Doktori (PhD) értekezés tézisei VÁLTOZÓ ELUENS ÖSSZETÉTELŰ SZIMULÁLT MOZGÓRÉTEGES (SMB) PREPARATÍV FOLYADÉKKROMATOGRÁFIÁS MŰVELET VIZSGÁLATA

Átírás

1 Doktori (PhD) értekezés tézisei VÁLTOZÓ ELUENS ÖSSZETÉTELŰ SZIMULÁLT MOZGÓRÉTEGES (SMB) PREPARATÍV FOLYADÉKKROMATOGRÁFIÁS MŰVELET VIZSGÁLATA Írta Nagy Melinda Témavezetők Dr. Szánya Tibor Dr. Horváth Géza Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Tudományok Doktori Iskola Veszprém 2009

2 ELŐZMÉNYEK, CÉLKITŰZÉSEK A gyógyszer hatóanyagok nagy tisztaságban történő előállítása napjainkra alapkövetelménnyé vált. A szigorú minőségi előírások teljesíthetősége miatt egyre fontosabbá és elterjedtebbé válnak a kromatográfiás elválasztási és tisztítási műveletek, azaz a szakaszos preparatív folyadékkromatográfia (HPLC), illetve a folyamatos szimulált mozgóréteges folyadék-kromatográfia (SMB). Az SMB ipari megvalósítások korábban szinte kizárólag a hagyományos izokratikus módszert alkalmazták, a közelmúltban azonban jelentős eredmények születtek a művelet továbbfejlesztése tekintetében. Az egyik legnagyobb hazai gyógyszer előállítással és hatóanyag kutatással foglalkozó cég a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. A vállalat az új hatóanyagok kifejlesztésénél és azok előállításánál felhasználja a legújabb vegyipari műveleti megoldásokat is. A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. a Pannon Egyetem Vegyipari Műveleti Intézeti Tanszékével illetve a Kaposvári Egyetem Informatika Tanszékével közösen pályázatot nyújtott be a Széchenyi Terv Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Program 2002 keretében az Oktatási Minisztériumba Új hulladékszegény kromatográfiás eljárások bevezetése a gyógyszeriparban címmel, mely pályázat sikeres volt. A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. a Pannon Egyetem Vegyipari Műveleti Tanszékét bízta meg azzal a feladattal, hogy egy kétkomponensű szteroid elegy szétválasztását dolgozza ki szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiás módszerrel, szilikagél adszorbenst és aceton, diklór-metán eluenst alkalmazva. A kutatás következő szakasza olyan üzemviteli paraméterek kiválasztása volt, amelynél az ipari megvalósítás gazdaságilag és minőségi szempontok figyelembevételével a legjobb feltételekkel rendelkezik. Az SMB téma jelenlegi iránya a gradiens SMB, ahol igen lényeges a gradiensképző oldószer komponens koncentráció változása az SMB készülék egyes szegmenseiben. Az oldószeres gradiens elúciós SMB kromatográfiás eljárás, mint lehetséges szétválasztási módszer alkalmazásával egy megfelelő tulajdonságokkal rendelkező rendszernél megkereshető az optimális üzemeltetési pont, ahol az elválasztás megfelelő és a szétválasztás megvalósításához a lehető legkevesebb friss oldószert kell a rendszerbe betáplálni és emellett a termelékenység is a lehető legnagyobb. Rendszerünkben a gradiens alkalmazása megvalósíthatónak tűnt, mert az izokratikus mérések vizsgálatakor kiderült a rendszernek 1

3 az a sajátossága, hogy a berendezés hossza mentén, az elválasztásnál használt oldószer, az aceton koncentráció eloszlása nem egyenletes, az acetonnak saját gradiense van. A doktori értekezés erre a problémára keres megoldást, megvizsgálva a rendszert számítógépes szimulációval, illetve laboratóriumi berendezés segítségével kísérleti úton. A munka során nagy segítséget nyújtottak a rendelkezésre álló szimulációs szoftverek, melyekkel számos anyagáram rendszerre végeztem el szimulációkat. Az adszorpciós modell kompetitív Langmuir-izotermát vett alapul. A szoftver kiszámolja a koncentrációkat az idő és a hely függvényében is, a kiszámolt eredményeket pedig állományokban tárolja el. A program képes egy maximálisan 20 oszlopból álló oszloprendszer adatait kiszámolni, lineáris, kompetitív Langmuir-, és kompetitív bi-langmuir-izotermákat alkalmazva. A legjobbnak ígérkező beállításokkal SMB méréseket végeztem. A doktori értekezés témája keretében egy kétkomponensű szteroid elegy szétválasztását vizsgáltam. A két szteroid B a kevésbé kötődő, A az erősebben kötődő szteroid elválasztási tényezője α = 2,18 megfelelő, ezért a szétválasztás szimulált mozgóágyas kromatográfiás eljárással igen jól megvalósítható. A komponensek aránya A:B 20:80 m/m% volt. Lépcsős friss oldószer gradiens alkalmazásával próbáltam a szétválasztási műveletet javítani. Rendszerünkben az aceton a szilikagél tölteten adszorbeálódik és ez befolyásolja a szétválasztandó komponensek és az aceton összetételét a fluid fázisban. Az aceton a legjobban kötődő komponens, ezért koncentrációjának növelése elősegíti a jobban kötődő A komponens deszorpcióját, így könnyebbé teszi a szétválasztást. A probléma vizsgálatának oka ezért két részből áll: a) Esetleges optimalizálási szélsőérték keresése a rendszerben, amely technikailag is megvalósítható és gazdaságilag is érdemes vele foglalkozni. b) A rendszer oldószer-összetételre, mint üzemi paraméterre való érzékenységének vizsgálata. Az a) esetben csökkentett friss oldószer-mennyiség igény és a töményebb termékek előállítása miatt érdemes a problémával foglalkozni. A b) esetben pedig fény derülhet olyan problémára, amely esetleg az üzemeltetést veszélyezteti. A B A cél olyan rendszer tervezése volt, amellyel a szétválasztás a lehető legkisebb költséggel megoldható a szteroid elegy kevésbé kötődő komponensének ( B ) 99,9 m/m%-nál nagyobb tisztaságban történő kinyerése, illetve 90 %-nál nagyobb kihozatal mellett. Az elválasztási feladat ipari jelentőségű. KÍSÉRLETI ÉS ÉRTÉKELÉSI MÓDSZEREK Adszorpciós egyensúlyi adatok mérése Az adszorpciós egyensúlyi adatokat a Richter Gedeon Preparatív Kromatográfiás Osztályán mérték. A mérést analitikai HPLC-vel végezték YMC S-50 szilikagél és diklór-metánaceton eluens esetén többlépcsős frontális telítési módszert alkalmazva. Az egyes koncentrációkhoz tartozó pontok mérését megismételve, azok jó egyezést mutattak. A mérési pontokra Langmuir modellt illesztve, a kapott diagramokból meghatározott Langmuir állandókat a szimulációk során használtam fel. NTP, HETP mérések NTP, HETP meghatározás során 1:1 v/v% diklór-metán:aceton eluensben YMC S-50 szilikagéllel töltött oszlopon, 300 nm hullámhosszon detektáltam diklór-metán, illetve 2 v/v% aceto-fenon eluensben bemeneti impulzusok változását. A tartózkodási idő sűrűségfüggvényeket háromszögelési módszerrel értékeltem. A modellezési számításoknál használtam fel az NTP-HETP értékeket, melyeket az SMB készülék egyik oszlopán (d b =1 cm) mértem 0-14 cm 3 /min térfogati sebesség tartományban. Frontális adszorpciós-elúciós mérés A frontális adszorpció során 5 g (A+B)/dm 3 eluens (1:1 v/v% diklór-metán:aceton) koncentrációjú elegyet vezettem a YMC S-50 szilikagéllel töltött oszlopra adott ideig, 2 3

4 majd az oszlopra tiszta eluenst áramoltattam. Az oszlopból kilépő folyadékot 0 C-ra hűtött mintavevőkbe gyűjtöttem, koncentrációjukat analitikai gázkromatográfiás méréssel határoztam meg. A frontális adszorpciós-elúciós mérést a számítógépi programmal szimuláltam, ahol a szteroid koncentrációk változása mellett az aceton koncentráció változásait is számítottam. A frontális adszorpciós-elúciós mérés eredménye jó egyezést mutat a szimuláció lefutásával. SMB készülék tervezése, készítése és üzembehelyezése A kísérletek elvégzéséhez egy négyoszlopos, négyszegmenses, nyitott eluenskörrel rendelkező SMB preparatív folyadékkromatográfiás berendezést kellett tervezni, melyet a Pannon Egyetem Központi Gépműhelyében készítettek el. Az értékelés során ábrázoltam a raffinátum és az extraktum áramokban az egyes komponensek és az aceton koncentrációját az idő függvényében. Az utolsó két kapcsolás után, mivel itt már láthatóan beállt a rendszer kvázistacioner állapota, ábrázoltam mindkét áramban a koncentrációkat és a tömegszázalékban kifejezett tisztaságot az adott komponensre vonatkoztatva. Az első SMB kísérletek alapján megállapítottam, hogy a mért és az alkalmazott szimulációs modellel számított eredmények egyezése igen jó, így a modell jól használható a vizsgált elválasztási feladat folyamattervezésére és a közel optimális üzemeltetési paraméterek meghatározására. A raffinátumban és extraktumban elvezetett komponensekre kiszámítottam a műveletre jellemző fajlagos paramétereket (termelékenység, fajlagos oldószer-fogyasztás, kihozatal), az előírt tisztasági követelmény betartása mellett. Laboratóriumi méretű SMB kísérletek Kezdeti szimulációkkal megállapítottam a számomra legkedvezőbb mérési paramétereket, térfogatáramokat mind a termék követelményeire, mind a mérés gazdaságos működésére (maximális termelékenység, minimális eluens felhasználás) vonatkozóan. Morbidelli háromszög elméletének alkalmazásával, valamint az elvégzett számítógépes szimulációs vizsgálatok alapján a kiválasztott műveleti paraméterekkel SMB kísérleteket hajtottam végre. Vizsgáltam a szétválasztandó szteroid elegy koncentrációjának növelését 5 g/dm 3 -ről 10, 20, 30, 40 és 50 g/dm 3 értékre. Megvizsgáltam a friss eluens diklór-metán:aceton öszetétel változtatás hatását a raffinátum és extraktum összetételére 5 g/dm 3 betáplálási koncentráció esetén. Különböző SMB technikákat tanulmányoztam, mint például a modulált betáplálás (dinamikus SMB), amikor a szétválasztandó elegy betáplálási térfogati sebessége időben változik. Vizsgáltam a nyitott eluenskörű SMB műveletet, 1:1:2:0 = I:II:III:IV oszlop konfiguráció esetén. Ezt követően a kapcsolási idő csökkentését vizsgáltam az előírt követelmények betartása és a fajlagosok javítása mellett. ÚJ KUTATÁSI EREDMÉNYEK 1. tézis A szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiás művelet különböző módszereit tanulmányoztam, különös tekintettel a változó eluens összetételű SMB módszerre. Mindegyik módszer során az optimális műveleti paraméterek megállapítása volt a cél, melyek az ipari követelményeknek megfelelnek ( B komponens tisztasága > 99,9 m/m%, B komponens kihozatala > 90 %). A művelet végrehajtására kézi vezérlésű négy oszlopos SMB berendezést terveztem és készíttettem elsőként Magyarországon. A méréseket egy olyan kétkomponensű, nem izomer szteroid keverék esetében végeztem el, ahol a komponensek aránya B:A 80:20 m/m% volt. 2. tézis Munkám első lépéseként illetve a készülék üzembe helyezéseként a szétválasztandó A, B szteroid keverék betáplálási koncentrációját növelve azt tapasztaltam, hogy a koncentrációfüggő Morbidelli háromszög jelentősen módosul (szűkül). Nagyobb betáplálási koncentráció esetén csökkenteni kell a betáplálás térfogati sebességét, hogy a 4 5

5 munkapont a Morbidelli háromszögön belül helyezkedjen el és így mindkét komponens tisztán kinyerhető legyen. Az első SMB kísérletek alapján megállapítottam, hogy a mért és az alkalmazott szimulációs modellel kapott eredmények igen jó egyezést mutatnak, így a modell jól használható a további feladatok megoldásához. 3. tézis A szimulációs vizsgálatok eredményei alapján kiválasztott kísérletek során a változó eluens összetételű azaz gradiens SMB művelet vizsgálatakor megállapítottam, hogy a friss eluens összetételét változtatva mely oldószer összetétel tartomány tekinthető műszaki optimumnak. A kísérletek alapján a következő tapasztalatokat vontam le: 3.1. Az aceton koncentráció növelése (diklór-metán mellett a friss eluensben (D) a szétválasztandó elegy (F) aceton összetételéhez képest) a Morbidelli tartományok (háromszög) mozgását eredményezi. Aceton koncentráció növelésével a Morbidelli háromszög az m III = (y), m II = (x) diagramon az y = x diagonális mentén az origó y = x = 0 felé mozdul el. Az aceton koncentráció csökkentésével a háromszög mozgása ellentétes irányú. A munkapontnak (m II, m III ) a tartományok mozgása miatt nem kell szükségképpen a háromszögön belül lennie. Ekkor is elérhető, hogy a terméktisztaság nagyobb, mint 99,9 m/m% B és a B komponens kihozatala nagyobb, mint 90 % A megemelt koncentrációjú aceton segíti az A komponens deszorpcióját az I. szegmensben. A friss eluens (minimális) mennyisége (D min )10-20 %-kal csökkenthető az izokratikus esethez képest A gradiens kialakításakor a komponensek oldhatósági adatára is tekintettel kell lennünk. Például RG-1040 komponensek diklór-metánban igen jól oldódnak, míg acetonban rosszul oldhatók SMB szeparáció (zárt kör) esetén az oszlopok I., II., III., IV. hossza mentén jelentős aceton koncentráció eloszlás alakul ki a kapcsolás előtt, melyet az aceton saját gradiensének neveztem el. Az általam felismert zárt eluens körű SMB művelet esetén létező saját gradiens jelenségét ez ideig a szakirodalomban nem írták le. 4. tézis A gradiens SMB vizsgálata mellett lehetőségem nyílt egyéb SMB technikákat is tanulmányozni A modulált betáplálás (dinamikus SMB) alkalmazásával, azaz a szétválasztandó elegy betáplálási térfogati sebességének időbeli változtatásával javítható a raffinátum, illetve extraktum összetétel. Ezzel a módszerrel egyrészt a bevitt anyag mennyiségét meg tudtam növelni, másrészt az eddigi mérésekhez képest jelentős termelékenység növekedést és eluens fajlagos csökkenést értem el Az eddigi SMB szeparációk során, illetve a számítógépi szimulációk eredményei alapján megállapítottam, hogy a körülbelül 4:1 = B:A arányú keverék és K B < K A reláció miatt a B komponensnek a lehető legnagyobb helyet kell biztosítani az oszlopok (szegmensek) hossza mentén. Négy szegmenses rendszerben erre lehetőség van úgynevezett 1:1:2:0 = I:II:III:IV oszlop (szegmens) konfigurációjú, nyitott eluenskörű SMB művelet kialakításával. Ez az oszlopkonfiguráció leegyszerűsíti a műveletet, mert nincs eluens recirkuláció, így a paramétereknek egy Morbidelli-kritériummal kevesebbnek kell megfelelnie. További előnye, hogy csak három szivattyú szükséges a működtetéshez. Az extraktum áramának csökkentésével sikerült a termelékenység megtartása mellett a felhasznált eluens mennyiségét csökkentenem Végső feladatként a kapcsolási idő csökkentését vizsgáltam az előírt követelmények betartása és a fajlagosok javítása mellett. Ennek eléréséhez figyelni kell a munkapont elhelyezkedésére. A kapcsolási idő csökkentésével a B komponensre a termelékenységet hétszeresére tudtam növelni míg a friss eluens felhasználást a felére csökkenteni mind a peparatív HPLC méréshez, mind a többi SMB méréshez képest. 6 7

6 A TÉMÁHOZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE Előadások Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, április Szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás műveletek vizsgálata Molnár Zoltán, Nagy Melinda, Hanák László, Szánya Tibor, Argyelán János VEAB Ipari Biotechnológiai Munkabizottsági Ülés, Veszprém, május 14. Szerves vegyületek szeparációja szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás művelettel Bernadett, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina Elválasztástudományi Vándorgyűlés, Hévíz szeptember Szerves vegyületek elválasztása háromszegmenses szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás művelettel Bernadett, Turza Gergely, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina Ünnepi VMMB ülés, december 7. Szerves vegyületek elválasztása három szegmenses szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás művelettel Bernadett, Turza Gergely, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina Poszterek Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, április Kislaboratóriumi méretű szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás készülék vizsgálata Bernadett, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina 8 6 th International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe and the Commonwealth of Independent States, Prague 1-4, September, 2003 Study of a Simulated Moving Bed (SMB) Preparative Liquid Chromatographic Appliance and Technology M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. Argyelán, T. Szánya, A. Aranyi, K. Temesvári 5 th Balaton Symposium on High Performance Separation Methods held in Siófok, Hungary, 3-5 September 2003 Separation of Organic Compounds by Simulated Moving Bed (SMB) Preparative Liquid Chromatographic Technology M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. Argyelán, T. Szánya, A. Aranyi, K. Temesvári Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, április Oldószergradiensek vizsgálata szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiás művelettel Bernadett, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina PREP th International Symposium, Exhibit, Workshops on Preparative / Process Chromatography, May 23 May 26, 2004 Baltimore, MD, USA Separation of Amino-acids with Simulated Moving Bed Chromatography Tibor Szánya, Antal Aranyi, Zoltán Molnár, László Hanák, Melinda Nagy, János Argyelán, István Pencz PREP th International Symposium, Exhibit, Workshops on Preparative / Process Chromatography, May 8 May 11, 2005 Philadelphia, PA, USA Separation of Organic Compunds by Simulated Moving Bed Chromatography Tibor Szánya, Antal Aranyi, Melinda Nagy, László Hanák, Zoltán Molnár, János Argyelán, Krisztina Temesvári 9

7 Közlemények CHROMATOGRAPHIA, Vol. 60, Suppl. (2004) PP. S181-S187 Separation of Organic Compounds by Simulated Moving Bed Preparative Liquid Chromatography M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. Argyelán, T. Szánya, B. Ravasz, A. Aranyi, K. Temesvári CHROMATOGRAPHIA, Vol. 60, Suppl. (2004) PP. S75-S80 Simulated Moving-Bed Liquid Chromatography with Three Zones for Continuous Desalting of Organic Compounds Z. Molnár, M. Nagy, L. Hanák, T. Szánya, J. Argyelán Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 32. pp (2004) Study of Open-looped Simulated Moving Bed (SMB) Chromatographic Process M. Nagy, Z. Molnár, L. Hanák, J. Argyelán, T. Szánya, B. Ravasz, G. Turza, A. Aranyi, K. Temesvári Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 32. pp (2004) Investigation of ReversePhase SMB-chromatographicBioseparations of Amino Acid Aqueous Solutions Z. Molnár, M. Nagy, A. Aranyi, L. Hanák, T. Szánya, J. Argyelán Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 34. pp (2006) Separation of Organic Compounds by Gradient Simulated Moving Bed Chromatography M. Nagy, T. Szánya, Z. Molnár, G. Turza, G. Gál, L. Hanák, J. Argyelán, A. Aranyi, K. Temesvári and Z. Horváth Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 34. pp (2006) Quasi-Continuous Elution Chromatographic Purification of a Steroid Active Compound Temesvári K, Aranyi A, Horváth Z, Nagy M, Szánya T, Hanák L Díjak 6 th International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe, Prága (2003) Harmadik díj a Student Scholarship kategóriában 5 th Balaton Symposium on High Performance Separation Methods held in Siófok, Hungary (2003) Best Poster Award Magyar Kémiai Folyóirat. Vol (2005), Szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás művelet vizsgálata laboratóriumi méretű négyoszlopos készülékkel Bernadett, Turza Gergely, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina Journal of Chromatography A, Vol. 1075, Issues 1-2 (2005), Separation of Amino Acids with Simulated Moving Bed Chromatography Z. Molnár, M. Nagy, A. Aranyi, L. Hanák, J.Argyelán, I. Pencz, T. Szánya 10 11