Yüksek performanslı sıvı kromatografisi kolonlarında tek ve çok bileşen taşınımında denge dışı adsorpsiyon modeli geliştirilmesi: Film kütle aktarım katsayısı ve sabit fazdaki difüzivitenin tayini
Non-equilibrium adsorption model development for single and multicomponent transport in high performance liquid chromatography columns:Determination of film mass transfer coefficient and diffusivity into stationary phase
Yazar: GÖNÜL AKKAYA
Danışman: PROF. DR. AHMET RIFAT ÖZDURAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Kromatografi = Chromatography ; Kromatografi-iyon değişimi = Chromatography-ion exchange ; Kütle aktarımı = Mass transfer ; Sayısal çözüm yöntemleri = Numerical solution methods

Özet:
Kromatografi, ayrılmak istenilen bileşenlerin biri sabit, diğeri belli bir yönde hareket eden iki faz arasındaki dağılımına dayanan oldukça etkin bir fiziksel ayırma yöntemidir. Günümüzde kromatografi çeşitli endüstri dallarınca tercih edilen, iyi bilinen ve oldukça kullanışlı bir yöntem olarak kabul görmektedir. Kromatografik proseslerin tanımlanması amacıyla çeşitli matematiksel modeller önerilmiştir. İzoterm parametreleri, kütle aktarım kinetiği ve deney koşullarının doğru olarak tayin edilmesi bu modeller kullanılarak yapılacak öngörülerin başarısını doğrudan etkiler. Bu çalışmada asitler, proteinler, nükleik asitler, hidrokarbonlar, karbonhidratlar, ilaçlar, terponoidler, pestisitler, antibiyotikler ve steroidler gibi çok sayıda değerli maddenin hassas ve doğru olarak ayrılarak analiz edilmesinde tıptan mühendisliğe çeşitli bilim dalları ve ince kimyasallara yönelen günümüz ekonomileri açısından oldukça önemli bir yere sahip olan HPLC kolonlarında denge dışı modelleme yaklaşımı kullanılarak farklı kolon işletim koşullarında film ve tanecik içi kütle aktarım katsayılarının tayini için yeni yöntemler önerilmektedir. Önerilen yöntemler, kesikli, tek geçişli ve resirkülasyonlu sistemlere dayalı üç farklı yaklaşıma dair deneysel ölçümler ile, bunların teorik analizini içermektedir. Kolonlardaki gerçek durumu temsil eden, diğer bir deyişle HPLC kolonlarında kaçınılmaz olarak ortaya çıkan denge dışı koşulları yansıtan matematiksel bir modele dayalı çözümleme neticesinde kütle aktarım dirençlerinin daha güvenilir şekilde belirlenmesi hedeflenmiştir. Model geliştirilmesinde tek ve iki bileşen için lineer olmayan adsorpsiyon izotermleri göz önüne alınmış ve deneyler de tek ve iki bileşenli çözeltilerle yürütülmüştür. Kullanılan modelin bir diğer avantajı kısmi türevlerle ifade edilen kolon ve tanecik eşitlikleri ile Langmuir izoterminin birleştirerek tek denkleme indirgenmesi ve simülasyon sırasında Runge-Kutta algoritmasının kullanılması ile matematiksel olarak çözümün basitleştirilmesidir. Böylece, özellikle preparatif kromatografide ihtiyaç duyulan tasarım parametreleri elde edilerek, endüstriyel açıdan önemli bir değerlendirme ve hesaplama yöntemi oluşturulmuştur.Tezin son bölümünde A.B.D. Virginia Üniversitesinde, Prof. Giorgio Carta gözetiminde UnoSphere S reçinesinin geliştirilmesi ile elde edilen ve BioRad Lab. Inc. tarafından piyasaya sürülmeye hazırlanılan Nuvia S isimli iyon değiştirici reçinenin yapısal ve morfolojik özellikleri, protein adsorplama kapasitesi, kinetik özellikleri ve taşınım mekanizmasının modellenmesinin araştırıldığı ve ayrıca yeni reçineye ait iki bileşenli protein adsorpsiyon kinetiğine ait deneysel ve teorik çalışmaların sonuçları sunulmuştur. Virginia Üniversitesi'nde yapılan bu çalışmalar YÖK'ün 39. madde uyarınca ?Araştırma görevlilerinin Doktora tezleri ile ilgili inceleme ve araştırma yapmak üzere yurtdışına gönderilmesi? kararına istinaden alınan burs kapsamında gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Chromatography is a highly effective physical separation process based on the partitition of a solute components between a stationary and a mobile phase. Nowadays, chromatography is accepted as a well-known, useful method for various industries. Several mathematical models were developed in order to define chromatographic systems. Isotherm parameters, mass transfer kinetics and proper determination of the experimental conditions affect directly the success of the predictions based on these models. In this study, new methods were developed for the determination of film and intraparticle diffusion coefficients using non-equilibrium approach, in HPLC columns, which have a very important role both for new economics based on fine chemicals and medical and engineering science since it is possible to separate and analyse precisely numerous fine chemicals such as acids, proteins, nucleic acids, carbohydrates, drugs, pesticides, terponoids, antibiotics and steroids in HPLC systems. These proposed methods include both experimental and theoretical analysis for three systems as batch, single-pass and recirculated systems. The scope of this work is to determine the mass transfer resistances more accurately using a mathematical modeling via non-equilibrium approach reflecting the real, observed process conditions in HPLC columns. Non-linear adsorption isotherms were considered for model development and experiments were conducted for both single and two component systems. Another advantage of the model used is to combine partial differential equations of column and particle with Langmuir isotherm, reducing them to a single equation and to simplify the mathematical solution methodology by using the Runge-Kutta algorithm for the simulations. Therefore, an important evaluation and calculation method was developed to obtain the industrially important design parameters especially for preparatif chromatography.The results of the experimental and theoretical studies for the investigation of the physical and morphological characteristics of a novel cation exchanger named Nuvia S from BioRad Laboratories designed for commercial purposes were presented for both single and two components adsorption, as well as its protein adsorption capacity, kinetic specifications and modeling transport mechanisms were investigated. This part of the study which was conducted at the University of Virginia, USA, under consideration of Prof. Giorgio Carta, was supplied by Higher Educational Council of Turkiye (YÖK).