Главная    ПРОЕКТЫ     Уменьшение гидросопротивления хроматографической колонки

Уменьшение гидросопротивления хроматографической колонки

А.Я. Химюк

Московский общественный институт технического творчества
2005/2006
Выпускная работа Часть 1


Разбор задачи по АРИЗ-85В

Хроматография - это метод разделения компонентов смеси, основанный на различии в их равновесном распределении между двумя несмешивающимися фазами. Одна из фаз неподвижна (носитель), а другая подвижна (элюент). Компоненты образца движутся по колонке, когда они находятся в элюенте, и остаются на месте, когда взаимодействуют с носителем. Чем больше сродство компонента к носителю и чем меньше к элюенту, тем медленнее он движется по колонке и тем дольше в ней удерживается.

За счет различия в сродстве достигается разделение смеси на отдельные полосы (пики) компонентов по мере их продвижения по колонке с элюентом.
В стандартный модуль Высокоэффективной Жидкостной Хроматографии (ВЭЖХ или хроматография высокого давления) входят: насос, обеспечивающий подачу элюента в систему с заданной скоростью; инжектор для быстрого ввода анализируемой пробы в колонку; колонка с неподвижной фазой; детектор, анализирующий состав элюента на выходе и система сбора и обработки данных.

· В обращеннофазовой ВЭЖХ разделение соединений происходит в зависимости от их гидрофобности

· Частицы носителя, обеспечивающие разделение смеси соединений, представляют собой пористые сферические частицы (обычно из силикагеля), к поверхности которых пришиты функциональные группы (алкильные, фенильные, циано, амино и др.).

· Размер частиц носителя оказывает значительное влияние на разделение соединений, чем меньше частицы, тем лучше разделение, однако при этом значительно повышается давление в системе, что приводит к износу насоса и т.п.

Задача:

Как уменьшить гидросопротивление хроматографической колонки?

ЧАСТЬ 1. АНАЛИЗ ЗАДАЧИ

Шаг 1.1. Условия мини-задачи

Техническая система для разделения смеси соединений включает:

Колонку с частицами носителя, поток элюента движущийся через колонку и смесь соединений, которые необходимо разделить;

Технические противоречия:

Техническое противоречие 1: Если размер частиц носителя маленький (большая площадь поверхности), то смесь соединений разделяется эффективно, но значительно уменьшается пропускное сечение для элюента (увеличивается гидравлическое сопротивление частиц носителя потоку элюента в системе);

Техническое противоречие 2: Если размер частиц большой (маленькая площадь поверхности), то пропускное сечение для элюента удовлетворительное (рабочее гидравлическое сопротивление частиц носителя потоку элюента в системе), но не происходит разделения смеси соединений.

Необходимо при минимальных изменениях в системе обеспечить эффективное разделение смеси соединений.

Поскольку из сформулированных ТП вытекает формулировка ФП, то временно отвлечемся от последовательного решения задачи и перейдем к шагу 3.3.

Шаг 3.3. Формулировка физического противоречия (ФП) на макроуровне

Пространство (расстояние) между маленькими частицами носителя (ОЗ) в течение движения смеси соединений в колонке (ОВ) должно быть большим, чтобы не создавать гидравлического сопротивления потоку элюента и не должно быть большим, чтобы обеспечить взаимодействие (контакт) всех движущихся молекул (молекул подвижной фазы) с частицами носителя.

РЕШЕНИЕ

Предлагается перейти от непрерывного потока элюента к пульсирующему, когда элюент продвигается, расстояние между частицами большое, когда останавливается - маленькое. При этом необходимо использовать "резиновые" частицы носителя вместо силикагеля.

Для реализации данного решения необходимо осуществить поиск полимеров отвечающих следующим требованиям:

- Упругость
- Стабильность
- Химическая инертность
- Возможность прикрепления широкого спектра фаз

Шаг 3.4. пропускаем, т.к. ФП уже сформулировано на микроуровне.

Шаг 3.5. Формулировка идеального конечного результата (ИКР-2)

ИКР-2:

Пространство между частицами носителя должно быть большим, когда в нем только частицы элюента и должно быть маленьким, когда в нем есть частицы разделяемых соединений

РЕШЕНИЕ

Частицы носителя должны быть проницаемы для молекул элюента и непроницаемы для молекул разделяемой смеси соединений. Поскольку молекулы элюента меньше, чем молекулы разделяемой смеси соединений, то частицы носителя должны содержать микропоры, доступные только для очень маленьких молекул (вода, ацетонитрил, метанол).

Для реализации данного решения необходимо осуществить поиск технологий и полимеров, позволяющих получать такие микропористые структуры.

Возможная вторичная задача возникнет для буферных систем, если размер молекул соединений, отвечающих за буферные свойства элюента, оказывается значительно больше размеров молекул элюента.
Вернемся к последовательному решению задачи, т.е. к шагу 1.2.

Шаг 1.2. Конфликтующая пара: изделие и инструмент

Инструмент: поверхность частиц носителя с привитой фазой (большая площадь поверхности, маленькая площадь поверхности)

Изделие: смесь соединений

Шаг 1.3. Графические схемы ТП-1 и ТП-2

Применим приемы устранения технических противоречий

При уменьшении размера частиц увеличивается площадь поверхности взаимодействия элюента с неподвижным носителем ("площадь неподвижного объекта"), при этом возрастает гидравлическое сопротивление (требуемое давление), т.е. ухудшается проводимость. Поскольку "проводимости" в таблице нет, то выбираем наиболее близкое по смыслу понятие, а именно, "потери энергии".

По таблице подходят: 17, 7, 30

ПРИЕМ 17

ПРИНЦИП ПЕРЕХОДА В ДРУГОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

ПРИЕМ 7

ПРИНЦИП "МАТРЕШКИ"

ПРИЕМ 30

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИБКИХ ОБОЛОЧЕК И ТОНКИХ ПЛЕНОК

РЕШЕНИЕ

Комплексное использование приемов:

Предлагается в большей степени использовать внутреннюю поверхность частиц носителя. Т.е. частицы должны содержать много (максимально возможное количество) сквозных пор, размеры которых должны быть равны размерам пор между частицами (среднему расстоянию между частицами).

Предлагается изменить форму частиц носителя. Например, носитель может быть цилиндрической формы, цилиндры вставлены один в другой; или носитель может иметь структуру, подобную сотам.

Новое направление в современной хроматографии - монолитные колонки (сплошная пористая фаза). Монолитные колонки характеризуются сходными с традиционными колонками параметрами разделения при более высоких скоростях потока элюента и значительно более низких давлениях. http://www.chromolith.com

Предлагается использовать вибрацию, причем можно использовать как вибрацию частиц, так и вибрацию потока.

Если частицы в системе привести в вибрационное движение, то размеры пор в системе будут меняться, причем можно ожидать, что размеры пор станут больше, что позволит повысить проницаемость. Для реализации данного решения необходимо изучить возможность реализации данного решения в условиях высоких давлений.

При использовании вибрации потока, поток элюента, протекающий через колонку совершает колебательные движения вперед-назад, что позволит увеличить площадь поверхности соприкосновения, не уменьшая размер частиц и длину колонки. Для реализации данного решения необходимо изменить конструкцию традиционной хроматографической системы.

Вернемся к последовательному решению задачи, т.е. к шагу 1.4.

Шаг 1.4. Что является главным производственным процессом

Необходимо разделить смесь соединений, поэтому выбираем ТП1.

ТП = ТП1:

Если размер частиц носителя маленький (большая площадь поверхности), то смесь соединений разделяется эффективно, но значительно уменьшается пропускное сечение для элюента (увеличивается гидравлическое сопротивление частиц носителя потоку элюента в системе).

Шаг 1.5. Усилить конфликт

Размер частиц носителя очень маленький, т.е. огромная площадь поверхности.

Шаг 1.6. Формулировка модели задачи

Конфликтующая пара: Очень маленькие частицы носителя и смесь соединений;
Усиленная формулировка конфликта: Частицы носителя очень маленькие (огромная площадь поверхности), поэтому происходит эффективное разделение смеси соединений, но гидравлическое сопротивление в системе столь большое, что смесь соединений не может двигаться по колонке;

Х-элемент: Необходимо найти такой Х-элемент, который уменьшает гидравлическое сопротивление, не мешая плотно набитым маленьким частицам носителя эффективно разделять смесь соединений.

ЧАСТЬ 2. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ

Шаг 2.1. Определить оперативную зону (ОЗ)

Пространство между частицами носителя

Шаг 2.2. Определить оперативное время (ОВ)

Конфликтное время Т1 - время движения смеси соединений в колонке (между частицами)

Время до конфликта Т2 - нет

Шаг 2.3. Определить вещественно-полевые ресурсы (ВПР)

Внутрисистемные ресурсы:

Ресурсы инструмента: частицы носителя (силикагель, привитая фаза);

Ресурсы изделия: смесь соединений;

Внешнесистемные ресурсы:

Элюент

Механическое поле (создаваемое насосом), толкающее элюент через колонку

Механическое поле (создаваемое частицами носителя) сопротивления потоку элюента

Металлические стенки колонки

ЧАСТЬ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИКР И ФП

Шаг 3.1. Формулировка идеального конечного результата (ИКР-1)

X-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет избыточное гидравлическое сопротивление частиц носителя потоку элюента в течение ОВ в пределах ОЗ сохраняя способность поверхности частиц носителя (привитой фазы) разделять смесь соединений.

Шаг 3.2. Усиление формулировки ИКР-1

В качестве Х-элемента используем элюент (использование ВПР инструмента уже рассмотрено ранее)

ИКР-1:

Элюент сам должен устранить возникающее гидравлическое сопротивление, не препятствуя разделению смеси соединений.

Шаг 3.3. Формулировка физического противоречия (ФП) на макроуровне

В пространстве между частицами носителя (ОЗ) в течение движения смеси соединений в колонке (ОВ) должен быть элюент, чтобы растворять и передвигать смесь соединений и не должен быть элюент, чтобы не создавать гидравлического сопротивления.

Шаг 3.4. Формулировка физического противоречия на микроуровне

В пространстве между частицами носителя (ОЗ) в течение движения смеси соединений в колонке (ОВ) должны быть молекулы элюента, чтобы растворять и передвигать смесь соединений и не должны быть молекулы элюента, чтобы не создавать гидравлического сопротивления.

Шаг 3.5. Формулировка идеального конечного результата (ИКР-2)

ИКР-2:

Пространство между частицами носителя само обеспечивает растворение и передвижение молекул смеси соединений по колонке.

РЕШЕНИЕ

Элюент неподвижен (двигается не с помощью насоса) или его вообще нет, а частицы носителя двигаются (фактически являются насосом). Например, частицы носителя должны быть сделаны из магнитострикционного материала. Прикладывая переменное магнитное поле, можно будет менять размеры частиц, и создать волнообразные изменения, за счет чего смесь соединений будет передвигаться по колонке.

Для реализации данного решения необходимо:

Осуществить поиск веществ, обладающих необходимыми значениями магнито- или электрострикции.

Изучить возможность прикрепления к таким веществам широкого спектра привитых фаз.

Также смотри: Часть 2 Высокоэффективная Жидкостная Хроматография Разбор по ЗРТС


Главная    ПРОЕКТЫ     Уменьшение гидросопротивления хроматографической колонки