DE2658594A1

DE2658594A1 - Chromatographische saeule

Info

Publication number: DE2658594A1
Application number: DE19762658594
Authority: DE
Inventors: Louis Abrahams
Original assignee: Waters Associates Inc
Current assignee: Waters Associates Inc
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS5282388A; CA1071112A; US4070285A

Description

DIPL-PHYS. F. ENDLICH d - ao₃4 unterpfaffenhofen 23. Dezember 1976

PATENTANWALT postfach _Ε/_Εχ

TELEFON (MÖNCHEN) 84 3β 3β

"f" · TELEGRAMMADRESSE:

CABLE ADDRESS: ^ENDLICH MÜNCHEN DIPt_-PHYS. F. ENDLICH, D - BO34 UNTERPFAFFENHOFEN, POSTF.

TELEX: B2 173O

Meine Akte: W-4132

Anmelder: Waters Associates, _t Inc./ Maple Street, Milford, Mass., USA

Chromatographische Säule

Die Erfindung betrifft eine chromatographische Säule sowie ein Verfahren zur Herstellung und zum Füllen einer derartigen Säule.

In der Flüssigkeitschromatographie finden für analytische und präparative Zwecke meist zylindrische Röhren Verwendung, die vorzugsweise aus Edelstahl bestehen, in denen ein poröses Füllmaterial als unbewegliche Phase enthalten ist. Die zu analysierende Probe wird der Säule mit einer Trägerflüssigkeit zugeführt. Beim Durchtritt der Probe durch die Säule wird bei unterschiedlichen Komponenten der Durchfluß unterschiedlich verzögert,, weil eine unterschiedliche chemische oder physikalische Wechselwirkung mit dem Füllmaterial auftritt» Der Abfluß wird kontinuierlich gemessen, um die aus der Säule austretenden Komponenten zu identifizieren.

Die Reproduzierbarkeit des Verfahrens hängt in einem großen Ausmaß davon ab, daß die Eigenschaften der Füllung konstant bleiben. Bisher wurde deshalb in erster Linie darauf Wert gelegt, durch besondere Maßnahmen eine geeignete Packung der Fül-

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lung zu erzielen.

Bei bekannten Verfahren dieser Art, bei denen beispielsweise Vibrationen verursacht wurden (US-PS 3 300 849), ist eine sorgfältige Steuerung erforderlich, wenn eine Trennung nach unterschiedlichen Teilchengrößen vermieden und eine gleichförmige Packung des Füllmaterials erzielt werden soll. Das üblichste Verfahren zum Füllen Chromatographiseher Säulen ist ein verhältnismäßig kostspieliges Verfahren, bei dem eine Aufschlämmung des Füllmaterials durch die Säule geleitet wird. Dabei wird die Säule selbst als Form zur Anordnung eines Filterbetts aus Füllmaterial verwandt.

Um die Lage der Teilchen des Füllmaterials beizubehalten, wird beispielsweise bei den beiden oben erwähnten Verfahren vor allem versucht, das Füllmaterial derart in die Säule einzubringen, daß die Packung eine stabile Lage einnimmt. Andere Verfahren (US-PS 3 808 125) zur Befestigung der Packung an der Säulenwand sind dagegen verhältnismäßig kompliziert oder teuer.

Bei diesen bekannten Verfahren besteht jedoch der Nachteil, daß nicht alle angestrebten Vorteile in entsprechend zufriedenstellender Weise erzielt werden können. Durch die Erfindung sollen insbesondere sowohl ein sehr gutes Betriebsverhalten, als auch möglichst gleiche Trenneigenschaften unterschiedlicher Säulen erzielt werden, sowie ein gewünschtes Ausmaß der Stabilität der Betriebsweise während eines längeren Betriebs einer Säule, die aufgrund verhältnismäßig geringer Herstellungskosten allgemein verwendbar ist.

Bai Packungen aus Füllmaterial sind vier Arten von Leerräumen zu berücksichtigen. Erstens,ist ein Leerraum innerhalb jedes porösen Teilchens enthalten. Zweitens ist ein theoretischer Leerraum zwischen den Teilchen vorhanden, der dem unvermeidbaren Leerraum entspricht, der bei einer idealen Packung von Kügelchen gleicher Größe gegeben ist. Drittens ist ein Leerraum auf die unvollkommene Packung der Teilchen zurückzuführen, die normalerweise in einem gewissen Ausmaß bei jeder Packung aus Teilchen vorhanden ist. Viertens ist ein Leervolumen vorhanden, das verhältnismäßig großen Leerräumen entspricht, die

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durch die Konsolidierung der Leerräume der dritten Art gegeben sind. Die folgenden Ausführungen betreffen Leerräume der dritten und vierten Art.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine chromatographische Säule der eingangs genannten Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß eine stabile Packung unter möglichst weitgehender Vermeidung von Leerräumen erzielt werden kann, welche die reproduzierbare Betriebsweise der Säulen beeinträchtigen könnten. Durch die Erfindung soll ferner ein verbessertes Verfahren zur Herstellung, zur Füllung und zum Betrieb einer wirtschaftlichen Säule mit gutem Langzeitverhalten angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bei einer chromatographxschen Säule der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Stabilität des Durchmessers der Kammer der chromatographischen Säule bei wiederholter chromatographischer Verwendung von entscheidender Bedeutung ist,' und daß durch eine Konstruktion gemäß der Erfindung überraschende Vorteile bei der Durchführung chromatographischer Verfahren erzielt werden können.

Die Erfindung ist auf Säulen für Flüssigkeitschromatographie unabhängig von deren Größe anwendbar. Vorzugsweise finden jedoch zylindrische Röhren Verwendung, deren innendurchmesser weniger als etwa 15,9 mm (0,0625 Zoll) beträgt.

Die Erkenntnis, daß eine derartige mechanische Steifigkeit die Arbeitsweise einer chromatographischen Säule erheblich beeinflussen kann, ist insbesondere deshalb überraschend, weil die thermischen Einflüsse auf die Abmessungen einer Säule bei einem inneren Betriebsdruck von mehreren 100 kg/cm weit größer als die mechanischen Effekte sind. Beispielsweise kann bei einer Säule, die mit einem Betriebsdruck von 350 kg/cm betrieben wird, die Auslaßtemperatur 135°C betragen. Die Resultate der verschiedenen relativ großen thermischen Spannungen in einer Säule gleichen sich jedoch in den meisten Fällen aus, weshalb die Neutralisation

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der mechanischen Spannung besonders bedeutsam und vorteilhaft ist.

Eine chromatographische Säule gemäß der Erfindung besitzt eine Kammer, deren Durchmesser um weniger als 0,01% erhöht wird, wenn ein Innendruck von 351,5 kg/cm (5000 psi) ausgeübt wird. Es ist jedoch zu beachten, daß die Vorteile einer derartigen chromatographischen Säule nicht nur bei Chromatographiseheη Verfahren unter hohem Überdruck erzielt werden. Beträchtliche Vorteile werden auch bei einem Druck erzielt, der wesentlich unter 70 kg/cm liegt. Ferner ist zu berücksichtigen, daß auch eine vorteilhaftere Packung bei der Füllung der Säulen erzielt wird, , die zu einem verbesserten Betriebsverhalten führt, wenn das Füllen mit einem Auf schlammve rf ahren durchgeführt wird, bei dem ein Filterkuchen als Packung in der Röhre unter hohem Druck geformt wird.

Die notwendige mechanische Festigkeit der Säule kann durch an sich bekannte Maßnahmen zur Herstellung gegen Spannungen widerstandsfähiger Strukturen verwandt werden, die beispielsweise aus dem Maschinenbau zur Herstellung zylindrischer Druckgefäße bekannt sind. Beispielsweise können die physikalischen Eigenschaften eines Metalls gegen den Durchmesser der Säulenwand ausgeglichen werden. Derartige einfache Maßnahmen sind zufriedenstellend, wenn man die speziellen Änwendungszwecke der betreffenden Säule kennt, in einem derartigen Fall kann ein Zylinder geeigneter Spannungsfestigkeit' entsprechend den Eigenschäften des Metalls und der Dicke der Zylinderwand ausgewählt werden. Diese Ausführungsform ist am besten für präparative Arbeiten oder für Säulen geeignet, die einen so großen Durchmesser besitzen,, daß die Art der Oberfläche der zylindrischen Wand nicht kritisch ist.

ln*vielen Fällen ist es jedoch erforderlich, die benetzten. Oberflächen der Säule (z.B. die innenwand der Säule) aus einem chemisch sehr gut beständigen Material herzustellen. In kleineren Säulen, die einen Durchmesser, zwischen etwa 2„5 oder etwa 15,9 mm haben, insbesondere einen Durchmesser von weniger als etwa lo,2 mm, wird es als beträchtlicher Vorteil angesehen,

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eine glatte Innenwand der Säule zu verwenden. Der genaue Grund für den Vorteil der Oberflächengüte ist nicht bekannt. Es wird jedoch angenommen, daß dadurch eine optimale Packung der Säule begünstigt wird, aus welchem Grund die Arbeitsweise der Säule verbessert wird. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung findet deshalb eine in ihren Abmessungen stabile Säule mit einer verbesserten Innenfläche Verwendung.

Es sind jedoch auch Ausführungsbeispiele möglich, bei denen keine zusammengesetzte Röhrenstruktur erforderlich ist. Zum Beispiel ist es möglich, eine hartgezogene Röhre aus rostfreiem Stahl (Typ 316) zu verwenden, deren Innenfläche auf die gewünschte Glätte mechanisch poliert wird. Für die Röhre ist eine Wanddicke auszuwählen, die der gewünschten maximalen Vergrößerung des Durchmessers bei dem betreffenden Betriebsdruck entspricht.

Zusammenfassend sind deshalb die wesentlichen Merkmale der Erfindung in einer chromatographischen Säule zu sehen, die eine äußere Verstärkungshülse aufweist, durch die eine dimensioneile Stabilität erzielt wird, welche eine Verbesserung der chromatographischen Arbeitsweise ermöglicht. Vorzugsweise wird ein besonderer Öberflächenzustand der Innenwand der Säule vorgesehen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer chromatographischen Säule gemäß der Erfindung.

Die dargestellte chromatographische Säule IO hat ein Einlaßfitting 12, ein Auslaßfitting 14 und einen Säulenteil 16. In diesem Säulenteil wird praktisch das gesamte chromatographische Füllmaterial angeordnet, obwohl ein Teil davon in den Fittings angeordnet sein kann, beispielsweise in einem konischen Teil 18.

Die Säule 16 besteht aus einer inneren Röhre 20 aus rostfreiem Stahl und einer äußeren verstärkten Hülse 22 aus wärmebehandeltem rostfreiem Stahl Typ 410. Diese Konstruktion ergibt eine Anzahl von zusätzlichen Vorteilen, die ebenfalls zu

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der verbesserten Arbeitsweise beitragen.

Die innere Röhre 20 wird durch Ziehen über einen Dorn in an sich bekannter Weise hergestellt. Dadurch "kann in wirtschaftlicher Weise eine dünne Röhre mit einer ausgezeichneten Oberflä-

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chengüte von beispielsweise weniger als 8 χ 10 mm (32 microinch, quadratischer Mittelwert) hergestellt werden. Eine typische Röhre besitzt einen Außendurchmesser von 4,4577 mm (0/1755 Zoll) und einem Innendurchmesser von 3,9 mm (0,1535 Zoll). Die Wandstärke beträgt 0,28 mm (0,011 Zoll). Die innere Röhre besteht vorteilhafterweise aus rostfreiem Stahl 316, welches Material vorzugsweise wegen seiner chemischen Beständigkeit Verwendung findet. Derartige Röhren können auf-der Innenwand Oberflächengüten von weniger als 16 rms bis zu 8 rms besitzen.

Die äußere Verstärkungshülse 22 hat eine Wandstärke von etwa 1,143 mm (0,045 Zoll). Der Innendurchmesser beträgt etwa 4,47 mm (0,176 Zoll). Die Hülse besteht aus einem stärkeren Material wie Edelstahl Typ 410. Dieses Material hat eine Streck-

grenze (0,2% Abweichung) von etwa 10500 kg/cm (150000 psi) nach einer Härtung, wie einer Wärmebehandlung auf eine Rockwell C-Härte von etwa 4O. Dies läßt sich vergleichen mit einer Streck-

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grenze von etwa 2100 kg/cm oder 2800 kg/cm (30000 oder 40000 psi) für angelassene rostfreie Stähle mit dem Typ 316 oder 410. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, daß die äußere Röhre eine

2 Streckgrenze (0,2% Abweichung) von mindestens 6300 kg/cm

2 (90000 psi), vorzugsweise von 10600 kg/cm (150000 psig) besitzt.·

Eine sehr kleine Bohrung von beispielsweise 0,5 mm Durchmesser wird in die Wand der inneren Röhre etwa in der Mitte zwischen deren Enden gebohrt.

Beim Zusammenbau einer chromatographischen Säule gemäß der Erfindung werden die Röhren gut gereinigt und die innere Röhre wird in die äußere Röhre eingesetzt, wonach die Endfittings angeordnet werden. Die innere Röhre ragt von jedem Ende der äußeren Röhre vor. Die innere Röhre wird in an sich bekannter Weise passiviert. Dann werden die Endfittings angelötet und die beiden Röhren werden an der Stelle 26 mit einer Lötlegierung aus einer

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verträglichen eisenhaltigen Nickel-Chrom-Legierung verlötet. Derartige Legierungen finden üblicherweise bei dem Verlöten von rostfreiem Stahl Typ 316 Verwendung. Im Innenraum der inneren Röhre wird dann ein Druck aufgebaut, um diese in engen Kontakt mit der äußeren Röhre zu bringen. Die Ausdehnung beim Druckaufbau soll dabei den elastischen Grenzwert der inneren Röhre (etwa 844 kg/cm bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel) erreichen, so daß sie nicht in ihre ursprünglichen Abmessungen zurückgelangt, sondern in der gegen die äußere Röhre anliegenden Lage verbleibt. Die äußere Röhre wird dagegen nicht über ihre Elastizitätsgrenze hinaus expandiert. Diese zeitweilige Expansion der äußeren Röhre gewährleistet, daß die innere Röhre unter einer derart ausreichenden Spannung steht, daß sie über ihre Elastizitätsgrenze hinaus gedehnt werden kann. Die erwähnte kleine Bohrung dient dazu, daß aus dem Zwischenraum zwischen den Röhren Gas bei der Expansion austreten kann.

Die Röhre wird dann an der Stelle 30 abgeschnitten. Das Abschneiden erfolgt mit einem nicht metallischen Werkzeug, beispielsweise mit einem Keramik- oder Diamantwerkzeug, damit die passivierte Röhrenoberfläche nicht durch freies Metall verseucht wird.

Durch die Oberflächenvergütung der Innenfläche wird erreicht, daß die Anordnung der Packung aus Füllmaterial verbessert wird. Deshalb wird durch die beschriebene Bearbeitung der inneren Röhre eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung erzielt. Die Verwendung einer äußeren Verstärkungshülse 22 ergibt einen hohen Widerstand gegen Formänderungen und Materialwanderungen, sowie die Möglichkeit, daß ein sehr hoher Druck innerhalb deren Elastizitätsgrenze aufgebaut werden kann, so daß sich eine Stabilität der Abmessungen der gefüllten Säule ergibt, durch die erstens eine Lockerung der Packung in dem Ausmaß vermieden werden kann, das zur Bildung von Leerräumen führen könnte, deren Größe und Art die Arbeitsweise der Säule beeinträchtigen würde, und gewährleistet zweitens, daß die Röhre nach jedem Druckabbau wieder dieselben Abmessungen besitzt.

Es wurden beträchtliche Verbesserungen der Qualität und

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der Reproduzierbarkeit von chromatographischen Trennungen bei Verwendung derartiger Säulen erzielt. Beispielsweise bei Verwendung von Füllstoffen mit Microqualität der gebundenen Phase (C₁₀) bei der wässrigen Gel-Permeation-Chromatographie wurde

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bei einem Überdruck von 387 kg/cm (5500 psig) festgestellt, daß die Säulen bei vorhersagbaren und reproduzierbaren Resultaten während einer Anzahl von Separationen in Serie geschaltet werden konnten. Bei Verwendung bekannter Säulen für das gleiche Verfahren mit demselben Füllmaterial ergaben sich dagegen nachteilige Leerräume bereits nach einem einzigen Betreibszyklus. Selbst dieser einzige Betriebszyklus ergab schlechtere analytische Ergebnisse, weil Leerräume bereits während dieses Betriebszyklus gebildet wurden.

Es ergeben sich deshalb allgemein Vorteile bei der Verwendung bei einer radial zwangsläufig begrenzten Säule gemäß der Erfindung beim Füllen mit Füllmaterial bei einem Druck oberhalb 140 kg/cm².

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1.

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Claims

23. Dezember 1976 W-4132

Patentansprüche

1. Chromatographische Säule mit einer von einer zylindrischen Röhre begrenzten Kammer, die mit einer porösen Masse aus chromatographischem Füllmaterial gefüllt ist, dadurch gekenn ze ichnet, daß die zylindrische Röhre eine derartige mechanische Festigkeit aufweist, daß der Durchmesser der Kammer um weniger als etwa 0,01% bei einem Innendruck von 350 kg/cm (5000 psi) vergrößert wird.

2. Chromatographische Säule nach Anspruch 1, dadurch gekenn ζ e ichne t , daß eine verhältnismäßig dünne Röhre (20) aus chemisch widerstandsfähigem Material von einer Verstärkungshülse (22) aus einem Material umgeben ist, das einen relativ größeren Widerstand gegen mechanische Spannungen aufweist.

3. Chromatographische Säule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne t , daß die innere Röhre (20) eine Oberflächengüte VOJ

rms) aufweist.

—4 flächengüte von weniger als etwa 0,32 χ 10 mm (32 microinch

4. Chromatographische Säule nach Anspruch 2, dadurch gekenn ζ e ichnet, daß die äußere Verstärkungshülse (22) aus einem Metall mit einer Streckgrenze (0,2% Abweichung) von über 6328 kg/cm (90000 psi) besteht, und daß die innere Röhre (22) aus rostfreiem Stahl hergestellt ist. .

5. Chromatographische Säule nach Anspruch 2, dadurch gekenn ze ichne t , daß die innere Röhre eine Oberflächengüte bis zu etwa 16 der genannten Einheiten aufweist.

6. Chromatographische Säule nach Anspruch 4, dadurch g e kennze ichne t , daß die Streckgrenze etwa 10550 kg/ cm² (150000 psi) beträgt.

7. Chromatographische Säule nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichne t , daß die Kammer einen maximalen Durchmesser von 15,9 mm besitzt.

8. Chromatographische Säule nach Anspruch 6, dadurch gekennze ichne t, daß die innere Röhre eine Oberflächengüte bis zu etwa 16 der genannten Einheiten aufweist, und daß der maximale Durchmesser der Kammer 15,9 mm (0,625 Zoll) beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung einer chromatographischen Säule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichne t , daß eine Röhre aus rostfreiem Stahl über einen Dorn gezogen wird, um eine Oberflächengüte von bis zu etwa 32 Einheiten herzustellen, daß dann die Innenfläche dieser Röhre passiviert wird, daß diese Röhre in einer Verstärkungshülse aus einem Material befestigt wird, das eine Streckgrenze von mindestens 6300 kg/cm (90000 psi) aufweist und deren Durchmesser um weniger als 0,01% bei einem Innendruck von 350 kg/cm (5000 psig) erhöht, und daß die innere Röhre aus rostfreiem Stahl gegen die Verstärkungshülse expandiert wird, wobei eine über die Elastizitätsgrenze der Röhre hinausgehende Expansion verursacht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,, daß eine Bohrung in der Wand der inneren Röhre ausgebildet wird, so daß bei deren Expansion gegen die Verstärkungshülse Gas aus dem Zwischenraum zwischen den beiden Röhren entweichen kann.

11. Verfahren zum Füllen der Kammer einer chromatographischen Säule nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch Niederschlag eines Filterkuchens aus chromatographischem Füllmaterial, bei dem eine Aufschlämmung aus Füllmaterial mit einer Trägerflüssigkeit einem Ende der Kammer unter einem Druck von etwa

140 kg/cm oder mehr zugeleitet wird, dadurch gekennze ichnet, daß das Volumen der Kammer inner-

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halb einer Toleranzgrenze von 0,01% während der Zuleitung der Aufschlämmung "konstant gehalten wird.

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