Doktori (PhD) dolgozat tézisei A M I N O S A V A K E L V Á L A S Z T Á S Á NAK É S T I S Z T Í T Á S Á N A K V I Z S G Á L A T A S Z I M U L Á L T M O Z G Ó R É T E G E S P R E P A R A T Í V F O L Y A D É K - K R O M A T O G R Á F I Á S M ŰV E L E T T E L Í r t a M o l n á r Z o l t á n T é m a v e z e t ő D r. S z á n y a T i b o r D r. H a n á k L á s z l ó P a n n o n E g y e t e m V e g y é s z m é r n ö k i és Anyagt u d o m á n y o k Doktori I s k o l a K é s z ü l t A P a n n o n E g y e t e m V e g y i p a r i M űv e l e t i T a n s z é k é n V e s z p r é m, 2 0 0 9
Előzmények, célkitűzés A Pannon Egyetem (korábban Veszprémi Egyetem) Vegyipari Műveleti Tanszékén a 90-es évek végétől eredményes kutatások folynak szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiás műveletek területén. Ezen műveletek elsősorban a klasszikus vegyipari műveletekkel csak nehezen szétválasztható anyagok és/vagy nagytisztaságú anyagok kinyerésére, tisztítására alkalmazhatók előnyösen, különösen abban az esetben, ha kétkomponensű vagy kromatográfiás szempontból kétkomponensűnek tekinthető elegyek frakcionálása a feladat. A téma előzményeihez tartozik továbbá a Tanszék másik kutatási területe, melynek során a Pécsi Bőrgyárral és a REANAL Finomvegyszergyárral közösen bőrgyári hulladékok hidrolízises feldolgozásával és aminosavak kinyerésével foglakoztak. Ezen munka célja SMB preparatív folyadékkromatográfiás művelet tervezésének, optimálásának vizsgálata aminosavat tartalmazó vizes fázisú oldatok elválasztásához. Az SMB a szimulált mozgóágy angol nyelvű rövidítése, ami a kromatográfiás szilárd fázis nem valós, hanem szimulált mozgatását jelenti. Ez a több kromatográfiás oszlopból álló rendszernél azt jelenti, hogy a friss eluens, a szétválasztandó oldat, a két termékáram és a recirkulált eluens betáplálása, ill. elvétele a megfelelő pontokon történik és ezeket a pontokat adott időközönként megváltoztatjuk. A paraméterek műveleti jellemzőkre gyakorolt hatása kísérletileg a szétválasztandó anyagi rendszer egyszerűsítésével könnyebben megfigyelhető. Kétkomponensű aminosav-oldat elválasztásának, illetve vizes aminosav-oldat sómentesítésének vizsgálatát tűztem ki célul. Modell rendszerként a szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfia műveleti tanulmányozásához fenilalanin-glicin vizes oldatot használtam. Az elválasztás jellemzőit (szelektivitási tényező, kapacitási tényező) fordított fázisú, hidrofób (poliaromás sztirol-divinilbenzol) és gyengén poláris (polimetakrilát) adszorbens gyantákon vizsgáltam. Az elválasztáshoz legelőnyösebb gyanta kiválasztása után minden esetben Morbidelli egyensúlyi háromszög-módszerével számítottam az SMB művelet kezdeti paramétereit. A térfogatáramok és a taktusidő optimálását számítógépi szimulációval végeztem. Az SMB művelet alkalmazását a következő 3 fő témában vizsgáltam: fenilalanin sómentesítése, fenilalanin-glicin elválasztás és fenilalanin-glicin elválasztás sógradienssel. 1
Kísérleti és vizsgálati módszerek Előzetes mérések: A szétválasztáshoz legelőnyösebb adszorbens gyanta kiválasztását kis mennyiségű gyantákon, kisméretűkromatográfiás oszlopon (L=130 mm D=13 mm) a szétválasztandó oldat (fenilalanin-nacl, fenilalanin-glicin és fenilalanin-glicin-nacl) frontális adszorpciós-deszorpciós ciklusával végeztem. Ennek a módszernek az előnye, hogy az SMB egyes zónáiban is ugyanazok a folyamatok játszódnak le, ezért a töltet az adszorpciós és a deszorpciós görbék elemzésével közvetlenül kiválasztható. Fenilalanin sómentesítéséhez és fenilalanin-glicin sógradienses elválasztásához DIAION HP 20 töltetet, a fenilalanin-glicin elválasztásához SEPABEADS SP 825 töltetet választottam. A kiválasztott tölteten az egyensúlyi adszorpciós izotermák mérését kisméretű oszlopon frontális és többlépcsős frontális módszerrel végeztem. Az izotermákat különböző nátrium-klorid koncentrációknál, és magasabb hőmérsékleten (60 C-on) is mértem. A szimulációs szoftver tartalmazza az egyensúlyi adatokat. A töltetjellemzőket-elméleti tányérszám (tányérmagasság) az áramlási sebesség függvényében és összporozitás-nacl ill. Na 2 SO 4 -adszorpciós szempontból inert-sókkal mértem injektálásos technikával. A szimulációs szoftver tartalmazza az elméleti tányérszámot (SMB zónánként azonos számban) -egyensúlyi egységként számol vele. SMB kísérletek: A kísérletekhez egy kislaboratóriumi 6 oszlopos és egy félpreparatív 4 oszlopos SMB készüléket terveztünk és építettünk. A félpreparatív méretű készülék a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár NyRt. és az NKFP- 3A/0047/2002 Széchenyi Terv nemzeti kutatási és fejlesztési programjának támogatásával készült, és második ütemben a berendezés automatizálását is megvalósítottuk (ld. 1. ábra). 2
1. ábra 4 oszlopos nagylaboratóriumi méretű SMB készülék kézi- ill. ugyanaz a készülék automatizált és termosztált változatban Mindkét készülék alkalmazható 4 zónás és 3 zónás nyitott üzemmódban is. Vizesfázisú oldatokat-ahol kevésbé gazdaságossági szempont az oldószer visszanyerése-vizsgálva célszerű volt 3 zónás nyitott üzemmódú SMB művelet tervezése. A kislaboratóriumi készüléknél a fenilalanin koncentrációt UV-VIS spektrofotometriás detektorral, a NaCl-koncentrációt vezetőképességmérővel, átfolyós rendszerben on-line regisztráltam. A fenilalanint és glicint a termékáramokból frakciót szedve aminosav analizátorral is mértem. A nagylaboratóriumi készülék termékeiből taktusonként átlagmintát vettem és ezekből aminosav analizátorral mértem a fenilalanin és a glicin koncentrációját. Fenilalanin sómentesítése: a 6 oszlopos kislaboratóriumi SMB készüléken vizsgáltam. A Morbidelli módszerrel számított kezdeti térfogatáramok arányos növelésével és ezzel együtt a taktusidő csökkentésével vizsgáltam a termelékenység növelésének lehetőségeit. Fenilalanin - glicin elválasztás: a négyoszlopos félpreparatív készüléken vizsgáltam a taktusidő- az oszlopkonfiguráció változtatást, illetve az SMB első zónájában a fenilalanin deszorpció gyorsítására a hőmérséklet növelését, kihasználva a félpreparatív készülék termosztálhatóságát. 3
Phe, Gly koncentráció (g/dm 3 ) NaCl koncentráció (g/dm 3 ) q (mg Phe/g sz.gyanta). q (mg Gly/g sz.gyanta). Fenilalanin-glicin elválasztás sógradienssel: az izoterma méréseknél az aminosav adszorpció sókoncentrációtól való függését tapasztaltuk polimer adszorbenseken. Nagyobb sókoncentrációhoz meredekebb izoterma tartozik (ld. 2. és 3. ábra). 90 80 70 60 50 2 1,6 1,2 40 0,8 Phe elektrolitmentes, a=34,01 b=0,1621 30 Phe, 0,25M NaCl, a=35,28 b=0,2192 20 Phe, 1M NaCl, a=48,14 b=0,2772 0,4 10 Gly, a=0,5256 b=0,9311 0 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 c (mg aminosav/cm 3 oldat) 2. ábra A fenilalanin sókoncentráció függése Sepabeads SP825 adszorbensen 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 mért Phe számított Phe mért Gly számított Gly mért NaCl számított NaCl 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0 0 100 200 300 400 500 térfogat (cm 3 ) 3. ábra A fenilalanin és a glicin frontális adszorpciós-deszorpciós kísérlete 1M NaCl vizesfázisbeli koncentráció mellett, ill. ennek szimulációja 0,0 4
A sókoncentrációt növelve az SMB harmadik zónájában a fenilalanin áttörése hosszabb ideig tart, így nagyobb mennyiségű vagy nagyobb koncentrációjú szétválasztandó oldattal terhelhető a rendszer, ezáltal nő a termelékenység. Új tudományos eredmények 1. Modell rendszerek alkalmazása aminosav biotechnológiai szeparációhoz: a fenilalanin-nacl kétkomponensű vizes fázisú rendszer jól alkalmazható olyan biotechnológiai szeparációk modellezésére, amelyek során nagy elektrolit koncentrációjú vizes oldatban kis koncentrációjú, nagymolekulájú értékes komponenst kell izolálni. Természetes nyersanyagok-szőr, toll, szaru-savas vagy lúgos hidrolizátumának semlegesítés utáni állapotában hasonlít ehhez a modell rendszerhez. 2. Az aminosavak polimer adszorbens gyantákon megfigyelhető egyensúlyi adszorpciós izotermáinak sókoncentráció függése: a fenilalanin és a glicin adszorpciós egyensúlya a vizsgált polimer adszorbenseken Langmuir-típusú izotermákkal jellemezhető. Vizes oldatban a NaCl-nak, mint ionjaira disszociáló s ónak, a funkciós csoport nélküli adszorbenseken nincs kölcsönhatása, inert jelzőanyagként alkalmazható. Új eredményként megállapítottam, hogy ha a folyadékfázis elektrolitot tartalmaz, akkor a fenilalanin többlet mennyiségben kötők meg ahhoz képest, ha ionmentes vizes fázisból történne az adszorpció. A glicin adszorpcióját nem befolyásolja mérhetően az elektrolit koncentráció. Megállapítható, hogy csak a hidrofób résszel rendelkező aminosav molekuláknál jelentős az adszorpció sókoncentráció függése. Nagyobb koncentrációjú, 60g/l-es sóoldatban HP 20 tölteten kb. 20%-kal nagyobb fenilalanin mennyiség kerül szilárd fázisba. A sókoncentráció gyantatípustól függően a Langmuir izoterma paramétereket különböző mértékben befolyásolja: HP 20 esetén a többlet adszorpció lényegesen nagyobb, mert a sókoncentráció növelésével gyakorlatilag csak a Langmuir-a paraméter növekszik, SP 825 esetében ugyanabban a koncentráció tartományban kisebb a többlet, mert a-b paraméter is nő. 3. A sókoncentráció gradiens hatása az SMB műveletre: A sókoncentráció növelésével megnövekedő kapacitási tényező kihasználható a paramétertervezésnél, ahol az SMB III. zónájában a kapacitás növelése, a jobban kötődő komponens visszatartása előnyös. Fenilalanin-glicin elválasztáskor, a szétválasztandó oldatban kb.60g/l-es sókoncentrációt alkalmazva 200%-os termelékenység növekedés érhető el a fenilalanin-glicin vizes oldatban történő betáplálásához képest. 5
4. A hőmérséklet hatása az SMB műveletre: az SMB szeparációkhoz kiválasztott poliaromás gyanták fenilalaninra vonatkozó igen nagy kapacitási tényezője miatt az SMB paraméterek optimálásánál hátrány, hogy az SMB első zónájának regenerálása nehéz. SMB szeparációnál előnyösebb, ha a kapacitási tényező 10 alatti, lehetőleg 3 és 5 közötti. Megállapítottam, hogy a regeneráltság problémája megoldható a rendszer hőmérsékletének közepes mértékű növelésével, melynek során a kapacitási tényező értéke jelentősen csökken. A hőmérséklet 20 C-ról 60 C-ra történő növelésével a szilárd fázisbeli fenilalanin koncentráció kb. a harmadrészére esik vissza, ezáltal jelentősen javul az SMB I. zóna regenerálhatósága. A glicin is kevésbé adszorbeálódik magasabb hőmérsékleten, de itt a csökkenés kisebb, kb. 33%-os. A 20 C-on mért 30 körüli szelektivitási tényező 60 C-on kb. harmadára csökken, de még mindig bőven elégséges az SMB szeparációhoz. Mivel kevesebb (kisebb térfogatáramú vagy ugyanakkora térfogatáram mellett rövidebb taktusideig adagolt) eluensre van szükség, a Morbidelli kritériumok szerint nagyobb lehet a szétválasztandó oldat mennyisége. A hőmérséklet 40 C-kal történő emelésével 216%-os termelékenység növekedés érhető el. 5. SMB preparatív folyadékkromatográfiás készülék: Magyarországon elsőként terveztünk és építettünk félpreparatív-nagylaboratóriumi méretű, PLC vezérlésű váltócsapos 4 oszlopos SMB készüléket, amely alkalmas bármely négy oszlopos oszlopkonfiguráció beállítására, illetve az egyes oszlopok egyedi termosztálására is. A készüléket sikeresen alkalmaztam aminosav elválasztási kísérletekhez. 6. Matematikai modell: a Veszprémi Egyetem Vegyipari Műveleti Tanszékén korábban elkészített KROM_N frontális kísérleteket, ill. az SMB_KROM_N SMB kísérleteket modellező számítógépes szimulációs szoftvereket módosítottam: az eredetileg 4 oszlopos modellből elkészítettem a 6 oszlopos SMB készülék szimulációs szoftverét, ezután pedig a NaCl-nak az aminosav adszorpciós egyensúlyára gyakorolt hatását-építettem be-a szimulációs szoftverbe. Mindkét fejlesztéssel végeztem a kísérletek mellett szimulációt is, és a mért és a szimulált eredmények minden esetben jól egyeztek. Az értekezésben foglalt eredmények hasznosítása A polimer adszorbensek frontális adszorpciós vizsgálata során rendkívül sok kísérleti tapasztalat gyűlt össze. Az adszorpció sókoncentrációtól való 6
függését polimer adszorbenseken más elválasztási eljárásokban is előnyösen hasznosítani lehet. A dolgozat bemutat néhány lehetőséget: mint megfelelő oszlopokonfiguráció kiválasztása, hőmérséklet növelése, sógradiens alkalmazása, amelyek alkalmasak nagy szelektivitású rendszerekben a termelékenység jelentős mértékű növelésére. A kutatási eredmények hozzájárultak ahhoz, hogy a hazai ipari és tudományos közönség megismerje, és a jövőben, mint elválasztástechnikai alkalmazási lehetőséget, elfogadja a szimulált mozgóréteges preparatív kromatográfiás műveleteket. Ezen kívül a Pannon Egyetemen zajló mérnökképzésben, az a minosavak SMB elválasztása, mint laboratóriumi gyakorlat, a leendő szakembereket is megismerteti a technika részleteivel. A témához kapcsolódó publikációk jegyzéke Előadások: Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2002. április 16-18. Szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás műveletek vizsgálata (Poszter, előadás) Molnár Zoltán, Nagy Melinda, Hanák László, Szánya Tibor, Argyelán János VEAB Ipari Biotechnológiai Munkabizottsági Ülés, Veszprém, 2003. május 14. Szerves vegyületek szeparációja szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás művelettel (Előadás) Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, Argyelán János, Ravasz Bernadett, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina VEAB Ipari Biotechnológiai Munkabizottsági Ülés, Veszprém, 2003. május 14. Fermentlevek sómentesítésének vizsgálata polimer adszorbensekkel (Előadás) Molnár Zoltán, Nagy Melinda, Dr.Hanák László, Dr.Szánya Tibor, Dr.Argyelán János 7
Ünnepi VMMB (Vegyipari Műveleti Munkabizottsági) ülés, Szolcsányi Pál 80. születésnapja alkalmából, Veszprém 2004. december 7. Aminosavak elválasztása polimer adszorbensen SMB-LC művelettel (Előadás) Molnár Zoltán, Nagy Melinda, Gál Gábor, Hanák László, Szánya Tibor, Argyelán János, Ravasz Bernadett, Turza Gergely, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina Elválasztástudományi Vándorgyűlés, Hévíz 2004. szeptember 22-24 Szerves vegyületek elválasztása háromszegmenses szimulált mozgóréteges (SMB) preparatív folyadékkromatográfiás művelettel (Előadás kivonatos megjelenéssel) Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, Argyelán János, Ravasz Bernadett, Turza Gergely, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina Elválasztástudományi Vándorgyűlés, Hévíz 2004. szeptember 22-24. Aminosavak elválasztása polimer adszorbens tölteten szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiával (Előadás kivonatos megjelenéssel) Molnár Zoltán, Gál Gábor, Hanák László, Szánya Tibor, Argyelán János Poszterek: SPICA 2002 9 th International Symposium on Preparative and Industrial Chromatography and Allied Techniques, October 6-9, 2002 Heidelberg/Germany Matemathical Modelling Of Simulated Moving Bed Chromatography (Poszter kivonatos megjelenéssel) Tibor SZÁNYA, Antal Aranyi, Sándor KOVÁTS, János ARGYELÁN, László HANÁK, Melinda NAGY, Zoltán MOLNÁR PREP 2003 16 th International Symposium, Exhibit, Workshops on Preparative / Process Chromatography June 29 July 2, 2003 San Francisco, CA, USA Mathematical Modelling Of Simulated Moving Bed Chromatography Including Solvent Adsorption Desorption Processes (Poszter kivonatos megjelenéssel) Tibor SZÁNYA, Antal Aranyi, Sándor KOVÁTS, János ARGYELÁN, László HANÁK, Melinda NAGY, Zoltán MOLNÁR 8
Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2003. április 8-10. Sómentesítés vizsgálata nyitott, három szegmenses szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiás művelettel (Poszter kivonatos megjelenéssel) Molnár Zoltán, Nagy Melinda, Hanák László, Szánya Tibor, Argyelán János Sixth 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 (Poszter teljes szövegű megjelenéssel) 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 (Poszter kivonatos megjelenéssel) 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 Simulated Moving Bed Liquid Chromatography (SMB-LC) with Three Zones for Continuous Desalting of Organic Compounds (Poszter kivonatos megjelenéssel) Z. Molnár, M. Nagy, L. Hanák, T. Szánya, J. Argyelán Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2004. április 20-22. Oldószergradiensek vizsgálata szimulált mozgóréteges preparatív folyadékkromatográfiás művelettel (Poszter teljes szövegű megjelenéssel) Nagy Melinda, Molnár Zoltán, Szánya Tibor, Hanák László, Argyelán János, Ravasz Bernadett, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina 9
Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2004. április 20-22. Aminosavak preparatív elválasztásának vizsgálata nyitott, háromszegmenses szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfon (Poszter teljes szövegű megjelenéssel) Molnár Zoltán, Nagy Melinda, Gál Gábor, Hanák László, Szánya Tibor, Argyelán János Ravasz Bernadett, Turza Gergely, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina PREP 2004 17 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 (Poszter kivonatos megjelenéssel) Tibor Szánya, Antal Aranyi, Zoltán Molnár, László Hanák, Melinda Nagy, János Argyelán, István Pencz PREP 2005 18 th International Symposium, Exhibit, Workshops on Preparative / Process Chromatography May 8 May 11, 2005 Philadelphia, PA, USA Separation of organic compounds by simulated moving bed chromatography (Poszter kivonatos megjelenéssel) Tibor Szánya, Antal Aranyi, Melinda Nagy, László Hanák, Zoltán Molnár, János Argyelán, Krisztina Temesvári Közlemények: Molnár Z, Nagy M, Hanak L, Szánya T, Argyelán J: Chromatographia 60 (2004) 75 Molnár Z, Nagy M, Aranyi A, Hanák L, Szánya T, Argyelán J: Hung J. Ind. Chem. 32 (2004) 23 Molnár Z, Nagy M, Aranyi A, Hanák L, Argyelán J, Pencz I, Szánya T: J. Chromatogr. A 1075 (2005) 77-86 10