Kromatografian lämmityshaaste
Luonnontuotteen eristämiseen ja farmaseuttiseen puhdistukseen tarkoitetut keskipakopartitiokromatografiajärjestelmät toimivat liuottimen virtausnopeuksilla, jotka vaihtelevat välillä 2-50 ml/min kolonnin koosta ja näytelatauksesta riippuen. PFA-lämmitinputken on säilytettävä asetuslämpötila ±0,3 asteen sisällä huolimatta virtausnopeuden muutoksista, jotka muuttavat lämmön poistumista lämmitetystä seinästä. PFA-putken seinämän paksuus säätelee suoraan sekä kemiallisen esteen eheyttä aggressiivisia liuotinseoksia vastaan (etyyliasetaatti, metanoli, asetonitriili, dikloorimetaani) että lämpövasteen nopeutta virtaustransienteihin. Kvantitatiivinen analyysi 18 kromatografialaitteistosta osoittaa, että jokainen 0,5 mm:n seinämän paksuuden lisäys lisää 12-15 sekuntia laskeutumisaikaan 50 % virtausnopeuden lisäyksen jälkeen.
Lämpövasteajan jatkuva riippuvuus seinän paksuudesta
PFA-putken lämpövaste virtauksen muutoksiin noudattaa ensimmäisen-kertaluvun dynamiikkaa aikavakiolla τ=(m × Cp) / (h × A), missä m on putken massa yksikköpituutta kohti, Cp on ominaislämpö, h on konvektiivinen kerroin ja A on lämmönsiirtoalue. Tyypilliselle 6 mm:n ulkohalkaisijaltaan PFA-kuumennusputkelle 1,5 mm:n seinä sisältää 0,85 grammaa polymeeriä pituuden senttimetriä kohden, jonka lämpömassa on 1,02 J/cm·K. 2,5 mm:n seinä sisältää 1,32 g/cm ja lämpömassa 1,58 J/cm·K. Virtausnopeudella 10 ml/min, jolloin konvektiivinen kerroin h on 850 W/m²·K, 1,5 mm:n seinämän aikavakio on 4,2 sekuntia, kun taas 2,5 mm:n seinämän aikavakio on 6,5 sekuntia. Kun virtausnopeus kasvaa arvoon 30 ml/min (h=1400 W/m²·K), aikavakiot putoavat 2,6 sekuntiin ja 4,0 sekuntiin. 2,5 mm seinä reagoi jatkuvasti 50–60 % hitaammin kuin 1,5 mm:n seinä koko toimintavirtausalueella.
Lämpötilapoikkeama virtaustransienttien aikana
Lämpötilapoikkeaman suuruus virtausnopeuden muutoksen aikana skaalautuu seinän aikavakioon ja lämmönpoistonopeuden muutokseen. Kun virtausnopeus kasvaa 50 % tasaisella lämmittimen teholla, ulostulolämpötila laskee, kun enemmän kylmää liuotinta erottaa lämpöä putken seinämästä. 1,5 mm:n seinälle maksimilämpötilan pudotus 20–30 ml/min askelmuutoksen jälkeen on 0,8 astetta ja palautuminen 0,2 asteen tarkkuudella asetusarvosta 9 sekunnissa. 2,5 mm:n seinälle identtisissä olosuhteissa suurin pudotus on 1,3 astetta ja palautuminen 0,2 asteeseen vaatii 16 sekuntia. 30-60 minuuttia kestävät kromatografiaerotukset voivat sietää 1,3 asteen poikkeamaa, mutta ajot, jotka vaativat perusviivan erottelukyvyn lähekkäin sijaitsevat piikit, osoittavat piikin levenemistä, kun lämpötila vaihtelee yli ±0,5 astetta. Näissä korkearesoluutioisissa sovelluksissa 1,5 mm:n seinä on välttämätön kemiallisen esteen paksuudesta huolimatta.
Tavallisten liuottimien kemiallisen esteen riittävyys
Tarvittava kemiallisen esteen paksuus riippuu liikkuvan faasin aggressiivisuudesta. Normaalit metanoli-veden (60:40) liuotinseokset 40 asteessa osoittavat mitätöntä läpäisyä 1,5 mm:n PFA:n läpi, ja massahäviö on alle 0,02 mg/cm² 2000 tunnin jälkeen. Dikloorimetaani-metanoliseokset, jotka ovat yleisiä polaaristen yhdisteiden eristämisessä, turvottavat PFA:ta merkittävästi. Gravimetriset turpoamiskokeet osoittavat, että dikloorimetaanin otto on 1,2 % 1,5 mm:n PFA:ssa 1 000 tunnin jälkeen verrattuna 0,7 %:iin 2,5 mm:n PFA:ssa. Turpoaminen aiheuttaa mittamuutoksia, jotka voivat löysätä putkiliittimiä, jolloin 1,5 mm:n seinämän ulkohalkaisija kasvaa 0,10 mm verrattuna 0,06 mm:iin 2,5 mm:n kohdalla. Dikloorimetaania sisältäville liikkuville faaseille 2,0–2,2 mm:n seinämä edustaa vähimmäistasoa luotettavalle pitkäkestoiselle tiivistämiselle. Etyyliasetaatti-heksaaniseokset, joita käytetään usein vastavirtakromatografiassa, osoittavat keskimääräistä turpoamiskäyttäytymistä, jolloin 1,8 mm seinät riittävät 3 000 tunnin käyttöikään.
Liuotinjärjestelmän{0}}määräinen kauppa
| Mobiilivaiheen koostumus ja käyttölämpötila | Minimi PFA-seinä kemialliselle esteelle | Suositeltu seinä dynaamista vastetta varten (jos vastaus on kriittinen) | Laskeutumisaika 50 % virtauksen lisäyksen jälkeen (2 mm vs. suositeltu) |
|---|---|---|---|
| Metanoli-vesi (80:20), 35 astetta, matalapolariteettiset analyytit | 1,5 mm | 1,5 mm | Ei sovellu |
| Asetonitriili{0}}vesi (70:30), 50 astetta, keskinapaisuus | 1,5 mm | 1,5 mm | Sama kuin minimi |
| Etyyliasetaatti-metanoli (75:25), 45 astetta, luonnontuotteet | 1,8 mm | 1,8 mm | 5 s (2 mm seinä) vs . 8 s (1,8 mm) |
| Dikloorimetaani-metanoli (90:10), 30 astetta, hydrofobiset yhdisteet | 2,0 mm | 1,8 mm (jos vaste on kriittinen, lyhyemmällä käyttöiällä) | 7 s (2 mm) vs . 5 s (1,8 mm) |
| Tetrahydrofuraani-vesi (50:50), 55 astetta, polymeerit | 2,2 mm | 2,0 mm (liittimen uudelleensuunnittelulla) | 9 s (2,2 mm) vs . 7 s (2,0 mm) |
Sopiva suunnittelun vuorovaikutus seinän paksuuden kanssa
Ohuempien seinien dynaaminen vasteetu toteutuu vasta, kun putkenosat eivät muutu aikavakiota hallitseviksi lämpönieluiksi. Vakiopuristusliittimet, joissa on ruostumattomasta teräksestä valmistetut holkit, lisäävät merkittävää lämpömassaa, joka viivästyttää lämpötilavastetta putken seinämän paksuudesta riippumatta. Nopeaa dynaamista vastetta vaativia kromatografiasovelluksia varten määritä PFA-lämmittimet, joissa on PFA-holkkiliittimet, jotka vastaavat putken seinämän paksuutta. Polymeeriholkin lämpömassa on 15 % vastaavasta ruostumattomasta teräksestä valmistettuun holkkiin verrattuna, mikä vähentää järjestelmän kokonaisaikavakiota 40 % - 50 %. 2,0 mm:n PFA-putkella, jossa on PFA-holkit, tehollinen vasteaika lähestyy 1,5 mm:n putken, jossa on ruostumattomasta teräksestä valmistetut holkit. Kun lämmittimet asennetaan jälkikäteen olemassa oleviin kromatografiajärjestelmiin, joissa on ruostumattomasta teräksestä valmistetut liittimet, vasteajat ovat pidemmät kuin pelkän putken seinämän perusteella ennakoidaan.
Putken pituus ja esilämmitysosan suunnittelu
Seinämän paksuuden ja dynaamisen vasteen välistä-eroa voidaan osittain lieventää pidentämällä lämmitetyn letkun pituutta ennen erotuskolonnia. Pidempi esilämmitysosa lisää pinta-alaa, mikä vähentää lämpötilan pudotuksen suuruutta virtaustransienttien aikana. 2,5 mm:n seinäputkella lämmitetyn pituuden lisääminen 100 mm:stä 250 mm:iin vähentää maksimilämpötilan poikkeamaa, kun virtaus on kasvanut 50 % 1,3 astetta 0,9 asteeseen, ja se lähestyy 1,5 mm:n seinän suorituskykyä. Rangaistus on lisääntynyt painehäviö (2,5x pidempi putki lisää 2,5x painehäviö) ja suurempi lämmittimen tehotarve. Insinöörien, jotka suosivat 2,5 mm:n seinää aggressiivisen liuottimen yhteensopivuuden vuoksi, tulisi laskea vaadittu esilämmityspituus hyväksyttävän lämpötilan vakauden saavuttamiseksi sen sijaan, että määrittäisivät ohuemmat seinät, jotka heikentävät kemiallista kestävyyttä.
Määrittelyohjeet CPC-järjestelmän suunnitteluun
Valitse keskipakopartitiokromatografiaa varten liuotinkuumentamiseen PFA-seinämän paksuus liikkuvan faasin aggressiivisimman liuotinkomponentin perusteella ja määritä sitten, täyttääkö tuloksena oleva lämpövaste erotusvaatimukset. Kun vaadittu kemiallisen esteen paksuus tuottaa ei-hyväksyttävän dynaamisen vasteen, harkitse kolmea korjauskeinoa ennen ohuempien seinien valitsemista: esilämmitysosan laajentaminen, metalliliitosten korvaaminen PFA-holkilla tai virtausnopeuden asetusarvon nostaminen vaihteluiden suhteellisen vaikutuksen vähentämiseksi. Useimmissa luonnollisissa tuotteiden eristyssovelluksissa, joissa käytetään etyyliasetaatti-metanoli- tai butanoli-vesijärjestelmiä, 1,8–2,0 mm:n PFA-seinämät tarjoavat riittävän kemiallisen kestävyyden ja vasteajan standardigradienttiprotokollia varten. Kun määrität lämmittimiä korkearesoluutioisille erotuksille, jotka vaativat ±0,2 asteen vakautta, pyydä toimittajaa toimittamaan vaihe-vastetestitiedot, jotka osoittavat lämpötilan palautumisajan tietylle putken halkaisijalle, seinämän paksuudelle ja liitostyypille. Ilmoitettu vaste on mitattava putken ulostuloaukosta, ei lämmittimen ohjausanturin paikasta, koska anturin ja ulostulon välinen lämpöviive määrittää kolonnin todellisen sisääntulon lämpötilan vakauden.
