Центробежная распределительная хроматография

Центробежная распределительная хроматография — это специальный хроматографический метод, при котором как неподвижная, так и подвижная фазы являются жидкими, а неподвижная фаза иммобилизуется под действием сильной центробежной силы. Центробежная распределительная хроматография состоит из последовательно соединенной сети экстракционных ячеек, которые работают как экстракторы элементов, а эффективность гарантируется каскадом. ^[1]

История

В 1940-х годах Крейг изобрел первый аппарат для противоточного разделения; он назвал это противоточным распределительным аппаратом Крейга. Аппарат состоит из ряда стеклянных трубок, которые сконструированы и расположены таким образом, что более легкая жидкая фаза переносится из одной трубки в другую. Следующей важной вехой стала капельная противоточная хроматография (DCCC). Он использует только силу тяжести для перемещения подвижной фазы через неподвижную фазу, которая удерживается в длинных вертикальных трубках, соединенных последовательно. Современная эра CCC началась с разработки Ито планетарной центрифуги, которая была впервые представлена в 1966 году как закрытая спиральная трубка, которая вращалась вокруг «планетной» оси так же, как вращается вокруг оси «Солнца». Центробежная распределительная хроматография была внедрена в Японии в 1982 году; первый прибор был построен в Санки инж. Ltd. в Киото. Первый прибор состоял из двенадцати картриджей, расположенных вокруг ротора центрифуги; внутренний объем каждого картриджа составлял около 15 мл на 50 каналов. В 1999 году Kromaton разработала первый FCPC с радиальными элементами. В ходе разработки ячейки Z-ячейка была завершена в 2005 году, а двойная ячейка — в 2009 году. В 2017 году компания RotaChrom разработала свои самые эффективные ячейки CPC с помощью программного обеспечения для компьютерного гидродинамического моделирования. После тысяч симуляций этот инструмент выявил недостатки традиционных конструкций ячеек CPC и подчеркнул непревзойденную нагрузочную способность и масштабируемую конструкцию ячеек RotaChrom. ^[2]

Операция

Экстракционные ячейки состоят из полых корпусов с входами и выходами для жидкостного соединения. Ячейки сначала заполняются жидкостью, выбранной в качестве неподвижной фазы. При вращении начинается откачка подвижной фазы, которая поступает в ячейки из входного отверстия. При попадании в поток подвижной фазы образуются мелкие капли по закону Стокса , что называется распылением. Эти капли проваливаются через стационарную фазу, создавая большую площадь интерфейса, которая называется экстракцией. В конце ячеек эти капли объединяются за счет поверхностного натяжения , которое называется оседанием.

При введении пробы смеси в поток подвижной фазы в виде пробки соединения смесей элюируются в соответствии с их коэффициентами распределения: $V_{elution}=V_{dead-volume}+K_{upper/lower}*V_{stationary-phase}$

Для центробежной распределительной хроматографии требуется только двухфазная смесь растворителей, поэтому, варьируя состав системы растворителей, можно настроить коэффициенты распределения различных соединений так, чтобы разделение гарантировалось высокой селективностью.

Сравнение с противоточной хроматографией

Противоточная хроматография и центробежная распределительная хроматография представляют собой две разные инструментальные реализации одной и той же теории жидкостно-жидкостной хроматографии. В противоточной хроматографии обычно используется планетарное движение без вращающихся уплотнений, тогда как в центробежной распределительной хроматографии используется круговое вращение с вращающимися уплотнениями для соединения жидкости. CCC имеет взаимозаменяемые зоны смешивания и осаждения в трубке змеевика, поэтому распыление, экстракция и осаждение разделены по времени и зонам. В центробежной распределительной хроматографии все три этапа происходят непрерывно и одновременно внутри клеток.

Преимущества центробежной распределительной хроматографии:

Более высокая скорость потока при том же размере объема Пример в лабораторном масштабе: центробежная распределительная хроматография на 250 мл имеет оптимальную скорость потока 5–15 мл/мин, противоточная хроматография на 250 мл имеет оптимальную скорость потока 1–3 мл/мин. Пример масштаба процесса: противоточная хроматография на 25 л имеет оптимальную скорость потока 100–300 мл/мин, центробежная распределительная хроматография на 25 л имеет оптимальную скорость потока 1000–3000 мл/мин.
Более высокая производительность (благодаря более высокой скорости потока и более быстрому времени сепарации)
Масштабируемость до тонн в месяц ^[3]
Лучшее удержание стационарной фазы для большинства фаз.

Недостатки центробежной распределительной хроматографии:

Более высокое давление, чем у CCC (типичное рабочее давление 40–160 бар против 5–25 бар)
Уплотнение ротора изнашивается со временем

Лабораторный масштаб

Центробежная распределительная хроматография широко используется для выделения и очистки натуральных продуктов уже 40 лет. ^[4] Благодаря способности достигать очень высокой селективности и способности переносить образцы, содержащие твердые частицы, можно работать с прямыми экстрактами биомассы, в отличие от традиционной жидкостной хроматографии, где примеси разрушают твердую неподвижную фазу, так что разделение становится невозможным.

В мире существует множество производителей центробежной распределительной хроматографии лабораторного масштаба, таких как Gilson (Armen Instrument), Kromaton (Rousselet Robatel) и AECS-QUIKPREP. Эти инструменты работают при скорости потока 1–500 мл/мин. с удержанием стационарной фазы 40–80%.

Масштаб производства

Центробежная распределительная хроматография не использует твердую неподвижную фазу, поэтому она гарантирует экономически эффективное разделение на самых высоких промышленных уровнях. В отличие от противоточной хроматографии можно получить очень высокие скорости потока (например, 10 л/мин) с соотношением активной стационарной фазы >80%, что гарантирует хорошее разделение и высокую производительность. Как и в центробежной распределительной хроматографии, материал растворяется и загружается в колонку в единицах массы/объема, загрузочная способность может быть намного выше, чем в стандартных методах твердожидкостной хроматографии, где материал загружается на активную площадь поверхности неподвижной фазы, что занимает вверх менее чем на 10% столбца.

Промышленные приборы, такие как Gilson (Armen Instrument), Kromaton (Rousselet Robatel) и RotaChrom Technologies (RotaChrom), отличаются от приборов лабораторного масштаба применимой скоростью потока с удовлетворительным сохранением стационарной фазы (70–90%). Промышленные инструменты имеют скорость потока несколько литров в минуту и способны очищать материалы от 10 кг до тонн в месяц.

Для эксплуатации оборудования промышленного масштаба требуется подготовка растворителя промышленного объема (смеситель/отстойник) и оборудование для регенерации растворителя.

См. также

Радиальная хроматография

Ссылки

^ П. Фуко, Ален (1995). Центробежная распределительная хроматография . Марселя Деккера, Inc. Нью-Йорк: ISBN 0-8247-9257-2 .
^ «Заявка на патент США на экстракционную ячейку для центробежного распределительного хроматографа, центробежный распределительный хроматограф, содержащий такую ячейку, и патентную заявку на способ изготовления такой экстракционной ячейки (заявка № 20180280830, выданная 4 октября 2018 г.) — Justia Patents Search» .
^ Ласло, Лорантфи. «Развитие КТК промышленного масштаба» . Исследовательские ворота . Ласло Лорантфи . Проверено 21 марта 2016 г.
^ Гвидо, Ф. Паули (2008). «Противоточное разделение натуральных продуктов». Журнал натуральных продуктов . 71 (8): 1489–508. дои : 10.1021/np800144q . ПМИД 18666799 .

Центробежная разделительная хроматография - Серия Chromatographic Science - Том 68, Редактор: Ален П. Фуко, Marcel Dekker Inc.

[1] П. Фуко, Ален (1995). Центробежная распределительная хроматография . Марселя Деккера, Inc. Нью-Йорк: ISBN 0-8247-9257-2 .

[2] «Заявка на патент США на экстракционную ячейку для центробежного распределительного хроматографа, центробежный распределительный хроматограф, содержащий такую ячейку, и патентную заявку на способ изготовления такой экстракционной ячейки (заявка № 20180280830, выданная 4 октября 2018 г.) — Justia Patents Search» .

[3] Ласло, Лорантфи. «Развитие КТК промышленного масштаба» . Исследовательские ворота . Ласло Лорантфи . Проверено 21 марта 2016 г.

[4] Гвидо, Ф. Паули (2008). «Противоточное разделение натуральных продуктов». Журнал натуральных продуктов . 71 (8): 1489–508. дои : 10.1021/np800144q . ПМИД 18666799 .

[1]

[2]

[3]

[4]