Modellierung chromatographischer Trennsäulen unter Berücksichtigung elektrischer Felder (präparative Elektrochromatographie)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des abgeschlossenen Projekts war die Untersuchung der Fragestellung, in welcher Größenordnung Trennungen nach dem Prinzip der Elektrochromatographie durchgeführt werden können. Die Erhöhung der Durchmesser elektrochromatographi scher Säulen ist dabei durch den Eintrag Joule' scher Wärme und die resultierenden Temperaturfelder begrenzt. Eine Durchsicht der zu diesem Thema publizierten Untersuchungen zeigt, dass die Berechnung der entstehenden Temperaturfelder bereits detailliert untersucht worden ist. Die Auswirkungen der Temperaturfelder auf die makroskopischen Strömungsfelder und die aus den makroskopischen Strömungsfeldem resultierende Dispersion sind hingegen bisher nur in sehr geringem Umfang Gegenstand der Forschung gewesen. Die experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit wurden an Systemen im analytischen Maßstab durchgeführt, diese Messwerte dienen als Basis für die Ermittlung physikalischer Parameter für die anschließend durchgeführten Simulationsrechnungen. Die durchgeführten Simulationsrechnungen dienen der Ermittlung von Temperatur-, Strömungs- und Konzentrationsfeldem sowie der resultierenden Dispersion einer elektrisch neutralen und nicht mit der stationären Phase wechselwirkenden Probensubstanz. Die Ergebnisse dieser Rechnungen zeigen, dass bei Verwendung einer mobilen Phase mit geringer elektrischer Leitfähigkeit Säulen mit einem Durchmesser von bis zu fünf Millimetern unter elektrischen Feldstärke betrieben werden können, die eine mäßige bis ausreichende Strömungsgeschwindigkeit hervorrufen. Es werden allerdings erhebliche Temperaturdifferenzen und daraus resultierend ein makroskopisch stark inhomogenes Strömungsfeld gefunden. Die Berechnung der Konzentrationsfelder in den Säulen erfolgt mit Hilfe eines Finite-Elemente-Codes. Aus den berechneten Konzentrationsfeldem wird der Beitrag zur Dispersion, ausgedrückt über die Trennstufenhöhe, ermittelt. Für Säulen größerer Durchmesser zeigt sich, dass die makroskopisch inhomogenen Strömungsfelder die Trennstufenhöhen erheblich vergrößem. Der Einfluss der Temperaturabhängigkeit der molekularen Diffusion ist deutlich geringer als der Einfluss der inhomogenen Strömungsfelder und die Größe der molekularen Diffusionskoeffizienten der zu trennenden Probensubstanzen beeinflusst die Trennstufenhöhe nur wenig. Als Folgemng ergibt sich, dass die Elektrochromatographie nur für Säulen geringer Durchmesser eine sinnvolle Altemative zur HPLC darstellt. Ein wesentlich größeres Potential für die Anwendung im technischen Maßslab als die Elektrochromatographie, wie sie im Rahmen dieser Arbeit verstanden wurde, weist die elektrisch unterstützte HPLC auf In dieser bereits angesprochenen Verf ahrens vari ante wird das elektrische Feld nicht primär zur Erzeugung einer Strömung in der Säule, sondem zur Verbessemng der Selektivität der Trennung eingesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Anwendung der Elektrochromatographie im halbtechnischen Maßstab. DECHEMA / GVC Arbeitsausschuss Adsorption, Würzburg, 05.-07.03.2003
Böhme, A., T. Schneider und W. Arlt
- Modeling of temperaiure profiles in capillary electrochromatography as a feasibility study for semipreparative applications. Intemational Symposium on Preparative and Industrial Chromatography and Allied Techniques (SPICA) 2004, Aachen, 17.10.-20.10.2004
Schneider, T., A. Böhme und W. Arlt
- Modellierung von Temperaturfeldern in der Elektrochromatographie zur Abschätzung der Anwendbarkeit im halbtechnischen Maßstab. Chemie Ingenieur Technik, 76(11): 1691-1694, 2004
Schneider, T., A. Böhme und W. Arlt
- Modellierung von Temperaturfeldern in der Elektrochromatographie zur Abschätzung der Anwendbarkeit im halbtechnischen Maßstab. DECHEMA / GVC Arbeitsausschuss Adsorption, Leipzig, 01.-02.04.2004
Schneider, T., A. Böhme und W. Arlt
- Modellierung von Temperaturfeldern in der Elektrochromatographie zur Abschätzung der Anwendbarkeit im halbtechnischen Maßstab. Symposium „Höhere Qualität durch reinere Produkte" Universität Karlsruhe, 30.09.-01.10.2004
Schneider, T., A. Böhme und W. Arlt
- Simulation of (electro)chromatography by means of CFD. European Symposium on Compuler Aided Process Engineering (ESCAPE) 2006, Garmisch-Partenkirchen, 09.-13.07.2006
Astrath, D.-U., T. Schneider und W. Arlt
- Anwendung der Elektrochromatographie in der thermischen Verfahrenstechnik, Dissertation, FAU Erlangen, Institut für Chemie- und Bioingenieurwesen, 2007
Schneider, T.
- Einfluss der Joule'schen Wärme aufdie Dispersion bei der Elektrochromatographie in Säulen größerer Durchmesser. DECHEMA / GVC Arbeitsausschuss Adsorption, Asselheim, 21.03.-23.03.2007
Schneider, T. und W. Arlt
