BRPI0611897A2 - processo cromatográfico semicontìnuo para separação de misturas binárias e de multicomponentes e dispositivo para separação cromatográfica - Google Patents
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Abstract
PROCESSO CROMATOGRáFICO SEMICONTìNUO PARA SEPARAçãO DE MISTURAS BINáRIAS E DE MULTICOMPONENTES E DISPOSITIVO PARA SEPARAçãO CROMATOGRáFICA. A presente invenção refere-se a um processo cromatográfico semicontínuo para separação de misturas binárias e multicomponentes e dispositivos correspondentes.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOCROMATOGRÁFICO SEMICONTÍNUO PARA SEPARAÇÃO DE MISTU-RAS BINÁRIAS E DE MULTICOMPONENTES E DISPOSITIVO PARA SEPARAÇÃO CROMATOGRÁFICA".
A presente invenção refere-se a um processo cromatográficosemicontínuo para separação de misturas binárias e multicomponentes edispositivos correspondentes.
Processos cromatográficos permitem a separação ou purificaçãode produtos químicos, de química fina, biológicos e farmacêuticos. Em com-paração com outros processos térmicos de separação, eles apresentam aparticular vantagem de poderem ser efetuados sob temperaturas moderadasaté temperaturas protetoras dos produtos (M. Juza, M. Mazzotti e M. Morbi-delli, "Trends in Biotechnology, 18, 2000, págs; 108-118; S. Imamoglu, "Ad-vances in Biochemical Engineering/ Biotechnology", 76, 2002, págs. 211-231). Em muitas aplicações, particularmente no campo da ciência vital, asgrandes exigências de pureza ligadas, além disso, aos produtos finais, fre-qüentemente só podem ser alcançadas com auxílio de processos cromato-gráficos (M. Schulte und J.Strube, Journal of Chromatography A 906, 2001,págs. 399-416).
Amplamente descrito é o chamado processo batch. Ele é parti-cularmente flexível e tecnicamente comparativamente simples de estruturar.Em ciclos subsequentes é, em cada caso, emitido um pulso da mistura desubstâncias a serem separadas na coluna de cromatografia. Depois disto, éeluido com um ou mais solventes. Os diferentes componentes da substânciasão fortemente adsorvidos em níveis diferentes à medida que passam pelacoluna de cromatografia, separam-se em virtude disso e são fracionados nasaída da coluna. Segue uma fase de regeneração em leito fixo. Uma outrasérie somente pode ser iniciada quando a anterior tiver terminado ou oscomponentes mais absorvíveis da série anterior tiverem migrado suficiente-mente para não serem recuperados pelos componentes menos adsorvíveis.O processo batch necessita, pois, via de regra, muito tempo para purificaçãode uma determinada quantidade de produto.Além do modo em séries existem alternativas contínuas que po-dem ser empregadas principalmente na produção de médio e grande porte(B. Clay1 Chemical Market Report 259, 2001, pág. 15). Elas apresentam, viade regra, um reduzido consumo de solventes e permitem maior produtivida-de. O princípio da cromatografia de contracorrente contínua é conhecido apartir de M. Negawa e F. Shoji, Journal of Chromatography 590, 1992, págs.113-117. Instalações apropriadas para execução da cromatografia de con-tracorrente contínua como particularmente as chamadas instalações SMB(Simulated Moving Bed) são descritas, por exemplo, em US 2.621.149 B; US2.985.589 e obtidas no comércio.
Para isso, de modo geral, em uma instalação SMB várias colu-nas isoladas estão ligadas em círculo fechado. Em uma posição no círculo éintroduzida alimentação a qual, via de regra, contém uma mistura binária(A+B). Em outra posição no círculo é adicionado solvente puro. O perfil deconcentração interna resultante para a mistura de substâncias A+B é ajusta-do após uma fase de inicial. O componente de adsorção mais fraca (A) éretirado na chamada saída de refinado enquanto o componente de forte ad-sorção (B) é retirado na saída de extrato. No funcionamento da instalaçãoSMB, as entradas e saídas são conectadas por meio de válvulas como, porexemplo, válvula única, válvulas multicanal, blocos de válvulas, válvula deborboleta ou válvulas de rotação, periodicamente, mas não necessariamenteao mesmo tempo, em direção da corrente do líquido, de tal modo que apa-rentemente resulte um movimento de contracorrente do fluxo de líquido efase estacionária. As zonas identificadas no processo SMB entre as respec-tivas entradas e saídas possuem os seguintes papéis no processo total deseparação:
Zona I: dessorção do componente de forte adsorção (A),
Zona II: dessorção do componente de fraca adsorção (B),
Zona III: adsorção do componente de forte adsorção (A),
Zona IV: adsorção do componente de fraca adsorção (B).
Na literatura de patentes encontra-se uma série de outros de-senvolvimentos do processo SMB ("simulated moving bed"), principalmentecom o objetivo de alcançar melhores rendimentos de separação e/ou paraampliar o processo a separações de vários componentes.
Na patente US 6.712.973 B é proposto, por exemplo, um circuitoassíncrono da posição de entrada e saída, com o que resultam graus de Ii-berdade adicionais para influenciar os comprimentos médios das zonas. Napatente US 5.102.553 B é patenteado um método de processamento no qualas correntes volumétricas podem ser modificadas durante um período deligação, com o que a retirada do produto tanto no extrato como também norefinado pode ser melhor ajustada ao decurso de tempo do perfil axial deconcentração. H. Schramm, M. Kaspereit and A. Seidel-Morgenstern, Jour-nal of Chromatography A 1006, 2003, págs 77-86 propõe, além disso, umamodulação da concentração de alimentação, que leva a um nítido aumentoda produtividade. A vantagem econômica em relação ao método SMB con-vencional é, no entanto, fortemente limitada nesse caso pelos limites de so-lubilidade da mistura de substâncias no eluente. A patente US 6.602.420 Bdescreve exclusivamente um método para purificação de sacarose com au-xílio do processo SMB no qual é empregado o chamado efeito "Displace-ment". O efeito "displacement" descreve aqui a propriedade dos componen-tes de soluções altamente concentradas, para poderem se deslocar de modoreverso em conseqüência de mecanismos de ação recíproca, do que resultaum adicional efeito de separação.
Outros processos conhecidos da literatura de patentes são ISMBe SSMB. No chamado processo SMB aperfeiçoado (ISMB) a principal dife-rença para o processo SMB convencional é que a entrada e saída do reci-ciado é desacoplada (D. Costesson, G.Rearick e M.Kearne, Zuckerindustrie125, 2000, págs. 333-335). Depois que a entrada de alimentação e de eluen-te e a saída de refinado e extrato são concluídas, ocorre uma reciclagempura. A seguir, as portas são conectadas sincronicamente a uma coluna emdireção da corrente. A necessidade de energia da fase de reciclagem é umfator dominante nos custos totais de instalações de grande porte. Esta podeser reduzida no processo ISMB uma vez que a bomba de reciclagem nãotrabalha permanentemente (F.Lutin, M.Bailly e D.Bar, Desaltination1 148,2002, págs. 121-124). O processo SMB seqüencial (SSMB) é concebido pa-ra a obtenção de várias frações de uma mistura de substâncias e é exclusi-vamente empregado na indústria açucareira (S. Baudouin e X.Lancrenon,Industries Alimentaires et Agricoles, 120, 2003, págs. 42-48). De modo simi-lar ao do processo SMB, várias colunas são dispostas em um círculo fecha-do. Ao contrário do método SMB convencional, a entrada e saída é formadade modo descontínuo. Além disso, a alimentação pode ser adicionada emvárias posições no círculo. As correntes de produto podem ser igualmentejuntadas a qualquer momento na saída de cada coluna. O reciclado de fra-ções impuras pode ocorrer ou na mesma coluna ou em uma coluna adjacen-te. SSMB corresponde a uma disposição inteligente de colunas batch, é demodo geral um processo descontínuo e utiliza em parte a vantagem de umacontracorrente simulada. Além disso, resulta um problema complexo de pla-nejamento que precisa ser solucionado para o perfeito funcionamento de talinstalação.
Na patente US 6.805.799 é proposto um novo método "SMB-Focusing", com cujo auxílio podem ser separadas misturas de multicompo-nentes. Com isto é obtido um perfil de gradiente em que diferenças, por e-xemplo, no teor de sal ou de valor pH são ajustadas de zona para zona.Com isto, na saída de cada zona somente deve ser eluído um componente.Alimentação é feita na primeira zona e os componentes são sucessivamenteobtidos de modo correspondente a sua força de eluição nas respectivas zo-nas. Similar ao processo SSMB não é empregado aqui o efeito de contracor-rente. Esta estrutura corresponde muito mais a um funcionamento acopladode várias colunas batch. O uso desse método limita-se a problemas de sepa-ração, nos quais pode ser encontrada uma grande influência externa adicio-nal, por exemplo, (teor de sal ou valor pH) no efeito de separação. Além dis-so, precisa ser formado um gradiente significativo.
O processo SMB convencional bem como todas as ampliaçõescontínuas até agora conhecidas (VARICOL, PowerFeed, ModiCon, ISMB,etc) podem ser empregados condicionados em princípio somente para tare-fas binárias de separação binárias. Mesmo a obtenção de um componentede uma mistura somente é possível quando o último for um componente deforte ou de fraca adsorção. Isto é uma desvantagem em relação ao métodobatch, que permite assim um funcionamento mais flexível. Este é o motivopelo qual a fração principal de aplicações industriais ocorre pelo método batch.
Em virtude do fato de que o processo SMB convencional podedividir uma mistura de multicomponente somente em duas frações, sua utili-zação em separações de muIticomponentes requer o emprego de vários dis-positivos SMB que são dispostos, por exemplo, em cascata. A patente US6.602.420 B descreve, por exemplo, a obtenção industrial de sacarose comuma cascata de dois dispositivos SMB. Isto significa, no entanto, um consi-derável volume de investimentos. Economicamente favorável é o funciona-mento de um único dispositivo SMB, em que as etapas de separação isola-das são efetuadas sucessivamente, até que a mistura de multicomponentesseja separada em seus componentes isolados. Isto está relacionado, sobre-tudo, com um elevado custo de produção e de tempo. Neste caso, a tecno-logia SMB perde em relação ao método batch as vantagens até agora exal-tadas quanto à produtividade e ao uso de solventes.
Além da cromatografia batch, na separação de misturas de mul-ticomponentes também foi estabelecida a chamada cromatografia anular(Finke et al., J.Agric. Food Chem., 50, 2002, págs. 185-201; F. Hilbrig, Jour-nal of Chromatography B, 709, 2003, págs. 1-17). Na cromatografia anular aalimentação é adicionada em um local fixo na coluna rotativa, enquanto oeluente é introduzido no restante da circunferência. Pela rotação da colunacromatográfica resultam bandas que emergem em diferentes ângulos. Comisto, é possível separar uma mistura de multicomponentes em seus compo-nentes isolados. Na cromatografia anular ocorre a separação apesar do mo-vimento radial principalmente em direção axial. Assim, a cromatografia anu-lar corresponde a um processo batch com muitas colunas dispostas em for-ma de círculo. Aqui são necessárias elevadas quantidades de solvente. Difi-culdades na distribuição da solução no topo bem como a junção dos produ-tos no fundo de uma unidade CAC (cromatografia anular contínua) são co-nhecidas e uma entrada e saída simultânea dos componentes em uma colu-na rotativa representa um desafio da engenharia técnica, que até agora nãopôde solucionar de modo satisfatório para uma grande instalação com cor-respondente elevada carga. Vantajosa, no entanto, é a possibilidade de se-parar continuamente uma mistura de multicomponentes.
Existe, pois, a urgente necessidade para um processo cromato-gráfico que permita a separação de misturas binárias e de multicomponen-tes, sendo que o processo deve ser economicamente empregável em uma única instalação.
Objeto da presente invenção é, pois, um processo cromatográfi-co semicontínuo para separação de misturas binárias ou de multicomponen-tes em uma instalação consistindo em várias colunas isoladas ligadas umasàs outras, na direção X no círculo, caracterizado pelo fato de que com ele éalcançada uma separação bidimencional que
a) na etapa 1 do período p, em uma coluna m de alimentação enas outras colunas uma corrente de eluente é introduzida na direção Y,
b) na etapa 2 do período p, uma corrente de eluente flui na dire-ção X pelas colunas ligadas e forma a chamada corrente de circulação,
c) na etapa 1 do período p+1, na coluna m+1 há outra alimenta-ção e nas outras colunas flui outra corrente de eluente que é adicionada nadireção Y,
d) na etapa 2 do período p+1 flua novamente uma corrente deeluente na direção X pelas colunas ligadas e se forme uma chamada corren-te de circulação,
e) e repetindo-se a) até d) continuamente.
O processo de acordo com a invenção constitui o princípio dacromatografia de contracorrente simulada. Surpreendentemente pela modifi-cação do processo SMB no qual os componentes migram para as bandasdiagonais similarmente à cromatografia anular, foi possível separar essescomponentes em um único aparelho. O processo de acordo com a invençãocombina, além disso, o método batch com a tecnologia SMB que permiteuma separação semicontínua de misturas de multicomponentes. Em virtudedessa combinação, o novo processo lucra tanto em flexibilidade do processobatch como também da elevada produtividade e reduzido emprego de sol-ventes do processo SMB. Além disso, em relação ao método batch usual oadsorvente é melhor aproveitado. Um conceito de execução processual émais fácil de realizar para isto do que no caso do processo SMB convencio-nal. O processo de acordo com a invenção é apropriado para a separaçãode misturas binárias e permite com isto substituir o processo SMB conven-cional. Além disso, ao contrário do processo SMB tradicional ele tambémpode ser empregado para separação de misturas de multicomponentes.
Uma forma de execução particular do processo de acordo com ainvenção é ilustrada pela figura 1.
A figura 1 mostra os elementos-base de um dispositivo para oprocesso de acordo com a invenção, sem restringir-se a ele.
Uma pluralidade de colunas cromatográficas (S*), pelo menos 2,de preferência de 3 a 12, é conectada em série. Em direção-Y radial (1), ofundo é montado ao longo de sua largura total e forma a entrada de coluna(A*); defronte encontra-se a saída de coluna (B*). Cada coluna é conectadaa uma coluna vizinha na direção X por um distribuidor específico (V*) queapresenta uma entrada de distribuidor (C*) e uma saída de distribuidor (D*).O circuito cromatográfico é fechado enquanto o final da última coluna é co-nectado com o início da primeira coluna por meio de distribuidor VA. Alterna-tivamente, o final da última coluna é conectado com o início da primeira co-luna por meio de dois distribuidores Ve pela linha K na seqüência Ve-K-Va.
As colunas cromatográficas (S*) apresentam, como uma colunaSMB na direção-X, duas fritas laterais e filtros. Adicionalmente, na direção-Y,duas outras fritas e filtros possibilitam o fluxo na direção-Y. Cada coluna éenchida com uma fase estacionária que, dependendo do problema de sepa-ração, pode ser uma fase normal, reversa, quiral, de troca de íons ou polí-mera. Elas são preferivelmente organizadas como segue: as fritas inferioresbem como as laterais e filtros são primeiramente instalados, a fase sólida éenchida pelo alto, de preferência pelo processo de suspensão e comprimi-dos por um êmbolo hidraulicamente acionado ou por um jato de líquido. Aseguir, são instalados a frita superior e o filtro.
No período p, na etapa 1 (=fase de injeção) é adicionada a ali-mentação na coluna Sm através da entrada de alimentação Am; todas as ou-tras colunas recebem eluente fresco. Aqui, todos os distribuidores (V*) sãofechados na direção-X, de modo que o líquido aplicado deixe a coluna (S*)na saída da coluna (Β*). A saída (B*) de cada coluna, aqui, pode ser conec-tada com todos os recipientes de produto por meio de válvulas de fraciona-mento. Durante a fase de injeção, o fluxo de volume de cada coluna podeser ajustado independentemente um do outro. Nesta direção, o processo éoperado basicamente como um processo batch. Aqui os fluxos de volumedevem ser ajustados de modo que os respectivos componentes alvo sejamobtidos com a pureza e rendimento desejados.
Na segunda etapa, a separação é efetuada ao longo da direção-X (2) pelo suprimento de solvente fresco na entrada do distribuidor (Cn) deum determinado distribuidor (Vn), sendo que usualmente m é >n. Na saída dodistribuidor (Dn) do mesmo distribuidor (Vn), é removido o fluxo de circulação.Vn é fechado na direção-X; todos os outros distribuidores (V*) estão abertosna direção-X e possibilitam, assim, a circulação de um fluxo através de todasas colunas. O perfil de concentração total converge para a direção-X.
Na saída do distribuidor (Dn)1 podem surgir duas situações:
1. ou sai um solvente puro, que pode ser reutilizado,
2. ou ocorrem os adsorventes mais facilmente adsorvíveis, quepodem ser conduzidos para o correspondente recipiente de produto.
Este processo corresponde, assim, a uma apropriada combina-ção dos processos SMB e "batch" em um único dispositivo, sendo que am-bos os procedimentos são, por assim dizer, alternadamente usados. Oscomponentes migram, como ilustrado adiante, por diferentes sulcos trans-versos de modo similar à cromatografia anelar. A separação é efetuada, a -qui, ao longo de duas coordenadas, o que constitui uma diferença funda-mental em relação ao processo anelar e ao processo cromatográfico tradi-cional, até agora conhecidos. Trata-se de um verdadeiro processo cromato-gráfico bidimencional. A trajetória, ao longo da qual são formados os sulcosdos diferentes componentes, pode ser influenciada pelos fluxos de volumeestabelecidos na direção radial e axial.
É tarefa da invenção, dependendo da mistura de componentespresente e de suas propriedades termodinâmicas, configurar o processo deseparação de tal forma que somente os componentes desejados, em cadacaso, possam ser obtidos na saída superior (B*) de uma determinada coluna(S*). A separação na direção-X axial é similar a do processo SMB conven-cional, embora seja efetuada sem alimentação. Por isso, esta etapa pode serefetuada de maneira relativamente simples, se comparada com o processoSMB convencional. O fluxo de volume pode ser ajustado de tal modo que, nofinal do período, a coluna (Sn) carregada com eluente fresco esteja comple-tamente regenerada, isto é, de modo que somente solvente puro deixe acoluna.
Os valores corretos para o fluxo de volume são determinadoscom base nos cálculos de um modelo-base ou determinados pela experiência.
Para poder entender e analisar o comportamento dinâmico desteprocesso foi montado o seguinte modelo matemático. Cada coluna é subdi-vidida tanto em direção axial quanto em direção radial em etapas, nas quaisé assumido o equilíbrio termodinâmico entre fase líquida e fase sólida. Estemodelo escalonado ("plate model"), que é graficamente representado na fi-gura 2 em direção axial, representa muito bem o comportamento dinâmicode separações cromatográficas e possibilita um estudo próximo à realidadedas propriedades dinâmicas. A quantidade de etapas é uma medida para aeficiência hidrodinâmica e é determinado com referência à equação Van-Deemter (Guiochon, G. 2002 , Journal of Chromatography A, 965, 129-161):
<formula>formula see original document page 10</formula>
HETP Asext
HETP é a "Height Equivalent to Theoretical Plate", uma medida da eficiênciafluido-dinâmica de uma coluna cromatográfica, e é determinada experimen-talmente com referência a testes de pulso.
A equação que segue resulta em direção-X axial, quando é con-siderado o balanço de massa ao redor de uma etapa:<formula>formula see original document page 11</formula>
Analogamente, a seguinte equação pode ser compilada na dire-ção-Y radial.
<formula>formula see original document page 11</formula>
Neste contexto, c/-k descreve a concentração na fase líquida docomponente k na etapa-(i,j), em que i reproduz a posição horizontal (direção-X axial) e j a posição vertical (direção-Y radial). c/*, em contrapartida, é aconcentração correspondente na fase sólida. nsp corresponde ao número de
componentes. Entre a fase sólida e a fase líquida existe um equilíbrio de ad-sorção que é descrito a seguir, em termos gerais, pela chamada equaçãoisotérmica:
<formula>formula see original document page 11</formula>
Muitas separações seguem uma lei de adsorção linear. Este éespecialmente o caso em soluções fortemente diluídas. Elas são caracteri-zadas pelo chamado coeficiente-Henry:
<formula>formula see original document page 11</formula>
T0 é o tempo de retenção e corresponde ao tempo que uma substância nãoadsorvível precisa para percorrer, em cada caso, a coluna cromatográfica nadireção axial ou radial.
Bexl descreve finalmente a porosidade do envoltório
Este modelo descreve muito bem separações cromatográficas,como foi ilustrado de maneira impressionante em diversas publicações (en-tre outras, Ludemann-Hombourger, O. e Nicoud, R.-M, 2000, SeparationScience and Technology, 35, 1829-1862). O modelo matemático pode serviradicionalmente para interpretar o processo.
Se um ou outro modo de operar produz resultado, depende daescolha do volume de fluxos bem como propriedades de adsorção dos com-ponentes a serem separados.
Os fluxos passam através das colunas (S*) em duas diferentesdireções, de preferência nas direções perpendiculares X (2) e Y (1).
As colunas podem ser configuradas geometricamente, ou comoanéis parciais cilíndricos (2 colunas fornecem semi-círculos), ou placas qua-dradas. Quando as colunas são anéis parciais então o último distribuidor Veé dispensado, já que o final da última coluna pode ser conectado diretamen-te com o primeiro distribuidor Va o que resulta em uma estrutura global cilín-drica. Para a faixa de alta-pressão de 2 a 20 mPa (20 até 200 bar), são pre-feridas formas cilíndricas resistentes à pressão, enquanto na faixa de baixa-pressão, podem ser usadas colunas quadradas.
Entre as colunas, na direção X axial, encontram-se os distribui-dores (V*) que preenchem as seguintes funções:
1. o perfil de concentração radial que surge em uma coluna cro-matográfica (S*) ao longo da direção Y (1), no curso do fluxo através da co-luna na direção-X (2) deve estar em condições de ser transportado para acoluna vizinha sem grandes efeitos de mistura.
2. Cada distribuidor (V*) no curso do fluxo através das colunas,na direção-X (2) deve permitir tanto o suprimento de fluxo de eluentes fres-cos (através de C*) no fluxo de circulação como também a remoção do fluxode circulação (através de D*).
3. Os distribuidores (V*), no curso do fluxo através das colunas,na direção-Y (1), devem separar as colunas cromatográficas, em termos hi-drodinâmicos, umas das outras (fluxos de circulação e D* conectadas), demodo que cada coluna possa ser carregada com um volume de fluxo próprioradial definido.
A Figura 3 mostra uma forma particular de execução do disposi-tivo com estrutura completa do sistema incluindo periferia, consistindo embombas, válvulas e recipientes.
Colunas N estão conectadas em série. Além disso, parte-se, viade regra, de uma mistura multicomponentes com componentes-nsp (nsp >2).Cada coluna está dividida ao longo da direção-Y radial em regiões G e-quidistantes ou gradualmente mais finas. O distribuidor interliga cada G-região g da coluna m com a G-região g da coluna m+1, de modo que o perfilde concentração da coluna m seja passado para a coluna m+1. Em cadaregião, o líquido é coletado e passado através de uma combinação de válvu-las de bloqueio (v*) que formam o distribuidor (V*), ou para a coluna seguinteou para a saída do distribuidor (D*). Eluente fresco pode ser adicionado aofluxo de circulação através da entrada de distribuidor (C*), uma válvula sim-ples. O eluente na saída do distribuidor (D*), se possível, deve ser reaprovei-tado, sendo que ele pode ser opcionalmente analisado com auxílio de umdetector e correspondentemente fracionado.
Na direção-Y radial é aplicada alimentação ou eluente sobre asentradas inferiores das colunas. Neste caso, a alimentação pode ser passa-da simultaneamente por várias colunas. De preferência, a alimentação é a-plicada a uma coluna de modo tal que sejam usadas simplesmente válvulascontrole (Fi-Fn). Em contrapartida, são previstas válvulas de controle paraintrodução do eluente (E1-En), que permitem que o fluxo do volume de elu-entes em direção-Y radial de cada coluna possa ser especificado de modoindependente. Alternativamente, no lugar de válvulas padrão, podem serusadas bombas de alimentação para a entrada dos eluentes. A saída da co-luna pode passar através das válvulas de fracionamento P1-Pnsp para um dosrecipientes de produto, ou, de acordo com R, encaminhada ao recipiente doeluente. Adicionalmente, pode ser previsto um recipiente de descarga a fimde descartar frações de cortes incorretos (não mostrado na figura 3 por mo-tivos de clareza).
A figura 4 mostra outra representação do dispositivo de acordocom a invenção com, no total, três colunas cromatográficas. As conexõesestão igualmente indicadas. As colunas cromatográficas S1-S3 apresentamforma quadrada ou semianelar, com largura B, altura H e profundidade T. Asentradas A1-A3 das colunas bem como as saídas das colunas B1-B3 encon-tram-se na direção-Y radial. Na entrada das colunas, com auxílio de umaválvula bidirecional são introduzidos, em cada caso, eluente ou alimentação.As colunas de saída B1-B3 são conectadas aos correspondentes recipientesde saída por meio de válvulas de fracionamento. No caso de misturas detrês substâncias com três recipientes, são apropriadas válvulas de três vias.Além disso, os distribuidores V1-V4 encontram-se entre as colunas, em dire-ção-X axial. Como mostrado na figura 3, os distribuidores dividem as colunasem regiões G e são fixados diretamente nas colunas. A figura 4 mostra, atítulo de exemplo, uma divisão em seis regiões. Neste caso, o perfil do fluxoradial que se origina na passagem na direção-X, é subdividido em regiões,que são coletadas pelos distribuidores e distribuídas para a próxima coluna.
Ao mesmo tempo, como detalhado na descrição de função, pode ser adicio-nado solvente fresco através das conexões C1-C4. Para isto, paralelamente,pelas respectivas conexões DrD4, é retirado um fluxo.
Os distribuidores V*, de acordo com a figura 3, podem ser ope-rados com auxílio de válvulas controle, com a desvantagem que, além dogrande número de válvulas necessárias também são requeridas muitas co-nexões com correspondentes volumes elevados de "holdup".
Em uma forma particular de execução, os distribuidores V* sãofabricados como componente compacto individual. Cada distribuidor devepossibilitar uma passagem em fluxo homogênea sem grande perda de pres-são, e particularmente não deve perturbar de modo acentuado o perfil deconcentração radial. Em cada período, durante a fase de injeção radial (eta-pa 1), ele deve separar as regiões cromatográficas umas das outras (dire-ção-X fechada). Na fase de separação SMB axial (etapa 2), em contraparti-da, deve ser possível admitir eluentes no fluxo de circulação, através de umdistribuidor. O fluxo de retorno deve ser removido no mesmo ponto e, sepossível, reutilizado. Para o processo de acordo com a invenção, todos osdistribuidores V* devem desempenhar esta função.
Isto foi conseguido pela construção mostrada na figura 5. Elaconsiste em dois componentes: um corpo-base (1) e um cilindro rotativo (2).
No corpo-base do distribuidor são fresadas vias para os eluentes, que for-mam respectivamente a saída de distribuidor D* e a entrada de distribuidorC*. Na direção axial, são previstos canais no corpo-base, que são fechadosou abertos por meio de um cilindro rotativo. No cilindro (2), na altura dos ca-nais do corpo-base (1) são encontrados orifícios. Girando o cilindro (2), oscanais que se encontram no corpo-base (1) podem ser interligados ou inter-rompidos. Para esta finalidade, os canais se estreitam no centro em direçãoa um canal cilíndrico (vide corte AA'), que, dependendo da necessidade, ébloqueado mediante acionamento do mecanismo de fechamento acimamencionado.
Figuras
As figuras de 1 até 5 mostram dispositivos para o processo deacordo com a invenção sem, no entanto, limitá-lo a elas.Referências
1 direção Y
2 direção X
A* entrada de coluna
B* saída de coluna
C* entrada do distribuidor
D* saída do distribuidor
Ei-En entrada dos eluentes
Fi-Fn válvulas controle de alimentação
Os elementos EeF juntos formam a entrada de coluna A*
G Divisão da coluna na direção radial Y, a seguir denominada regiões G
P1_Pnsp Válvulas de fracionamento no recipiente dos produtos
R Válvulas + condutor para o recipiente dos eluentes.
Os elementos PeR juntos formam a coluna de saída B*
S* Coluna
K Conexão entre o primeiro e o último distribuidores, formam a cor-rente de circulação
V* Distribuidor
Ve Último distribuidor
Va Primeiro distribuidor
v* Válvula de fechamento do distribuidor para controle da correntede distribuição
H altura da coluna
B Largura da coluna
T Profundidade da coluna
B' Largura do distribuidorT' Profundidade do distribuidor
Fig. 1 Elementos-base de um dispositivo para o novo processo.
Fiq. 2 Modelo graduado de uma coluna cromatográfica
Fig. 3 Construção do sistema integral com válvulas
Fig. 4 Conexões e construção
Fig. 5 Construção do distribuidor
Fig. 6 Simulação do novo processo usando exemplo de uma misturade duas substâncias
Fig. 7 Princípio de separação de uma mistura de substâncias terciárias
Fig. 8 Perfil de concentração dos componentes A, B e C (estudo 1)
Fig. 9 Perfil de concentração dos componentes A, B e C (estudo 2)
Exemplos
Exemplo 1: Simulação da separação de uma mistura de substâncias bináriasA figura 6 ilustra o modo como funciona este processo no exem-plo de uma mistura de duas substâncias (A+B). Para a finalidade são usadastrês colunas cromatográficas. É assumida uma adsorção linear com compor-tamento ideal, isto é, sem levar em conta efeitos de dispersão, de difusão ououtros efeitos de engorduramento frontal. Além disso, por motivo de simplifi-cação, assume-se que os componentes facilmente adsorvíveis (A) são duasvezes tão rápidos quanto os componentes de difícil adsorção (B). Além dis-so, os fluxos de volume na direção radial-Y são ajustados de modo igual pa-ra todas as colunas (Qy) e correspondem à metade do fluxo do volume nadireção axial X (Qx). Por outro lado, Qx é escolhido de tal forma que o com-ponente (B) menos absorvível, no final da segunda etapa, deslocou-se paramais meio comprimento de coluna. O exemplo assim construído, neste pon-to, é dado somente para possibilitar o entendimento das etapas individuais edo processo no seu todo.
Na figura 6 é possível acompanhar como os perfis de concentra-ção dos componentes A e B se desenvolvem através das colunas cromato-gráficas, no decorrer de seis períodos. No primeiro período (linha 1 na figura6), a alimentação é aplicada durante a fase de alimentação/ etapa 1 na se-gunda coluna. O componente A migra até o meio da coluna, enquanto ocomponente B carrega um quarto da coluna. Na fase SMB de separação/etapa 2, o eluente flui na direção X. No final do primeiro período, o compo-nente A, tanto na direção-X quanto na direção-Y, encontra-se distante docomponente Β, o que é o resultado da separação bidimentisonal (linha 1,coluna 2, figura 6). Para o período 2, etapa 1, a alimentação é efetuada ago-ra na terceira coluna (linha 2, coluna 1, figura 6). Nesta etapa, o componenteA é obtido tanto na saída da segunda coluna quanto na saída da terceiracoluna. O componente B1 em virtude de sua adsorção mais forte, necessitade quatro períodos para ser removido na saída da primeira coluna.
Como pode ser visto em suma na figura 6, com base no seu a-juste, a mistura de duas substâncias pode ser separada. Ambos os compo-nentes são removidos separadamente de suas respectivas saídas superio-res (direção-Y) da coluna. De maneira similar ao processo SMB convencio-nal, também aqui é alcançado um equilíbrio cíclico. Neste caso e assumindoum comportamento ideal, este equilíbrio é alcançado exatamente após qua-tro períodos. Aqui precisa ser mencionado que na simulação apresentadaforam empregadas somente três colunas cromatográficas, o que não teriasido possível com o processo SMB convencional. Neste novo processo,mesmo duas colunas são suficientes, o que, no entanto, resulta em baixaprodutividade.
Exemplo 2: Separação de uma mistura de substâncias terciária
Na operação deste novo processo diferencia-se, como ilustradona figura 7, usando o exemplo de uma separação de substância ternáriacom um total de sete colunas, entre duas etapas, que são efetuadas suces-sivamente e formam um período do sistema. Na primeira etapa (=fase dealimentação) a alimentação é feita em direção radial-Y em um ponto (A4) nocircuito e, no mais, solvente puro é encaminhado às demais colunas (A1-Aa,A5-A7). Os distribuidores (Vi-V7) neste ponto separam as colunas cromato-gráficas (Si-S7) umas das outras, o que resulta no fato de que o fluxo de vo-lume de cada coluna cromatográfica isolada pode ser ajustado independen-temente uma da outra. Os fluxos de volume individuais são aqui ajustadosde forma tal que os correspondentes componentes-alvo sejam obtidos napureza desejada em particular na saída (Bi-B7) da correspondente colunacromatográfica. Os valores corretos para os fluxos do volume são determi-nados com base nos cálculos de um modelo-base ou determinados pela ex-periência.
Na segunda fase (= fase SMB de separação), a separação éefetuada ao longo da direção-X, sendo que o solvente fresco é alimentado aum distribuidor V1 no circuito através de C-i. Todos os outros distribuidoresV2-V7 são abertos na direção-X. O perfil total de concentração é convergidona direção-X. O volume de fluxo da separação SMB é ajustado de tal modoque no final do período a coluna carregada com eluentes frescos (aqui colu-na 1) seja completamente regenerada, isto é, que somente solvente purodeixe a coluna. Na saída do distribuidor D1, podem ocorrer duas situações:
1. ou ocorre solvente puro, que pode ser reciclado (corrente dereciclagem),
2. ou ocorrem componentes facilmente adsorvíveis, que sãopassados para os correspondentes recipientes de produto.
Se ocorre um ou outro modo de operar, depende da escolha dosfluxos de volume e das propriedades de adsorção dos componentes a seremseparados. Um detector de multicomponentes pode ser opcionalmente insta-lado na corrente de reciclagem a fim de poder mudar para descarga no casode penetração de um componente indesejado.
Tão logo terminada a segunda etapa, o período está completo einicia um novo período. Os pontos de introdução de alimentação e eluentesem direção radial (ArA7) bem como as saídas das colunas (B1-B7) são mo-vidas uma coluna adiante em direção ao fluxo. De acordo com a figura 7, aalimentação de A4 é deslocada para A5. As descargas das colunas estãocorrespondentemente conectadas com os novos recipientes de produto. Emdireção axial, a entrada do eluente é desviada da entrada do distribuidor C1para C2 e a saída dos eluentes da saída do distribuidor D1 para D2. Comoresultado desta repetida manobra forma-se na direção axial-X uma contra-corrente simulada entre a fase sólida e a fase líquida.
Isto é ilustrado com referência a uma separação de substânciaternária com as seguintes propriedades de produtos.
O estudo que segue foi feito com uma unidade de acordo com afigura 4, com distribuidor de acordo com a figura 5.
Propriedades de uma substância ternária.
Parâmetro Valor Descrição
<table>table see original document page 19</column></row><table>
O número de colunas cromatográficas é seis. A primeira alimen-tação é feita na segunda coluna (com A2). O suprimento de eluentes é feitona etapa 2 do período 1 (direção-X) no distribuidor 1 (através C1). Parâme-tros livres de operação são os volumes de fluxo na direção axial e radial, quesão variados nos seguintes estudos:
Estudo 1: Posição de início de alimentação: = 5, Qhoi= 15 ml/min, Qvet= 15ml/min
A figura 6 mostra o perfil de concentração bidimencional obtidopara os componentes respectivos (A,B,C)no final do décimo período. A ali-mentação foi justamente introduzida na penúltima coluna na posição 5. Ocomponente A é o componente mais adsorvível, C o mais fortemente adsor-vível e B o componente de adsorção intermediária. As regiões altamenteconcentradas são vermelho-escuro enquanto a solução pura é azul. É reco-nhecido que os componentes migram ao longo de diferentes faixas.Estudo 2: Início da posição de alimentação = 3, Qhorz25 ml/min, Qver= 15ml/min
Neste estudo, o volume de fluxo horizontal foi aumentado em 10ml/min, de modo que os componentes fossem separados de modo mais fortena direção-X axial. A posição de início de alimentação foi simultaneamentetransferida da quinta para a terceira coluna. A posição dos sulcos transver-sais, ao longo dos quais seus componentes migram, pode ser influenciadapor esta alteração controlada do fluxo do volume axial e do ponto de entradada alimentação. Neste estudo foi possível deixar os componentes A e C mi-grarem, de cada vez, para a direita ou para a esquerda em relação ao pontode alimentação, enquanto o componente intermediário B encontra o caminholinear para a saída. A figura 9 mostra os perfis estacionários de concentra-ção no final do décimo período.
Claims (10)
1. Processo cromatográfico semicontínuo para separação demisturas binárias e de multicomponentes em uma instalação consistindo emvárias colunas isoladas ligadas umas às outras em uma direção X, caracteri-zado pelo fato de que com ele é alcançada uma separação bidimencionalquea - na etapa 1 do período p, em uma coluna m de alimentação enas outras colunas uma corrente de eluente é introduzida na direção Y,b - na etapa 2 do período p, uma corrente de eluente flui na dire-ção X pelas colunas ligadas e se forma a chamada corrente de circulação,c - na etapa 1 do período p+1, na coluna m+1 de outra alimenta-ção e nas outras colunas mais corrente de eluente é adicionada na direçãoY,d - na etapa 2 do período p+1 flui novamente uma corrente deeluente na direção X pelas colunas ligadas e se forma uma chamada corren-te de circulação,e - e repetindo-se a) até d) continuamente.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelofato de que na segunda etapa, na entrada do distribuidor Cj de um determi-nado distribuidor Vn é introduzido solvente fresco e na saída do distribuidorDj do mesmo distribuidor Vn é removido o fluxo de circulação.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que o componente separado é obtido em um processo semicon-tínuo na saída da coluna B* e eventualmente adicionalmente na saída dodistribuidor Dn na direção X axial.
4. Processo de acordo com as reivindicações de 1 a 3 caracteri-zado pelo fato de que o fluxo de circulação é ajustado de tal modo que nofinal de cada período a coluna Sn seja totalmente regenerada.
5. Dispositivo para separação cromatográfica como definido nasreivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos duas colu-nas cromatográficas (S*) são conectadas em círculo, e que cada coluna a-presenta na direção Y (1) uma entrada de coluna (A) defronte a uma saídade coluna (Β*), e que cada coluna está conectada a uma coluna vizinha nadireção X por um distribuidor (V*) que apresenta uma entrada de distribuidor(C*) e uma saída de distribuidor (D*).
6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizadopelo fato de que a direção XeY são perpendiculares.
7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracteriza-do pelo fato de que a coluna S* apresenta uma forma quadrada ou forma deanel parcial.
8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5a 7, caracterizado pelo fato de que cada coluna S* ao longo da direção Yradial é dividida em regiões G equidistantes ou gradualmente mais finas,sendo que cada G-região g da coluna m está ligada com a G-região g dacoluna m+1 por meio do distribuidor V*.
9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5a 8, caracterizado pelo fato de que o distribuidor V* consiste em uma combi-nação de válvulas de bloqueio.
10. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 até 9, caracterizado pelo fato de que o distribuidor V* consiste em um cor-po base (1) que apresenta caminhos para os eluentes que são conectadoscom a abertura (3), e canais em direção X axial (4) que são abertos e fecha-dos com um cilindro rotativo (2).
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