghatározása, frontális adszorpciós-elúciós mérés, melyre szintén szimulációt illesztettem) melyeket mind a szimulációk mind a mérések során felhasználtam illetve alkalmaztam. különbözı SM módszerek alkalmazását öt fejezetre bontottam. Kezdeti szimulációkkal megállapítottam a számomra legkedvezıbb mérési paramétereket, térfogatáramokat mind a termék követelményeire, mind a mérés gazdaságos mőködésére (maximális termelékenység, minimális eluens felhasználás) vonatkozóan. z elsı részben a szétválasztandó szteroid elegy betáplálási koncentrációját növeltem szimulációk és mérések során a termelékenység növelése céljából. szimulációk során a szétválasztandó RG-14 számú, szteroid keverék összkoncentrációját növelve 1,, 5 g/dm 3 tartományban azt tapasztaltuk, hogy a Morbidelli tartomány jelentısen megváltozik, 5 g/dm 3 betáplálási koncentráció esetén csökkenteni kell a betáplálás eredeti térfogati sebességét 1,5 cm 3 /min-rıl,5 cm 3 /min re, hogy a munkapont a Morbidelli háromszögön belül helyezkedjen el, ezáltal mindkét komponenst tisztán tudjuk kinyerni. preparatrív HPLC módszerhez képest a termelékenységet körülbelül kétszeresére növeltük 53,3 mg /g szilikagél nap értékrıl 884,8 mg /g szilikagél nap értékre, az eluens felhasználás pedig csökkent,6 cm 3 eluens/ mg értékrıl,37 cm 3 eluens/ mg értékre. mérések során a betáplálási koncentrációt növelve c F =, 5, 1, g/dm 3 -re a megfelelıen beállított térfogati sebességek esetén, az SM1 és SM mérésnél a számunkra elıírt 99,9 % m/m nál tisztább szteroid terméket kaptunk 99,9 % nál nagyobb kihozatallal. termelékenység az SM -es mérés esetén a kétszeresére nıtt 65, mg /g szilikagél nap-ról 59,9 mg /g szilikagél nap-ra, míg az eluens felhasználás a felére csökkent 1,48 cm 3 eluens/mg -rıl,63 cm 3 eluens/mg -re. z SM 3-as mérés esetén a munkapont a Morbidelli háromszög 111

113 feletti tartományba esett, így tiszta extraktumot ( komponens) és 88 % m/m tisztaságú raffinátumot ( komponens) kaptunk. gradiens SM vizsgálatakor a kapott szimulációs eredményekbıl megállapítható, hogy az aceton koncentráció friss eluensben történı növelésekor a raffinátumban kis mértékben csökken a komponens tisztasága az egyre könnyebben deszorbeálódó komponens megjelenése miatt. kihozatal a - re nézve kismértékben növekszik a gradiens alkalmazásakor, a termelékenység és a fajlagos eluens felhasználás gyakorlatilag nem változik. másik oldalról vizsgálva a problémát látható viszont, hogy az eredeti cél (min. 99,9 %-os tisztaság a raffinátumban) 65 % v/v-os aceton diklór-metánban koncentráció felett már nem teljesíthetı. fenti SM rendszer az aceton mennyiségének növelését eddig a határig teszi lehetıvé. z aceton koncentráció csökkentése során mindkét komponensre nı a fajlagos eluens igény, csökken a termelékenység és a kihozatal. raffinátum tisztasága javul, de a kulcskomponens ( ) kihozatala 3 %(v/v) alatti aceton koncentráció esetén már nagyon csökken. vizsgálat második részének eredménye az a megállapítás, miszerint a csökkenı aceton koncentráció, mint változtatott paraméter-érzékenység vizsgálatakor a rendszer robosztusan viselkedik egészen a 3 % v/v aceton - 7 % v/v diklór-metán összetételig. gradiens SM méréseket a 4, 45, 5, 55, 6 és 7 (v/v) %-os aceton tartalmú (diklór-metánban) friss eluens oldószerekkel vizsgáltam. gradiens SM mérési eredményeket összehasonlítva a szimulációs eredményekkel megállapítható, hogy a mőszaki optimumnak tekinthetı tartomány az % v/v aceton % v/v diklór-metán oldószerösszetétel, mivel ebben a tartományban a komponensre elıírt követelmények megfelelıek és a termelékenységnek maximuma, az eluens felhasználásnak minimuma van. z SM mővelet esetén az oszlopok hossza mentén aceton gradienst észleltem, zárt eluenskörő, kvázi-stacioner esetben, melyet az SM rendszer saját gradiensének neveztem el. z általunk felismert zárt eluens körő SM mővelet esetén létezı saját gradiens jelenségét ezideig a szakirodalomban nem írták le. 11

114 Dinamikus SM vizsgálatakor négy szimulációt és mérést végeztem. kiindulási szimuláció és mérés esetén a betáplálás sebessége 1,5 cm 3 /min, koncentrációja g/dm 3 volt. Elsı esetben a periódus közepén T/4 és 3T/4 között T/ ideig emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3, cm 3 /min, g/dm 3 ). második esetben a periódus második felében T/ után T/ ideig emeltem kétszeresére a térfogati sebességet (3, cm 3 /min, g/dm 3 ). harmadik esetben a periódus felétıl T/ után T/ ideig emeltem kétszeresére a betáplálás koncentrációját (1,5 cm 3 /min, 4g/dm 3 ). negyedik esetben szintén a periódus második felétıl T/ után T/ ideig növeltem a betáplálás koncentrációját a termelékenység illetve kihozatal adatok növelése érdekében (1,5 cm 3 /min, 5g/dm 3 ). harmadik mérési esetben (DSM3) nagyon kedvezı eredményeket kaptunk. z eredeti g/dm 3 koncentrációjú SM3 mérés során 88, m/m %-os tisztaságú raffinátumot () kaptunk, ez az eredmény a harmadik esetben > 99,9 m/m % értékre javult. különbözı SM módszerek (dinamikus SM) alkalmazásával a szétválasztandó elegy (8%m/m, %m/m ) mennyiségét meg tudtuk növelni ( 4 g/dm 3 ) amellett, hogy a számunkra elıírt tisztasági és kihozatali követelményeket be tudtuk tartani (> 99,9 m/m% tisztaság, 98,7 % kihozatal, 134 mg /g szilikagél nap és az eluens fajlagos értéke,94 cm 3 eluens/mg ). gradiens SM, 1:1:: oszlopkonfiguráció alkalmazásakor a szimulációk során megvizsgáltam a különbözı friss oldószer aceton koncentrációk 3, 45, 55, 6 % v/v, és különbözı betáplálási sebességek hatását (,75;,8;,85;,9;,95; 1,; 1,5; 1,5 cm 3 /min) a szétválasztás eredményeire vonatkozóan 6 g szteroid/dm 3 diklórmetán betáplálási koncentráció esetén. szimulációk során megállapítottam az optimális mőveleti paramétereket, melyek a betáplálás térfogati sebessége F =,75,85 cm 3 /min, a betáplálás összetétele 6 g szteroid/dm 3 diklór-metán, a friss eluens D = 8,5 4,5 cm 3 /min 55 % v/v aceton 45 % v/v DKM, mely paraméterekkel az elıírt követelményeket teljesítettem (> 99,9 m/m% tisztaság, > 9 % kihozatal, mg /g szilikagél nap és az eluens fajlagos értéke,7-,13 cm 3 eluens/mg ). z extraktum áramának csökkentésével (6,; 4,;, cm 3 /min) három szimulációt és mérést végeztem, melyek jó egyezést mutatnak. Szimuláció során az elsı kettı a mérés során pedig az RG 14 SM 8/41 jelő az, amely a komponensre elıírt követelményeket kielégíti (a tisztaság 99,95 m/m%, a kihozatal 94,7 %, a 113

115 termelékenység 1368 mg /g szilikagél nap, az eluens fajlagos értéke,118 cm 3 eluens/mg ), a másik két mérés esetén csak a tisztaságra elıírt követelmények teljesültek a kihozatalra nem. gradiens SM, 1:1:: oszlopkonfiguráció, kapcsolási idı csökkentés vizsgálatakor a,5 perces taktusidıbıl kiindulva vizsgáltam a taktusidı felét (11,5 min), negyedét (5,5 min), és 9 perces kapcsolási idıvel is végeztem szimulációkat és méréseket. 9 perces taktusidejő szimuláció paramétereit szimulációk sorozatával optimalizáltam, hogy a számomra támasztott követelményeket kielégítse. Megállapítható, hogy a legkedvezıbb eredményt, amely megfelel a követelményeknek az RG-14-GSM 8/46 optimalizált (T = 9 min) mérés és szimuláció adja. szimulációk és a mérések jó egyezést mutatnak. Ez a mérés ipari realizálásra alkalmas, mivel sikerült a termelékenységet a Prep HPLC ipari méréshez képest ~7 %-al növelni (435 g /kg töltet/nap-ról 38 g /kg töltet/nap-ra), míg a friss eluens felhasználást ~5 %-kal csökkenteni (,354 m 3 friss eluens/kg -rıl,134 m 3 friss eluens/kg ), az elıírt követelmények betartása mellett. 114

116 Jelölésmagyarázat Nagybetük f : folyadék térfogati sebessége [cm 3 /perc] D: az összes eluens térfogati sebessége [cm 3 /min] E: az extraktum térfogati sebessége [cm 3 /min] F: a betáplálás térfogati sebessége [cm 3 /perc] K: a k-adik komponens megoszlási hányadosa az álló- és mozgófázis között [ L: az oszlop hossza [cm] cm 3 szabadtérfogati folyadék cm 3 szilárd szilikagél P : az eljárás termelékenysége a -re nézve [mg /g töltet perc] P : az eljárás termelékenysége az -ra nézve [mg /g töltet perc] R: a raffinátum térfogati sebessége [cm 3 /perc] R S : felbontás [dimenziómentes] REC: a recirkuláltatott eluens térfogati sebessége [cm 3 /min] S: Friss eluens térfogati sebessége [cm 3 /min] F S : -re vonatkoztatott eluensfajlagos [cm 3 eluens/mg termék] F S : z -ra vonatkoztatott eluensfajlagos [cm 3 eluens/mg termék] T l : léptetési idı [min] V O : a holtidıhöz tartozó retenciós térfogat [cm 3 ] V d : holttérfogat [cm 3 ] V f : az áttörési görbe inflexiós pontja[cm 3 ] V N : a komponens nettó retenciós térfogata [cm 3 ] V R : a bruttó retenciós térfogat [cm 3 ] V sp : töltettérfogat a kolonnában [cm 3 ] Kisbetük c: a k-adik komponens koncentrációja a mozgófázisban [mg/cm 3 ] c a : kezdeti oldatkoncentráció [mg/cm 3 ] c b : lépcsızetesen megnövelt oldatkoncentráció [mg/cm 3 ] R c : átlagos koncentráció a raffinátumban [mg/cm 3 ] R c : átlagos koncentráció a raffinátumban [mg/cm 3 ] ] 115

117 E c : átlagos koncentráció az extraktumban [mg/cm 3 ] E c : átlagos koncentráció az extraktumban [mg/cm 3 ] F c : a betáplálás koncentrációja [mg/cm 3 ] F c : a koncentráció a betáplálásban [mg/cm 3 ] F c : az koncentráció a betáplálásban [mg/cm 3 ] d b : az oszlop belsı átmérıje [cm] k ' : kapacitásfaktort vagy retenciós faktort [ cm 3 szabadtérfogati folyadék cm 3 szilárd szilikagél q: a k-adik komponens koncentrációja az állófázisban [mg/g vagy mg/cm 3 szilárd fázis] q (c a ): a c a koncentrációjú oldattal egyensúlyban lévı szilárdfázisbeli koncentráció [mg/cm 3 ] q (c b ): a c b koncentrációjú oldattal egyensúlyban lévı szilárdfázisbeli koncentráció [mg/cm 3 ] t R : a bruttó retenciós idı [perc] t O : a holtidı, vagyis a nem kötıdı komponens áthaladási ideje az oszlopon [perc] t' R : a komponensnek az állófázison való tartózkodási ideje [perc] u c k a folyadékelem lineáris haladási sebessége az oszlopban [cm/perc] v: a mozgófázis lineáris áramlási sebessége [cm/perc] v : az oszlopban mérhetı üres térfogati sebesség [cm/perc] v sz : adszorbeált fázis áramlási sebessége [cm/perc] R E y, y : a illetve az komponens raffinátumbeli tisztasága [m/m%] Görög betők α 1, α : a két komponens elválasztási tényezıje [dimenziómentes] ε: szabadtérfogati tényezı [dimenziómentes] η %, η %: a illetve komponens kihozatala [%] ρ h : a töltet halmazsőrősége [g/cm 3 ] σ: az adott komponens kromatográfiás sávjának szórása a retenciós idejéhez képest [perc] Jelölések,, C: van Deemter egyenlet állandói [cm], [1/perc], [perc] HETP: az elméleti tányérmagasság [cm] N: a rendszer oszlopainak száma : az elméleti tányérszám [dimenziómentes] ] 116

118 Irodalomjegyzék [1] Markó L.-Farády L.: Szerves kémia II., Veszprémi Egyetemi Kiadó, 1987 [] rétegkromatográfia zsebkönyve, Mőszaki könyvkiadó, 1979 [3] Szepesy L.: Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia elmélete, gyakorlata, ME MTI udapest 1986 [4] D.T. Day: Proc. m. Phil. Soc. 36,11 (1897) [5] M. Tswett: er. Deut. otan. Ges. 1, 316 és 318 (196) [6] Kuhn, Winterstein, Lederer: Hoppe-Seylers Z. Physiol. Chem. 197, 158 (1931) [7] L. Zechmeister, L. Cholnoky: Die chromatographische dsorptionsmethode, Springer, Wien, [8] Kroeff, Owens, Campbell, Johnson, Marks: J. Chromatogr. 161, 45 (1989) [9] onnerjea, Hoare, Dunnill: iotechnol. 1 (11) 954 (1986) [1] J.X. Huang, G. Guiochon: io Chromatography 3,14 (1988) 91, 431 (1989) [11] J.X. Huang, G. Guiochon: J. Chromatogr. 91, 431 (1989) [1] Fekete J.: Folyadékkromatográfia, Jáva-98 Kft. udapest 3 [13] Szánya T., Hanák L.: Preparatív folyadékkromatográfia, Szakmérnöki jegyzet, [14] Kristóf J. dr.: Kémiai analízis II., (Nagymőszeres analízis),veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, [15] Szepesy L., ékássy S.: Magyar Kémikusok Lapja. (199) [16] M. Verzele, M. De Coninck., J. Vindevogel, C. Dewaele: J. Chromatogr. 45, 47. (1988) [17] G. Guiochon,. Katti: Chromatographia 4, 165. (1987) [18] J.W. Little, R.L. Cotton,, J.. Pendergast,, P.D. McDonald: J. Chromatogr. 16, 439. (1976) [19] E. Godbille, P. Devaux: J. Chromatogr. Sci. 1, 565. (1974) [] H. Colin, P. Hilaireau, J. de Tournemire: LC-GC Intl. 3. (4), 4. (199) [1] Szánya T., Hanák L.: Szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia (SM), Szakmérnöki jegyzet, Veszprémi Egyetem (1). [] U.S. Patent No (1961) a UOP (Universal Oil Products Company) [3] C.M. Grill, L. Miller, T.Q. Yan: J. Chromatogr., 16 (4) [4] L. Miller, C. Grill, T. Yan: J. Chromatogr., 16 (3) 67-8 [5] M. Juza, M. Morbidelli, M. Mazotti: Trends iotechnol. 18 (3) () [6] M. Schulte, J. Strube: J. Chromatogr., 96 (1) [7] E. Cavoy, M.-F. Deltent, S. Lehoucq, D. Miggiano: : J. Chromatogr., 769 (1997)

119 [8] E.R. Francotte, P. Richert: : J. Chromatogr., 769 (1997) [9] S. Khattabi, D.E. Cherrak, K. Mihlbachler, G. Guiochon: : J. Chromatogr., 893 () [3] O. Ludemann-Hombourger, G. Pigorini, R.M. Nicoud, D.S. Ross, G. Terfloth: J. Chromatogr., 947 () [31] K.. Lee, C.Y. Chin, Y. Xie, G.. Cox, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. (4) [3] M..G. Santos, V. Veredas, I.J. Silva, C. R. D. Correia, L. T. Furlan, C. C. Santana: raz. J. Chem. Eng. 1 (1) (4) [33] G. iressi, F. Quattrini, M. Juza, M. Mazzotti, V. Schurig, M. Morbidelli: Chem. Eng. Sci. 55 () [34]. Depta, T. Giese, M. Johannsen, G. runner: 865 (1999) [35] M. Johannsen, D. Peper,. Depta: J. iochem. iophys. Methods 54 () 85-1 [36] G. J. Rossiter, K. Keene, D. Paradis, S. Pease: Continuous process separation: chiral and chromatographic with CSEP and ISEP, PREP97, Washington DC (1997) [37] H. J. Lee, Y. Xie, Y, M. Koo, N.-H.L. Wang: iotechnol. Prog. (4) [38] Y. Xie, D. Wu, Z. Ma, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 39 () [39] Y. Xie, C.. Farrenburg, C.Y. Chin, N.-H.L. Wang: IChE J. 49 (3) [4] N. Gottschlich, S. Weidgen, V. Kasche: J. Chromatogr., 719 (1996) [41] E. Küsters, C. Heuer, D. Wieckhusen: J. Chromatogr., 874 () [4] C.. Farrenburg, N.-H.L. Wang, Y. Xie,. J. Hritzko: US Patent pplication 3/913 (3) [43] U. Voight, J. Kinkel, R. Hempel, R.-M. Nicoud: US Patent 6,36,63 (1) [44] S.-Y. Mun, Y. Xie, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 4 (3) [45] S.-Y. Mun, Y. Xie, N.-H.L. Wang: IChE J. 49(8) (3) [46] S.-Y. Mun, Y. Xie, J.-H. Kim, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 4 (3) [47] N.-H.L. Wang, Y. Xie, S.-Y. Mun: US Patent pplication 3/16543 (3) [48] Y. Xie, S.-Y. Mun, J.-H. Kim, N.-H.L. Wang: iotech. Prog. 18 () [49] Y. Xie, S.-Y. Mun, C.Y. Chin, N.-H.L. Wang: Simulated moving bed technologies for producing high purity biochemicals and Pharmaceuticals. In: N. H.-C.Hwang, S. L.-Y. Woo, Eds. New Frontiers in iomedical Ehgineering. New York: Kluwer cademic Publishers (3) [5] Y. Xie, S.-Y. Mun, N.-H.L. Wang: Ind. Eng. Chem. Res. 4 (3)

120 [51] T. Szánya,. ranyi, S. Kováts, J. rgyelán, L. Hanák: Mathematical modelling of simulated moving bed chromatography, PREP 1, International Symposium, Washington DC [5] C. Migliorini,; M. Mazzotti,; M. Morbidelli: J. Chrom. 87: 161 (1998) [53] D.. Firoz, O. Dapremont: Workshop on Simulated Moving ed Chromatography, PREP 4, International Symposium, [54] C. Migliorini, M. Wendlinger, M. Mazzotti, M. Morbidelli: Ind. Eng. Chem. Res. (1) 4, [55] Snyder-Kirkland: evezetés az intenzív folyadékkromatográfiába, New York, (1988) [56] T. Jensen, T. Reijns, H. illiet, L. Wielen: J. Chrom. 873 () [57] J. Houwing, H. illiet, L. Wielen: J. Chrom. 944 () [58] J. Houwing, S. Hateren, H. illiet, L. Wielen: J. Chrom. 95 () [59] S. bel, M. Mazzotti, M. Morbidelli: J. Chromatogr. 944 () 3-9 [6] O. Giovanni, M. Mazzotti, M. Morbidelli, F. Denet, W. Hauck, R. Nicoud: J. Chrom. 919 (1) 1-1 [61] D. ntos,. Morgenstern: J. Chrom. 944 () [6] D. ntos,. Morgenstern: Chem. Eng. Science 56 (1) [63] W. Hauck, O. Ludemann-Hombourger, R.M. Nicoud, O. Di Giovanni, M. Mazzotti, M. Morbidelli, PREP 1 14th International Symposium Exhibit & Workshop on PREPRTIVE/PROCESS CHROMTOGRPHY, Washington, DC. US [64] D. eltscheva, P. Hugo,. Seidel-Morgenstern: J. Chromatogr. 989 (3) [65] G. Ziomek, M. Kaspereit, J. Jezowski,. Seidel-Morgenstern, D. ntos: J. Chrom. 17 (5) [66] US Patent 5,578,15 (1996) [67] M.M. Kearney, K.L. Hieb:US Patent , (199). [68] E. Kloppenburg, E.D. Gilles: Chem. Eng. Technol. 7(1): , (1998). [69] M. Morbidelli, M. Mazotti: PREP, 15th International Symposium on Preparative/Process Chromatography, Ion Exchange, dsorption/desorption Processes and Related Separation Techniques, Washington DC, US, June (), ook of bstracts, L-1, 53 [7] Y. Zang, P.C. Wankat, Ind. Eng. Chem. Res. (), 41, 54 [71] Z. Zhang, M. Morbidelli, M. Mazzotti: IChE J. (4) Vol. 5 N 3 [7] H. Schramm,. Kienle, M. Kaspereit,. Seidel-Morgenstern: Patentanmeldung DE , (). 119

121 [73] M. Mazotti, G. Storti, M. Morbidelli, J. Chromatogr., 769, (1997) 3. [74] F. Charton, R.M. Nicoud, J. Chromatogr., 7 (1995). [75] G. iressi, O. Ludemann-Hombourger, M. Mazotti, R.M. Nicoud, M. Morbidelli: J. Chromatogr., (), 876, 3. [76]. Nicolaos, L. Muhr, P. Gotteland, R.-M. Nicoud, M. ailly: J. Chromtogr., 98 (1) [77] L. O. Stine, D. J. Ward: Simulated moving bed reaction process. US Patent 4,8,43 (1977) [78] D. C. S. zevedo,. E. Rodrigues: Chem. Eng. J. 8 (1) [79] H. Lorenz, P. Sheehan,. Seidel-Morgentern: J. Chromtogr., 98 (1) 1-14 [8] /5 [81] /5 [8] /5 [83] Tibor Szánya, ntal ranyi, Sándor Kováts, János rgyelán, László Hanák, Melinda Nagy, Zoltán Molnár: SPIC 9 th International Symposium on Preparative and Industrial Chromatography and llied Techniques, Heidelberg/Germany [84] Tibor Szánya, ntal ranyi, Sándor Kováts, János rgyelán, László Hanák, Melinda Nagy, Zoltán Molnár: PREP 3 16 th International Symposium, Exhibit, Workshops on Preparative / Process Chromatography [85] Nagy M., Molnár Z., Szánya T., Hanák L., rgyelán J., Ravasz., Turza G., ranyi., Temesvári K.: Magyar Kémiai Folyóirat 111- (5) [86] Z. Molnár, M. Nagy,. ranyi, L. Hanák, T. Szánya, J. rgyelán: Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 3. pp (4) [87] Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, rgyelán János, Ravasz ernadett, ranyi ntal, Temesvári Krisztina: Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém, 3. [88] M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. rgyelán, T. Szánya,. Ravasz,. ranyi, K. Temesvári: CHROMTOGRPHI, 6 (4) [89] Z. Molnár, M. Nagy,. ranyi, L. Hanák, J.rgyelán, I. Pencz, T. Szánya: Journal of Chromatography, 175, 1- (5), [9] M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. rgyelán, T. Szánya,. ranyi, K. Temesvári: Sixth International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe and the Commonwealth of Independent States, Prague, 3 1

122 [91] M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. rgyelán, T. Szánya,. ranyi, K. Temesvári: 5 th alaton Symposium on High Performance Separation Methods held in Siófok, Hungary, 3 [9] Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, rgyelán János, Ravasz ernadett, ranyi ntal, Temesvári Krisztina: Mőszaki Kémiai Napok, Veszprém, 4 [93] M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. rgyelán, T. Szánya,. Ravasz, G. Turza,. ranyi, K. Temesvári: Hungarian Journal of Industrial Chemistry 3 (4) 3-31 [94] Z. Molnár, M. Nagy, L. Hanák, T. Szánya,J. rgyelán: CHROMTOGRPHI, 6 (4) 75-8 [95] M. Nagy, T. Szánya, Z. Molnár, G. Turza, G. Gál, L. Hanák, J. rgyelán,. ranyi, K. Temesvári and Z. Horváth: Hungarian Journal of Industrial Chemistry 34 (6) 1-6 [96] K. Temesvári,. ranyi, Z. Horváth, M. Nagy, T. Szánya, L. Hanák, J. rgyelán, and Z. Horváth: Hungarian Journal of Industrial Chemistry 34 (6) 15- [97] Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, rgyelán János, Ravasz ernadett, Turza Gergely, ranyi ntal, Temesvári Krisztina: Elválasztástudományi Vándorgyőlés, Hévíz 4 [98] Tibor Szánya, ntal ranyi, Melinda Nagy, László Hanák, Zoltán Molnár, János rgyelán, Krisztina Temesvári: PREP 5 18 th International Symposium, Exhibit, Workshops on Preparative / Process Chromatography, 5, US Szabadalmak [99] Szánya Tibor, Hanák László, Kozma Gábor, Németh ttila, Fónagy László, Kardos Zsuzsanna, Szabó Tibor, Vajda Ervin, Horváth Géza, Szabóné Ravasz ernadett, Strbka ndrásné, Nagy Melinda, Molnár Zoltán: P /5 Eljárás optikai izomerek folyadékkromatográfiás elválasztására Magyar szabadalmi bejelentés [1] Szánya Tibor, Hanák László, Kozma Gábor, Németh ttila, Fónagy László, Kardos Zsuzsanna, Szabó Tibor, Vajda Ervin, Horváth Géza, Szabóné Ravasz ernadett, Strbka ndrásné, Nagy Melinda, Molnár Zoltán: WO 7/ PCT/HU/6/15 Process for separation of optical isomers of Corey lactone Nemzetközi szabadalmi bejelentés 11

123 Tézisek 1. tézis szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiás mővelet különbözı módszereit tanulmányoztam, különös tekintettel a változó eluens összetételő SM módszerre. Mindegyik módszer során az optimális mőveleti paraméterek megállapítása volt a cél, melyek az ipari követelményeknek megfelelnek ( komponens tisztasága >99,9 % m/m, komponens kihozatala > 9 %). mővelet végrehajtására kézi vezérléső négy oszlopos SM berendezést terveztem és készíttettem. méréseket egy olyan kétkomponenső, nem izomer szteroid keverék esetében végeztem el, ahol a komponensek aránya : 8: m/m% volt.. tézis Munkám elsı lépéseként illetve a készülék üzembe helyezéseként a szétválasztandó, szteroid keverék betáplálási koncentrációját növelve azt tapasztaltam, hogy a koncentrációfüggı Morbidelli háromszög jelentısen módosul (szőkül). Nagyobb betáplálási koncentráció esetén csökkenteni kell a betáplálás térfogati sebességét, hogy a munkapont a Morbidelli háromszögön belül helyezkedjen el és így mindkét komponens tisztán kinyerhetı legyen. z elsı SM kísérletek alapján megállapítottam, hogy a mért és az alkalmazott szimulációs modellel kapott eredmények igen jó egyezést mutatnak, így a modell jól használható a további feladatok megoldásához. 3. tézis szimulációs vizsgálatok eredményei alapján kiválasztott kísérletek során a változó eluens összetételő azaz gradiens SM mővelet vizsgálatakor megállapítottam, hogy a friss eluens összetételét változtatva mely oldószer összetétel tartomány tekinthetı mőszaki optimumnak. kísérletek alapján a következı tapasztalatokat vontam le: 3.1. z aceton koncentráció növelése (diklór-metán mellett a friss eluensben (D) a szétválasztandó elegy (F) aceton összetételéhez képest) a Morbidelli tartományok (háromszög) mozgását eredményezi. ceton koncentráció növelésével a Morbidelli háromszög az m III = (y), m II = (x) diagramon az y = x diagonális mentén az origó y = x = felé mozdul el. z aceton koncentráció csökkentésével a háromszög mozgása ellentétes irányú. 1

124 munkapontnak (m II, m III ) a tartományok mozgása miatt nem kell szükségképpen a háromszögön belül lennie. Ekkor is elérhetı, hogy a terméktisztaság nagyobb, mint 99,9 % m/m és a komponens kihozatala nagyobb, mint 9%. 3.. megemelt koncentrációjú aceton segíti az komponens deszorpcióját az I. szegmensben. friss eluens (minimális) mennyisége (D min )1- %-kal csökkenthetı az izokratikus esethez képest gradiens kialakításakor a komponensek oldhatósági adatára is tekintettel kell lennünk. Például RG-14 komponensek diklór-metánban igen jól oldódnak, míg acetonban rosszul oldhatók SM szeparáció (zárt kör) esetén az oszlopok I., II., III., IV. hossza mentén jelentıs aceton koncentráció eloszlás alakul ki a kapcsolás elıtt, melyet az aceton saját gradiensének neveztem el. z általam felismert zárt eluens körő SM mővelet esetén létezı saját gradiens jelenségét ez ideig a szakirodalomban nem írták le. 4. tézis gradiens SM tanulmányozni. vizsgálata mellett lehetıségem nyílt egyéb SM technikákat is 4.1. modulált betáplálás (dinamikus SM) alkalmazásával, azaz a szétválasztandó elegy betáplálási térfogati sebességének idıbeli változtatásával javítható a raffinátum, illetve extraktum összetétel. Ezzel a módszerrel egyrészt a bevitt anyag mennyiségét meg tudtam növelni, másrészt az eddigi mérésekhez képest jelentıs termelékenység növekedést és eluens fajlagos csökkenést értem el. 4.. z eddigi SM szeparációk során, illetve a számítógépi szimulációk eredményei alapján megállapítottam, hogy a körülbelül 4:1 = : arányú keverék és K < K reláció miatt a komponensnek a lehetı legnagyobb helyet kell biztosítani az oszlopok (szegmensek) hossza mentén. Négy szegmenses rendszerben erre lehetıség van úgynevezett 1:1:: = I:II:III:IV oszlop (szegmens) konfigurációjú, nyitott eluenskörő SM mővelet kialakításával. 13

125 Ez az oszlopkonfiguráció leegyszerősíti a mőveletet, mert nincs eluens recirkuláció, így a paramétereknek egy Morbidelli-kritériummal kevesebbnek kell megfelelnie. További elınye, hogy csak három szivattyú szükséges a mőködtetéshez. z extraktum áramának csökkentésével sikerült a termelékenység megtartása mellett a felhasznált eluens mennyiségét csökkentenem Végsı feladatként a kapcsolási idı csökkentését vizsgáltam az elıírt követelmények betartása és a fajlagosok javítása mellett. Ennek eléréséhez figyelni kell a munkapont elhelyezkedésére. kapcsolási idı csökkentésével a komponensre a termelékenységet hétszeresére tudtam növelni míg a friss eluens felhasználást a felére csökkenteni mind a peparatív HPLC méréshez, mind a többi SM méréshez képest. 14

126 Theses Thesis 1 I studied different methods of the simulated moving bed preparative chromatography, focusing on the solvent compound changing SM method. In case of each method the goal was to define the optimal operational parameters, which met the industrial requirements (purity of the component >99,9 % m/m, yield of the component > 9 %). To accomplish the process I planned a manually operated four-column SM equipment and had it constructed. During the separation I used a non-isomer steroid mixture, where the composition of the compounds were : 8: m/m%. Thesis In the first step and during the equipment set in operation I increased the feed concentration of the steroid mixture, and I observed that the concentration dependent Morbidelli-triangle was modifying significantly (narrowing). Using higher feed concentration it was necessary to decrease feed flow rate for positioning the work point inside the Morbidelli-triangle, and for obtaining both components pure. The first SM experimental data were compared to the results of computer simulation and agreed well with each other. The consequence is that the simulation model proved to be applicable for further process design. Thesis 3 I selected a few experiments according to the results of the simulation and determined the technical optimum in gradient SM method, changing the fresh eluent compounds concentration. ccording to the experiments I drew the next conclusions: Increase of the acetone concentration results the movement of the Morbidelli-triangle. The increasing concentration of the acetone moves the Morbidelli-triangle on the m III = (y), m II = (x) diagram toward to the origo (y =x=), along the diagonal y =x. Decreasing acetone concentration the Morbidelli-triangle moves in opposite direction. The work points (m II, m III ) must not necessarily be inside the triangle area, because the triangle moves along the diagonal. Even in such cases can be reached for the purity of the component >99,9 % m/m, for the yield of the component > 9 %. 15

127 3.. The increased concentration of the acetone helps the desorption of the component in segment I. The minimal quantity of the fresh eluent (Dmin) can be decreased by 1-% compared to the isocratic case While determining gradient concentration, solubility of the components must be taken into consideration. For example, RG-14 components dissolve well in dichloromethane, and weakly in acetone. (These considerations can prehelp the increase of the operational specifics, e.g. P, P productivities) In case of SM separation (closed loop) the concentration of acetone is changing significantly before the switching time along the lengths of the columns. I denominated it self-gradient of acetone. This self-gradient phenomenon has not been published in the scientific literature so far. Thesis 4 I have had opportunities to analyze different SM techniques over the gradient SM pplication of modulated feed (dynamic SM, the flow rate of the feed to be separated is changing in time), improves the purity of the raffinate and extract streams. y this method I was able to increase the quantity of the feed, and I achieved significantly higher productivity and lower fresh eluent consumption compared to the previous measurements. 4.. I concluded from the results of the SM separations and computer simulations, that the biggest possible space had to be assured for the component along the length of the columns to fulfill approximately 4:1=: ratio and K < K relation. In a four segmented system the biggest possible space can be reached with 1:1::=I:II:III:IV opened loop column configuration. 16

128 This column configuration simplifies the operation, as there is no eluent recirculation, and the parameters have to fulfill one less Morbidelli criteria. nother advantage is that operation requires only three pumps. I could reduce the fresh eluent consumption beside given productivity by extract flow rate reduction In the final task I studied the possibility of the reduction of the switching time beside prescribed requirements while improving the specifics. For the above purpose the work point has to be determined well. Comparing the productivity of component of preparative HPLC measurements to other SM measurements by the reduction of switching time it was increased with 7 %, and the consumption of fresh eluent was decreased with 5%. 17

129 Függelék 18

130 szimulált mozgóréteges kromatográfia elméleti ciklusa Függelék 1.a 19

131 szimulált mozgóréteges kromatográfia elméleti ciklusa Függelék 1.b 13

132 SM KROM-N szoftver, zárt eluenskör SM KROM-N szoftver, nyitott eluenskör Függelék. 131