Exploitation of temperature and solvent gradients in preparative liquid chromatography

Abstract

Despite chromatography has become a relatively mature separation technology, progress has never stopped, e.g. via exploiting new degrees of freedom to improve performance and cost-effectiveness. Among them, gradients are considered as attractive options to deal with difficult separation problems when normal approaches are not able to meet desired performance. Owing to simplicity and controllability, solvent gradients are widely used in liquid chromatography and temperature gradients in gas chromatography. However, the potential of applying temperature gradients in liquid chromatography has not been fully explored. This work focuses on theoretical design and experimental validation of temperature and solvent gradients in preparative liquid chromatography followed by an evaluation of the potential for gradient combinations. A ternary separation characterised by a relative wide retention time spectrum was chosen as the model problem. In this scenario, a component falls behind in the chromatogram compared to the other two components, which leads to a rather long cycle time connected with a low productivity. By applying gradients, migration velocities of components can be individually manipulated in order to reduce this long cycle time and, thus, to increase the productivity. In this study, a rapid and general design tool for gradients based on equilibrium theory was utilised to generate graphical solutions. Space-time diagrams illustrate migration paths of components under the isocratic/isothermal conditions and influence of gradients. These paths are governed by thermodynamics and can be quantified by adsorption isotherms. As a key information, characteristic times can be identified for gradients to be applied in the repetitive batch chromatography mode. These specific switch times are crucial to optimise the separation regimes to reduce the cycle time. In the first part, isotherm parameters of the three components of a model system were determined focusing on the linear range for certain ranges of temperatures and modifier fractions. These equilibrium constants allow predicting ideal separation performance using the physical planes based on equilibrium model. For more realistic predictions, the equilibrium dispersion model was used to generate numerically chromatograms by taking experimentally determined kinetic parameter into account. To be close to reality, the nonideality of implementing gradients was analysed for both temperature and solvent gradients using simplified sub-models. Kinetic effects and gradient nonidealities provide criteria to introduce safety margins regarding the operating parameters. In a second part, the model was validated through experiments by finding a good agreement between predicted and measured retention behaviour under gradient conditions. Finally, an overall comparison between temperature and solvent gradients was given. Each gradient has its own merits and drawbacks, and therefore, a proper combination can have a synergistic effect. Some potential combinations were suggested. The approaches and tools developed in this thesis were found to be useful. They can be extended to other gradient types, isotherm courses and mixtures.

Chromatographie ist als Trenntechnologie bereits relativ ausgereift. Dennoch hat der Fortschritt niemals aufgehört, z. B. hinsichtlich der Nutzung neuer Freiheitsgrade zur Verbesserung von Leistung und Kosteneffektivität. Insbesondere Gradienten gelten als attraktive Option zur Lösung vieler Trennprobleme, wenn normale Ansätze die gewünschte Leistung nicht ermöglichen. Aufgrund ihrer Einfachheit und Steuerbarkeit werden Lösungsmittelgradienten in der Flüssigchromatographie und Temperaturgradienten in der Gaschromatographie häufig eingesetzt. Das Potenzial von Temperaturgradienten in der Flüssigchromatographie ist jedoch noch nicht ausreichend erforscht worden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die theoretische Auslegung und die experimentelle Validierung von Temperatur- und Lösungsmittelgradienten in der präparativen Flüssigkeitschromatographie, gefolgt von einer Bewertung des Potenzials von Gradientenkombinationen. Eine Trennung dreier Komponenten, die durch ein relativ breites Retentionszeitspektrum charakterisiert sind, wurde als Modellproblem gewählt. In dem betrachten Szenario fällt eine Komponente im Vergleich zu den anderen beiden Komponenten im Chromatogramm zurück, was zu einer großen Zykluszeit und damit verbunden zu einer geringen Produktivität führt. Durch die Anwendung von Gradienten kann die Migrationsgeschwindigkeit jeder Komponente individuell beeinflusst werden, um lange Zykluszeiten zu reduzieren und somit Produktivitäten zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein schnelles und allgemein gültiges Entwurfswerkzeug, das auf dem Gleichgewichtsmodell der Chromatographie basiert, für die Beschreibung von Gradienten verwendet, um grafische Lösungen zu entwickeln. Geeignete Darstellungen in Raum-Zeit-Koordinaten veranschaulichen die Migrationswege von Komponenten unter den isokratischen/isothermen Bedingungen und dem Einfluss von Gradienten. Diese Wege werden durch die Thermodynamik bestimmt, welche mittels Adsorptionsisothermen beschrieben wird. So können Schlüsselinformationen bezüglich der charakteristischen Zeiten bei Gradiententwürfen für einen repetitiven Batch- Chromatographie-Modus identifiziert werden. Insbesondere die spezifischen Schaltzeiten sind entscheidend für die Optimierung der Trennprozesse, vor allem für die Reduktion von Zykluszeiten.