background image

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

background image

Chromatografia 

okresowa i ciągła

Plusy i minusy

background image

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.

background image

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)

= 0

x = L

Apparatus

Feed

Effluent

Detector

background image

Okresowość a ciągłość procesu chromatografii

Okresowość a ciągłość procesu chromatografii

Chromatografia okresowa

Chromatografia okresowa

Chromatografia cykliczna

Chromatografia cykliczna

background image

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

background image

Konfiguracje kolumn

Konfiguracje kolumn

background image

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

.

background image

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

=

Pr

lub

Pf

i

Pr

i

Y

i

a

wprowadzon

 

masa

odebrana

 

masa

i

=

Y

background image

;

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

background image

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. 

comp. 2

background image

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

background image

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.

background image

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

background image

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

background image

Zone I 

Zone III 

Zo

ne

 IV

 

Z

on

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

background image

Open loop

SMB closed 

loop

Konfiguracje kolumn

Konfiguracje kolumn

background image

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

background image

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 

...

background image
background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

=

=

background image

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

background image

Produktywność do 1kg czystej subst./rok. 

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

Knauer

background image

Produktywność 1 – 10 kg czystej
subst./dzień. 

80 cm SMB system

background image

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.

background image

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