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