DE4402081A1

DE4402081A1 - Chromatographische Trennsäule, deren Innenaufbau, und chromatographisches Trennverfahren

Info

Publication number: DE4402081A1
Application number: DE4402081A
Authority: DE
Inventors: Heikki Heikkilae; Goeran Hyoeky; Jarmo Kuisma
Original assignee: SUOMEN SOKERI HELSINKI FI Oy; Suomen Sokeri Oy
Current assignee: SUOMEN SOKERI HELSINKI FI Oy; Suomen Sokeri Oy
Priority date: 1993-01-25
Filing date: 1994-01-25
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2014-01-26
Also published as: DE4402081C2; US5770061A; FI930297A; FI930297A0; FI97277C; FI97277B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine chromatographische Trennsäule, die mit Innenaufbauten versehen ist, welche den Wirkungsgrad der Säule und das Trennergebnis verbessern. Derartige Innenaufbauten, welche die Erfindung ebenfalls betrifft, sind besonders geeignet für den Einsatz in großen Säulen, in welchen der Durchmesser etwa 1,5 m übersteigt und die Höhe des Füllmaterials in der Säule mehrere Meter überschreitet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein chromatographisches Trennverfahren unter Verwendung einer derartigen Säule.

Werden chromatographische Trennverfahren in industriellem Maßstab in großen Trennsäulen eingesetzt, so treten verschiedene Schwierigkeiten auf. Wird die Säule mit einer Aufschlämmung von Füllmaterial gefüllt, und konnte sich das Füllmaterial absetzten, so ist die Füllung ausgeglichen, und ihre Oberfläche nimmt eine bestimmte Höhe ein. Wird daraufhin ein Extraktionsmittel durch das Füllmaterial befördert, so sinkt die Oberfläche des Füllmaterials am Anfang stark über einige Stunden ab, und dann sinkt während der Verarbeitung des zu trennenden Materials die Oberfläche des Füllmaterials über einige wenige Tage weiter ab. Die Druckdifferenz über der Höhe des Füllbettes nimmt zu Beginn des Verfahrens stark zu, und daraufhin verlangsamt sich der Anstieg. Wird das Verfahren über mehrere Tage auf solche Weise durchgeführt, daß Wasser und zu trennendes Material abwechselnd durch das Füllmaterial befördert werden, so nimmt die Trockensubstanzkonzentration der Produktfraktionen ab, und ihre Reinheit verringert sich; gleichzeitig nimmt die Trennkapazität der Säule ab. Da das Trennergebnis und die Säulenkapazität nicht mehr ausreichend sind, muß die Verarbeitung unterbrochen werden, und eine erneute Packung des Füllmaterials durchgeführt werden. Das Füllmaterial wird rückgespült, wobei Leitungswasser durch das Material vom Boden nach oben unter hoher Geschwindigkeit hindurchbefördert wird. Dann wird das Füllmaterialbett ausgedehnt und fluidisiert. Daraufhin läßt man das Füllmaterial sich absetzen, und daraufhin kann der Trennvorgang erneut begonnen werden.

Die Verdichtung des Füllmaterials während des Trennvorgangs ist schädlich, da sie dazu führt, daß die Trennkapazität verringert wird. Die ungleichmäßige Verdichtung des Füllmaterials ist in der Hinsicht schädlich, daß eine Kanalisierung des Flüssigkeitsflusses hervorgerufen wird. In diesem Fall bleibt das Konzentrationsprofil des abzutrennenden Materials im Querschnitt der Säule, mit anderen Worten die Fronten, nicht gleichförmig, und das Trennergebnis wird beeinträchtigt. Dies zeigt sich in der Tatsache, daß die Extraktionsdiagramme für die unterschiedlichen Komponenten, die im Idealfall relativ steile Gaußkurven sind, verflacht werden und vollständig unregelmäßig werden können.

Die voranstehenden Schwierigkeiten erhöhen sich, wenn der Säulendurchmesser und die Betthöhe ansteigen. Die schädliche Wirkung der Durchmessererhöhung zeigt sich selbst bei verhältnismäßig kleinen Säulen; beispielsweise ist in einer chromatographischen Säule mit einem Durchmesser von etwa 25 cm die Verdichtung wesentlich langsamer als in einer Säule mit einem Durchmesser von 1 m. Dieselbe Wirkung hält an, wenn der Durchmesser der Säule weiter erhöht wird, und die Differenz zeigt sich deutlich bei der Trennung von Saccharose und Betain aus Molasse in Säulen mit einem Durchmesser von 3,6 m beziehungsweise 2,76 m.

Es sind verschiedene Konstruktionen bekannt, die innerhalb von Säulen vorgesehen werden können, durch welche Versuche unternommen wurden, die voranstehenden Schwierigkeiten abzumildern.

Wird die Säule mit Platten ausgerüstet, welche für den Flüssigkeitsfluß durchlässig sind, jedoch das Füllmaterial tragen, so kann das Füllmaterial in mehrere überlagerte Schichten unterteilt werden, wodurch die Druckdifferenz über die Gesamthöhe des Füllmaterials verringert wird. Beispielsweise beschreibt das britische Patent Nr. 1 203 439 (Pharmacia Fine Chemicals AB) eine derartige Konstruktion zur Verwendung in einer Gelfiltrationssäule, wobei das Füllbett durch flüssigkeitspermeable Platten in mehrere gegenseitig getrennte überlagerte Abschnitte unterteilt wird. Allerdings wird in diesem Fall das Trennergebnis beeinträchtigt, und die Füllung der Säule mit Füllmaterial, das Rückspülen des Füllmaterials, und das Entfernen verbrauchten Füllmaterials werden wesentlich beeinträchtigt. Eine Lösung derselben Art ist in dem U.S.-Patent Nr. 3 539 505 beschrieben (Lauer, K. und Stoeck, G.; übertragen an Boehringer Mannheim GmbH); Diese Lösung soll angeblich eine Verbesserung des Trennergebnisses ermöglichen. Wie in dieser Veröffentlichung beschrieben ist, ist das Füllbett in der Längsrichtung der Säule in Trennzonen unterteilt, zwischen denen verhältnismäßig flache Mischzonen vorgesehen sind, die durch Platten ausgebildet werden, die für den Flüssigkeitsfluß durchlässig sind und kein Füllmaterial enthalten. In den Mischzonen wird der Flüssigkeit eine Bewegung aufgezwungen, die von der Axialrichtung der Säule abweicht. Verläßt die Flüssigkeit eine derartige Mischzone, so ist ihre Front tatsächlich gleichförmig. Allerdings korrigiert die Mischzone nicht die Ungleichförmigkeit und das Ausflachen der Front, welche in dem Bereich der vorherigen Trennzone entstanden sind. Daher stellt auch diese Konstruktion kein ausreichend gutes Trennergebnis zur Verfügung, und weist weiterhin den Nachteil auf, daß die Füllung der Säule, deren Leerung und eine Neupackung des Füllmaterials schwierig sind.

Weiterhin wurden Versuche unternommen, die Nachteile großer Säulen mit Hilfe verschiedener Wände auszuschalten, die in der Säule angeordnet sind und in Richtung der Vertikalachse der Säule verlaufen. Diese Wände unterteilen die Säule in mehrere parallele Abschnitte mit kleinerem Querschnitt, wobei sich die Abschnitte kontinuierlich durch das Füllbett oder durch beinahe das gesamte Bett erstrecken. Derartige Konstruktionen sind in der europäischen veröffentlichten Anmeldung Nr. 5708 (Röhm GmbH) beschrieben, wonach die Säule durch mehrere konzentrische Zylinderwände in Abschnitte unterteilt werden kann, der zentrale Abschnitt kreisförmig ist, und die ihn umgebenden Abschnitte im Querschnitt ringförmig sind. Bei einer anderen, in dieser Veröffentlichung beschriebenen Konstruktion ist die Säule durch vertikale Wände unterteilt, die miteinander einen rechten Winkel bilden, und zwar in Abschnitte, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Diese Konstruktionen sind so ausgelegt, daß die oberen Enden der Wände unterhalb der oberen Oberfläche des Füllmaterials bleiben, und dies führt dazu, daß die obere Oberfläche des Füllmaterials im wesentlichen gleichförmig und ausgeglichen verläuft. In der Veröffentlichung wird behauptet, daß Konstruktionen dieser Art die Verdichtung des Säulenfüllmaterials verringern. Allerdings gibt es Schwierigkeiten bezüglich der Durchlaßrate der Front. Infolge der unterschiedlichen Geometrien der unterschiedlichen Abschnitte kann eine unterschiedliche Verdichtung der Abschnitte auftreten, und daher ist das kombinierte Produkt, welches von den unterschiedlichen Abschnitten entfernt wird, inadequat.

Weiterhin beschreibt das U.S.-Patent Nr. 5 124 133 (Wilmer Schoenrock) Säulen, in welchen Konstruktionen vorgesehen sind, die durch Platten gebildet werden, die sich vertikal kontinuierlich durch das Füllbett erstrecken. Von diesen Konstruktionen wird behauptet, daß sie eine Vergleichmäßigung des Flusses dadurch bewirken, daß sie einen Fluß in Querrichtung verhindern, so daß ein gleichförmiges Flußprofil erzeugt wird. Die Platten können die Säule in unterschiedliche Abschnitte unterteilen, so daß ein zylindrischer Abschnitt im Zentrum der Säule zur Verfügung gestellt wird, und der Raum zwischen dem Zylinder und der Wand der Säule weiterhin in Abschnitte unterteilt ist, mittels radial ausgerichteter Platten. Auch in diesem Fall können allerdings die Durchlaßraten der Front in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedlich sein, und daher kann sich ein schlechtes Trennergebnis ergeben. Weiterhin beschreibt diese Veröffentlichung eine Konstruktion, bei welcher zwei Reihen vertikaler Platten, die sich durch die gesamte Höhe des Füllbettes erstrecken, in der Säule angeordnet sind. Eine dieser Reihen ist radial und äquidistant an einem vertikalen Pfosten befestigt, der im Zentrum der Säule vorgesehen ist, und die Platten der anderen Reihe sind an der Wand der Säule befestigt und erstrecken sich in Radialrichtung der Säule zwischen den Platten der ersten Reihe nach innen. Die Breite der Platten in jeder Reihe ist etwas größer als die halbe Entfernung zwischen den vertikalen Pfosten und der Säulenwand. Da diese Konstruktion relativ lange, ungehalterte Plattenkanten innerhalb des Füllmaterials aufweist, und das Füllmaterial sehr große lokale Druckunterschiede zeigen kann, müssen derartige Konstruktionen verhältnismäßig schwer sein, damit die Platten gerade bleiben. Die Anordnung einer derartigen Konstruktion in einer großen Säule ist aus diesem Grunde schwierig.

Das U.S.-Patent Nr. 3 298 527 beschreibt eine chromatographische Trennsäule, die mit mehreren Rippenteilen versehen ist, die auf der Innenwand der Säule angebracht sind und sich durch diese nach innen und in Längsrichtung erstrecken. Die Säule, die in diesem Patent beschrieben ist, kann ebenfalls aus identischen Segmenten bestehen, deren Enden aneinander anstoßen, wobei jedes Segment derartige Rippenteile aufweist und in Bezug auf die Segmente neben ihm gedreht ist, so daß die Rippen in zwei benachbarten Segmenten nicht bezüglich des Winkels ausgerichtet sind. Würde eine derartige Säule zum Einsatz in industriellen Trennverfahren heraufskaliert, so würden dieselben Schwierigkeiten auftreten, wie sie voranstehend im Zusammenhang mit der Konstruktion nach dem U.S.-Patent Nr. 5 124 133 beschrieben wurden.

Es hat sich nunmehr herausgestellt, daß die Kapazität und das Trennergebnis großer Trennsäulen dadurch wesentlich verbessert werden können, daß in der Säule ein Innenaufbau angeordnet wird, der sich von vorbekannten Aufbauten unterscheidet. Dieser Innenaufbau ist leicht, selbsttragend und einfach in der Säule zu installieren. Daher betrifft die vorliegende Erfindung eine Trennsäule, welche sich dadurch auszeichnet, daß ihr Füllmaterialraum in der Vertikalrichtung zumindest zwei Zonen aufweist, zwischen denen keine Einrichtung vorhanden ist, die einen Vertikalfluß behindern könnte, und die durch im wesentlichen vertikal verlaufende Wände in getrennte Einschnitte unterteilt sind, wobei die Abmessungen der Zonen so gewählt sind, daß die Oberkante der Wände in der obersten Zone unterhalb der oberen Oberfläche des Säulenfüllmaterials unter Betriebsbedingungen der Säule liegt.

Die Wände zweier überlagerter Zonen sind so ausgebildet, daß sie gegeneinander versetzt sind.

Die Wände bilden in jeder Zone eine Zellenstruktur. Es ist wesentlich, daß die Wände in der Struktur keine Winkel miteinander bilden, die wesentlich kleiner als 90° sind, und auch nicht mit der Säulenwand, da in derartigen Ecken die Verdichtung des Füllmaterials und der Flüssigkeitsfluß von der Verdichtung und dem Flüssigkeitsfluß verschieden sein könnten, die in den anderen Bereichen des Abschnitts vorherrschen, und daher das Trennergebnis beeinträchtigt werden könnte.

Vorzugsweise bilden die Wände in jeder Zone eine Zellenstruktur, bei welcher die Wände miteinander in einem Winkel von 120° vereinigt sind, und mit der Säulenwand in der Radialrichtung der Säule. Bei einem derartigen, bevorzugten Aufbau weist jede Zone daher zumindest einen Abschnitt auf, der einen Querschnitt eines im wesentlichen gleichseitigen Sechsecks aufweist. In diesem Fall sind die Zellenstrukturen zweier überlagerter Zonen so angeordnet, daß die geraden Linien, an welchen die Wände einer bestimmten Zone aneinander anstoßen, in der Mitte der Abschnitte der folgenden Zone liegen.

Die erfindungsgemäße Struktur ist besonders geeignet zum Einsatz in Säulen, die einen Durchmesser von 1 bis 5 m aufweisen, vorzugsweise von 2 bis 4 m. Die vereinigte Höhe der Zonen beträgt vorzugsweise etwa 70 bis 90% der Höhe des Füllbettes in der Säule, und jede Zone kann eine Höhe von 0,5 bis 3 m aufweisen, vorzugsweise von 1 bis 2 m. Geeignete Durchmesser für die Abschnitte hängen selbstverständlich vom Durchmesser der Säule ab, und betragen vorzugsweise etwa 0,25 bis etwa 1,5 m, besonders bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 1 m.

Aufeinanderfolgende Zonen können einander berühren, oder es können dazwischen Räume ohne Wandstrukturen vorgesehen sein. Allerdings muß ein derartiger Raum ohne Wandstrukturen verhältnismäßig niedrig sein, bezogen auf die Höhe der Zone, und höchstens etwa 10% der Höhe der Zone betragen.

Aufgrund des voranstehend beschriebenen Innenaufbaus wird das Füllmaterial (stationäre Phase) nicht gleichförmig verdichtet, und die Packung der Säule bleibt im wesentlichen gleichförmig an unterschiedlichen Punkten der Säule. Der Innenaufbau hält das Füllmaterial homogen über einen längeren Zeitraum nach dem Rückspülen, und die Verdichtung ist nicht so stark wie ohne diesen Innenaufbau.

Daher betrifft die Erfindung ebenfalls einen Innenaufbau, der in einer Trennsäule angeordnet werden soll, und die Verdichtung des Füllmaterials verringert und/oder ausgleicht, und sich dadurch auszeichnet, daß er zumindest zwei Zonen in dem Füllmaterialraum der Säule in der Vertikalrichtung bildet, zwischen denen keine Einrichtung vorhanden ist, welche den Fluß in Vertikalrichtung behindern könnte, und welche durch im wesentlichen vertikal verlaufende Wände in getrennte Abschnitte unterteilt sind, wobei die Abmessungen der Zonen so gewählt sind, daß die Oberkante der Wände in der obersten Zonen unterhalb der oberen Oberfläche des Säulenfüllmaterials unter Betriebsbedingungen der Säule liegt. Die Wände zweier überlagerter Zonen sind so angeordnet, daß sie gegeneinander versetzt sind.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein chromatographisches Verfahren zum Trennen gelöster Bestandteile in einer Lösung. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Lösung alternierend mit einem Extraktionsmittel gleichmäßig über die obere Oberfläche des Füllmaterials in einer Trennsäule zugeführt wird, die mit den voranstehend beschriebenen Innenaufbauten versehen ist, und mit einem für die Trennung geeigneten Füllmaterial gepackt ist, wobei die Lösung durch das Füllmaterialbett befördert wird, und die Fraktionen, welche die gewünschten Produkte enthalten, aus dem Flüssigkeitsfluß gesammelt werden, der durch das Füllmaterial hindurchgegangen ist.

Die Säule und das Verfahren gemäß der Erfindung wurden erfolgreich bei der Trennung von Saccharose und Betain aus Rübensirup (Molasse) in einer Säule mit einem Durchmesser von 3,6 m eingesetzt, wobei eine Betthöhe von 6 m für das Trennharz verwendet wurde. Wenn in der Säule ein Innenaufbau gemäß der Erfindung angebracht wurde, verbesserte sich das Trennergebnis deutlich, verglichen mit dem Ergebnis, das man mit derselben Säule ohne die Innenaufbauten enthielt. In diesem Zusammenhang wurde die Kapazität der Säule mit der Kapazität einer kleineren Säule (Durchmesser 2,76 m) ohne Innenaufbauten verglichen. Ohne die Innenaufbauten war das Betriebsergebnis der großen Trennsäule schlechter als jenes der kleinen Säule. Die Innenaufbauten ermöglichten es der größeren Säule, im wesentlichen bei derselben Zufuhrkapazität zu arbeiten wie die kleinere Säule. Die Zufuhrkapazität in diesem Zusammenhang bedeutet die Zufuhrmenge an Trockensubstanz in einer Zeiteinheit pro Volumeneinheit von Füllmaterial (kg ds/(hm³)).

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Achse einer Säule;

Fig. 2 Querschnitte der Säule von Fig. 1 in Ebenen A-A, A′-A′ und A′′-A′′;

Fig. 3 Querschnitte der Säule von Fig. 1 in Ebenen B-B und B′-B′;

Fig. 4 einen Querschnitt einer denkbaren, unterschiedlichen Zellenstruktur;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Achse einer andersartigen Säule;

Fig. 6 einen Querschnitt der Säule von Fig. 5 in der Ebene C-C;

Fig. 7 Querschnitte der Säule von Fig. 5 in Ebenen D-D und D′-D′; und

Fig. 8 einen Querschnitt der Säule von Fig. 5 in einer Ebene E-E.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Füllmaterialraum 2 in der Säule 1 fünf Zonen 3, 3′. Die erste, dritte und fünfte Zone und die zweite und vierte Zone weisen aufeinanderfolgend jeweils gleiche Geometrien auf. Bei dieser Ausführungsform weisen die Zonen 3, 3′ eine gleiche Höhe auf, und dazwischen ist ein Raum 8 vorgesehen, der keine Wände 4 aufweist und eine Höhe von etwa 5% der Höhe der Zone. Die Zellenstrukturen zweier überlagerter Zonen 3, 3′ sind so angeordnet, daß die geraden Linien 6, an welchen die Wände 4 einer bestimmten Zone zusammenlaufen, in der Mitte 7 des Abschnitts 5 der nächsten Zone liegen.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von jener in Fig. 1 in Bezug auf die Querschnitte unterschiedlicher Zonen, und zusätzlich darin, daß sie vier Zonen 3, 3′ und 3′′ aufweist. Die erste und dritte Zone vom Boden aus weisen gleiche Geometrie auf, und die zweite und vierte Zone unterscheiden sich in ihrer Geometrie, sowohl untereinander als auch von jener der ersten und dritten Zone. Die in den Fig. 5 bis 8 gezeigten Innenaufbauten sind beispielsweise geeignet für Säulen mit einem Durchmesser von etwa 3,9 m.

Die in den unterschiedlichen Zonen vorhandenen Wände sind fest aneinander und an der Säulenwand befestigt, beispielsweise durch Schweißen. Die Wände können beispielsweise aus Metallblech von 2 mm bestehen. Zur Vermeidung möglicher übermäßiger mechanischer Spannungen können Anordnungen in den Wandplatten eingesetzt werden, die den Blechen Nachgiebigkeit verleihen, beispielsweise faltenbalgartige Anordnungen.

Oberhalb und unterhalb des Füllmaterialraums weist die Säule bekannte Anordnungen auf, die zur Durchführung des Trennvorgangs erforderlich sind. Derartige Anordnungen wurden beispielsweise in der britischen Patentschrift Nr. 1 403 382 und in dem U.S.-Patent Nr. 4 604 199 beschrieben.

Die Erfindung und die hiermit erzielbaren Vorteile werden nachstehend im einzelnen anhand von Beispielen erläutert, welche die Erfindung nicht einschränken sollen. Die Beispiele A und C sind Bezugsbeispiele, und die bei diesen Beispielen eingesetzten Säulen enthielten nicht die Innenaufbauten gemäß der Erfindung.

In sämtlichen Beispielen wurden Saccharose und Betain von Rübensirup getrennt. Um Zahlen zu nennen wurde 88,0% Trockensubstanz als die Reinheit für die Saccharosefraktion gewählt, 22,0% als Saccharosegehalt der übrigbleibenden Fraktion, und für die Betainfraktion wurde eine Betainreinheit von 45,0% gewählt.

Fig. 9 zeigt die in den Beispielen für Saccharose erhaltenen Eluierungsdiagramme.

Die bei den Beispielen erhaltenen Trennergebnisse wurden auch durch Ermittlung der nachstehenden rechnerischen Größen bewertet: Anzahl theoretischer Platten, und Höhe einer theoretischen Transfereinheit. Diese Größen wurden durch die nachstehend angegebene, bekannte mathematische Formel bestimmt:

N = 16 (V/W)²

und

HETP = L/N

wobei:
N = Anzahl theoretischer Platten V = Eluierungsvolumen (Liter) eines Peaks im Trenndiagramm
W = Fußbreite des Peaks (Liter)
HETP = Höhe theoretischer Transfereinheit (mm)
L = Höhe des Harzbettes.

Analysen der in den Beispielen verwendeten, zugeführten Lösungen sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

In den Beispielen verwendete, zugeführte Lösungen

Beispiel A Durchmesser der Säule 3,6 m, kein Innenaufbau Test 1

Das verwendete Füllmaterial war ein stark saures Kationenaustauschharz mit der folgenden Harzzusammensetzung:

Fabrikat
Duolite
Kapazität	1,58 äquival./1
Wasserrückhaltekapazität	0,95 g H₂O/g
Mittlere Kügelchengröße	0,47 mm
Divenylbenzol-Kreuzvernetzungsgrad	6,5%

Die Testbedingungen waren wie folgt:

Betthöhe\|6,0 m
Volumenfluß	9,0 m³/h
Temperatur	80°C
Zugeführtes Volumen	4650 l
Zugeführter Trockensubstanzgehalt	36,9-37,8 Gewichtsprozent
Zufuhrintervall	160 Minuten

Während des Trennvorgangs wurde eine bestimmte Menge (zugeführtes Volumen) einer zugeführten Lösung über der Oberfläche des Trennharzes in vorgegebenen Intervallen zugeführt (Zufuhrintervallen); während der Intervalle zwischen den Zuführungsvorgängen wurde Wasser als Extraktionsmittel durch die Säule geleitet.

Vor dem Beginn des Tests 1 erfolgte ein Rückspülen des Trennharzes in der Säule, worauf sich dieses verdichten konnte. Die Zufuhrvorrichtung wurde auf die Oberfläche des Trennharzes eingestellt, und es wurde mit dem Durchlauf begonnen. Nachdem die Bearbeitung entsprechend dem Verfahren einen Tag lang durchgeführt wurde, wurde die Zufuhrvorrichtung so exakt wie möglich auf die Harzoberfläche nachjustiert. Man ließ den Vorgang sich stabilisieren, und es wurde eine erste Reihe von Proben der Trennung gesammelt, und die Eluierungsdiagramme wurden geplottet.

Test 2

Die Bearbeitung entsprechend dem in Test 1 begonnenen Verfahren wurde unter denselben Parametern eine Woche lang weitergeführt, worauf eine weitere Reihe von Proben genommen und die Eluierungsdiagramme geplottet wurden. Im Test 2 wurde die gewünschte Reinheit von 45% für die Betainfraktion nicht erzielt, jedoch blieb die Reinheit auf dem Wert von 43,0%.

Beim Vergleich der Saccharose-Eluierungsdiagramme des Tests 1 und des Tests 2 in Fig. 9 sieht man, daß die Hinterflanke des Peaks abgeflacht wurde, und sich der Fuß des Peaks verbreitert hat.

Im Test 2 betrug die Anzahl erhaltener theoretischer Platten N = 61, und HETP betrug 98 mm.

Beispiel B Säulendurchmesser 3,6 m, Innenaufbau gemäß der Erfindung Test 3

Nach dem im Beispiel A ausgeführten Test wurde das Trennharz aus der Säule entfernt. Der Deckel der Säule wurde entfernt, und Zellenaufbauten (Zellenstrukturen) gemäß Fig. 1, 2 und 3 wurden in der Säule angebracht, beginnend am Boden der Säule. Jede zweite Säulenstruktur war gleich. Die Wände der Zellenstrukturen bestanden aus Stahlblech von 2 mm, und sie wurden auf solche Weise an die Säulenwand angeschweißt, daß die Wände der Zellenstrukturen nicht ausgerichtet waren, sondern versetzt. Die Höhe der Wände in der Zellenstruktur betrug 1 m. Die unterste Zellenstruktur wurde in einer Höhe von 0,5 m von der Bodenoberfläche des Füllharzbettes angebracht, und der Abstand zwischen den Zellenstrukturen betrug 50 mm.

Das Trennharz wurde zurück in die Trennsäule gepumpt und rückgespült. Eine Bearbeitung mit denselben Parametern wie in den Tests 1 und 2 wurde in der Säule begonnen. Das Zufuhrintervall betrug 150 Minuten. Eine Reihe von Proben wurde nach einer Woche nach Beginn entnommen. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Tests 2 und 3 wurde deutlich, daß das Trennergebnis verbessert wurde, welches unter Verwendung der Innenaufbauten erzielt wurde (vergleiche die Eluierungsdiagramme in Fig. 9). Die Zusammensetzung der zugeführten Lösungen in den Tests 2 und 3 war praktisch gleich.

Test 4

Im Test 4 betrug das zugeführte Volumen 4,8 m³. Die übrigen Verfahrensparameter waren dieselben wie im Test 3. Vor der Probenabnahme ließ man den Vorgang zwei Wochen lang sich stabilisieren.

Die zugeführte Konzentration betrug 36,7 Gewichtsprozent. Die Ausbeuten an Saccharose und Betain waren niedriger, und der Kreislaufprozentsatz war höher als im Test 3.

Test 4 sorgte für eine deutliche Verbesserung der Konzentration der Saccharosefraktion, welche sich von dem Wert von 20,2 g/100 ml im Test 3 auf den Wert von 24,6 g/100 ml erhöhte. Ein Vergleich der Form des Saccharose- Peaks im Test 4 mit der Form des Saccharose-Peaks im Test 2 (vgl. Fig. 9) macht deutlich, daß der Peak höher ist und einen schmaleren Fuß aufweist, wenn die Säule einen Innenaufbau aufweist.

Die Anzahl theoretischer Platten, die im Test 4 erhalten wurde betrug N = 93, und HETP betrug 65 mm, woraus ebenfalls deutlich wird, daß im Vergleich zum Test 2 die Trennung verbessert war.

Test 5

Das zugeführte Volumen betrug 4,65 m³, und das Zufuhrintervall betrug 140 Minuten. Der Vorgang wurde ohne Unterbrechung und ohne Rückspülen länger als einen Monat lang durchgeführt, und daraufhin wurden Probenreihen entnommen.

Die Ausbeuten an Saccharose und Betain waren im Vergleich zum Test 4 verbessert. Weiterhin erhöhte sich die Anzahl theoretischer Platten von 93, dem im Test erhaltenen Wert, auf 117 beim vorliegenden Test.

Der Test ergab die besten Ergebnisse bei einer Säule mit einem Durchmesser von 3,6 m.

Beispiel C Säulendurchmesser 2,76 m, keine Innenaufbauten Test 6

Die Harzzusammensetzung des Füllmaterials war wie folgt:

Fabrikat
Korela VO9
Kapazität H⁺	1,39 äquiv./1
Wasserrückhaltekapazität (Na⁺)	1,16 g H₂O/g
Mittlere Kügelchengröße (Na⁺)	0,50 mm
Divenylbenzol-Kreuzvernetzungsgrad	5,5%

Die Versuchsbedingungen waren wie folgt:

Betthöhe\|6,0 m
Volumenfluß	5,5 m³/h
Temperatur	80°C
Zugeführtes Volumen	3500 l
Zugeführter Trockensubstanzgehalt	37,0 Gewichtsprozent
Zufuhrintervall	130 Minuten

Die Konzentration der Restfraktion betrug 7,4 g/100 ml mit einer Saccharosereinheit von 22% Trockensubstanz.

Die Konzentration der Saccharosefraktion betrug 19,7 g/100 ml mit einer Reinheit von 88,0%, und die Anzahl theoretischer Platten betrug N = 113.

Die berechneten Vergleichsergebnisse der Tests 2, 5 und 6 sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Berechnete Vergleichsergebnisse

Die voranstehend angegebenen Ausbeuten für Saccharose und Betain wurden auf der Grundlage der Trockensubstanz bestimmt, welche von der Säule entfernt wurde. Kreislaufanteile sind in der Ausbeute nicht enthalten. Die Ausbeuten wurden auf der Grundlage folgender Gleichung berechnet:

Die ausgeführten Tests zeigen, daß das Trennergebnis einer großmaßstäblichen chromatographischen Trennsäule dadurch verbessert werden kann, daß in der Säule ein Innenaufbau gemäß der Erfindung installiert wird. Infolge des Innenaufbaus wurde die Trennkapazität der Säule deutlich verbessert. Durch den Innenaufbau wurde ermöglicht, daß eine Säule mit einem Durchmesser von 3,6 m bei einer Zufuhrkapazität von 16,4 kg Trockensubstanz/(m³/h) arbeiten konnte, also bei annähernd derselben Zufuhrkapazität wie eine Säule mit einem Durchmesser von 2,76 m, welche eine Zufuhrkapazität von 16,6 kg Trockensubstanz/(m³/h) aufwies.

Claims

1. Chromatographische Trennsäule, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Füllmaterialraum (2) in der Vertikalrichtung zumindest zwei Zonen (3, 3′, 3′′) aufweist, zwischen denen keine Einrichtung vorhanden ist, welche einen Vertikalfluß behindern könnte, und welche durch im wesentlichen vertikal verlaufende Wände (4) in getrennte Abschnitte (5) unterteilt sind, wobei die Abmessungen der Zonen (3, 3′, 3′′) so gewählt sind, daß die Oberkante (4) in der obersten Zone unterhalb der oberen Oberfläche des Säulenfüllmaterials im Betriebszustand der Säule liegt.

2. Trennsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (4) der überlagerten Zonen (3, 3′, 3′′) so angeordnet sind, daß sie gegeneinander versetzt sind.

3. Trennsäule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel, die durch die Wände (4) untereinander und mit der Säulenwand (1) gebildet werden, zumindest etwa 90° betragen.

4. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in jeder Zone (3, 3′, 3′′) vorhandenen Wände (4) eine Zellenstruktur bilden, in welcher die Wände (4) ineinander in einem Winkel von 120° übergehen, und in die Säulenwand (1) in Radialrichtung der Säule.

5. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenstrukturen zweier überlagerter Zonen (3, 3′, 3′′) so angeordnet sind, daß die geraden Linien (6), unter welchen die Wände (4) einer bestimmten Zone ineinander übergehen, in der Mitte (7) der Abschnitte (5) der nächsten Zone liegen.

6. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vereinigte Höhe der Zonen (3, 3′, 3′′) etwa 70-90% der Höhe des Füllmaterials in der Säule beträgt.

7. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Räume (8) ohne Wandstrukturen zwischen den Zonen (3, 3′, 3′′) vorgesehen sind.

8. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Zonen (3, 3′, 3′′) einander berühren.

9. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zonen (3, 3′, 3′′) Räume (8) ohne Wandstrukturen vorgesehen sind, die jeweils eine Höhe von höchstens etwa 10% der Höhe der Zonen (3, 3′, 3′′) aufweisen.

10. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Säule 1 bis 5 m beträgt, vorzugsweise 2 bis 4 m.

11. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Abschnitte 0,25 bis 1,5 m betragen, vorzugsweise 0,5 bis 1 m.

12. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe jeder Zone 0,5 bis 3 m beträgt, vorzugsweise 1 bis 2 m.

13. Innenaufbau zur Anordnung in einer chromatographischen Trennsäule, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenaufbau zumindest zwei Zonen (3, 3′, 3′′) in dem Füllmaterialraum (2) der Säule in der Vertikalrichtung bildet, wobei zwischen den Zonen (3, 3′, 3′′) keine Einrichtung vorhanden ist, welche einen Vertikalfluß behindern könnte, und die Zonen durch im wesentlichen vertikal verlaufende Wände (4) in getrennte Abschnitte (5) unterteilt sind, wobei die Zonen (3, 3′, 3′′) solche Abmessungen aufweisen, daß die Oberkante der Wände (4) in der obersten Zone unterhalb der oberen Oberfläche des Säulenfüllmaterials im Betriebszustand der Säule liegt.

14. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (4) zweier aufeinanderfolgender Zonen (3, 3′, 3′′) so angeordnet sind, daß sie gegeneinander versetzt sind.

15. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel, die durch die Wände (4) untereinander sowie mit der Säulenwand (1) gebildet werden, zumindest etwa 90° betragen.

16. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die in jeder Zone (3, 3′, 3′′) vorhandenen Wände (4) eine Zellenstruktur bilden, in welcher die Wände (4) ineinander in einem Winkel von 120° übergehen, und in die Säulenwand (1) in der Radialrichtung der Säule.

17. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenstrukturen zweier überlagerter Zonen (3, 3′, 3′′) so angeordnet sind, daß die geraden Linien (6), in welchen die Wände (4) einer bestimmten Zone ineinander übergehen, in der Mitte (7) der Abschnitte (5) der nächsten Zone liegen.

18. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die vereinigte Höhe der Zonen (3, 3′, 3′′) etwa 70-90% der Höhe des Füllmaterials in der Säule beträgt.

19. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Räume (8) ohne Wandstrukturen zwischen den Zonen (3, 3′, 3′′) vorgesehen sind.

20. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Zonen (3, 3′, 3′′) einander berühren.

21. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zonen (3, 3′, 3′′) Räume (8) ohne Wandstrukturen vorgesehen sind, die jeweils eine Höhe von höchstens 10% der Höhe der Zonen (3, 3′, 3′′) aufweisen.

22. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Säule 1 bis 5 m beträgt, vorzugsweise 2 bis 4 m.

23. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Abschnitte 0,25 bis 1,5 m betragen, vorzugsweise 0,5 bis 1 m.

24. Innenaufbau zur Anordnung in einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 13 bis 23. dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe jeder Zone 0,5 bis 3 m beträgt, vorzugsweise 1 bis 2 m.

25. Chromatographisches Verfahren zur Trennung gelöster Bestandteile in einer Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung abwechselnd mit einem Extraktionsmittel einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zugeführt wird, die mit einem für die Trennung geeigneten Füllmaterial gepackt ist, gleichmäßig über die obere Oberfläche des Füllmaterials, daß man die Lösung durch das Füllmaterialbett fließen läßt, und daß die Fraktionen, welche die gewünschten Produkte enthalten, dem Flüssigkeitsfluß entnommen werden, der durch das Füllmaterial hindurchgeflossen ist.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung Rübensirup ist, von welchem Saccharose- und Betainfraktionen getrennt werden.

27. Trennsäule nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Wände in ihrem Querschnitt ein Muster eines gleichseitigen Sechsecks ausbilden.