Modellierung chromatographischer Trennsäulen unter Berücksichtigung elektrischer Felder (präparative Elektrochromatographie)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Arlt
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5407004

Die Kapillar-Elektrochromatographie ist ein bewährtes Analyseverfahren, das z. B. für Oligonukleotide, DNA-Fragmente, Aminosäuren, Vitamine, chirale Substanzen, Peptide, polyzyklische Aromate, Corticosteroide, Proteine und Pharmazeutika eingesetzt wird. Der Einsatz der Elektrochromatographie ist insbesondere durch die hohe Effektivität und Selektivität des Verfahrens begründet. Quantifiziert wird die Effektivität durch die Höhe einer theoretischen Trennstufe (height equivalent to a theoretical plate, HETP1) bzw. die Anzahl der Trennstufen (number of transfer units, NTU). Die Selektivität ist ein Maß für die Trennung der Stoffe im System. Durch die Überlagerung adsorptiver und elektophoretischer Trennmechanismen ist die Selektivität oft höher als in der Adsorptionschromatographie. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Etablierung eines allgemeinen mathematischen Modells, das die physikalischen Vorgänge in elektrochromatographischen Trennsäulen abbildet. Besonderes Augenmerk liegt auf der Gültigkeit des Modells für unterschiedliche Durchmesser (geplant: 50 µm bis 5mm) der Trennsäule, um die Grundlage für die Simulation präparativer Anwendungen zu schaffen. Die Messung der Stoffdaten und Systemparameter sowie die Kontrollmessungen zur Validierung des Modells erfolgt im experimentellen Teil des Forschungsvorhabens. Dieser dient der Bestimmung grundlegenden Parameter der Trennsysteme, wie z. B. Messung der Adsorptionsisothermen und des Massentransports (im elektrischen Feld), Bestimmung der Geschwindigkeit des elektroosmotischen Antriebs für verschiedene Eluent/Adsorbens-Paarungen und der Untersuchungen zu elektrischer Spannung und Strom ( dissipierte elektrische Leistung) für verschiedene Eluente. In einem zweiten Abschnitt des Vorhabens soll eine Anlage für präparative Anwendungen erstellt werden (nicht Gegenstand dieses Antrags). Neben den bekannten Problemen des Scale-Up chromatographischer Verfahren, die der Antragsteller ohne elektrische Felder bereits bearbeitet hat, wird die Wärmeentwicklung aufgrund des elektrischen Stroms, die Joulesche Wärme, eines der Hauptprobleme sein. Außerdem ist zu klären, ob bei gepackten Trennsäulen größeren Durchmessers die mechanische Pumpe vollständig durch den elekroosmotischen Antrieb ersetzt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen