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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Säule zur
Trennung von Stoffgemischen, vorzugsweise in einem
präparativen Umfang mit einem flüssigen Medium.
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Die Flüssigchromatographie wird zur Trennung von
Stoffgemischen verwendet. Eine derartige Mischung wird
dabei der Säule aufgegeben, die mit einem adsorbierenden
Mittel gefüllt ist, worauf einer Flüssigkeit, die als
Eiuierungsmittel bezeichnet wird, gestattet wird, die
Säule zu durchströmen. Die Trennung wird erreicht, indem
dte Bestandteile der Mischung durch das Adsorptionsmittel
unterschiedlich stark zurückgehalten werden. Die
Flüssigchromatographie wird zu präparativen und analytischen
Zwecken verwendet. Zu analytischen Zwecken wird das
Stoffgemisch in einer flüssigen Phase der Säule
aufgegeben, worauf einem Eluierungsmittel gestattet wird,
durch die Säule und in einen Detektor zu strömen, der die
Menge des durchlaufenden Stoffes registriert.
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Die präparative Chromatographie wird mit dem Ziel
durchgeführt, aus dem Stoffgemisch reine Bestandteile
herzustellen oder Bestandteile zu isolieren. Die Stoffmenge,
die zu diesem Zweck der Säule aufgegeben wird, ist ein
bis mehrere Zehnerpotenzen größer als die, welche in eine
Säule zu analytischen Zwecken eingeleitet wird.
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In der präparativen Chromatographie kann in Fällen, in
denen das Stoffgemisch in einer geeigneten Flüssigkeit
gelöst ist, das Gemisch der Säule über eine Rohrleitung
aufgegeben werden, die an das Ende der Säule
angeschlossen ist. In anderen Fällen wird das Stoffgemisch in einer
festen Phase eingeführt. Ein Standardverfahren besteht
darin, das Gemisch in einem getrennten Arbeitsgang an
einem geeigneten Adsorptionsmaterial zu adsorbieren, das
anschließend in die Säule oben auf das Adsorptionsmittel
aufgegeben wird. Das Stoffgemisch kann synthetische oder
natürliche Produkte umfassen, z.B. Pflanzenextrakte.
Traditionell werden in diesem Zusammenhang lange Säulen
verwendet, deren oberes Ende offen ist. Die Säule ist bis
zu einem bestimmten Niveau mit einem Adsorptionsmittel
gefüllt, gefolgt van dem Stoffgemisch. Der oberste Teil
der Säule wird als Speicher für das Eluierungsmittel
verwendet, dem gestattet ist, mit der Hilfe der Schwerkraft
durch das Adsorptionsmittel zu fließen. Dieser Säulentyp
gestattet die kontinuierliche Zuführung des
Eluierungsmittels. Wenn höhere Durchflußraten erwünscht sind, was
auch mit einem hydrostatischen Druck erreicht werden
kann, so kann das Eluierungsmittel durch die Säule
gedrückt werden, indem das obere Ende der Säule
verschlossen und Gasdruck angewandt wird. Die letztere,
gegenwärtig angewandte Methode, wird als "Flash-Chromatographie"
bezeichnet. Obwohl dies eine preiswerte Lösung ist, weist
die Methode Nachteile auf. Glassäulen können durch zu
hohe Drücke explodieren, mit der Gefahr, daß Glassplitter
herumfliegen, und ferner muß das System beim Füllen oder
Wechsel des Eluierungsmittels entspannt werden. Die
Dekompression kann eine Blasenbildung verursachen,
wodurch Inhomogenitäten in der Packung des
Adsorptionsmittels auftreten.
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Das Hindurchdrücken des Eluierungsmittels durch die Säule
mit einer Pumpe bietet große Vorteile. Die Zufuhr des
Eluierungsmittels und der Wechsel der Zusammensetzung des
Eluierungsmittels kann in kontinuierlicher Weise an der
Saugseite der Pumpe erfolgen. Bei mittleren Drücken ist
die Kompressibilität der Flüssigkeit zu vernachlässigen.
Infolge dessen ist beim Einsatz von Säulen, die
vollständig mit einer festen Phase und Flüssigkeit aufgefüllt
sind, die Gefahr gering, daß beim Zerbrechen Glassplitter
herumfliegen. Aufgrund dieser Tatsache ist es
vorteilhaft, das Eluierungsmittel in die Säule durch einen
Hohlkolben zuzuführen, der in engen Kontakt zu dem
Adsorptionsmittel
gebracht werden kann, wodurch es gegenüber
der Säulenwand abdichtet.
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Diese Art der Chromatographie wird gelegentlich als
Mitteldruck-Chromatographie bezeichnet, die bei einem
Druck bis zu einigen zehn Bar, z.B. 4 bar (0,4 MPa)
durchgeführt wird. Mehrere Hersteller liefern Säulen, bei
denen die Anforderungen der Abdichtung gegen die
Säulenwände erfüllt sind. In vielen Fällen werden Säulen
eingesetzt, die als Zylinder mit relativ dickem Glas
(2-8 mm) ausgestaltet sind, wobei die Säulenlänge mit
Hilfe eines Kolbens in der Säule einstellbar ausgeführt
sein kann. Normalerweise verläuft der Einlaß oder Auslaß
der Säule durch den Kolben und die Kolbenwelle in
flexiblen Rohrleitungen, die am Ende der Kolbenwelle
vorhanden sind, alternativ ist ein Rohr vorgesehen, das
einen Anschluß für einen flexiblen Rohrleitungseingang an
dessen Ende aufweist. Normalerweise ist der Kolben mit
einer Vorrichtung versehen, die ihn an einer Drehung
während der Kompression des O-Ringes hindert.
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Zahlreiche Schwierigkeiten treten mit dieser
Konstruktionsart auf. Falls der O-Ring zu stark zusammengepreßt
wird, kann die Säule brechen. Falls die Kolbenwelle aus
Kunststoff gefertigt ist, kann ein zu festes Anziehen der
Schraube dazu führen, daß die Kolbenwelle bricht oder das
Druckgewinde beschädigt wird. Ferner tritt zwischen dem
untersten Teil des Kolbens und dem O-Ring ein Totvolumen
auf. Ein Problem mit solch einer Säule besteht darin, daß
der O-Ring bei Einsatz aggressiver flüssiger Medien,
insbesondere bestimmter organischer Lösemittel, angegriffen
werden kann und Leckagen und Kontaminationen des
flüssigen Mediums verursacht. Da die meisten auf dem Markt
befindlichen Säulen für biochemische Trennungen
vorgesehen sind, wurde der Materialauswahl für konstruktive
Details keine besondere Aufmerksamkeit geschenkt, um
Lösemittel wie Chloroform, Methylenchlorid und
Ethylacetat zu widerstehen, die gewöhnlich in
Eluierungsmitteln der organischen Chemie auftreten. Diese
bösemittel können den O-Ring zum Quellen bringen, was einen
Bruch der Säule bewirken oder den Kolben schwergängig
machen kann. Eine Säule, die mit der erwähnten O-Ring-
Dichtung versehen ist, wobei die Kolbenwelle aus
Kunststoff gefertigt ist, wurde von Amicon Ltd. Upper Mill,
Stonehouse, Gloustershire GL10 2BJ, Großbritannien
geliefert.
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Die Pharmacia LKB Biotechnology, Schweden, hat eine Säule
mit dem Namen SR Column System bereitgestellt, die
anstelle eines O-Rings einen eine konische Außenfläche
aufweisenden Kolben und einen um den Kolben herum
angeordneten, eine konische Innenfläche aufweisenden Ring
verwendet, wobei die konischen Flächen mit einem ähnlichen
Mechanismus gegen einander gepreßt sind, wie in der
Säule, die den O-Ring aufweist, so daß der Ring gegen die
Säulenwand abschließen wird. In dieser Säule kommt es
vor, daß die konischen Flächen den gleichen Kegelwinkel
besitzen und der Kolben in der Säule von Beginn an
verriegelt ist. Mit dieser Konstruktion muß der Ring
anfänglich stark angezogen werden, um Leckagen zu vermeiden.
Dadurch tritt wie in der Säule, die den O-Ring aufweist,
eine Bruchgefahr bei der Säulenwand auf. Säulen der
vorbekannten Art sind ferner durch das Problem eines
Totvolumens am Rand des oberen Kolbenendes beeinträchtigt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile
vermieden in einer Säule zur Trennung von Stoffgemischen
mit einem flüssigen Medium, umfassend eine zylindrische
Röhre mit einem Trennraum darin, der an jedem Ende einen
Verschluß aufweist, wobei der Trennraum durch einen Kanal
in jedem seiner Enden einen Einlaß beziehungsweise einen
Auslaß aufweist, wobei zumindest einer der Verschlüsse
ein beweglicher Kolben ist, durch den einer der Kanäle
verläuft und der zusammen mit einem Kanal in einer mit
dem Kolben verbundenen Kolbenwelle den Einlaß oder den
Auslaß bildet, wobei der Kolben eine Buchse aufweist, die
durch axiales Pressen von zwei zusammenwikenden konischen
Teilen radial dehnbar ist, zur Abdichtung des Kolbens
gegenüber der Innenwand der Säule. Die Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben eine dehnbare
Buchse umfaßt, die in ihrer Ruhestellung gegen die innere
zylindrische Fläche der Säule stößt und eine konische
Öffnung aufweist, die sich zu dem Trennraum mit einem
bestimmten Kegelwinkel weitet, daß der Kolben ferner ein
Innenteil umfaßt, das eine Außenfläche aufweist, die in
der vom Trennraum wegweisenden Richtung konisch spitz
zuläuft und mit ihrem Rand gegen den Rand der konischen
Öffnung stößt, daß das Innenteil einen Kegelwinkel
aufweist, der größer ist als der Kegelwinkel der dehnbaren
Buchse, so daß zwischen dem Bodenteil der dehnbaren
Puchse und dem Innenteil des Kolbens ein Raum ausgebildet
ist, und das Innenteil durch ein von außerhalb der Säule
bedienbares Festspannmittel gegen einen dehnbaren Kragen
gepreßt werden kann, um dessen erste Ausdehnung zu
bewirken, und daß die einen Kanal aufweisende, an dem
Kolben angebrachte Kolbenwelle durch ein
Verriegelungsmittel, das eine bestimmte Federkraft in Längsrichtung
der Säule aufweist, gegenüber der Säule verriegelbar ist,
und daß die Federkraft ausgerichtet ist, so daß sie unter
der Einwirkung des Flüssigkeitsdruckes in dem Trennraum
etn Zurückpressen des Innenteils gestattet, um eine
weitere Ausdehnung der dehnbaren Buchse zur Abdichtung
gegenüber der Säulenwand zu erreichen.
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Mit "Kegelwinkel" ist der obere Winkel zwischen den
Erzeugenden der gedachten vollkonischen Flächen gemeint,
in welchem die jeweilige konische Fläche in einem
entlasteten Zustand enthalten ist. Der Winkel der jeweiligen
konischen Fläche zu der Säulenwand entspricht der Hälfte
des Kegelwinkels.
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Die dehnbare Buchse kann mit einem Boden hergestellt
sein, und/oder eine Unterlegscheibe oder eine ähnliche
Vorrichtung kann zwischen dem dehnbaren Teil und der
Kolbenwelle gelegt sein. Das Innenteil des Kolbens ist
derart ausgestaltet, daß, wenn es gegen die dehnbare
Buchse gepreßt wird, nicht gegen dessen Boden, die
Unterlegscheibe beziehungsweise das Ende der Kolbenwelle
verriegelt wird.
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Während das oben als bekannt beschriebene, von außen
bedienbare Festspannmittel aus einem Schraubmittel besteht,
das an der Stirnseite der Kolbenwelle angeordnet ist, ist
das von außen bedienbare Festspannmittel in einer
bevorzugten Ausführung der Erfindung ein zwischen dem
Innenteil des Kolbens und der Kolbenwelle angeordnetes
Gewindemittel, das durch Drehen der Kolbenwelle betätigt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung
ist das eine bestimmte Federkraft aufweisende
Verriegelungsmittel ein auf die Säule schraubbares Anschlußstück
oder ein äquivalentes Haltemittel, wie etwa eine
Schnappvorrichtung, die einen eine Einbau-Elastizität
aufweisenden Deckel hält, der die Kolbenwelle über
Sicherungsmittel sichert.
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In dem Fall, wo der Kanal in der Kolbenwelle eine an dem
Kanal des Kolbens angeschlossene Rohrleitung ist, wird
bevorzugt, daß die Rohrleitung außerhalb der Säule durch
eine Öffnung verläuft, die in der Seite der Kolbenwelle
angeordnet ist. In allen auf dem Markt befindlichen
Säulen münden die Einlaß- und Auslaßrohrleitung
konzentrisch mit der Kolbenwelle, d.h. durch das äußerste Ende
der Kolbenwelle gehend, oder an der Stirnseite des
Kolbenwellenrohres angeschlossen. Dies ist nachteilig, da
die Rohrleitung gefaltet and beschädigt wird, wenn die
Säule auf eine Stützfläche während der Füllung abgesenkt
wird. Bei der vorliegenden Erfindung laufen die
Einlaßund Auslaßrohrleitungen aus der Seite des
Kolbenwellenrohres durch ein dafür vorgesehenes Loch nahe dem äußeren
Ende des Kolbenwellenrohres. Durch diese Anordnung kann
die Säule beim Füllen auf dem Kolbenwellenrohr abgestützt
werden, ohne die Rohrleitung zu beschädigen. Mit solch
einer Anordnung wird ferner die Anordnung einer
Drehvorrichtung an dem unteren Ende der Kolbenwelle
erleichtert.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
näher beschrieben, die eine Säule gemäß einer Ausführung
der Erfindung teilweise in Seitenansicht, teilweise im
Shnitt (Fig. 1A) und eine Teilvergrößerung (Fig. 1B)
zeigt.
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Die in der Zeichnung dargestellte Säule umfaßt ein aus
Glas hergestelltes Säulenrohr, das an einem seiner Enden
Außengewinde und gleiche, nicht dargestellte Gewinde an
dem anderen Ende des Säulenrohres aufweist. Die Gewinde
stehen jeweils mit einer Gewindekappe 3, 3' in Eingriff.
Ekne Öffnung ist in dem ebenen Ende der Kappe 3 gezeigt.
In dem Säulenrohr sind ein Kolben 5 und ein ähnlicher
Kolben 5, bewegbar. Die Kolben begrenzen zusammen einen
Trennraum 6, dessen Volumen durch Verschiebung eines oder
beider Kolben variabel ist. Im Kolben 5 öffnet ein Kanal
7 der ein Auslaß oder ein Einlaß sein kann und hier als
ein Auslaßkanal bezeichnet wird. Dieser Kanal setzt sich
über einen Stopfen 8 fort in dem eine Rohrleitung 9
befestigt ist, die ein sich fortsetzender Abschnitt des
Auslaßkanals ist. Ein ähnlicher, nicht dargestellter
Einlaß im Kolben 5, ist an einer Rohrleitung 9'
angeschlossen. Die Rohrleitung 9, 9' verläuft durch die
Kolbenwelle 10, 10' und mündet durch ein Loch 11, 11',
das in der Seite der Kolbenwelle angeordnet ist.
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Der Kolben 5 umfaßt ein dehnbares Teil 12, das aus
elastischem Material wie etwa Polytetrafluorethylen
hergestellt ist. Das Teil 12 umfaßt einen Kragen 13,
dessen Rand gegen die Innenseite des Säulenrohres stößt.
Der Kragen 13 hat eine konisch in einem bestimmten
Kegelwinkel öffnende Innenfläche 13a, z.B. 15º in einer
Säule, die einen Innendurchmesser von 15 mm aufweist, und
34º in einer Säule, die einen Innendurchmesser von 30 mm
aufweist, und ein mit dem Kragen integriertes Bodenteil
14. Über eine Unterlegscheibe 15 wird der dehnbare Teil
12 gegen das Ende der Kolbenwelle 10 gestützt, die zum
Trennraum gerichtet ist. Ein Innenteil 16 des Kolbens 5
weist eine konische Außenfläche 17 auf, die sich konisch
in der vom Trennraum wegweisenden Richtung verjüngt,
diese konische Außenfläche hat einen größeren
Kegelwinkel, z.B. 30º in einer Säule, die einen Durchmesser
von 15 mm aufweist, und 50º in einer Säule, die einen
Diirchmesser von 30 mm aufweist. Das Innenteil 16 ist über
einen mittleren Gewindezapfen 16a befestigt, der in ein
Innengewinde in der Kolbenwelle eingreift. Wenn das
Innenteil 16 in das dehnbare Teil 12 gedrückt wird,
werden die konischen Flächen 13a und 17 miteinander in
Kontakt gebracht, wodurch das Teil 12 gegen die
Säulenwand gepreßt wird.
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Eine Schlitzscheibe 18 weist ein konisches Mittelteil 19
auf, das ein Innengewinde hat, welches durch radiales
Zusammendrücken der Scheibe mit dem Gewinde 20 auf der
Außenseite der Kolbenwelle in Eingriff gebracht werde
kann, wobei der konische Teil in eine mittlere Öffnung in
einer elastisch federnden Scheibe 21 gepreßt wird, deren
Rand gegen einen Flansch 22 abgestützt ist, der durch die
Öffnung 4 im Ende der Kappe 3 verblieben ist. Ein
optionales
gerändeltes Ende 23, 23', das durch einen
durchgehenden Drehstift ausgetauscht werden kann, ist am Ende
der Kolbenwelle 10, 10' angeordnet dargestellt.
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Eine Benutzungsart der als Beispiel gezeigten Säule wird
nachfolgend beschrieben.
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Der Kolben 5, oder alternativ 5', wird auf eine
gewünschte Position eingestellt, wobei das Innenteil 16 locker
gegen den Kragen 13 stößt. Die Kappe 3 wird auf das
Gewinde 2 geschraubt, wodurch die federnde Scheibe 21 das
Mittelteil 19 der Schlitzscheibe in Eingriff in das
Gewinde 20 preßt. Eine erste Ausdehnung des Kragens 13 wird
durch Drehen der Kolbenwelle 10 herbeigeführt, wobei die
Reibung gegen die Innenwand der Säulenröhre 1 die Teile
12 und 16 des Kolbens an einer Drehung hindert, zumindest
bes zu einem maximalen Drehmoment, bei dem ein Zerbrechen
der Säule durch den Kolben verhindert wird, der zu drehen
beginnt. Das maximale Drehmoment kann durch die
Materialauswahl bei den Teilen des Kolbens und die Auswahl des
Bereichs, durch den der Kragen 13 gegen die Innenwand der
Säule stößt, beeinflußt werden. Der Trennraum 6 wird mit
enem Adsorptionsmittel gefüllt, und der zweite der
Kolben 5, 5, wird in eine gewünschte Position eingestellt
und in ähnlicher Weise verriegelt, wie der erste. Das zu
trennende Gemisch wird über den Einlaßkanal 9' (9 in der
Alternative) eingefüllt. Das Eluierungsmittel wird unter
einem mäßigen Überdruck durch den Einlaßkanal zugeführt,
und die Flüssigkeit, welche durch den Auslaßkanal
herausfließt wird in Fraktionen aufgefangen. Das
Eluierunsmittel übt einen Druck auf die Oberseite des
Innenteils der Säule aus. Durch die federnde Scheibe, die
der Kolbenwelle gestattet, sich nach außen zu bewegen,
wird das Innenteil 16 des Kolbens in das dehnbare Teil 12
gepreßt, das expandiert. Es ist wichtig, daß es einen
offenen Raum 12a zwischen dem Bodenteil und dem
Innenteil des Kolbens gibt, so daß die Ausdehnung in den
zwei Expansionsphasen erreicht werden kann.
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Während die Säulenröhre normalerweise aus Glas
hergestellt ist, ist die dehnbare Buchse des Kolbens
vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen oder einem ähnlichen
Polymermaterial hergestellt, das gegenüber den
auftretenden Lösemitteln inert ist. Das Innenteil des Kolbens
sowie die Kolbenwelle und die tragende Scheibe, können,
wenn vorhanden, aus hochlegiertem, korrosionsbeständigem
Stahl hergestellt sein, jedoch kann auch festes, für
solche Zwecke bekanntes Polymermaterial eingesetzt
werden, wobei darauf geachtet werden sollte, daß die
Teile des Innenteils, die durch das flüssige Medium
berührt werden, genauso inert gegenüber dem flüssigen
Medium sein sollten wie die dehnbare Büchse.