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Etudes theoriques et pratiques sur la realisation et le fonctionnement de colonnes preparatives de diametre moyen. Modification de la structure interne de ces colonnes
Analvrim
Ckimica Ada
Publisl~ing Company. Printed in tllc Wcthcrlands.
Elsa+x
Amsterdam
ETUDES THEORIQUES FONCTIONNEMENT DE MOYEN.
MODIFICATION
ET PRATIQUES SUR LA COLONNES PREPARATIVES DE LA STRUCTURE
REALISATION ET DE DIAMETRE
INTERNE
LE
DE CES
COLONNES
MARIE-BLANCHE DISMIER, BERh’ARD Sod&! E.R.S.I.. ~a~Monl~oargc (Frame) (I
Ic I novcmbrc
lCO%
13T
GEOIt(;ES
GUIOCIION’
rgGG)
L’emploi de la chromatographie preparative h la separation de quantites importantes de produits est limit4 par dcux difficult& essenticlles : lc volume de l’bchantillon quc l’on peut introduirc dans la colonnc, la chute d’cfficaciti! intrinscrlue des colonnes lorsque l’on cherche h augmenter leur diametre. Cettc chute cntraine la nCccssitr5 d’employer clcs colonnes preparatives plus longues quc lcs colonnes analytiqucs corrcspondantes, si l’on desire obtenir le meme de@ de resolution. Quoique la capacite des colonnes augmentc avec leur longueur, cet accroissement n’est pas proportionnel, et il en rkulte une pcrte de rendcment. I1 cst importatrt en effet de souligncr qu’en chromatographie analytiquc, la resolution est le facteur predominant tanrlis qu’en chromatographic preparative, c’est la production qui justifie l’utilisation de cette technique dc separation. La production sera caracterisee dans cc travail par la quantite d’echantillon injcctec par unitfi; dc temps. Ceci suppose qu’ il n’y a pas de pertes dans la colonne, cc qui est souvent le cas, et que le rendemcnt de pidgcagc est total, ce qui n’est jamais realis& En tenant compte de ces rescrvcs, on admet clue la production reelle est proportionnelle h la quantite d’echautillon injectee. DONNkES
EXPY?RIMENTALES
L’appareil que nous avons construit est de conception classiquc. 11 comprend un four vertical permettant d’utiliser des colonnes de 1.50 m de long dont la temperature pcut &tre maintenuc constante sans que les &arts estr4mes depasscnt 5” dans les points les plus proches des parois, grke h un systeme de circulation d’air rapide en circuit ferme. Le catharometre utilise cst une cellule GowMac h filaments clui peut fonctionner avec un debit de gas vecteur attcignant 2 l/min. 11 est maintonu a temperature constante dans un four sCpar&. Les pieges sont h commande manuellc. Chacun d’eux peut &re maintenu h la temperature la plus convenable @kc a une circulation de fluide. Le rendement de piegeage varie en effet sensiblement avec la temperature de piegeage. l
Laboratoirc
du
Profcsucur 1,. JACQU&. Ecole Polytcchniquc,
Paris,
France.
Anal.
CRinr. A&a,
38 (rgG7) 73-88
M. R. DIXMIER, B. ROZ, G. GUIOCHON
74
La chamb’re de vaporisation a un volume qui ddpend du diam&tre des colonnes utilis&cs: un volume trop important de l’injectcur est une source de perte d’efficacitd supplhmentairc pour les colonnes de petit diamhtre clans lesqucllcs on ne peut pas injecter de gros kkmtillons. Pour les colonnes de fort diamhre, il faut un injecteur adapt6 au volume des Bcllantillons utilisk Les injecteurs utilisks ont dcs volumes utilcs respcctifs de IO, 20 et 40 ml. Pour les produits fragiles, incapables dc supporter les temp&aturcs &levi?cs de l’injecteur nkcssaires pour une vaporisation rapide de l’fchantillon, il est lhfirable d’utiliser une chanibre dc vaporisation plac6e en paralItYe avcc le circuit normal du gaz vectcur et pouvant &tre introduite dans ce circuit @ice in dcus vanncs pncumaticlucs pouvant fonctionner A 3oo”. On peut ainsi obtcnir une volatilisation compktc de l’fchantillon 5.une tcmlhature voisine de celle de la colonne sans le surchauffer, mais lc volume clu’il occupe r‘Ll’injection est &al h celui de la cllarnbre clui nc doit done pas iitrc trap grande. Un clapet anti-retour plac6 cn amont de l’injectcur en@che tout &xulcmcnt vcrs l’amont dcs vapeurs d’&Alantillon au moment de l’injection. Lcs colonnes utilishes sont des &l&men& droits de xoo cm de long, fertnh r‘L cllaquc extr6mitc’: par un disque en mGta1 fritt6 de grande permCabilit6, serti dans lc tube. Les colonncs sont rhnies entre elles et avec l’appareil par dcs tubes de diam&tre intkieur plus faible (4 mm pour les colonnes de 20 mm, 8 mm pour cellcs de 40 mm) reliks aus colonnes par des hlhents coniqucs alin d’hiter lcs ruptures brutales de section lwovoquant des tourbillons, sources de perte d’efficacitk Les colonnes &tud%es sont remplics de poudre de Chromosorb 1’ 250-315 ,u ou 315-400 /A itnprdgnk h zoo/, de caoutchouc silicone SE 30. La m6thode de remplissage utilisce est celle d&rite par 13~Ya~ 1. Elk donne d’escellents rkultats bien reproductibles. On a 6tudi6 csscntiellement les conditions dc sdparation du mL:langc de cis- ct Ivuns-d~calinc entre Ifjo et 2xo”. Cc probkmc constitue un bon exemple des sBparations nkessaires clans la pratiquc. EIWCACITf5 ET I’RODUCTION L’effkacit6 intrins&lue d’une colonnc cst par definition lc nombre de plateaux thhriqucs mesur6 sur le pit du cumpos6 inthcssant, lorsque l’on injectc une trbs
---1---
2
3
4 dc
Fig.
I.
VariiLtiOll
tic
(cm)
l’cf!icacitd intrins&quc avcc Ic tliamc\trc.(I) Bqn. I ; (2) c’qn. zbis.
Anal. Ciritw Acta, 38 (x967) 73-88
.MODIFICATIOX
DE
COLONNES
75
PREPARATIVES
faible quantitC de produit, le d6bit du gaz vectcur &tant B sa valeur optimale. Cette efficacitC dCcroit quand le diamhtre de la colonne augmente. ainsi qu’on peut le voir sur la Fig. I. Les diffkentes colonnes sont faites al’ec hi meme pkse statiormaire et des tubes de diam&re croissant, remplis de la mGme faqon. La relation lineaire entre H (HEPT) pour une charge nulle et d, (diamhtre de la colonne) est approsimativement dans le domaine de diam&tres 6rudi6: H = Ii, (I + ,9d,) =
0.05 (I + 0.90 d,)
(I)
relation ne saurait etre estrapolfe vers les forts diam&trcs. Certains rkultats expGrimentaus2 tcndcnt en effet ZLmontrer qu’nu-delh d’un diam&re d’environ 5 cm, l’efficacith ne varie plus que trtss fkiblement nvec d,. Cctte
1
.
100
!50
Fig.
2.
Variation
tliambtres:
300 400 500 Vol. injecti $41)
MO
(I), 0
~1~2 &f
,I
avcc
mm:
(2),
la 0
cluantitti tl’LCchnntillon injcctci ponr trois colonncs a0 mm; (3), m 40 mm.’
tic cliffdrcnts
Mais l’cfficacitd nominale n’est qu’une dcs caractkistiques d’une colonne pr4 parativc. Son aptitude h se laker surcliargcr cst sa qualit& la plus importante. La Fig. 2 montre la variation d’cfficacit~ avcc le volume de 1’Pchnntillon inject& L’efficacitC est caract6ris6e par le facteur: 8
= lY~2/16L
dans lequcl WL reprdsente la lnrgeur de la bande cl’hlution du solut6 dans la vcine gazeuse sortant de la colonne de longueur L. WJ, est r&C? h la largeur du pit Wt mesurde en unit& de temps sur le chromntogramme par la relation: WL/L =
wt/t
ou
WL =
IV&
(zZ: vitesse 1inCaire moyenne du gax vccteur, tn: tcmps de rbtention). Le facteurgc est &gal & la hauteur dcluivalente & un plateau thkrique H lorsque le pit est symhtrique. Aux fortes charges, toutefois, le pit cesse d’&re symbtrique en raison de la trainde apparaissant & l’injection et surtout de la courbure dc l’isotherme l Pour la colonnc dc 4 cm de diambtrc, la cliflikcncc cntrc If (Fig. I) et && (Fig.2) vicnt dc cc quc les courbcs d’cfficacitb et de charge ont dtd cffcctudcs sur 2 chromatographes difftkents (contribution d’appareillage).
..
Anal.
Chitn.
Ada,
38 (xgG7) 73-88
M. B.
76
DIXMIER,
l3. ROZ,
G.
GUIOCHON
dissolution. Darts cc cas, le pit n’&ant plus gaussien. il n’est plus possible de parler ni d’fcart-type ni dc HE’I’P, d’oit la definition donn&e ci-dessus. tie permet de suivre la pertc de performances des colonnes lorsqu’elles sont surchargCes (Fig. 2). I1 ne permet toutcfois pas, comme lc fait H pour les pits symktriques, de rksoudre les probl&mes de r&solution et de calculer les instants ob doivent se faire les commutations de pibgeage. Des expressions plus complexes, telle l’impuret6 de bande3 le permettent mais elles sont si compleses clu’elles ne se pretent qu’h des calculs numdriqucs sur des cas expkimentaux p&is ct. non ri des calculs th&oriqucs. de
gh
(cm) %I_ 5
0.4r
(lO”cm)
I.5
0:
1
2
3
4
az
Fig. 3, Variation tic la chnrgc maximalc iulmirisiblc 1’31 par unit6 tic section avcc Ic tliamhtrc clc In colonnc. l’cfficacitd corrcspontlantc,
tic la colonnc, ct dc
On pcut dcfinir nvec 13Awsn I#4la charge maximale admissible 1/&lcomme celle pour laquellc l’efficacit6 it diminui! dc 20~/~. Quoique cettc definition wit arbitraire, elle pcut il?tre utile pour comparer entrc clles dcs colonnes faitcs avec dcs phases diffkentes. LiL comparaison de 3 colonncs dc meme phase et de diam&trcs croissants montre (Fig. 3) clue la cha&z adinissiblk %st proportionnelle h la section de la colonnc, c’ekt-h-dire que l:k charge admissible par unit& cle section est constantc, d’autre part clue la vnlcur corcrspondantc de 8(2X M ) croit lin6airement avcc lc diam&tre de la colonne, commc H (Fig. I). Parall&xnent, la vitessc optimale du gaz vccteur d6croit lorsqu’on augmcnte lc diam&trc dcs colonnes, cc qui trnduit l’csistence d’unc contribution aus tcrmes de r6sistancc au transfert dc masse cn phase gazeuse par diffusion radiale qui est proportionnelle au car& du diam&trc dc la colonnc. En &gligeant les termes correctifs de dkomprcssion du gaz vectcur ct le tcrme de couplage &vcntueW, 1’Cquation donnant la valcur de H peut s’fcrire: H =
Bl$l
+
(C, -I- Cz + A&“)%
(2)
La valcur minitnum de H est alors donndc par: -H mln
=
24B(Cg
+
Cl
+
&‘)
D’aprbs cette bquntion, Hm~,, n’augmentc pas 1inCairement a.vec d, sauf aus tr&s grnndes valeurs. Si toutefois on prend pour C, et Ci la valeur t&s plausible de I msec., /IN&. Clhr.
AC&, 38 (~57)
73-88
MODlFICATIOS
DE
COLONrjES
PREPAI?ATiVES
77
pour DE[ la valeur de 0.4 cma/scc et pour y (I3 = l?yU,) la valeur de 0.7’~ Its results de la Fig. I conduisent B la valeur A = 1.32 * x0-3. L’equation: H mtn =
245.6
(z f
(z bis)
1.32 do21*u+
cst celle de la courbe trac@e en pointilli! sur la Fig. I. Compte tenu de leur precision @‘&cart-type de la mesure de N est 3-4%), Ies rtsultats espdrimentaus sont done en accord aussi bien avec l’eqn. (r) qu’avec les Cqns, (2) et (z his), Nous utiliserons par la suite I’Bqn. (I). &ant du & la resistance aux transferts de Le terrne SupplGmcntaire A@ masse par diffusion radiafc au travcrs de la colonne. A cst invcrscment proportionnel B DR. 11en rdsulte et il faut le souligner clue la covitrilrtrtiovi Cl &tant m!gZigenl’lle dam les colov~vm~ @x$5aratives, Hmln est indt+ndnnt du coefficient de diflhiovt, done de la vtntwe dzc gaz vectew. Par contre, In vitesse optintale Qzc gaz vectew est #woportiomelle d Dg. (Les rdsultats exp&imentaux sont en accord avee l’cspbrience). L’emploi de l’hydrog&e ou de 1’hClium A la place de l’azote permet done, tous autres parametres restant constants par ailleurs, de tripler environ la productivitit d’une unite. Ce rCsultat justifit, c’est&dirc permet d’amortir, une unit& de recyclage des gaz ou les dispositifs de &uritti n&cessaires B l’emploi de l’hydrogene. La vitesse optimale cst don&e par :
et pratiquement
pour des diambtres
superieurs zi z cm, on aura:
C, &ant une constante, Cc qui est dgalcmcnt en bon accord avcc las r&ultnts esplirimentaux. La baisse de productivite relative des colonnes preparatives conduit A utiliser dcs colonnes plus &roites et plus longues que ne le voudrait l’extrapolation Q partir de colonnes analytiques compte tenu des quantites rS.&parer. On doit done accepter des dur&es accrues d’analyse. Ceci ne doit cependant pas Otre pousse B l’extreme: des durees d’analyse longues pouvant conduire h des taus de d&composition importants dcs produits thermolabiles. De plus, la charge n’augmcnte pas proportionclIement a la longueur de la colonnc; la duree d’analyse augmente plus vitc clue la longueur de la colonne d&s c1u.efa perte de charge devient appr6ciable (tn augmente proportionnellement h L3i2 si la perte de charge depasse 2.5 kg/cm2 envirion). Enfin, si pour diminuer ia perte de charge on utilise des particules trop grosses, on observe une diminution sensible correspondantc de la vitesse optimalc meme si la contribution ZLI’accroissement de H est negligeable pour des colonnes surchargees. On conqoit done intuitivement l’existence d’un compromis clue dcs considerations th@oriques simples peuvent aider B chercher. On peut se poser trois problhmes interessants: comment la productivitd d’une installation varie-t-elie lorsque le diametre de la colonne augmcnte? etant don& une masse de phase stationnairc, comment construire la colonne ayant la plus grande production? et enfin comments&parer le plus vite possible une masse donnee de mhlange? Ces trois probl&mes sont Us, mais le probleme fondamental du colit d’une separation par chromatographie preparative e-
-
\
* Valcuru tfgalcmcnt trtls prochcs de fit rdalitrl. ,d?saf.
Ckirn, ncfu,
38 ( 1967)
73-88
M. B.
73
DIXMIER,
B.
RO%, C. CUIOCHON
peut difficilement etre trait@ d’une facon &kale. 11 dependra a la fois du diametre de la colonnc ct de sa longueur (invcstissemcnts), des parametres determinant les frais de fonctionnement et de la production. L’Ctude des trois problemes poses permet neanmoins d’apportcr des klcments importants et de caractbre g&&al B la solution du probl*me Cconomique. Nous supposerons qu’il s’agit dc separcr un mClange donni? sur une pha.e et zi une temperature qui resteront les m&mes pour toutes Its colonnes. D’apres la formule donnant la r&solution :
a: retention rclativc = t’nr/t’a,; k’: facteur de capacitc de la colonnc = (tn-ln,,)/ln,,. I1 faudra done obtenir sur chaque colonne une mGme efficacite pour obtenir la m&me resolution. Nous supposcrons clue la production maximalc cst obtcnue sur chaquc colonne pour une memc valcur de la r&olution (ncttetnent inf&icure h 1.0) qui peut &re, ,calculde lorsque lcs deux pits sont gaussicns. Le pourcentage de la fraction h recycler depend des concentrations relatives des produits dans le m6lange ct du de& de purcti! recherche. Cette resolution dtant clioisie, N resulte dc l’eqn. (4) et la longueur de la colonnc est donnee par: L -NH
(5)
La duree d’unc analyse llL =
(I + 16’)L = 11
est alors :
(I + 12’) NH 12
(6)
Nous supposerons, ce qui est v&rifie en chromatographie preparative air l’on emploie dcs colonnes rclativemcnt courtes (z-5 m) et des particules de granulometric asset grande (250-315 /Lpar exemple) , que la pertc de charge est asscz faible pour que l’on puke dcrire : (7)
ai N, 1cg
H &ant donn6 par l’eqn. (r), on aura: in = (I + k’) N (W,/CJ
(8)
(I + /W2
D’autre part. la yuantiti: de melange A &parer que l’on pcut injecter dans la colonnc cst proportionnelle rl.la section de la colonnc et A une’certaine puissance de la longueur, comprise entre 112 et I et gen6ralement voisinc de la premiere valeur: V/at= c, *no= * [NH]”
(9)
(9 W La productivite P
= _VM =
p = Chiru.
GW [NH, (I (I + k’) NH,
tn
ca,(NH,)--1 I
Asal.
est done donnee par l’espression:
Ada,
+
ic’
38 (1967)
l
-t-e PA)
iw
(I + /V&)”
d,2 (I + &&)~--~ = P,
73-88
’
P,
(4
MODIFICATION
DE
COLONNES
PREPARATIVES
79
La productivitd est Ic produit de deus termes dont l’un est inddpendant de dc et dont les variations de l’autre (Ps) avec d, sont don&es Fig. 4 pour differentes valeurs de o et en prenant pour /3la valeur numerique obtenue ci-dessus, soit 0.90. On voit que la productivite augmente inddfiniment comme dcW lorsque le diametre de la colonne augmente. Dans le cas le plus favorable oh o = I, on est encore loin de 1’aCCrOiSSement prOrJOrtiOnnd h d c*, que l’on aurait pu escompter de colonnes prbparatives dont l’effkacite serait inddpendante du diambtre (@ = 0). Cc rcsultat nous permet de resoudre le troisibme probleme pose plus haut: la separation In plus rapide d’une masse donnee d’dchantillon sera effect&e en un cycle avec la colonne ayant un diambtre tel quc la masse a &parer represente le volume maximal admissible. D’un point de vuc, economique, cettc installation serait trop importante, les investissements n’etant pas justifics par une tcllc production. D’oh l’intCr& du second probl&me pose: ctant donne une certaine quantite de phase stationnaire, quel diametre et quellc longueur choisir pour la colonne preparative permettant la meilleure productivite? Soit W lc volume dc phase dont on dispose: w =
(rrQ/4)
L
En raison de la nkessitc
Fig.
4. Variation
(11) d’obtcnir
une rklution
tic In. protluctivitti avcc lc tliam+trc
minimale,
clc In colonnc
Fig. 5. Vtrriation clc l’cfkacitd avcc la chrrrgc dc In. colonnc dc long, cis-dbcnlinc h 150”, 1380 ml/min If,).
la colonne doit
pour diffckcntes valcurs clc Lo.
(colonnc dc 4 cm clc diambtrc,
2 m
avoir un nombre dc plateaus au moins i?gal A une certaine valeur N’ pour une charge nulle. Sa longueur doit done d&passer un seuil critique: L >, k?.’
L’ = N’H’
= N’H,, (I -j- /Id,‘)
(12)
TA colonne ayant cette longueur permet d’obteuir juste la resolution necessaire, avec une charge trhs faible. I1 faudra done toujours utiliser une colonne plus efficace, done plus longue et plus etroite, pour pouvoir la surcharger. 1-e diametre critique maximal est obtenu en combinant les. Cqns. (IX) et (12): Anal.
C/rim. Ada.
38 (x967) 73-88
LI. B. DIXMIER,
80
B. R0Z.G.
W = ;tn/4 dc12 N’HO (I + /Id,‘)
CUIOCHON
(13)
Etant donnd la valeur de p, pour cles valeurs de d, supdricurcs & I cm, le diam&tre critique n’augmente @re quc proportionnellement & Wlls. Lorsque l’on pr+n-e dcs colonnes de diam&tre plus Ctroit, on pent injecter clcs quantitks d’dchantillon plus importantes, de faqon h ramencr l’cfficacitc de la colontie h. une valeur voisine de N’. Ainsi clue le montre la Fig. 5, l’efficacith d’une colonne diminue lorsque le volume inject& nugmente, la relation fkint : H = N,
+ a(V)o
(14)
HI &ant l’cfficacit& obtenue pour unc charge nullc. Pour dcs colonnes dc 4 cm dc diamhtre, il a 6th v&if% expdrimcntalcment clue: a 2: 0.2; 6 21 1.2. Pour dcs colonnes de 2 cm de diam&tre, on trouvc Ggalcment 8% x.2 (cf. Fig. 7). En tenant comptc, commc nous l’nvons vu, clue la char,q! cst admissible propwtionnclle au carrG du tlinm&trc dc lacolonnc (tkln. g), l’cxprcssion g&hale scra done: H = I-I, + a( V/d;y= Par idcutificalion 1‘ezcprcssion suivantc :
avec l’cxprcssion
(x4), H,
dtant donn& par (I),
H = H, (I + ,9d,) -t- 5.6 (V/dcz)l.2 La charge I/ cloit he telle que l’efficacitk de la colonnc eqn. (IZ), I-1&In. (IS) i?tant la nouvclle valcur de H’. Ix diam&tre d, est clone don& par l’dquation:. pd,)
on obtient (IS)
soit juste egale ii N’
_1- 5.G(V/d,l)]‘e2
4 W/n&2 = N’
[I$"(1 +
4 W/nN’
dc2(x + /Id,) + 5.6 V1e2/dCo.4
ou: = Ii,
(16)
On a traci: sur la Fig. 6 le faisceau de courbes: Y = Ho &A (I + /?&) +
5-6 V’.2/&0.4
(16 bis)
soit ici: Y = 0.05 d,2 (I + o.god,)
-t_ 5.6 Vl.2/dc0J
d, Ctant la variable at V un paramhtre. Si la droite horisr,ontnlc y = 4 W/nN’, d&ermi+e par le volume dc pl+sc dislmnil~le et lc nombrc do plateaus thCoriclues ndcessaires coupe une de ces courbes CTI dcus points A ct l3, cela veut dire clu’avcc la charge V correspondante, toutc colonnc de clinm&trc colnpris cntrc & (A) et d,(R) donnc une cfficacit& sulhicure B N’. Les colonncs dc diamhtre infericur A d,(A) ou sup&+cur h &(I3) ne sont pas utilisables, lcs premihes parcc clue trap surchar&s, les sccondcs parce clue de trop grand clia,ni&rc pour Ctrc asscz efficaces. Les meilleures conditions corrcspondront au point dc contact dc l’horizontale avec cclle des courbcs du faisceau clui lui est tangente. La colonne de diamhtrc correspondant admettra la charge masimale. Par escmple, si l’on dispose de 20 1 de phase et que l’on veut effectuer une skparation nkssitant 2500 plateaux. on a y = 4 W/nN’ = 10.2. Anal.
Cl&n.
Ada,
38 (1gG7)
73438
MODIFICATION
DE COLONNES
PREPARATIVES
dc
81
km)
Fig. 0. Ddtcrmination tlu diambtrc optimal lorsquc le volume de phase disponiblc cut fixL(: W et V sent cxprimds cn cd. (0) 1c I’ICU gtiorndtriquc tics minimu dcs courbcs tlu faisccau ; (- - -) corrcspondcnt h clcs colonnca hypothdtiqucs pour lcsqucllcs HI (Jqn. 14) nc ddpentlrait pas clu tliam&e mais rcstcrait dgal h 0.1 cm.
Le diambtre optimal sera 2.8 cm et la charge correspondante de 2.2 ems. La longueur de la colonne sera de 32.5 m et la valeur de &+I!de 1.3 cm. Avec un volume de phase de 5 1 et pour une Gparation ne demandant que xooo plateaux, on obtient un diam&tre de 2.3 cm et une charge d’environ 1.3 cm 3. Ces valeurs correspondent h des colonnes rclativement longues et Ctroites et rkultent de la chute rapide de l’efficacitk quand augmentent le diamfitre de la colonne et surtout la charge introduite. A titre indicatif, on a rep&sent& Fig. 6 les courbes: Y=
HO d,= + 5.6 V1.=Jdco.a
que I’on obtiendrait avec des colonnes prCparatives ayant une efficacitb inddpendante du diamhtre et en prenant pour H,, la valeur rhaliste de 0.1 cm. Darts le cas trait6 ci-dessus (20 1 de phase, N’ = zsoo), on trouve un diam&tre de 45 cm et un Cchantillon de 2.3 cm3. Le rksultat obtenu est qualitativement le mSme et n’est quantitativement @rc modifik si l’on fait intervenir la productivitk et non plus la seule charge introduite, mais les calculs sont compliquCs par la nCcessitC de tenir compte de la comprcssibilitk du gaz vecteur. En conclusiovt, on vemarqueva que ce qui l&rite In $vodztctivitt! des colonnes #w&aratives, plus encore qzrcl’awgmentation de H avec Zeacrdian;zetre, c’est la Perte tres rapide
de I’eficacitd _.
des colowtes Zorsqzce le volrcmp d’&$zantillo~t introduit Anal.
augmente.
Chinz. Actn,
38 (1gG7)73-m
M.
82
11 convient h l’eliminer. FACTEURS
.
done d’etudier
INFLUENCANT
LA PERTE
B. DIXMIER,
R. ROZ, G. GUIOCHON
cette cause de perte de productivite
D’EFFICACITk
DES COLONSES
et de chercher
PRI?PARATIVES
a) Pcrtes dues ci I’augmeutation du diame’tve La perk d’efficacitd observee pour lcs colonnes de diametre moyen (r-4 cm) est commun&mcnt attribke aus h6t@rogtneites du remplissage conduisant h des variations systematiques de la vitesse locale du gaz vecteur dans l’ensemble de-la section droite de la colonne. Des fluctuations h plus faible khelle ou des variations de permtabilite sur la longueur de la colonne auraient un effet trop faible. GIDDINGS’ a Ctudie theoriquement les cffets d’une fluctuation systdmatique de la vitesse du gas vectcur due h une s@egation des particules du remplissage, les plus lourdes, c’est-hdire pratiquement les plus grosses ayant tendance A s’accumuler prbs des parois, ct provoquant ainsi un gradient radial de permdabiliti?. Aucun autre phenomene physique n’ayant pu Btre sugg6re pour expliquer l’augmentation de H avec dc, cettc explication cst communemcnt admisc ct les bons resultats obtcnus avcc la n-kthode de sont attribubs au fait que les vibrations axiales remplissage dkritc par &‘iYER’ appliquees h la colonne tendraient r\.provoquer une segregation tellc quc les grains lourds se ddplacent vers lcs extr&mites de la colonne, la variation longitudinalc de permeabilite qui en resulte etant beaucoup moins nocive. I1 faut reconnaitre que peu d’8vidences experimentales sont venues confirmer cette hypoth6se pourtant getkalement admise. GIDDINGS’ suggerait que les effets de la segregation sur le profil de vitesse pourraient etre compenses par l’emploi d’une phase mixte, composke cle pctites et clc grosses particules. les secondes &tant plus imprdgnees de phase que les autres ct l’ecart entre les granulomdtries moyenncs &ant hien stir reduit. Ccttc expdricnce, quoique simple et inttressantc, ne semble pas avoir &C faites. I1 est vrai que lcs difficult&s experimentales sont considerables, l’experience ayant prouvB que, m&me pour des phases peu volatiles, les transferts de phase liquide clans une colonne sont asses grands pour provoquer une homogenciisation rapide. Les arguments tin% de l’augmentation de k’cfficacitC des colonncs obtcnues, lorsqu’on resserre la granulometrie des supports utilisds, ne sont pas corwnincants. La variation cle H avcc le diametre (kqn. I) est un argument plus fort mais non decisif. Le seul travail esperimental comportant de mesures de vitesse du gaz vecteur cst cclui de HUYTEN, VAN BEERSUM ET RIJNDERS~ qui ont mcsure la vitesse moycnne du gas clans Its 4 secteurs conccntriques (un circulaire, 3 annulaires) de m&me aire decoup& dans la section de sortie d’une colonne de 7.5 cm. I1 rdsulte curieusement que les colonnes donnant le plus grand nombre de plateaux thboriques sont celles pour lesquelles 1’Ccart de vitesse est le plus grand (il atteint 50% entre les vitesses moyennes des sections centrales et periphkiques) et Ies transferts de m.asse par diffusion radiale les plus lents, sans qu’il y ait une correlation nette entre efficacite et vitesse de transfert radial. Ces rcsultats seraient en asses bon accord avec des rdsultats r¢s2 montrant qu’aus diambtres supkrieurs de 5 ou 6 cm, H n’augmente plus guCre avec dc: l’equilibre par &change radial entre les differentes fractions d’une section droite ne se faisant pratiquement plus, la colonnc fonctionnerait en fait comme un faisceau parall&le de colonnes plus Btroites. Anal.
Cl~rm.
Acta,
38 (1967) 73-88
?cfODIFICATIO?-i
DE
COLOI;NES
PREPAHATlVES
83
On voit la complexit du ph&nom&ne et que l’existcnce d’un profil de vitesse dans !a colonne pourrait n’Ctre plus tr&s dommageable si la diffusion n’en vient plus corriger les effets. L’extrapolation vers les grands diam&tres est certainement beaucoup plus intkessante que ne le laisserait prkvoir la discussion ci-dessus, valable seulement pour les colonnes de diam&tre infkieur h 5 cm environ; dans l’dtat actuel de la technique, il cst plausible que les colonnes de diam&tre moyen constitueraient un domaine intermddiaire oti les performances seraient nettcmcnt moins bonnes que dans les domaines des faibles ou des tr&s forts diamhtres, en raison de la forme de l’dquation rCgissant la diffusion (Ldlr = d,z/SD#). b) Pertes dues a I’augmentation de la charge Ces pcrtes sont dues B la superposition de quake phckom&nes principaus et l’intcrprittation clc l’cffet rCsultant est tr&s complexe: I) si le volume 0ccupC: par la masse d’khantillon vaporis& n’est plus negligcable devant le volume gazeus intrins&que de la colonne, le pit s’elargit. Cc ph&om&ne est assez bien connu Q pr&entlO. 2) L’augmcntation de la pression partlellc clc l’dchantillon dans lc gaz vecteur. Cette pression particllc est 1imitcZe par la pression de vapcur saturante, mais bien avant clue cette valeur ne soit atteinte, l’isotherme de solubilitd cesse d’ctre 1inGairc ct par consdquent les pits se &forment d’une faGon de plus en plus prononck. IL est done d’impovtartce pvimordiale de clroisir, dans la mcsure du possible, des plrases stationntrives g5our iesquelles Le domailre de concerltration darts lcquel l’isotlacrmc dc solubilitk es1 limfaire soit le Plus grand possible. Les diff&cnces de charges masimales admissibles ou de productivit6 trouvks dans la littdrature pour divers couples solut&phase stationnairc pcuvent le plus souvent &tre attribut:es B la diffkence de formc des isothermes: l’isothcrme de solubiliti! du n-pcntane ou du benz&ne dans le phtalate de didkyle rcste lin6airc pour des valeurs du rapport de la pression partielle h la pression de vapeur saturante (P/PO) bien plus grande quc l’isotherme de solubilit6 de la cis-d&dine dans le SE 30. L’&udc d&aillCe de ce problhme fera l’objet d’une publication ultkieure. 3) La volatilisation d’cichantillons liquicles importants est loin d’etre instantar&e en raison de la lenteur des transferts thermiques. Meme avcc une chambre de vaporisation chauffee B une tempkaturc supkicure de plusieurs dizaines de de&s audessus de la tempkature de la colonne, ce qui est prbjudiciable il la stabilitb thermique de l’ckhantillon, on obtient des profils de concentration A l’injection qui trainent fortement, cc qui provoque dcs train&s plus ou mains importantes des pits. L’injcction sous forme d’un signal car&, pendant laquelle la pression partielle du soluG est constante et forc&ment infdrieurc il sa pression de vapeur saturant2, donne des r&ultats satisfaisantsll. 4) Un signal de pression et un signal thermique accompagnent l’klution c’.‘un pit. Ces signaux sent d’autant plus intenses que la concentration est plus grznde. Le signal thermique proportionnel h la d&iv8 du signal de concentration tend & Provoquer 1’6largissemcnt des pits. Ce signal devient important dans les colonnes prdparatives qui tendent A fonctionner en adiabatique, l’kquilibre thermique radial dtant trbs lent puisque le remplissage usuel est un excellent rdfractaire. Pour preparer des colonnes preparatives efficaces en charge, il faut d’abord pr6parer des colonnes ayant une efficacit6 aussi grande que possible B charge nulle. axial. Ckim. ~cfa, 38 (1967) 73-88
M. B. DIXMIER,
84
B. ROZ, G. GUIOCHOrS
La Fig. 7 montre clue, contrairement h ce qu’on pourrait croire, les colonnes les plus cflicaces aux fortes charges sont aussi les plus efficaces a charge nulle, l’ecart ayant meme tendance ZLs’accroitre lorsque la charge augmente. Apres leur remplissage, les cinq colonnes decrites ont subi les trois premieres un conditionnement de 36 h B 225”, Les deux dcrni&res un conditionnement de 60 h a 300~. Elles different en outre par leur remplissage. On voit que toute amelioration des methodes de remplissage SC traduit par un accroisscment sensible de productivite. L’effet de la courbure de l’isotherme aux fortes pressions partielles pcut etre limit& en utilisant de tres fortes teneurs en phase stationnaire au debut de la colonne: une grande partic dc l’&hantillon peut SC dissoudre et la fraction restant en phase gazeuse est d’nutant plus faible. Ccci conduit cependant B augmenter le tcmps de HETP
km)
11
0
20
s
60
*
a
roo-
‘1’
18
140 cis -dicaline
180 (pl)
tivcc Ic volume tic cis-cl&xlinc injcctd (111). Colonncs 2 cm dc tlinSE30 sttr Cltrom. 1’. ‘I’ -- t 50”. Valcttr dc H, ct 1s valcur dc d duns I’dquntion H = H, _I- aV: (I), HI = 0.2~) cm: B = 1.7; (2), HI = 0.21 cm; A = 2.2: (3). HI= 0.18 cm: 8 = 2.2: (4). H, = o.tgctn: fS = x.2; (5), Mt = 0.1.) cm; B = x.5. Fig. 7. Variation clc H mhtrc, t tn clc long* 20%
(cm)
retention. Pour limiter cet accroissement, on peut reduire ensuite la teneur en phase stationnaire puisque l’elution d’un pit s’accompagne d’une dilution progressive dans le gaz vecteur. 11 est I.rlalaise de conserver des trains de colonncs oil un gradient important de concentration existc, car il se produit une homogeneisation progressive de la phase resultant des transferts par le gaz vecteur et des migrations provoquees par les gros echantillons 12.Toutcfois, un train constituc d’une colonne de I m remplie de phase imprCgnBc h 35%, d’une colonne de I m remplie de phase imprCgnCe B zoo/, et d’une ou plusieurs colonnes de I m remplie de phase imprdgnCe h 10% doit donner des resultats satisfaisants. .41rd. Chh.
Ada.
38 (1~67)
73-88
MODIFICATION
DE
COI-ONXES
.MODIFICATION
DE
LA
PREPARATIVES
STRUCTURE
INTERNE
85 DES
COLONNES
Pour limiter les sources de pertes d’efficacite attribudes aux h&&o&n&t& du remp!issage, on a cherche h utiliser des colonnes de section non circulaire (colonnes a sccteur, en trefle, colonnes annulaires). Ces dispositifs donnent de bons resultats mais ne sont pas estrapolables pour Ctre utilises avec des colonnes de grands diametres. Le dispositif que nous avons utilise peut &re adapt6 h des colonnes de n’imPorte quel diametrers. Nous avons introduit dans les colonnes un faisceau coasial de tigcs regulierement espacees (cf. Fig. 8). Pour une colonne de 4 cm de diametre, nous avons utilise 13 tiges de 0.3 cm de diametre. La necessit& de maintenir lcs tiges bien paralleles ii l’axe empkhe d’utiliscr dcs tiges plus fines. 4 tiges suffiraicnt pour une colonne de z cm’de diametrc; il en faudrait h peu pres 80 pour une colonne de IO cm. Les colonnes sont remplies de la meme facon quc les colonnes chassiques. La surface de contact du remplissage est doublee dans le dispositif adopt6 tandis quc la section utile est diminuec de 8(yO/,. I,.xrt masimum d’un point du remplissage RVCC unc paroi cst de 0.4 cm environ. Si l’on admct l’hypothdse espliquant la perk d’cficacite clcs colonnes preparatives par l’apparition d’un gradient radial de perm&tbilite d0 ii. la s6gr8gation dcs particulcs lors du remplissagc, on clevrait de la sorte am6liorer scnsiblcment l’cfticacite dcs colonnes; sans We consicl&xblc, lc gilin cst
.; I /c’
..
..
:
I
253
1000
2000 Vol.
Injact6
3000 fpll
Fig. 8. Coupe 2 i’cxtrdmitr! tl’una colonnc modifidc.
_...
Fig. g. Varintibn dc &f avcc la clunntitd injcctde pour tlcux colonncs dc 2 m dc long, l’unc modifiBc (I), I’autrc classiquc (z), identiqucs par ailleurs, Chrom. P. B ~0% SE 30, cis-cldcaline, ‘f - I@. A ml.
Clrirrr. Ada,
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MM. R.
DIXMIDR,
R.
ROZ,
C.
GUIOCHON
sensible puisquc l’on ohticnt d’une faqon tr&s reproductible une valeur de H &gale ?I 0.19 cm pour un bchantillon de 40 ~1 de cis-dkalinc ri 150” (moycnne dc 3 colonnes). Ce rdsultat cxpkimental scmhle apporter une rdponsc partielle A la contribution des effets de paroi clans l’&largissement dcs pits Q l’echelle pr¶tive: l’augmcntation de IOO~/~de la surface des parois n’am6liorc que de 20% au maximum l’efficacite intrinseque des colonnes de 4 cm de diam&tre. Or, 1’6cart maximal entre un point du remplissage et une paroi est dans les colonnes clue nous avons utilkkcs de l’ordrc dc grandeur de celui clue l’on obtient dans Ies colonncs analytiques (environ 0.8 cm). Si la non-uniformit du regime gazcux dans les colonnes preparatives dtait, commc il est couramment admis, la cause essentielle de pcrte d’efficacitb, on aurait dir observer, pour la colonne modifiee, une efficacite environ double, cc qui n’est pas lc cas. Ccci tendrait done a confirmer lcs hypotheses ci-dessus: dans les colonnes de grands cliam&tres, lcs consdquences de l’effet de paroi et du gradient de vitcsse resultant sont d’autant moins importantcs clue le diametre est plus grand; dans les colonnes de moyen diam&tre, l’blargissemcnt du pit est notahlement acccntud par la trarrsition cntrc un equilibre par diffusion radiale quasi instantanke (colonnes analytiqucs) et un ddskluilibre complet cntre les dl6mcnt.s les plus eloignls d’une section droitc clans les colonnes de tres grands diametrcs (IO cm et plus). La Fig. 9 montre la variation de H avec la quantite de cis-ddcaline injcctde pour dcux colonncs de 2 m de long, A 192O, l’unc modifice, l’autrc classiquc. Les courbcs en pointilli: corrcspondcnt h des pits plus ou mains _d6formts. ‘I‘ant que la courbe reste en trait plein, lcs pits sont asscz sym6triqAs pour que l’on puke parler de HETP. Pour obtcnir une bonne sdparation d’un melange h 50-500/O de cis- et Ivaws-ddcalinc, il faut environ 500 plateaux (SE 30 r‘\192”) soit pour 2 m de colonncs H = 0.4 cm. La quantitd injectce cn cis-dhxlinc sera de 0.8 cm8 sur la colonne classiquc, de 1.55 cm3 sur la colonnc moclifi~c pour laquellc le tcmps de retention est Sy/, plus faible: la production cst done plus clue doublCe, cc qui montre 1’intrMt des resultats obtenus. Les courbcs de charge obtcnues (Fig. 9) sont parall~lcs. Ccci montre que dans le cas Ctuclie lcs cffcts dus au volume dc l’echantillon ct h la courbure de l’isotherme de solubilite sont prMominants. Le remplaccment de tiges dc cuivre de conductibilit@ thcrmiquc 6lew.k par rapport B cclle du remplissage, par des tubes de laiton ou de qunrtz, nc modifie pas l’allurc dcs courbes de charge. Ceci montre que le signal thermique accompngnant la bandc d’elution cst peu att6nu6 par la presence de conductcurs thermiqucs parall&lcs 21I’nsc, ou quc son cffct dans Its conditions d&rites est n6gligcnblc. La pri?sence de tiges paralleles h l’ase offre l’avantage de pcrmettre le chauffage interne de la colonnc. On peut ainsi 6vcntuellement programmer la temperature de colonnes dc grand diam&tre sans voir apparaitre de gradients thermiqucs radiaux importants. On pcut Bgalemcnt, ct c’est bcaucoup plus important pour lcs applications inclustriellcs, chauffer rapidcmcnt a la tcmpBrnture de fonctionnement une grandc masse de refractaire clans laquelle lcs 6cbangcs clc tcmpCrature,sont normalement t&s lents. La presence de conductcurs thermiqucs axinus mod&-c &alcmcnt les gradients thcrmiclucs possibles. On peut cnvisager plusieurs moyens d’utiliser les tiges axiales pour chauffer la colonne (chauffage par induction, utilization de ces tiges comme conducteur ou emploi de tiges contenant des rkistances incorpor6es) mais il est beaucoup plus facile et Awl. C/rim. ~ctca, 38 (1967) 73-88
~~ODIFICATIOS
DE
COLONNES
PREPARATIVES
$7
moins dangereux pour le remplissage d’utiliser des tubes connect&s B l’ext@rieur, 2~ chaque raccord entre colonncs, et d’y faire circuler une fluide maintcnu h temperature constante. CONCLUSION
La rbalisation de colonnes pr+arativcs ayant dcs capacit@s dc quelques centim&rcs cubes, si utiles pour les lahoratoires de chimic organique et de biochimie, a fait ces dcmibres ann&cs des progr&s lents et peu spectaculxires cornpar& g ceus obtenus en chromatographic analytiquc, mnis qui en font cependant, d&s h present, ou outil souple et pratique, utilisable sans poser trop de probl&mes tcchnologiques compleses. Une uniti: de chromatographie pr¶tive doit cependant faire l’objet d’une Ctude prdalable cn chromatographie analytique afin de calculer les param&tres pcrmettant ci’obtenir la productivit6 maximalcs. Lcs auteurs remcrcient MM. GUY tion dans la rdalisation de l’appareil.
PREAU
et
LOUIS
C;OUNOT
pour leur collabora-
Les auteurs discutcnt l’infiucnce de diffdrents param&tres sur l’efficaciti: ct la productivit6 des colonncs prdparativcs utilis&s en chromatographie en phase gazcuse. L’cspGrience montrc qurt la hauteur 6quivalente h un plateau th6orique (HEPT) augmentc presquc proporticxmcllement au diam&tre de la colonne de I-S cm. La HEPT augmente aussi avcc unc ccrtaine puissance du volume de 1’~chantillon inject&, puissance qui dbpend de la qualit du remplissage et peut n’etre que de x.2. On soulignc 1’intCrGt d’cmployer un gaz vecteur dormant dc forts cocfficicnts de diffusion (He, H,) car on triple alors la productivitC. La productivit4, quantiti: d’Cchantillon s&par& par unit6 de temps, augmcnte maI@ tout avcc le diam&tre de la colotme. Des consid&ations thCoriques simples pcrmettent, si I’on dispose d’un volume don& de phase stationnaire pour cffcctucr une ccrtainc stSparation, clc calculer le diam&rc de la colonne qui admettra 1’Cchantillon le plus important. Lcs performances d’un syst&mc dc chromatographic preparative sont limit&es davantagc par la capacitc dcs colonnes quc par lcur pertc d’efficacitk quand le diam6tre augmente. On peut am&liorer la capaciti: et la productivitd des colonnes en introduisant dans le remplissagc des tiges paraWes A l’ase de la colonne, rdguli&rement espacCes. Ccci permet de chauffer la colonne par l’intdricur soit pqur travailler en tempkrature programm&, soit pour porter rapidement lcs colonnes A la tcmp&ature d’emploi. SUMMARY
The dependence of the efficiency and productivity of preparative-scale gaschromatographic columns on various parameters is discussed. The minimum HETP is experimentally shown to increase almost proportionally to the column diameter in the range r-5 cm. The HETP also increases with a power of the sample amount which depends on the quality of the column packing and can be as low as x.2. HighAnal.
Claim.
Ada,
38 (1967)
73-88
88
M.‘B.
DIXMIER,
B. ROZ, G. CUIOCHOK
diffusivity carrier gases (H, and He) arc shown to allow a three-fold ‘increase of columns productivity. The productivity (amount of sample separated/unit time) increases with the column ciiamctcr. Given a fixccl volume of stationary phase and a known mixture, the column cliametcr wllicll will accept the hugest sample can he calculntcxl. The pcrformancc of a prcparntivc unit is limited more by the loadability of columns than by loss of efficiency with increasing diameters. The performances of preparative columns can be improvccl by putting rods parnllcl to the column asis regularly spaced in the packing. The column cun be hcatccl internally either for programmed temperature separations or to alloy thermal equilibrium to be reached rapidly.
I’ctrolcum,
A *Ial. Claim.
;cJCB~, p. I Jo. 1;. J. I)ti~c~r~csc~~r ICY A. 13. I
I.otitlrcx,
12 J,. MIKKJXSICN, 13 1\1. u. t)lXhlJJSI<,
.4c!n,
38 (1967)
73-88
J.
MARTIN, 13rcwt
,/, (ius Chrorwlog., 4 (1966) fr;rnc;aiw no. I ,151 .(m.
263.
Ckimica Ada
Publisl~ing Company. Printed in tllc Wcthcrlands.
Elsa+x
Amsterdam
ETUDES THEORIQUES FONCTIONNEMENT DE MOYEN.
MODIFICATION
ET PRATIQUES SUR LA COLONNES PREPARATIVES DE LA STRUCTURE
REALISATION ET DE DIAMETRE
INTERNE
LE
DE CES
COLONNES
MARIE-BLANCHE DISMIER, BERh’ARD Sod&! E.R.S.I.. ~a~Monl~oargc (Frame) (I
Ic I novcmbrc
lCO%
13T
GEOIt(;ES
GUIOCIION’
rgGG)
L’emploi de la chromatographie preparative h la separation de quantites importantes de produits est limit4 par dcux difficult& essenticlles : lc volume de l’bchantillon quc l’on peut introduirc dans la colonnc, la chute d’cfficaciti! intrinscrlue des colonnes lorsque l’on cherche h augmenter leur diametre. Cettc chute cntraine la nCccssitr5 d’employer clcs colonnes preparatives plus longues quc lcs colonnes analytiqucs corrcspondantes, si l’on desire obtenir le meme de@ de resolution. Quoique la capacite des colonnes augmentc avec leur longueur, cet accroissement n’est pas proportionnel, et il en rkulte une pcrte de rendcment. I1 cst importatrt en effet de souligncr qu’en chromatographie analytiquc, la resolution est le facteur predominant tanrlis qu’en chromatographic preparative, c’est la production qui justifie l’utilisation de cette technique dc separation. La production sera caracterisee dans cc travail par la quantite d’echantillon injcctec par unitfi; dc temps. Ceci suppose qu’ il n’y a pas de pertes dans la colonne, cc qui est souvent le cas, et que le rendemcnt de pidgcagc est total, ce qui n’est jamais realis& En tenant compte de ces rescrvcs, on admet clue la production reelle est proportionnelle h la quantite d’echautillon injectee. DONNkES
EXPY?RIMENTALES
L’appareil que nous avons construit est de conception classiquc. 11 comprend un four vertical permettant d’utiliser des colonnes de 1.50 m de long dont la temperature pcut &tre maintenuc constante sans que les &arts estr4mes depasscnt 5” dans les points les plus proches des parois, grke h un systeme de circulation d’air rapide en circuit ferme. Le catharometre utilise cst une cellule GowMac h filaments clui peut fonctionner avec un debit de gas vecteur attcignant 2 l/min. 11 est maintonu a temperature constante dans un four sCpar&. Les pieges sont h commande manuellc. Chacun d’eux peut &re maintenu h la temperature la plus convenable @kc a une circulation de fluide. Le rendement de piegeage varie en effet sensiblement avec la temperature de piegeage. l
Laboratoirc
du
Profcsucur 1,. JACQU&. Ecole Polytcchniquc,
Paris,
France.
Anal.
CRinr. A&a,
38 (rgG7) 73-88
M. R. DIXMIER, B. ROZ, G. GUIOCHON
74
La chamb’re de vaporisation a un volume qui ddpend du diam&tre des colonnes utilis&cs: un volume trop important de l’injectcur est une source de perte d’efficacitd supplhmentairc pour les colonnes de petit diamhtre clans lesqucllcs on ne peut pas injecter de gros kkmtillons. Pour les colonnes de fort diamhre, il faut un injecteur adapt6 au volume des Bcllantillons utilisk Les injecteurs utilisks ont dcs volumes utilcs respcctifs de IO, 20 et 40 ml. Pour les produits fragiles, incapables dc supporter les temp&aturcs &levi?cs de l’injecteur nkcssaires pour une vaporisation rapide de l’fchantillon, il est lhfirable d’utiliser une chanibre dc vaporisation plac6e en paralItYe avcc le circuit normal du gaz vectcur et pouvant &tre introduite dans ce circuit @ice in dcus vanncs pncumaticlucs pouvant fonctionner A 3oo”. On peut ainsi obtcnir une volatilisation compktc de l’fchantillon 5.une tcmlhature voisine de celle de la colonne sans le surchauffer, mais lc volume clu’il occupe r‘Ll’injection est &al h celui de la cllarnbre clui nc doit done pas iitrc trap grande. Un clapet anti-retour plac6 cn amont de l’injectcur en@che tout &xulcmcnt vcrs l’amont dcs vapeurs d’&Alantillon au moment de l’injection. Lcs colonnes utilishes sont des &l&men& droits de xoo cm de long, fertnh r‘L cllaquc extr6mitc’: par un disque en mGta1 fritt6 de grande permCabilit6, serti dans lc tube. Les colonncs sont rhnies entre elles et avec l’appareil par dcs tubes de diam&tre intkieur plus faible (4 mm pour les colonnes de 20 mm, 8 mm pour cellcs de 40 mm) reliks aus colonnes par des hlhents coniqucs alin d’hiter lcs ruptures brutales de section lwovoquant des tourbillons, sources de perte d’efficacitk Les colonnes &tud%es sont remplics de poudre de Chromosorb 1’ 250-315 ,u ou 315-400 /A itnprdgnk h zoo/, de caoutchouc silicone SE 30. La m6thode de remplissage utilisce est celle d&rite par 13~Ya~ 1. Elk donne d’escellents rkultats bien reproductibles. On a 6tudi6 csscntiellement les conditions dc sdparation du mL:langc de cis- ct Ivuns-d~calinc entre Ifjo et 2xo”. Cc probkmc constitue un bon exemple des sBparations nkessaires clans la pratiquc. EIWCACITf5 ET I’RODUCTION L’effkacit6 intrins&lue d’une colonnc cst par definition lc nombre de plateaux thhriqucs mesur6 sur le pit du cumpos6 inthcssant, lorsque l’on injectc une trbs
---1---
2
3
4 dc
Fig.
I.
VariiLtiOll
tic
(cm)
l’cf!icacitd intrins&quc avcc Ic tliamc\trc.(I) Bqn. I ; (2) c’qn. zbis.
Anal. Ciritw Acta, 38 (x967) 73-88
.MODIFICATIOX
DE
COLONNES
75
PREPARATIVES
faible quantitC de produit, le d6bit du gaz vectcur &tant B sa valeur optimale. Cette efficacitC dCcroit quand le diamhtre de la colonne augmente. ainsi qu’on peut le voir sur la Fig. I. Les diffkentes colonnes sont faites al’ec hi meme pkse statiormaire et des tubes de diam&re croissant, remplis de la mGme faqon. La relation lineaire entre H (HEPT) pour une charge nulle et d, (diamhtre de la colonne) est approsimativement dans le domaine de diam&tres 6rudi6: H = Ii, (I + ,9d,) =
0.05 (I + 0.90 d,)
(I)
relation ne saurait etre estrapolfe vers les forts diam&trcs. Certains rkultats expGrimentaus2 tcndcnt en effet ZLmontrer qu’nu-delh d’un diam&re d’environ 5 cm, l’efficacith ne varie plus que trtss fkiblement nvec d,. Cctte
1
.
100
!50
Fig.
2.
Variation
tliambtres:
300 400 500 Vol. injecti $41)
MO
(I), 0
~1~2 &f
,I
avcc
mm:
(2),
la 0
cluantitti tl’LCchnntillon injcctci ponr trois colonncs a0 mm; (3), m 40 mm.’
tic cliffdrcnts
Mais l’cfficacitd nominale n’est qu’une dcs caractkistiques d’une colonne pr4 parativc. Son aptitude h se laker surcliargcr cst sa qualit& la plus importante. La Fig. 2 montre la variation d’cfficacit~ avcc le volume de 1’Pchnntillon inject& L’efficacitC est caract6ris6e par le facteur: 8
= lY~2/16L
dans lequcl WL reprdsente la lnrgeur de la bande cl’hlution du solut6 dans la vcine gazeuse sortant de la colonne de longueur L. WJ, est r&C? h la largeur du pit Wt mesurde en unit& de temps sur le chromntogramme par la relation: WL/L =
wt/t
ou
WL =
IV&
(zZ: vitesse 1inCaire moyenne du gax vccteur, tn: tcmps de rbtention). Le facteurgc est &gal & la hauteur dcluivalente & un plateau thkrique H lorsque le pit est symhtrique. Aux fortes charges, toutefois, le pit cesse d’&re symbtrique en raison de la trainde apparaissant & l’injection et surtout de la courbure dc l’isotherme l Pour la colonnc dc 4 cm de diambtrc, la cliflikcncc cntrc If (Fig. I) et && (Fig.2) vicnt dc cc quc les courbcs d’cfficacitb et de charge ont dtd cffcctudcs sur 2 chromatographes difftkents (contribution d’appareillage).
..
Anal.
Chitn.
Ada,
38 (xgG7) 73-88
M. B.
76
DIXMIER,
l3. ROZ,
G.
GUIOCHON
dissolution. Darts cc cas, le pit n’&ant plus gaussien. il n’est plus possible de parler ni d’fcart-type ni dc HE’I’P, d’oit la definition donn&e ci-dessus. tie permet de suivre la pertc de performances des colonnes lorsqu’elles sont surchargCes (Fig. 2). I1 ne permet toutcfois pas, comme lc fait H pour les pits symktriques, de rksoudre les probl&mes de r&solution et de calculer les instants ob doivent se faire les commutations de pibgeage. Des expressions plus complexes, telle l’impuret6 de bande3 le permettent mais elles sont si compleses clu’elles ne se pretent qu’h des calculs numdriqucs sur des cas expkimentaux p&is ct. non ri des calculs th&oriqucs. de
gh
(cm) %I_ 5
0.4r
(lO”cm)
I.5
0:
1
2
3
4
az
Fig. 3, Variation tic la chnrgc maximalc iulmirisiblc 1’31 par unit6 tic section avcc Ic tliamhtrc clc In colonnc. l’cfficacitd corrcspontlantc,
tic la colonnc, ct dc
On pcut dcfinir nvec 13Awsn I#4la charge maximale admissible 1/&lcomme celle pour laquellc l’efficacit6 it diminui! dc 20~/~. Quoique cettc definition wit arbitraire, elle pcut il?tre utile pour comparer entrc clles dcs colonnes faitcs avec dcs phases diffkentes. LiL comparaison de 3 colonncs dc meme phase et de diam&trcs croissants montre (Fig. 3) clue la cha&z adinissiblk %st proportionnelle h la section de la colonnc, c’ekt-h-dire que l:k charge admissible par unit& cle section est constantc, d’autre part clue la vnlcur corcrspondantc de 8(2X M ) croit lin6airement avcc lc diam&tre de la colonne, commc H (Fig. I). Parall&xnent, la vitessc optimale du gaz vccteur d6croit lorsqu’on augmcnte lc diam&trc dcs colonnes, cc qui trnduit l’csistence d’unc contribution aus tcrmes de r6sistancc au transfert dc masse cn phase gazeuse par diffusion radiale qui est proportionnelle au car& du diam&trc dc la colonnc. En &gligeant les termes correctifs de dkomprcssion du gaz vectcur ct le tcrme de couplage &vcntueW, 1’Cquation donnant la valcur de H peut s’fcrire: H =
Bl$l
+
(C, -I- Cz + A&“)%
(2)
La valcur minitnum de H est alors donndc par: -H mln
=
24B(Cg
+
Cl
+
&‘)
D’aprbs cette bquntion, Hm~,, n’augmentc pas 1inCairement a.vec d, sauf aus tr&s grnndes valeurs. Si toutefois on prend pour C, et Ci la valeur t&s plausible de I msec., /IN&. Clhr.
AC&, 38 (~57)
73-88
MODlFICATIOS
DE
COLONrjES
PREPAI?ATiVES
77
pour DE[ la valeur de 0.4 cma/scc et pour y (I3 = l?yU,) la valeur de 0.7’~ Its results de la Fig. I conduisent B la valeur A = 1.32 * x0-3. L’equation: H mtn =
245.6
(z f
(z bis)
1.32 do21*u+
cst celle de la courbe trac@e en pointilli! sur la Fig. I. Compte tenu de leur precision @‘&cart-type de la mesure de N est 3-4%), Ies rtsultats espdrimentaus sont done en accord aussi bien avec l’eqn. (r) qu’avec les Cqns, (2) et (z his), Nous utiliserons par la suite I’Bqn. (I). &ant du & la resistance aux transferts de Le terrne SupplGmcntaire A@ masse par diffusion radiafc au travcrs de la colonne. A cst invcrscment proportionnel B DR. 11en rdsulte et il faut le souligner clue la covitrilrtrtiovi Cl &tant m!gZigenl’lle dam les colov~vm~ @x$5aratives, Hmln est indt+ndnnt du coefficient de diflhiovt, done de la vtntwe dzc gaz vectew. Par contre, In vitesse optintale Qzc gaz vectew est #woportiomelle d Dg. (Les rdsultats exp&imentaux sont en accord avee l’cspbrience). L’emploi de l’hydrog&e ou de 1’hClium A la place de l’azote permet done, tous autres parametres restant constants par ailleurs, de tripler environ la productivitit d’une unite. Ce rCsultat justifit, c’est&dirc permet d’amortir, une unit& de recyclage des gaz ou les dispositifs de &uritti n&cessaires B l’emploi de l’hydrogene. La vitesse optimale cst don&e par :
et pratiquement
pour des diambtres
superieurs zi z cm, on aura:
C, &ant une constante, Cc qui est dgalcmcnt en bon accord avcc las r&ultnts esplirimentaux. La baisse de productivite relative des colonnes preparatives conduit A utiliser dcs colonnes plus &roites et plus longues que ne le voudrait l’extrapolation Q partir de colonnes analytiques compte tenu des quantites rS.&parer. On doit done accepter des dur&es accrues d’analyse. Ceci ne doit cependant pas Otre pousse B l’extreme: des durees d’analyse longues pouvant conduire h des taus de d&composition importants dcs produits thermolabiles. De plus, la charge n’augmcnte pas proportionclIement a la longueur de la colonnc; la duree d’analyse augmente plus vitc clue la longueur de la colonne d&s c1u.efa perte de charge devient appr6ciable (tn augmente proportionnellement h L3i2 si la perte de charge depasse 2.5 kg/cm2 envirion). Enfin, si pour diminuer ia perte de charge on utilise des particules trop grosses, on observe une diminution sensible correspondantc de la vitesse optimalc meme si la contribution ZLI’accroissement de H est negligeable pour des colonnes surchargees. On conqoit done intuitivement l’existence d’un compromis clue dcs considerations th@oriques simples peuvent aider B chercher. On peut se poser trois problhmes interessants: comment la productivitd d’une installation varie-t-elie lorsque le diametre de la colonne augmcnte? etant don& une masse de phase stationnairc, comment construire la colonne ayant la plus grande production? et enfin comments&parer le plus vite possible une masse donnee de mhlange? Ces trois probl&mes sont Us, mais le probleme fondamental du colit d’une separation par chromatographie preparative e-
-
\
* Valcuru tfgalcmcnt trtls prochcs de fit rdalitrl. ,d?saf.
Ckirn, ncfu,
38 ( 1967)
73-88
M. B.
73
DIXMIER,
B.
RO%, C. CUIOCHON
peut difficilement etre trait@ d’une facon &kale. 11 dependra a la fois du diametre de la colonnc ct de sa longueur (invcstissemcnts), des parametres determinant les frais de fonctionnement et de la production. L’Ctude des trois problemes poses permet neanmoins d’apportcr des klcments importants et de caractbre g&&al B la solution du probl*me Cconomique. Nous supposerons qu’il s’agit dc separcr un mClange donni? sur une pha.e et zi une temperature qui resteront les m&mes pour toutes Its colonnes. D’apres la formule donnant la r&solution :
a: retention rclativc = t’nr/t’a,; k’: facteur de capacitc de la colonnc = (tn-ln,,)/ln,,. I1 faudra done obtenir sur chaque colonne une mGme efficacite pour obtenir la m&me resolution. Nous supposcrons clue la production maximalc cst obtcnue sur chaquc colonne pour une memc valcur de la r&olution (ncttetnent inf&icure h 1.0) qui peut &re, ,calculde lorsque lcs deux pits sont gaussicns. Le pourcentage de la fraction h recycler depend des concentrations relatives des produits dans le m6lange ct du de& de purcti! recherche. Cette resolution dtant clioisie, N resulte dc l’eqn. (4) et la longueur de la colonnc est donnee par: L -NH
(5)
La duree d’unc analyse llL =
(I + 16’)L = 11
est alors :
(I + 12’) NH 12
(6)
Nous supposerons, ce qui est v&rifie en chromatographie preparative air l’on emploie dcs colonnes rclativemcnt courtes (z-5 m) et des particules de granulometric asset grande (250-315 /Lpar exemple) , que la pertc de charge est asscz faible pour que l’on puke dcrire : (7)
ai N, 1cg
H &ant donn6 par l’eqn. (r), on aura: in = (I + k’) N (W,/CJ
(8)
(I + /W2
D’autre part. la yuantiti: de melange A &parer que l’on pcut injecter dans la colonnc cst proportionnelle rl.la section de la colonnc et A une’certaine puissance de la longueur, comprise entre 112 et I et gen6ralement voisinc de la premiere valeur: V/at= c, *no= * [NH]”
(9)
(9 W La productivite P
= _VM =
p = Chiru.
GW [NH, (I (I + k’) NH,
tn
ca,(NH,)--1 I
Asal.
est done donnee par l’espression:
Ada,
+
ic’
38 (1967)
l
-t-e PA)
iw
(I + /V&)”
d,2 (I + &&)~--~ = P,
73-88
’
P,
(4
MODIFICATION
DE
COLONNES
PREPARATIVES
79
La productivitd est Ic produit de deus termes dont l’un est inddpendant de dc et dont les variations de l’autre (Ps) avec d, sont don&es Fig. 4 pour differentes valeurs de o et en prenant pour /3la valeur numerique obtenue ci-dessus, soit 0.90. On voit que la productivite augmente inddfiniment comme dcW lorsque le diametre de la colonne augmente. Dans le cas le plus favorable oh o = I, on est encore loin de 1’aCCrOiSSement prOrJOrtiOnnd h d c*, que l’on aurait pu escompter de colonnes prbparatives dont l’effkacite serait inddpendante du diambtre (@ = 0). Cc rcsultat nous permet de resoudre le troisibme probleme pose plus haut: la separation In plus rapide d’une masse donnee d’dchantillon sera effect&e en un cycle avec la colonne ayant un diambtre tel quc la masse a &parer represente le volume maximal admissible. D’un point de vuc, economique, cettc installation serait trop importante, les investissements n’etant pas justifics par une tcllc production. D’oh l’intCr& du second probl&me pose: ctant donne une certaine quantite de phase stationnaire, quel diametre et quellc longueur choisir pour la colonne preparative permettant la meilleure productivite? Soit W lc volume dc phase dont on dispose: w =
(rrQ/4)
L
En raison de la nkessitc
Fig.
4. Variation
(11) d’obtcnir
une rklution
tic In. protluctivitti avcc lc tliam+trc
minimale,
clc In colonnc
Fig. 5. Vtrriation clc l’cfkacitd avcc la chrrrgc dc In. colonnc dc long, cis-dbcnlinc h 150”, 1380 ml/min If,).
la colonne doit
pour diffckcntes valcurs clc Lo.
(colonnc dc 4 cm clc diambtrc,
2 m
avoir un nombre dc plateaus au moins i?gal A une certaine valeur N’ pour une charge nulle. Sa longueur doit done d&passer un seuil critique: L >, k?.’
L’ = N’H’
= N’H,, (I -j- /Id,‘)
(12)
TA colonne ayant cette longueur permet d’obteuir juste la resolution necessaire, avec une charge trhs faible. I1 faudra done toujours utiliser une colonne plus efficace, done plus longue et plus etroite, pour pouvoir la surcharger. 1-e diametre critique maximal est obtenu en combinant les. Cqns. (IX) et (12): Anal.
C/rim. Ada.
38 (x967) 73-88
LI. B. DIXMIER,
80
B. R0Z.G.
W = ;tn/4 dc12 N’HO (I + /Id,‘)
CUIOCHON
(13)
Etant donnd la valeur de p, pour cles valeurs de d, supdricurcs & I cm, le diam&tre critique n’augmente @re quc proportionnellement & Wlls. Lorsque l’on pr+n-e dcs colonnes de diam&tre plus Ctroit, on pent injecter clcs quantitks d’dchantillon plus importantes, de faqon h ramencr l’cfficacitc de la colontie h. une valeur voisine de N’. Ainsi clue le montre la Fig. 5, l’efficacith d’une colonne diminue lorsque le volume inject& nugmente, la relation fkint : H = N,
+ a(V)o
(14)
HI &ant l’cfficacit& obtenue pour unc charge nullc. Pour dcs colonnes dc 4 cm dc diamhtre, il a 6th v&if% expdrimcntalcment clue: a 2: 0.2; 6 21 1.2. Pour dcs colonnes de 2 cm de diam&tre, on trouvc Ggalcment 8% x.2 (cf. Fig. 7). En tenant comptc, commc nous l’nvons vu, clue la char,q! cst admissible propwtionnclle au carrG du tlinm&trc dc lacolonnc (tkln. g), l’cxprcssion g&hale scra done: H = I-I, + a( V/d;y= Par idcutificalion 1‘ezcprcssion suivantc :
avec l’cxprcssion
(x4), H,
dtant donn& par (I),
H = H, (I + ,9d,) -t- 5.6 (V/dcz)l.2 La charge I/ cloit he telle que l’efficacitk de la colonnc eqn. (IZ), I-1&In. (IS) i?tant la nouvclle valcur de H’. Ix diam&tre d, est clone don& par l’dquation:. pd,)
on obtient (IS)
soit juste egale ii N’
_1- 5.G(V/d,l)]‘e2
4 W/n&2 = N’
[I$"(1 +
4 W/nN’
dc2(x + /Id,) + 5.6 V1e2/dCo.4
ou: = Ii,
(16)
On a traci: sur la Fig. 6 le faisceau de courbes: Y = Ho &A (I + /?&) +
5-6 V’.2/&0.4
(16 bis)
soit ici: Y = 0.05 d,2 (I + o.god,)
-t_ 5.6 Vl.2/dc0J
d, Ctant la variable at V un paramhtre. Si la droite horisr,ontnlc y = 4 W/nN’, d&ermi+e par le volume dc pl+sc dislmnil~le et lc nombrc do plateaus thCoriclues ndcessaires coupe une de ces courbes CTI dcus points A ct l3, cela veut dire clu’avcc la charge V correspondante, toutc colonnc de clinm&trc colnpris cntrc & (A) et d,(R) donnc une cfficacit& sulhicure B N’. Les colonncs dc diamhtre infericur A d,(A) ou sup&+cur h &(I3) ne sont pas utilisables, lcs premihes parcc clue trap surchar&s, les sccondcs parce clue de trop grand clia,ni&rc pour Ctrc asscz efficaces. Les meilleures conditions corrcspondront au point dc contact dc l’horizontale avec cclle des courbcs du faisceau clui lui est tangente. La colonne de diamhtrc correspondant admettra la charge masimale. Par escmple, si l’on dispose de 20 1 de phase et que l’on veut effectuer une skparation nkssitant 2500 plateaux. on a y = 4 W/nN’ = 10.2. Anal.
Cl&n.
Ada,
38 (1gG7)
73438
MODIFICATION
DE COLONNES
PREPARATIVES
dc
81
km)
Fig. 0. Ddtcrmination tlu diambtrc optimal lorsquc le volume de phase disponiblc cut fixL(: W et V sent cxprimds cn cd. (0) 1c I’ICU gtiorndtriquc tics minimu dcs courbcs tlu faisccau ; (- - -) corrcspondcnt h clcs colonnca hypothdtiqucs pour lcsqucllcs HI (Jqn. 14) nc ddpentlrait pas clu tliam&e mais rcstcrait dgal h 0.1 cm.
Le diambtre optimal sera 2.8 cm et la charge correspondante de 2.2 ems. La longueur de la colonne sera de 32.5 m et la valeur de &+I!de 1.3 cm. Avec un volume de phase de 5 1 et pour une Gparation ne demandant que xooo plateaux, on obtient un diam&tre de 2.3 cm et une charge d’environ 1.3 cm 3. Ces valeurs correspondent h des colonnes rclativement longues et Ctroites et rkultent de la chute rapide de l’efficacitk quand augmentent le diamfitre de la colonne et surtout la charge introduite. A titre indicatif, on a rep&sent& Fig. 6 les courbes: Y=
HO d,= + 5.6 V1.=Jdco.a
que I’on obtiendrait avec des colonnes prCparatives ayant une efficacitb inddpendante du diamhtre et en prenant pour H,, la valeur rhaliste de 0.1 cm. Darts le cas trait6 ci-dessus (20 1 de phase, N’ = zsoo), on trouve un diam&tre de 45 cm et un Cchantillon de 2.3 cm3. Le rksultat obtenu est qualitativement le mSme et n’est quantitativement @rc modifik si l’on fait intervenir la productivitk et non plus la seule charge introduite, mais les calculs sont compliquCs par la nCcessitC de tenir compte de la comprcssibilitk du gaz vecteur. En conclusiovt, on vemarqueva que ce qui l&rite In $vodztctivitt! des colonnes #w&aratives, plus encore qzrcl’awgmentation de H avec Zeacrdian;zetre, c’est la Perte tres rapide
de I’eficacitd _.
des colowtes Zorsqzce le volrcmp d’&$zantillo~t introduit Anal.
augmente.
Chinz. Actn,
38 (1gG7)73-m
M.
82
11 convient h l’eliminer. FACTEURS
.
done d’etudier
INFLUENCANT
LA PERTE
B. DIXMIER,
R. ROZ, G. GUIOCHON
cette cause de perte de productivite
D’EFFICACITk
DES COLONSES
et de chercher
PRI?PARATIVES
a) Pcrtes dues ci I’augmeutation du diame’tve La perk d’efficacitd observee pour lcs colonnes de diametre moyen (r-4 cm) est commun&mcnt attribke aus h6t@rogtneites du remplissage conduisant h des variations systematiques de la vitesse locale du gaz vecteur dans l’ensemble de-la section droite de la colonne. Des fluctuations h plus faible khelle ou des variations de permtabilite sur la longueur de la colonne auraient un effet trop faible. GIDDINGS’ a Ctudie theoriquement les cffets d’une fluctuation systdmatique de la vitesse du gas vectcur due h une s@egation des particules du remplissage, les plus lourdes, c’est-hdire pratiquement les plus grosses ayant tendance A s’accumuler prbs des parois, ct provoquant ainsi un gradient radial de permdabiliti?. Aucun autre phenomene physique n’ayant pu Btre sugg6re pour expliquer l’augmentation de H avec dc, cettc explication cst communemcnt admisc ct les bons resultats obtcnus avcc la n-kthode de sont attribubs au fait que les vibrations axiales remplissage dkritc par &‘iYER’ appliquees h la colonne tendraient r\.provoquer une segregation tellc quc les grains lourds se ddplacent vers lcs extr&mites de la colonne, la variation longitudinalc de permeabilite qui en resulte etant beaucoup moins nocive. I1 faut reconnaitre que peu d’8vidences experimentales sont venues confirmer cette hypoth6se pourtant getkalement admise. GIDDINGS’ suggerait que les effets de la segregation sur le profil de vitesse pourraient etre compenses par l’emploi d’une phase mixte, composke cle pctites et clc grosses particules. les secondes &tant plus imprdgnees de phase que les autres ct l’ecart entre les granulomdtries moyenncs &ant hien stir reduit. Ccttc expdricnce, quoique simple et inttressantc, ne semble pas avoir &C faites. I1 est vrai que lcs difficult&s experimentales sont considerables, l’experience ayant prouvB que, m&me pour des phases peu volatiles, les transferts de phase liquide clans une colonne sont asses grands pour provoquer une homogenciisation rapide. Les arguments tin% de l’augmentation de k’cfficacitC des colonncs obtcnues, lorsqu’on resserre la granulometrie des supports utilisds, ne sont pas corwnincants. La variation cle H avcc le diametre (kqn. I) est un argument plus fort mais non decisif. Le seul travail esperimental comportant de mesures de vitesse du gaz vecteur cst cclui de HUYTEN, VAN BEERSUM ET RIJNDERS~ qui ont mcsure la vitesse moycnne du gas clans Its 4 secteurs conccntriques (un circulaire, 3 annulaires) de m&me aire decoup& dans la section de sortie d’une colonne de 7.5 cm. I1 rdsulte curieusement que les colonnes donnant le plus grand nombre de plateaux thboriques sont celles pour lesquelles 1’Ccart de vitesse est le plus grand (il atteint 50% entre les vitesses moyennes des sections centrales et periphkiques) et Ies transferts de m.asse par diffusion radiale les plus lents, sans qu’il y ait une correlation nette entre efficacite et vitesse de transfert radial. Ces rcsultats seraient en asses bon accord avec des rdsultats r¢s2 montrant qu’aus diambtres supkrieurs de 5 ou 6 cm, H n’augmente plus guCre avec dc: l’equilibre par &change radial entre les differentes fractions d’une section droite ne se faisant pratiquement plus, la colonnc fonctionnerait en fait comme un faisceau parall&le de colonnes plus Btroites. Anal.
Cl~rm.
Acta,
38 (1967) 73-88
?cfODIFICATIO?-i
DE
COLOI;NES
PREPAHATlVES
83
On voit la complexit du ph&nom&ne et que l’existcnce d’un profil de vitesse dans !a colonne pourrait n’Ctre plus tr&s dommageable si la diffusion n’en vient plus corriger les effets. L’extrapolation vers les grands diam&tres est certainement beaucoup plus intkessante que ne le laisserait prkvoir la discussion ci-dessus, valable seulement pour les colonnes de diam&tre infkieur h 5 cm environ; dans l’dtat actuel de la technique, il cst plausible que les colonnes de diam&tre moyen constitueraient un domaine intermddiaire oti les performances seraient nettcmcnt moins bonnes que dans les domaines des faibles ou des tr&s forts diamhtres, en raison de la forme de l’dquation rCgissant la diffusion (Ldlr = d,z/SD#). b) Pertes dues a I’augmentation de la charge Ces pcrtes sont dues B la superposition de quake phckom&nes principaus et l’intcrprittation clc l’cffet rCsultant est tr&s complexe: I) si le volume 0ccupC: par la masse d’khantillon vaporis& n’est plus negligcable devant le volume gazeus intrins&que de la colonne, le pit s’elargit. Cc ph&om&ne est assez bien connu Q pr&entlO. 2) L’augmcntation de la pression partlellc clc l’dchantillon dans lc gaz vecteur. Cette pression particllc est 1imitcZe par la pression de vapcur saturante, mais bien avant clue cette valeur ne soit atteinte, l’isotherme de solubilitd cesse d’ctre 1inGairc ct par consdquent les pits se &forment d’une faGon de plus en plus prononck. IL est done d’impovtartce pvimordiale de clroisir, dans la mcsure du possible, des plrases stationntrives g5our iesquelles Le domailre de concerltration darts lcquel l’isotlacrmc dc solubilitk es1 limfaire soit le Plus grand possible. Les diff&cnces de charges masimales admissibles ou de productivit6 trouvks dans la littdrature pour divers couples solut&phase stationnairc pcuvent le plus souvent &tre attribut:es B la diffkence de formc des isothermes: l’isothcrme de solubiliti! du n-pcntane ou du benz&ne dans le phtalate de didkyle rcste lin6airc pour des valeurs du rapport de la pression partielle h la pression de vapeur saturante (P/PO) bien plus grande quc l’isotherme de solubilit6 de la cis-d&dine dans le SE 30. L’&udc d&aillCe de ce problhme fera l’objet d’une publication ultkieure. 3) La volatilisation d’cichantillons liquicles importants est loin d’etre instantar&e en raison de la lenteur des transferts thermiques. Meme avcc une chambre de vaporisation chauffee B une tempkaturc supkicure de plusieurs dizaines de de&s audessus de la tempkature de la colonne, ce qui est prbjudiciable il la stabilitb thermique de l’ckhantillon, on obtient des profils de concentration A l’injection qui trainent fortement, cc qui provoque dcs train&s plus ou mains importantes des pits. L’injcction sous forme d’un signal car&, pendant laquelle la pression partielle du soluG est constante et forc&ment infdrieurc il sa pression de vapeur saturant2, donne des r&ultats satisfaisantsll. 4) Un signal de pression et un signal thermique accompagnent l’klution c’.‘un pit. Ces signaux sent d’autant plus intenses que la concentration est plus grznde. Le signal thermique proportionnel h la d&iv8 du signal de concentration tend & Provoquer 1’6largissemcnt des pits. Ce signal devient important dans les colonnes prdparatives qui tendent A fonctionner en adiabatique, l’kquilibre thermique radial dtant trbs lent puisque le remplissage usuel est un excellent rdfractaire. Pour preparer des colonnes preparatives efficaces en charge, il faut d’abord pr6parer des colonnes ayant une efficacit6 aussi grande que possible B charge nulle. axial. Ckim. ~cfa, 38 (1967) 73-88
M. B. DIXMIER,
84
B. ROZ, G. GUIOCHOrS
La Fig. 7 montre clue, contrairement h ce qu’on pourrait croire, les colonnes les plus cflicaces aux fortes charges sont aussi les plus efficaces a charge nulle, l’ecart ayant meme tendance ZLs’accroitre lorsque la charge augmente. Apres leur remplissage, les cinq colonnes decrites ont subi les trois premieres un conditionnement de 36 h B 225”, Les deux dcrni&res un conditionnement de 60 h a 300~. Elles different en outre par leur remplissage. On voit que toute amelioration des methodes de remplissage SC traduit par un accroisscment sensible de productivite. L’effet de la courbure de l’isotherme aux fortes pressions partielles pcut etre limit& en utilisant de tres fortes teneurs en phase stationnaire au debut de la colonne: une grande partic dc l’&hantillon peut SC dissoudre et la fraction restant en phase gazeuse est d’nutant plus faible. Ccci conduit cependant B augmenter le tcmps de HETP
km)
11
0
20
s
60
*
a
roo-
‘1’
18
140 cis -dicaline
180 (pl)
tivcc Ic volume tic cis-cl&xlinc injcctd (111). Colonncs 2 cm dc tlinSE30 sttr Cltrom. 1’. ‘I’ -- t 50”. Valcttr dc H, ct 1s valcur dc d duns I’dquntion H = H, _I- aV: (I), HI = 0.2~) cm: B = 1.7; (2), HI = 0.21 cm; A = 2.2: (3). HI= 0.18 cm: 8 = 2.2: (4). H, = o.tgctn: fS = x.2; (5), Mt = 0.1.) cm; B = x.5. Fig. 7. Variation clc H mhtrc, t tn clc long* 20%
(cm)
retention. Pour limiter cet accroissement, on peut reduire ensuite la teneur en phase stationnaire puisque l’elution d’un pit s’accompagne d’une dilution progressive dans le gaz vecteur. 11 est I.rlalaise de conserver des trains de colonncs oil un gradient important de concentration existc, car il se produit une homogeneisation progressive de la phase resultant des transferts par le gaz vecteur et des migrations provoquees par les gros echantillons 12.Toutcfois, un train constituc d’une colonne de I m remplie de phase imprCgnBc h 35%, d’une colonne de I m remplie de phase imprCgnCe B zoo/, et d’une ou plusieurs colonnes de I m remplie de phase imprdgnCe h 10% doit donner des resultats satisfaisants. .41rd. Chh.
Ada.
38 (1~67)
73-88
MODIFICATION
DE
COI-ONXES
.MODIFICATION
DE
LA
PREPARATIVES
STRUCTURE
INTERNE
85 DES
COLONNES
Pour limiter les sources de pertes d’efficacite attribudes aux h&&o&n&t& du remp!issage, on a cherche h utiliser des colonnes de section non circulaire (colonnes a sccteur, en trefle, colonnes annulaires). Ces dispositifs donnent de bons resultats mais ne sont pas estrapolables pour Ctre utilises avec des colonnes de grands diametres. Le dispositif que nous avons utilise peut &re adapt6 h des colonnes de n’imPorte quel diametrers. Nous avons introduit dans les colonnes un faisceau coasial de tigcs regulierement espacees (cf. Fig. 8). Pour une colonne de 4 cm de diametre, nous avons utilise 13 tiges de 0.3 cm de diametre. La necessit& de maintenir lcs tiges bien paralleles ii l’axe empkhe d’utiliscr dcs tiges plus fines. 4 tiges suffiraicnt pour une colonne de z cm’de diametrc; il en faudrait h peu pres 80 pour une colonne de IO cm. Les colonnes sont remplies de la meme facon quc les colonnes chassiques. La surface de contact du remplissage est doublee dans le dispositif adopt6 tandis quc la section utile est diminuec de 8(yO/,. I,.xrt masimum d’un point du remplissage RVCC unc paroi cst de 0.4 cm environ. Si l’on admct l’hypothdse espliquant la perk d’cficacite clcs colonnes preparatives par l’apparition d’un gradient radial de perm&tbilite d0 ii. la s6gr8gation dcs particulcs lors du remplissagc, on clevrait de la sorte am6liorer scnsiblcment l’cfticacite dcs colonnes; sans We consicl&xblc, lc gilin cst
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I
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1000
2000 Vol.
Injact6
3000 fpll
Fig. 8. Coupe 2 i’cxtrdmitr! tl’una colonnc modifidc.
_...
Fig. g. Varintibn dc &f avcc la clunntitd injcctde pour tlcux colonncs dc 2 m dc long, l’unc modifiBc (I), I’autrc classiquc (z), identiqucs par ailleurs, Chrom. P. B ~0% SE 30, cis-cldcaline, ‘f - I@. A ml.
Clrirrr. Ada,
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MM. R.
DIXMIDR,
R.
ROZ,
C.
GUIOCHON
sensible puisquc l’on ohticnt d’une faqon tr&s reproductible une valeur de H &gale ?I 0.19 cm pour un bchantillon de 40 ~1 de cis-dkalinc ri 150” (moycnne dc 3 colonnes). Ce rdsultat cxpkimental scmhle apporter une rdponsc partielle A la contribution des effets de paroi clans l’&largissement dcs pits Q l’echelle pr¶tive: l’augmcntation de IOO~/~de la surface des parois n’am6liorc que de 20% au maximum l’efficacite intrinseque des colonnes de 4 cm de diam&tre. Or, 1’6cart maximal entre un point du remplissage et une paroi est dans les colonnes clue nous avons utilkkcs de l’ordrc dc grandeur de celui clue l’on obtient dans Ies colonncs analytiques (environ 0.8 cm). Si la non-uniformit du regime gazcux dans les colonnes preparatives dtait, commc il est couramment admis, la cause essentielle de pcrte d’efficacitb, on aurait dir observer, pour la colonne modifiee, une efficacite environ double, cc qui n’est pas lc cas. Ccci tendrait done a confirmer lcs hypotheses ci-dessus: dans les colonnes de grands cliam&tres, lcs consdquences de l’effet de paroi et du gradient de vitcsse resultant sont d’autant moins importantcs clue le diametre est plus grand; dans les colonnes de moyen diam&tre, l’blargissemcnt du pit est notahlement acccntud par la trarrsition cntrc un equilibre par diffusion radiale quasi instantanke (colonnes analytiqucs) et un ddskluilibre complet cntre les dl6mcnt.s les plus eloignls d’une section droitc clans les colonnes de tres grands diametrcs (IO cm et plus). La Fig. 9 montre la variation de H avec la quantite de cis-ddcaline injcctde pour dcux colonncs de 2 m de long, A 192O, l’unc modifice, l’autrc classiquc. Les courbcs en pointilli: corrcspondcnt h des pits plus ou mains _d6formts. ‘I‘ant que la courbe reste en trait plein, lcs pits sont asscz sym6triqAs pour que l’on puke parler de HETP. Pour obtcnir une bonne sdparation d’un melange h 50-500/O de cis- et Ivaws-ddcalinc, il faut environ 500 plateaux (SE 30 r‘\192”) soit pour 2 m de colonncs H = 0.4 cm. La quantitd injectce cn cis-dhxlinc sera de 0.8 cm8 sur la colonne classiquc, de 1.55 cm3 sur la colonnc moclifi~c pour laquellc le tcmps de retention est Sy/, plus faible: la production cst done plus clue doublCe, cc qui montre 1’intrMt des resultats obtenus. Les courbcs de charge obtcnues (Fig. 9) sont parall~lcs. Ccci montre que dans le cas Ctuclie lcs cffcts dus au volume dc l’echantillon ct h la courbure de l’isotherme de solubilite sont prMominants. Le remplaccment de tiges dc cuivre de conductibilit@ thcrmiquc 6lew.k par rapport B cclle du remplissage, par des tubes de laiton ou de qunrtz, nc modifie pas l’allurc dcs courbes de charge. Ceci montre que le signal thermique accompngnant la bandc d’elution cst peu att6nu6 par la presence de conductcurs thermiqucs parall&lcs 21I’nsc, ou quc son cffct dans Its conditions d&rites est n6gligcnblc. La pri?sence de tiges paralleles h l’ase offre l’avantage de pcrmettre le chauffage interne de la colonnc. On peut ainsi 6vcntuellement programmer la temperature de colonnes dc grand diam&tre sans voir apparaitre de gradients thermiqucs radiaux importants. On pcut Bgalemcnt, ct c’est bcaucoup plus important pour lcs applications inclustriellcs, chauffer rapidcmcnt a la tcmpBrnture de fonctionnement une grandc masse de refractaire clans laquelle lcs 6cbangcs clc tcmpCrature,sont normalement t&s lents. La presence de conductcurs thermiqucs axinus mod&-c &alcmcnt les gradients thcrmiclucs possibles. On peut cnvisager plusieurs moyens d’utiliser les tiges axiales pour chauffer la colonne (chauffage par induction, utilization de ces tiges comme conducteur ou emploi de tiges contenant des rkistances incorpor6es) mais il est beaucoup plus facile et Awl. C/rim. ~ctca, 38 (1967) 73-88
~~ODIFICATIOS
DE
COLONNES
PREPARATIVES
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moins dangereux pour le remplissage d’utiliser des tubes connect&s B l’ext@rieur, 2~ chaque raccord entre colonncs, et d’y faire circuler une fluide maintcnu h temperature constante. CONCLUSION
La rbalisation de colonnes pr+arativcs ayant dcs capacit@s dc quelques centim&rcs cubes, si utiles pour les lahoratoires de chimic organique et de biochimie, a fait ces dcmibres ann&cs des progr&s lents et peu spectaculxires cornpar& g ceus obtenus en chromatographic analytiquc, mnis qui en font cependant, d&s h present, ou outil souple et pratique, utilisable sans poser trop de probl&mes tcchnologiques compleses. Une uniti: de chromatographie pr¶tive doit cependant faire l’objet d’une Ctude prdalable cn chromatographie analytique afin de calculer les param&tres pcrmettant ci’obtenir la productivit6 maximalcs. Lcs auteurs remcrcient MM. GUY tion dans la rdalisation de l’appareil.
PREAU
et
LOUIS
C;OUNOT
pour leur collabora-
Les auteurs discutcnt l’infiucnce de diffdrents param&tres sur l’efficaciti: ct la productivit6 des colonncs prdparativcs utilis&s en chromatographie en phase gazcuse. L’cspGrience montrc qurt la hauteur 6quivalente h un plateau th6orique (HEPT) augmentc presquc proporticxmcllement au diam&tre de la colonne de I-S cm. La HEPT augmente aussi avcc unc ccrtaine puissance du volume de 1’~chantillon inject&, puissance qui dbpend de la qualit du remplissage et peut n’etre que de x.2. On soulignc 1’intCrGt d’cmployer un gaz vecteur dormant dc forts cocfficicnts de diffusion (He, H,) car on triple alors la productivitC. La productivit4, quantiti: d’Cchantillon s&par& par unit6 de temps, augmcnte maI@ tout avcc le diam&tre de la colotme. Des consid&ations thCoriques simples pcrmettent, si I’on dispose d’un volume don& de phase stationnaire pour cffcctucr une ccrtainc stSparation, clc calculer le diam&rc de la colonne qui admettra 1’Cchantillon le plus important. Lcs performances d’un syst&mc dc chromatographic preparative sont limit&es davantagc par la capacitc dcs colonnes quc par lcur pertc d’efficacitk quand le diam6tre augmente. On peut am&liorer la capaciti: et la productivitd des colonnes en introduisant dans le remplissagc des tiges paraWes A l’ase de la colonne, rdguli&rement espacCes. Ccci permet de chauffer la colonne par l’intdricur soit pqur travailler en tempkrature programm&, soit pour porter rapidement lcs colonnes A la tcmp&ature d’emploi. SUMMARY
The dependence of the efficiency and productivity of preparative-scale gaschromatographic columns on various parameters is discussed. The minimum HETP is experimentally shown to increase almost proportionally to the column diameter in the range r-5 cm. The HETP also increases with a power of the sample amount which depends on the quality of the column packing and can be as low as x.2. HighAnal.
Claim.
Ada,
38 (1967)
73-88
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M.‘B.
DIXMIER,
B. ROZ, G. CUIOCHOK
diffusivity carrier gases (H, and He) arc shown to allow a three-fold ‘increase of columns productivity. The productivity (amount of sample separated/unit time) increases with the column ciiamctcr. Given a fixccl volume of stationary phase and a known mixture, the column cliametcr wllicll will accept the hugest sample can he calculntcxl. The pcrformancc of a prcparntivc unit is limited more by the loadability of columns than by loss of efficiency with increasing diameters. The performances of preparative columns can be improvccl by putting rods parnllcl to the column asis regularly spaced in the packing. The column cun be hcatccl internally either for programmed temperature separations or to alloy thermal equilibrium to be reached rapidly.
I’ctrolcum,
A *Ial. Claim.
;cJCB~, p. I Jo. 1;. J. I)ti~c~r~csc~~r ICY A. 13. I
I.otitlrcx,
12 J,. MIKKJXSICN, 13 1\1. u. t)lXhlJJSI<,
.4c!n,
38 (1967)
73-88
J.
MARTIN, 13rcwt
,/, (ius Chrorwlog., 4 (1966) fr;rnc;aiw no. I ,151 .(m.
263.