Adsorpcja i chromatografia jako metody

Adsorpcja i chromatografia jako metody

oczyszczania i rozdzia

oczyszczania i rozdzia

ł

ł

u mieszanin na skal

u mieszanin na skal

ę

ę

preparatywn

preparatywn

ą

ą

i przemys

i przemys

ł

ł

ow

ow

ą

ą

ƒ

ƒ

Podstawy adsorpcji i chromatografii,

ƒ

wykład – część druga

ƒ

ƒ

Opracowała Dorota Antos

ƒ

Rzeszów 2006

Chromatografia

okresowa i ciągła

Plusy i minusy

Chromatografia preparatywna

Chromatografia preparatywna

Chromatografia preparatywna

jest procesem rozdziału oraz

otrzymywania konkretnych mas czystych substancji z tzw.
mieszanin „trudnych”, w następujących rodzajach przemysłu:

•chemicznym;

• farmaceutycznym;

• biotechnologii

Wysokiej czystości chemikalia oraz substancje czynne mogą być
produkowane ze zdolnościa produkcyjną mieszczącą się w zakresie
od kilku kg do tysięcy ton/ rok w funkcji rodzaju użytej chromatografii.

0

100

200

300

400

500

600

700

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Conc

ent

rat

ion

Izokratyczna

0

100

200

300

400

500

600

700

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Time [s]

Gradientowa

Chromatografia okresowa

Chromatografia okresowa

C

iF

(t)

x = 0

x = L

Apparatus

Feed

Effluent

Detector

Okresowość a ciągłość procesu chromatografii

Okresowość a ciągłość procesu chromatografii

Chromatografia okresowa

Chromatografia okresowa

Chromatografia cykliczna

Chromatografia cykliczna

Chromatografia cykliczna

Chromatografia cykliczna

100

120

140

160

180

200

220

240

260

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

t

sII

interfraction

t

eII

II fraction

t

eI

t

end

t

sI

C

treshold

I fraction

C

oncentration [g/

l]

Tim e [s]

Chromatografia cykliczna

Czas trwania

∆t

c

dla dwóch kolejnych cykli:

∆t

c

= t

end

– t

sI

;

Konfiguracje kolumn

Konfiguracje kolumn

Organizacja procedury przenoszenia skali oraz optymalizacji

1. Przeprowadzić procedurę budowania modelu dynamiki chromatografii zaczynając

od cyklu badań doświadczalnych na kolumnie analitycznej;

™ Wyznaczyć parametry modelu izotermy;
™ Uzyskać wszystkie inne, potrzebne dane fizykochemiczne dla optymalizowanego,

wieloskładnikowego układu chromatograficznego;

™ Wyznaczyć parametry modelu dynamiki procesu. Im bardziej skomplikowany

model dynamiki tym większa ilość parametrów modelu koniecznych do
wyznaczenia.

™ Wybrać adekwatny typ modelu dynamiki procesu;

2. W następnym etapie przygotowań do optymalizacji procesu chromatografii

podejmuje się decyzje dotyczące parametrów optymalizacyjnych. W tym celu
należy:

™ Wybrać funkcję celu oraz składnik kluczowy procesu. Wybrać ograniczenia i

zmienne decyzyjne optymalizacji.

3. Wybrać metodę optymalizacji

.

Optymalizacja procesu

•

Podczas optymalizacji procesu chromatografii

rozwiązania wymaga następujący problem –należy znaleźć
oraz zoptymalizować funkcję celu:

max

(

Pr

) =

l

ub

max

(

Pf

) = f (parametrów operacyjnych)

Pr

oraz

Pf

są zależne od założonej

czystości produktu kluczowego

Pu

:

odbioru

czas

*

kolumny

przekroj

odebrana

masa

i =

Pr

lub

Pf

i

= Pr

i

Y

i

a

wprowadzon

masa

odebrana

masa

i

=

Y

;

c

col

t

i

i

t

F

m

∆

ε

=

Pr

;

%

c

V

m

F

,

i

inj

i

i

100

Y

=

Definicje najczęściej używanych w chromatografii funkcji celu:

Pr

EC

elu

V

=

i

i

i

Y

Pr

Pf

=

Zmienne decyzyjne ciągłe oraz zmienne decyzyjne dyskretne optymalizacji:

;

mod

c

(

)

;

1

∞

−

=

i

col

t

F

,

i

inj

i,

f

q

V

c

V

L

ε

t

wash

;

parametr d

p

2

/L

Ograniczenia procesu optymalizacji:

min

i

i

Pu

Pu

≥

;

Pu

2

1

c

c

c

i

i

+

=

;

2

0

p

m

max

d

k

L

u

p

p

η

∆

=

<

produkt kluczowy

F

V

&

D

V

&

R

V

&

E

V

&

S

V

&

K

V

&

Zone IV

Zone III

Zone II

Zone I

Chromatografia ciągła

Chromatografia ciągła

-

-

TMB

TMB

Rozwiązanie dla izotermy liniowej q* = HC

Jeśli:

1

2

H

H

S

j

,

i

=

1

1

1

C

V

C

H

V

III

s

&

&

<

2

2

2

C

H

V

C

V

s

II

&

&

<

2

II

H

m

〈

≡

1

III

H

m

〉

≡

1

1

1

C

H

V

C

V

S

IV

&

&

<

2

2

2

C

V

C

H

V

I

S

&

&

<

2

I

H

m

〉

≡

1

IV

H

m

〈

≡

S

k

k

V

V

m

&

&

=

m

k

to bezwymiarowy stosunek

przepływów faz w

k

=

I - IV

comp.

1

comp.

2

feed

comp.

1 comp. 2

G. Storti, M. Mazzotti, M. Morbidelli, S. Carra, AIChE J., 39 (1993), 471.
M. Mazzotti, G. Storti, M. Morbidelli, AIChE J, 40 (1994), 1825.

H

2

Rys. pokazuje graficznie ograniczenia

zred. przepływu m

k

w strefach II i III a

także rozwiązanie analityczne modelu
idealnego dynamiki chromatografii w
postaci tzw. trójkąta operacyjnego dla
chromatografii ciągłej TMB (SMB),
otrzymanej na podstawie teorii
równowagi.

Trójkąt operacyjny (region pełnego
rozdziału) jest zaznaczony w funkcji

m

k

w

sekcjach

II oraz III

H

1

H

2

m

II

m

III

H

1

m

IV

< H

1

; m

IV

< H

2

IV

H

1

< m

III

< H

2

III

H

1

< m

II

< H

2

II

m

I

> H

1

; m

I

> H

2

I

m

k

Sekcja

Zmiana kształtu trójkąta operacyjnego
w funkcji nieliniowości izotermy

m

III

m

II

Linia ciągła czarna – izoterma liniowa

Linia ciągła czerwona – izoterma nieliniowa

G. Storti, M. Mazzotti, M. Morbidelli, S. Carra, AIChE J., 39 (1993), 471.

M. Mazzotti, G. Storti, M. Morbidelli, AIChE J, 40 (1994), 1825.

Zmiana kształtu trójkąta operacyjnego w funkcji ograniczeń czystości

3,34

3,54

3,74

3,94

4,14

4,34

4,54

4,74

3,34

3,54

3,74

3,94

4,14

4,34

4,54

4,74

m

II

m

III

Pu = 90%

Pu = 94%

Linia niebieska– model idealny

4

5

6

7

8

9

10

5

6

7

8

9

10

11

B

C

A

m

III

m

II

Region A: N = 10000, Pu > 99.99%,

= 1.001

Region B: N = 100,

Pu > 99.99%,

= 1.1

Region C: N = 100,

Pu > 95%,

= 1.1

β

β

β

Zmiana kształtu trójkąta operacyjnego w funkcji sprawności układu i

Współczynnika bezpieczeństwa

Zone I

Zone III

Zo

ne

IV

Z

on

e

II

Feed (1+2)

F

C

mod, F

V

Raffinate (1)

V

R

.

Fluid flow

Solid flow

Desorbent

mod, D

C

V

D

.

Extract (2)

V

.

E

Idea symulowanego ruchu złoża

Idea symulowanego ruchu złoża

-

-

SMB

SMB

Open loop

SMB closed

loop

Konfiguracje kolumn

Konfiguracje kolumn

0

10

20

30

40

50

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Pu

E

=95.3%

C

oncentr

ation [

%

v

ol.]

Time [min.]

0

10

20

30

40

50

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Pu

R

=99.4%

Co

ncentrati

on [% v

ol

.]

Time [min.]

Profile wylotowe strumieni ekstraktu oraz rafinatu w w SMB

Profil strumienia ekstraktu

Profil strumienia rafinatu

D. Antos, A. Seidel-Morgenstern,

Chem. Eng. Sci., 56 (2001), 6667

W kolumnie okresowej strumień zasilający (feed)

jest podawany w centralny punkt kolumny

okresowej. Dwa rozdzielane składniki poruszają

się z różną szybkością i następuje ich rozdział.

...

względem nieruchomego

obserwatora.

Jeśli kolumna jest odpowiednio długa, piki

chromatograficzne obu składników będą

rozdzielone.

Ponieważ jest to proces czysto ciągły,

zaczynają się więc problemy: potrzebuje on

kolumny o nieskończonej długości oraz

dodatkowej drogi na wprowadzenie oraz

wyprowadzenie próbki i produktów

rozdziału.

Modelowanie procesu polega na

podzieleniu kolumny na małe segmenty

oraz symulowaniu ich ruchu. Strumień

zasilający (feed) oraz eluent są teraz

wprowadzane pomiędzy segmenty.

Jeśli teraz nałożymy ruch kolumny z prawej

do lewej, z szybkością mieszczącą się

między szybkościami poruszania się

składników, składniki zaczną poruszać się w
przeciwnych kierunkach

...

R

V

&

E

V

&

S

V

&

K

V

&

Zone IV

Zone III

Zone II

Zone I

comp.

1

comp.

2

feed

D

mod,

D

C

,

V&

F

mod,

F

C

,

V&

Regeneracja fazy ruchomej
słabym rozp.

Rozdział, słaby rozp.

Rozdział, mocny rozp.

Regeneracja fazy stałej, mocny
rozp.

Gradient fazy ruchomej

Gradient fazy ruchomej

I

II

,

I

m

H

<

2

II

,

I

II

II

,

I

H

m

H

2

1

<

<

IV

,

III

III

IV

,

III

H

m

H

2

1

<

<

IV

,

III

IV

H

m

1

<

Gradient

Gradient

superkrytycznej

superkrytycznej

fazy ruchomej

fazy ruchomej

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

*

*

*

*

* *

*

*

*

* *

*

*

*

*

*

m

m

II

III

Trójkąty operacyjne dla:

C

1,F

=

C

2,F

= 0.3%

vol. ;

Pu

=

95%;

Punkty czarne – izoterma nieliniowa,
chromatografia izokratyczna;

Punkty czerwone – izoterma nieliniowa,
chromatografia gradientowa;

D. Antos, A. Seidel-Morgenstern, Chem. Eng. Sci., 56 (2001), 6667
D. Antos, A. Seidel-Morgenstern, J. Chromatogr. A, 944 (2002), 77

Schemat instalacji SMB pracującej w
trybie gradientu stężenia

Gradient w SMB

Gradient w SMB

SMB

SMB

–

–

optymalizacja procesu

optymalizacja procesu

Czystość strumienia

rafinatu:

Ex

,

B

Ex

,

A

Ex

,

A

Ex

C

C

C

+

=

Pu

Ra

,

B

Ra

,

A

Ra

,

B

Ra

C

C

C

+

=

Pu

Formułowanie problemu
optymalizacji

•W optymalizacji procesu SMB rozwiązania
wymaga następujący problem –należy
znaleźć oraz zoptymalizować funkcję celu:

• max (

Pr

)

lub

min

(

Ec

) = f (

m

I

, m

II

, m

III

, m

IV

)

gdzie:

Ec

jest zużyciem eleuentu

G. Ziomek, M. Kaspereit, J. Jeżowski, A. Seidel-Morgenstern, D. Antos, J.of Chrom. A, 1075 0(2005), 111.

Czystość strumienia ekstraktu:

F

i,

inj

elu

C

V

V

collected

mass

real

volume

eluent

Y

Ec

=

=

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

C

F

= 0.3% Vol.

C

F

= 1% Vol.

C

F

= 3% Vol.

m

III

m

II

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

m

III

m

II

C

F

= 0.3% Vol.

C

F

= 1% Vol.

C

F

= 3% Vol.

SMB

SMB

–

–

optymalizacja procesu

optymalizacja procesu

Generowane punty

podczas optymalizacji

Generowany obszar

operacyjny podczas optymalizacji

Produktywność do 1kg czystej subst./rok.

System SMB typ CSEP® C9812. W systemie można użyć do 12 SMB kolumn tego samego typu.

Knauer

Produktywność 1 – 10 kg czystej
subst./dzień.

80 cm SMB system

Podsumowanie

Podsumowanie

Chromatografia jest praktycznie jedyną metodą rozdziału tzw. mieszanin
„trudnych”, które nie dają się rozdzielić alternatywnymi metodami
rozdziału np. za pomocą krystalizacji, ekstrakcji itp.

• Chromatografia jest często najszybszą oraz pewną drogą do
otrzymywania pożądanych enancjomerów – farmacja, biotechnologia;

• Chromatografia może być z punktu widzenia ekonomiki procesu
najważniejszą drogą do produkcji substancji czynnych - farmacja.

Sprawność pojedynczej kolumny chromatograficznej jest bardzo wysoka
przy jednoczesnej założonej wysokiej czystości produktu kluczowego.

Jednocześnie sprawność procesu chromatografii jest bardzo niska w
porównaniu do

altermatywnych

metod rozdziału. Zastosowanie

chromatografii ciągłej (SMB) pozwala znacząco zredukować tę różnicę
produktywności.

Pojedyncza injekcja

Chromatografia cykliczna

SMB

Rośnie produktywność

Rośnie stopień komplikacji

SMB jest rentownym w skali przemysłowej
procesem rozdziału

Chromatografia okresowa jest rentownym
w skali przemysłowej procesem rozdziału
tylko w przypadku zastosowania jej jako
chromatografii cyklicznej oraz przy
wysokiej cenie jednostkowej produktu
kluczowego

Optymalizacja warunków prowadzenia
procesu jest dłuższa i trudniejsza

-

Produktywność procesu jest wyższa

-

Koszty są niższe im większa jest skala
procesu

Koszty są niższe im mniejsza jest skala
procesu

Stężenie produktu kluczowego w efluencie
jest wyższe

Stężenie produktu kluczowego w efluencie
jest niższe

Zużycie eluentu jest niższe

Zużycie eluentu jest wysokie

Aparatura jest złożona

Aparatura jest prosta

Wykonanie jest proste

SMB

Chromatografia okresowa