УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ
DEVICE FOR CHROMATOGRAPHIC SEPARATION OF SUBSTANCES

Изобретение относится к устройствам для разделения или очистки веществ методами жидкостной хроматографии.
Известен препаративный хроматограф, (1), содержащий три хроматографические колонки с прямым, обратным и байпасным вариантом горизонтального потока разделяемого вещества и элюента. Недостатками устройства являются невысокая производительность, обусловленная работой в дискретном режиме и использованием колонки со стеночным эффектом размывания хроматографической полосы, отрицательно влияющим на качество выделяемой продукции, и отсутствие влияния температуры на сорбционно-десорбционный процесс.
Известно устройство (2), содержащее три хроматографические колонки, реализующие принципы радиально-проточной хроматографии в непрерывном режиме работы, позволяющие использовать и температурный фактор, снижающие и стеночный эффект за счет использования кривых замкнутых в пространстве поверхностей сорбционного слоя.
Недостатком устройства (2) можно считать отсутствие оперативного контроля качеством хроматографического разделения и возможности изменения параметров непосредственно в технологическом процессе.
Известно устройство (3), содержащее три хроматографические колонки, реализующие принципы радиально-проточной хроматографии в непрерывном режиме работы, которые выполнены в виде замкнутых в пространстве кривых, симметричных поверхностей, снижающих стеночный эффект. Устройство (3) имеет регулируемый делитель потока, аналитическую колонку с детектирующими устройствами, позволяющими контролировать и регулировать в реальном режиме времени процесс хроматографического разделения.
Устройство (3) является наиболее близким решением предлагаемому. Однако оно (3) не обеспечивает работу с веществами, растворенными в сверхкритических флюидах (СКФ) при высоком давлении. СКФ занимает промежуточное положение между газом и жидкостью. Он может, в отличие от нормальной жидкости, сжиматься при увеличении давления выше критического, а температуре ниже критической, и иметь жидкообразное состояние или расширяться, переходя в исходное газообразное состояние при понижении давления до величины менее критической.
Цель изобретения - повышение производительности и эффективности хроматографического разделения веществ, растворенных в СКФ.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для хроматографического разделения веществ, содержащем три хроматографические колонки, соединенные друг с другом переходными каналами с установленными в них переключающими элементами, которые соединены с источником разделяемой смеси, с потоком элюента и системой приемников для сбора фракций, колонки, состоящие из слоя теплоизоляции, внешнего корпуса, внешней пористой перегородки, разделенных на секции промежуточными пористыми перегородками сорбционных слоев, внутренней пористой перегородки внутреннего корпуса, выполненных в виде замкнутых в пространстве подобных кривых поверхностей, последовательно охватывающих друг друга, между внешней пористой перегородкой и внешним корпусом имеется зазор, в который через несколько каналов распределенно вводится разделяемое вещество, а канал вывода разделяемой смеси подключен одним или несколькими каналами к зазору между внутренней пористой перегородкой и внутренним корпусом, причем камера между слоем теплоизоляции и внешним корпусом и камера, образованная внутренним корпусом, дополнительными каналами с установленными в них управляемыми переключающими элементами соединены с источником теплоносителя и хладагента, на выходе из системы хроматографического разделения установлен регулируемый делитель потока, один или несколько детекторов и аналитическая колонка. Создается замкнутая система непрерывного разделения с образованием СКФ, растворением твердых и жидких веществ, их сбором и дозировавшем флюидных растворов в препаративную хроматографическую колонку, разделение и вывод продукции в приемники фракций, гду флюиды превращаются в газ, собираются и снова переводятся в СКФ.
Для обеспечения работы устройства хроматографического разделения веществ, растворенных в СКФ, приемники сбора фракций снабжены датчиками уровня, а на выходе из них дополнительно установлены управляемые клапаны, исключающие диффузию собранных веществ между приемниками, коллектор с ресивером и регулятором расхода потока испаряемых при снижении давления флюидов ниже критического, насос высокого давления, к выходу которого также подсоединены регуляторы расхода с датчиками давления на входе и выходе и датчиком расхода, направляющие часть потока образующихся флюидов через управляемый клапан в один или несколько сферических реакторов на растворение разделяемого вещества, а другую часть потока через управляемый клапан - на аналитическую колонку.
Реактор через управляемый клапан соединен со сборником флюидных растворов, выход которого подключен к устройству отбора дозы жидкости, состоящему из переключателя потоков, промежуточных мерных емкостей с вогнутыми стенками для линеаризации шкалы величины доз и установленными внутри них поворотными трубками, имеющими привод и возможность перемещения в нескольких степенях свободы, при этом входное отверстие поворотных трубок может изменять свой уровень по отношению к верхнему уровню жидкости в промежуточной мерной емкости, каналы для подачи газа-вытеснителя из сборника флюидных растворов и мерных емкостей с регуляторами расхода, содержащими датчики давления на входе-выходе и датчик расхода, подключенные через редуктор высокого давления к емкости газа-вытеснителя. Для создания и стабилизации градиента давления в системе хроматографического разделения к ресиверу на выходе из приемников, разделенных на фракции или компоненты исходного вещества, через редуктор высокого давления подключена емкость превращаемого во флюид газа. Регулировка температуры флюида осуществляется от источника теплоносителя и хладагента по каналу с управляемыми клапанами.
На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит хроматографические колонки 1, 2, 3 с радиальным потоком разделяемых веществ и элюента. Они могут иметь форму, например, сферы, эллипсоида и других замкнутых распределенных в пространстве поверхностей, охватывающих друг друга. Колонки соединены между собой переходными каналами 11-24 с установленными в них переключающими элементами 26-43 в виде, например, мембранных клапанов с пневмоусилителем, управляемых с помощью сжатого воздуха. Переходные каналы соединены с коллекторами 4, 5, 6, 7, 8. Нагрев или охлаждение каждой колонки индивидуален, осуществляется через коллекторы 9, 10 и переключатели 44-51. Подвод потоков на сорбцию, десорбцию и регенерацию в хроматографических колонках производится по каналам 53, 54, 55. Канал 52 и рН-метр 68 установлены на выходе сорбируемого потока, а канал 56 - десорбируемого и регенерации. На выходе канала 56 установлен делитель потока 57, образующий дополнительно к каналу основного потока байпасную линию 58. К линии байпаса подключен детектор 59, рН-метр 60, аналитическая колонка 61, дозатор 62 и дополнительный канал элюента 63. Переключаемые клапаны 64, 65, 66 и 67 по сигналу детектора 59 распределяют по ловушкам 66а и 67а полезные компоненты или фракции. Контроль уровня собираемых фракций или компонентов определяется датчиками 69 и 70, например ультразвуковыми.
Предлагаемое устройство относится к категории радиально-проточных хроматографов, удобных для ионообменных, аффинных, гидрофобных, обращеннофазных и других сорбционно-десорбционных разделений.
Первоначально колонка 1 устанавливается на режим сорбции. Через канал 53, коллектор 4, канал 25, клапан 43, канал 16 сорбируемый поток с разделяемым веществом проходит через слой сорбента колонки 1. Клапаны 40, 41, 42; 27, 29 закрыты. Выход сорбируемого потока осуществляется через канал 11 и клапан 26 в коллектор 6 через канал 52, фиксируя показания рН-метра 68, - в сборную емкость.
Одновременно колонка 2 находится в режиме десорбции. Элюент поступает в нее через канал 54, коллектор 7, канал 18, открытый клапан 28, канал 12. Клапаны 30, 31 закрыты. Происходит вытеснение из сорбционного слоя задержанных компонентов. Поток элюента вместе с вытесненными компонентами через канал 13, открытый клапан 33, коллектор 4, канал 56 поступает на делитель потока 57. Клапан 32 закрыт.Часть потока по байпасной линии 58 поступает на детектор 59, рН-метр 60. Основная часть потока проходит через клапаны 64, 66 или 65, 67, управляемые по сигналу детектора, в ловушки 66а или 67а.
Колонка 3 находится в режиме регенерации, то есть очистки следов элюента, и работает одновременно с колонками 1 и 2. Поток жидкости, очищающий колонку 3, поступает через канал 55, коллектор 8, канал 22, клапан 36, канал 14. Клапаны 34, 35, 37 закрыты. Выход потока из колонки 3 осуществляется по каналам 15 и 23 через клапан 39, коллектор 5, в канал 56, делитель потока 57, байпасную линию 58, детектор 59, рН-метр 60, клапан 65 сбросной ловушки 67а и клапан 67 в коллектор 71.
Время работы колонок определяется их сорбционной емкостью. Каждый цикл колонки работает в режиме сорбции, десорбции и регенерации по программе переключения потоков. После первых переключений колонка 1 из режима «сорбции» переходит в режим «десорбция», колонка 2 - в режим «регенерация», колонка 3 - в режим «сорбция». Затем колонка 1 переходит в режим «регенерация», колонка 2 - в режим «сорбция», колонка 3 - в режим «десорбция» и т.д. Таким образом, за счет переключения потоков осуществляется непрерывное хроматографическое разделение веществ с контролем и корректировкой качества и эффективности разделения в реальном режиме времени.
Оригинальная форма аналитической колонки подобна форме препаративных колонок, выполненных в виде замкнутых в пространстве кривых распределенных поверхностей, охватывающих друг друга. Она позволяет моделировать крупномасштабные процессы в препаративных колонках.
Через дозатор 62 в ручном или автоматическом режиме вводится в колонку 61 расчетная величина пробы. По сигналу детектора 59 определяются оптимальные параметры температуры, расхода элюента, буферной жидкости, последовательно осуществляется процесс сорбции, десорбции и регенерации.
Для образования СКФ в коллекторе 71 установлен ресивер 72, соединенный через редуктор высокого давления 104 с баллоном 103, заполненным флюидообразующим газом, например ксеноном (Хе), который имеет критическое давление 5,8 МПа и критическую температуру +16,6°С. На выходе из ресивера 71 через регулятор расхода 7 с датчиками давления на входе и выходе и расхода 73а и 73в подключен насос высокого давления 74, который через регулятор расхода 73 и управляемые клапаны 75 через каналы 80 и 63 направляет поток Хе давлением выше критического и температурой ниже критической в реактор 78 на растворение разделяемого вещества или на дозатор 62 аналитической колонки для анализа веществ до хроматографической колонки и после хроматографического разделения. Реактор 78 имеет форму замкнутых в пространстве кривых поверхностей, охватывающих друг друга, например сферических. Он изолирован от окружающей среды изоляционным слоем 87, имеет несколько камер: внешняя температурная камера 88, реакционная камера 78, внутренняя температурная камера 83. Камеры 88 и 89, соединенные с источниками тепла 10 и холода 9 через управляемые клапаны 75, канал 82, с помощью датчиков температуры 105 поддерживают температуру СКФ ниже критической. Реактор снабжен регулируемым продувочным клапаном 106. После растворения в СКФ разделяемого вещества из реактора 78 смесь через управляемый клапан 81 направляется в сферическую расходную емкость 79, имеющую изоляционный слой 86, внешнюю тепловую камеру 85, внутреннюю тепловую камеру 84, датчик уровня 84а, датчики температуры 105 для поддержания температуры СКФ ниже критической.
Расходная емкость 79 каналом 90 соединена с переключателем потока 92 устройства для отбора дозы жидкости, в состав которого входит баллон высокого давления 77 с редуктором высокого давления 76. В баллоне 77 находится инертный газ - вытеснитель, например аргон (Ar), критическая температура которого - 122°С, а критическое давление 4,8 МПа, что при температуре Хе около 0°С не позволяет перейти Ar в фазу СКФ, оставаясь в газовой фазе.
Выход редуктора 76 каналом 89 через регулятор расхода 73 с датчиками давления 73а и расхода 73в соединен с расходной емкостью 79, а каналом 91 через регулятор расхода 73 с датчиками давления 73а и расхода 73в - с переключателем потоков 92 устройства для отбора дозы жидкости.
Устройство для отбора дозы жидкости кроме переключателя потоков 92 имеет промежуточные мерные емкости 98, 102 с вогнутыми стенками для линеаризации шкал величин доз 96, 100 и установленные внутри них поворотные трубки 97, 101, имеющие приводы 95, 99 и возможность перемещения в нескольких степенях свободы. При этом входное отверстие поворотных трубок 97, 101 может изменять свой уровень по отношению к верхнему уровню жидкости в промежуточных мерных емкостях 98, 102. Управление переключателем потоков 92 осуществляется с помощью детекторов газовой фазы 93, 94, установленных на выходе поворотных трубок.
В предлагаемом устройстве создан замкнутый контур непрерывного хроматографического разделения твердых и жидких веществ, растворенных в образованном из газа СКФ, осуществляющем обратный переход в газообразное состояние при давлении ниже критического в момент сбора продуктов хроматографического разделения с последующим образованием СКФ, растворением веществ и дозированием их в хроматографическую колонку инертным газом давлением выше критического.
Наличие в хроматографической колонке значительного градиента давлений позволяет работать в условиях высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), что повышает производительность и эффективность хроматографического разделения в предлагаемом устройстве.
Следует отметить и универсальность схемы предлагаемого устройства, дающую возможность работы в комбинированном режиме хроматографического разделения, в том числе и проявительном варианте с последовательным подключением колонок.
Источники информации
1. Проспект фирмы Sepragen Corporation USA на препаративный хроматограф Quanta Sep 1000, 1996 г.
2. Патент на изобретение №2152611 по заявке №98119812 от 02.11.1998 г.
3. Патент на изобретение №2334227 по заявке №2007112214 от 02.04.2007 г. - прототип.