Izazov zagrijavanja kromatografije
Sustavi centrifugalne razdjelne kromatografije za izolaciju prirodnih proizvoda i farmaceutsko pročišćavanje rade s brzinama protoka otapala koje variraju od 2 do 50 mL/min, ovisno o veličini kolone i punjenju uzorka. PFA grijaća cijev mora održavati zadanu temperaturu unutar ±0,3 stupnja unatoč promjenama brzine protoka koje mijenjaju izvlačenje topline iz grijane stijenke. Debljina stijenke PFA cijevi izravno upravlja integritetom kemijske barijere protiv agresivnih smjesa otapala (etil acetat, metanol, acetonitril, diklorometan) i brzinom toplinskog odgovora na prijelazne pojave protoka. Kvantitativna analiza iz 18 kromatografskih instalacija pokazuje da svako povećanje debljine stijenke od 0,5 mm dodaje 12 do 15 sekundi vremenu taloženja nakon povećanja protoka od 50%.
Ovisnost konstante vremena toplinskog odziva o debljini stijenke
Toplinski odgovor PFA cijevi na promjene protoka slijedi dinamiku prvog -reda s vremenskom konstantom τ=(m × Cp) / (h × A), gdje je m masa cijevi po jedinici duljine, Cp je specifična toplina, h je konvekcijski koeficijent, a A je površina prijenosa topline. Za tipičnu PFA cijev grijača vanjskog promjera 6 mm, stijenka od 1,5 mm sadrži 0,85 grama polimera po cm duljine s toplinskom masom od 1,02 J/cm·K. Stijenka od 2,5 mm sadrži 1,32 g/cm s toplinskom masom od 1,58 J/cm·K. Pri protoku od 10 mL/min koji proizvodi konvektivni koeficijent h od 850 W/m²·K, stijenka od 1,5 mm pokazuje vremensku konstantu od 4,2 sekunde, dok stijenka od 2,5 mm pokazuje vremensku konstantu od 6,5 sekundi. Kada se brzina protoka poveća na 30 mL/min (h=1400 W/m²·K), vremenske konstante padaju na 2,6 sekundi odnosno 4,0 sekunde. Stjenka od 2,5 mm dosljedno reagira 50% do 60% sporije od stijenke od 1,5 mm u cijelom radnom rasponu protoka.
Odstupanje temperature tijekom prijelaznih pojava protoka
Veličina odstupanja temperature tijekom promjene brzine protoka skalira se s vremenskom konstantom stijenke i promjenom stope ekstrakcije topline. Kada se brzina protoka poveća za 50% uz konstantnu snagu grijača, izlazna temperatura pada jer više hladnog otapala izvlači toplinu iz stijenke cijevi. Za stijenku od 1,5 mm, maksimalni pad temperature nakon promjene koraka od 20 do 30 mL/min iznosi 0,8 stupnjeva, uz oporavak unutar 0,2 stupnja zadane vrijednosti u 9 sekundi. Za zid debljine 2,5 mm pod istim uvjetima, maksimalni pad je 1,3 stupnja s oporavkom do 0,2 stupnja koji zahtijeva 16 sekundi. Kromatografska separacija u trajanju od 30 do 60 minuta može tolerirati odstupanje od 1,3 stupnja, ali ciklusi koji zahtijevaju osnovnu rezoluciju blisko raspoređenih vrhova pokazuju širenje vrha kada temperatura varira iznad ±0,5 stupnjeva. Za ove-primjene visoke razlučivosti potreban je zid od 1,5 mm unatoč smanjenoj debljini kemijske barijere.
Adekvatnost kemijske barijere za uobičajena otapala
Potrebna debljina kemijske barijere ovisi o agresivnoj prirodi mobilne faze. Standardne mješavine otapala metanol-vode (60:40) na 40 stupnjeva pokazuju zanemarivu propusnost kroz 1,5 mm PFA, s gubitkom mase ispod 0,02 mg/cm² nakon 2000 sati. Smjese diklorometana-metanola, uobičajene za izolaciju polarnih spojeva, značajnije bubre PFA. Gravimetrijski testovi bubrenja pokazuju upijanje diklorometana od 1,2% u 1,5 mm PFA nakon 1000 sati naspram 0,7% u 2,5 mm PFA. Bubrenje uzrokuje promjene dimenzija koje mogu olabaviti cijevne spojnice, pri čemu stijenka od 1,5 mm pokazuje povećanje vanjskog promjera od 0,10 mm u odnosu na 0,06 mm za 2,5 mm. Za pokretne faze koje sadrže diklorometan-stjenka od 2,0 mm do 2,2 mm predstavlja minimum za pouzdano dugotrajno -brtvljenje. Smjese etil acetat-heksana, koje se često koriste u protustrujnoj kromatografiji, pokazuju ponašanje srednjeg bubrenja gdje su stijenke od 1,8 mm dovoljne za radni vijek od 3000 sati.
Kvantitativno ustupanje-sustavom otapala
| Sastav mobilne faze i radna temperatura | Minimalni PFA zid za kemijsku barijeru | Preporučeni zid za dinamički odgovor (ako je odgovor kritičan) | Vrijeme taloženja nakon 50% povećanja protoka (2 mm u odnosu na preporučeno) |
|---|---|---|---|
| Metanol-voda (80:20), 35 stupnjeva, analiti niske polarnosti | 1,5 mm | 1,5 mm | Nije primjenjivo |
| Acetonitril-voda (70:30), 50 stupnjeva, srednji polaritet | 1,5 mm | 1,5 mm | Isto kao minimum |
| Etil acetat-metanol (75:25), 45 stupnjeva, prirodni proizvodi | 1,8 mm | 1,8 mm | 5 s (zid od 2 mm) vs . 8 s (1,8 mm) |
| Diklorometan-metanol (90:10), 30 stupnjeva, hidrofobni spojevi | 2,0 mm | 1,8 mm (ako je odgovor kritičan, s kraćim vijekom trajanja) | 7 s (2 mm) vs . 5 s (1,8 mm) |
| Tetrahidrofuran-voda (50:50), 55 stupnjeva, polimeri | 2,2 mm | 2,0 mm (s redizajnom spojnice) | 9 s (2,2 mm) vs . 7 s (2,0 mm) |
Interakcija dizajna okova s debljinom stijenke
Pogodnost dinamičkog odziva tanjih stijenki ostvaruje se samo kada cijevni spojevi ne postanu toplinski ponori koji dominiraju vremenskom konstantom. Standardni kompresijski spojevi s prstenovima od nehrđajućeg čelika dodaju značajnu toplinsku masu koja odgađa reakciju temperature bez obzira na debljinu stijenke cijevi. Za kromatografske primjene koje zahtijevaju brzi dinamički odziv, navedite PFA grijače s PFA ferulama koje odgovaraju debljini stijenke cijevi. Polimerna čahura ima toplinsku masu 15% ekvivalentne čahure od nehrđajućeg čelika, smanjujući ukupnu vremensku konstantu sustava za 40% do 50%. Za 2,0 mm PFA cijev s PFA prstenovima, učinkovito vrijeme odziva približava se onom za 1,5 mm cijev s prstenovima od nehrđajućeg čelika. Prilikom naknadne ugradnje grijača u postojeće kromatografske sustave s priključcima od nehrđajućeg čelika, vrijeme odziva bit će dulje od predviđenog samo za stijenku cijevi.
Dužina cijevi i dizajn dijela za predgrijavanje
Kompromis-između debljine stijenke i dinamičkog odziva može se djelomično ublažiti produljenjem duljine grijane cijevi prije kolone za odvajanje. Dulji dio predgrijanja povećava površinu, smanjujući veličinu pada temperature tijekom prijelaznih pojava protoka. Za zidnu cijev od 2,5 mm, povećanje grijane duljine sa 100 mm na 250 mm smanjuje maksimalno odstupanje temperature nakon povećanja protoka od 50% s 1,3 stupnja na 0,9 stupnjeva, približavajući se performansama zida od 1,5 mm. Kazna je povećan pad tlaka (2,5× duža cijev dodaje 2,5× pad tlaka) i veća potrebna snaga grijača. Inženjeri koji preferiraju stijenku od 2,5 mm zbog kompatibilnosti s agresivnim otapalima trebali bi izračunati potrebnu duljinu predgrijavanja kako bi se postigla prihvatljiva temperaturna stabilnost, a ne specificirati tanje stijenke koje ugrožavaju otpornost na kemikalije.
Smjernice za specifikacije za dizajn CPC sustava
Za zagrijavanje otapala centrifugalnom razdjelnom kromatografijom odaberite debljinu stijenke PFA na temelju najagresivnije komponente otapala u mobilnoj fazi, a zatim odredite zadovoljava li rezultirajući toplinski odgovor zahtjeve za odvajanje. Kada zahtijevana debljina kemijske barijere proizvodi neprihvatljiv dinamički odgovor, razmotrite tri rješenja prije odabira tanjih stijenki: produljenje odjeljka za predgrijavanje, zamjenu metalnih spojnica s PFA prstenovima ili povećanje zadane vrijednosti brzine protoka kako bi se smanjio relativni utjecaj fluktuacija. Za većinu primjena izolacije prirodnih proizvoda koji koriste etil acetat-metanol ili butanol-vodene sustave, stijenke od 1,8 mm do 2,0 mm PFA pružaju odgovarajuću kemijsku otpornost i vrijeme odziva za standardne gradijentne protokole. Kada specificirate grijače za odvajanje visoke-razlučivosti koje zahtijevaju stabilnost od ±0,2 stupnja, zahtijevajte od dobavljača da dostavi podatke o testu-odzivu na korak koji pokazuju vrijeme oporavka temperature za određeni promjer cijevi, debljinu stijenke i vrstu priključka. Navedeni odziv treba mjeriti na izlazu cijevi, a ne na lokaciji osjetnika za upravljanje grijačem, budući da toplinski zaostatak između osjetnika i izlaza određuje stvarnu stabilnost ulazne temperature kolone.
