Un nouveau mélangeur statique en ligne révolutionnaire a été développé spécifiquement pour répondre aux exigences strictes des systèmes de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) et de chromatographie liquide à ultra haute performance (HPLC et UHPLC).Un mauvais mélange de deux ou plusieurs phases mobiles peut entraîner un rapport signal sur bruit plus élevé, ce qui réduit la sensibilité.Le mélange statique homogène de deux fluides ou plus avec un volume interne minimum et les dimensions physiques d'un mélangeur statique représente la norme la plus élevée d'un mélangeur statique idéal.Le nouveau mélangeur statique y parvient en utilisant une nouvelle technologie d'impression 3D pour créer une structure 3D unique qui fournit un mélange statique hydrodynamique amélioré avec le pourcentage de réduction le plus élevé de l'onde sinusoïdale de base par unité de volume interne du mélange.L'utilisation de 1/3 du volume interne d'un mélangeur conventionnel réduit l'onde sinusoïdale de base de 98 %.Le mélangeur se compose de canaux d'écoulement 3D interconnectés avec des sections transversales et des longueurs de trajet variables lorsque le fluide traverse des géométries 3D complexes.Le mélange le long de plusieurs voies d'écoulement tortueuses, combiné à des turbulences et des tourbillons locaux, entraîne un mélange aux échelles micro, méso et macro.Ce mélangeur unique est conçu à l'aide de simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD).Les données de test présentées montrent qu'un excellent mélange est obtenu avec un volume interne minimum.
Depuis plus de 30 ans, la chromatographie liquide est utilisée dans de nombreuses industries, notamment les produits pharmaceutiques, les pesticides, la protection de l'environnement, la médecine légale et l'analyse chimique.La capacité de mesurer en parties par million ou moins est essentielle au développement technologique de toute industrie.Une mauvaise efficacité de mélange conduit à un mauvais rapport signal sur bruit, ce qui est une gêne pour la communauté chromatographique en termes de limites de détection et de sensibilité.Lors du mélange de deux solvants HPLC, il est parfois nécessaire de forcer le mélange par des moyens externes pour homogénéiser les deux solvants car certains solvants ne se mélangent pas bien.Si les solvants ne sont pas parfaitement mélangés, une dégradation du chromatogramme HPLC peut se produire, se manifestant par un bruit de ligne de base excessif et/ou une mauvaise forme des pics.Avec un mauvais mélange, le bruit de base apparaîtra comme une onde sinusoïdale (montante et descendante) du signal du détecteur au fil du temps.Dans le même temps, un mauvais mélange peut entraîner des pics élargis et asymétriques, réduisant les performances analytiques, la forme des pics et la résolution des pics.L'industrie a reconnu que les mélangeurs statiques en ligne et en T sont un moyen d'améliorer ces limites et de permettre aux utilisateurs d'atteindre des limites de détection plus basses (sensibilités).Le mélangeur statique idéal combine les avantages d'une efficacité de mélange élevée, d'un faible volume mort et d'une faible perte de charge avec un volume minimal et un débit maximal du système.De plus, à mesure que l'analyse devient plus complexe, les analystes doivent régulièrement utiliser des solvants plus polaires et difficiles à mélanger.Cela signifie qu'un meilleur mélange est indispensable pour les tests futurs, ce qui augmente encore le besoin d'une conception et d'une performance supérieures du mélangeur.
Mott a récemment développé une nouvelle gamme de mélangeurs statiques en ligne brevetés PerfectPeakTM avec trois volumes internes : 30 µl, 60 µl et 90 µl.Ces tailles couvrent la gamme de volumes et de caractéristiques de mélange nécessaires pour la plupart des tests HPLC où un mélange amélioré et une faible dispersion sont requis.Les trois modèles ont un diamètre de 0,5″ et offrent des performances de pointe dans un design compact.Ils sont fabriqués en acier inoxydable 316L, passivé pour l'inertie, mais du titane et d'autres alliages métalliques résistants à la corrosion et chimiquement inertes sont également disponibles.Ces mélangeurs ont une pression de fonctionnement maximale allant jusqu'à 20 000 psi.Sur la fig.1a est une photographie d'un mélangeur statique Mott de 60 ul conçu pour fournir une efficacité de mélange maximale tout en utilisant un volume interne plus petit que les mélangeurs standard de ce type.Cette nouvelle conception de mélangeur statique utilise une nouvelle technologie de fabrication additive pour créer une structure 3D unique qui utilise moins de flux interne que n'importe quel mélangeur actuellement utilisé dans l'industrie de la chromatographie pour obtenir un mélange statique.De tels mélangeurs sont constitués de canaux d'écoulement tridimensionnels interconnectés avec différentes zones de section transversale et différentes longueurs de trajet lorsque le liquide traverse des barrières géométriques complexes à l'intérieur.Sur la fig.La figure 1b montre un diagramme schématique du nouveau mélangeur, qui utilise des raccords de compression HPLC filetés standard 10-32 pour l'entrée et la sortie, et a des bordures bleues ombrées du port de mélangeur interne breveté.Différentes zones de section transversale des voies d'écoulement internes et des changements de direction d'écoulement dans le volume d'écoulement interne créent des régions d'écoulement turbulent et laminaire, provoquant un mélange aux échelles micro, méso et macro.La conception de ce mélangeur unique a utilisé des simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour analyser les modèles d'écoulement et affiner la conception avant le prototypage pour les tests analytiques internes et l'évaluation sur le terrain du client.La fabrication additive est le processus d'impression de composants géométriques en 3D directement à partir de dessins CAO sans avoir recours à un usinage traditionnel (fraiseuses, tours, etc.).Ces nouveaux mélangeurs statiques sont conçus pour être fabriqués à l'aide de ce processus, où le corps du mélangeur est créé à partir de dessins CAO et les pièces sont fabriquées (imprimées) couche par couche à l'aide de la fabrication additive.Ici, une couche de poudre métallique d'environ 20 microns d'épaisseur est déposée, et un laser contrôlé par ordinateur fond et fusionne sélectivement la poudre en une forme solide.Appliquez une autre couche au-dessus de cette couche et appliquez le frittage au laser.Répétez ce processus jusqu'à ce que la pièce soit complètement terminée.La poudre est ensuite retirée de la pièce non collée au laser, laissant une pièce imprimée en 3D qui correspond au dessin CAO d'origine.Le produit final est quelque peu similaire au processus microfluidique, la principale différence étant que les composants microfluidiques sont généralement bidimensionnels (plats), tout en utilisant la fabrication additive, des modèles de flux complexes peuvent être créés dans une géométrie tridimensionnelle.Ces robinets sont actuellement disponibles sous forme de pièces imprimées en 3D en acier inoxydable 316L et en titane.La plupart des alliages métalliques, des polymères et certaines céramiques peuvent être utilisés pour fabriquer des composants à l'aide de cette méthode et seront pris en compte dans les conceptions/produits futurs.
Riz.1. Photographie (a) et diagramme (b) d'un mélangeur statique Mott de 90 μl montrant une coupe transversale du chemin d'écoulement du fluide du mélangeur ombré en bleu.
Exécutez des simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD) des performances du mélangeur statique pendant la phase de conception pour aider à développer des conceptions efficaces et réduire les expériences d'essais et d'erreurs chronophages et coûteuses.Simulation CFD de mélangeurs statiques et de tuyauterie standard (simulation sans mélangeur) à l'aide du progiciel COMSOL Multiphysics.Modélisation à l'aide de la mécanique des fluides laminaires pilotés par la pression pour comprendre la vitesse et la pression des fluides dans une pièce.Cette dynamique des fluides, combinée au transport chimique des composés de la phase mobile, aide à comprendre le mélange de deux liquides concentrés différents.Le modèle est étudié en fonction du temps, égal à 10 secondes, pour faciliter le calcul lors de la recherche de solutions comparables.Les données théoriques ont été obtenues dans une étude corrélée dans le temps à l'aide de l'outil de projection de sonde ponctuelle, où un point au milieu de la sortie a été choisi pour la collecte de données.Le modèle CFD et les tests expérimentaux ont utilisé deux solvants différents via une vanne d'échantillonnage proportionnelle et un système de pompage, ce qui a entraîné un bouchon de remplacement pour chaque solvant dans la ligne d'échantillonnage.Ces solvants sont ensuite mélangés dans un mélangeur statique.Les figures 2 et 3 montrent des simulations d'écoulement à travers un tuyau standard (pas de mélangeur) et à travers un mélangeur statique Mott, respectivement.La simulation a été exécutée sur un tube droit de 5 cm de long et 0,25 mm ID pour démontrer le concept d'alternance de bouchons d'eau et d'acétonitrile pur dans le tube en l'absence d'un mélangeur statique, comme illustré à la figure 2. La simulation a utilisé les dimensions exactes du tube et du mélangeur et un débit de 0,3 ml/min.
Riz.2. Simulation du flux CFD dans un tube de 5 cm avec un diamètre interne de 0,25 mm pour représenter ce qui se passe dans un tube HPLC, c'est-à-dire en l'absence de mélangeur.Le rouge plein représente la fraction massique d'eau.Le bleu représente le manque d'eau, c'est-à-dire l'acétonitrile pur.Des régions de diffusion peuvent être observées entre des bouchons alternés de deux liquides différents.
Riz.3. Mélangeur statique d'un volume de 30 ml, modélisé dans le progiciel COMSOL CFD.La légende représente la fraction massique d'eau dans le mélangeur.L'eau pure est représentée en rouge et l'acétonitrile pur en bleu.Le changement de la fraction massique de l'eau simulée est représenté par un changement de couleur du mélange de deux liquides.
Sur la fig.4 montre une étude de validation du modèle de corrélation entre l'efficacité de mélange et le volume de mélange.À mesure que le volume de mélange augmente, l'efficacité du mélange augmente.À la connaissance des auteurs, d'autres forces physiques complexes agissant à l'intérieur du mélangeur ne peuvent pas être prises en compte dans ce modèle CFD, ce qui entraîne une efficacité de mélange plus élevée dans les tests expérimentaux.L'efficacité de mélange expérimentale a été mesurée comme le pourcentage de réduction de la sinusoïde de base.De plus, une contre-pression accrue entraîne généralement des niveaux de mélange plus élevés, qui ne sont pas pris en compte dans la simulation.
Les conditions HPLC et la configuration de test suivantes ont été utilisées pour mesurer les ondes sinusoïdales brutes afin de comparer les performances relatives de différents mélangeurs statiques.Le diagramme de la figure 5 montre une disposition typique du système HPLC/UHPLC.Le mélangeur statique a été testé en plaçant le mélangeur directement après la pompe et avant l'injecteur et la colonne de séparation.La plupart des mesures sinusoïdales de fond sont effectuées en contournant l'injecteur et la colonne capillaire entre le mélangeur statique et le détecteur UV.Lors de l'évaluation du rapport signal sur bruit et/ou de l'analyse de la forme du pic, la configuration du système est illustrée à la Figure 5.
Figure 4. Tracé de l'efficacité du mélange par rapport au volume de mélange pour une gamme de mélangeurs statiques.L'impureté théorique suit la même tendance que les données d'impureté expérimentales confirmant la validité des simulations CFD.
Le système HPLC utilisé pour ce test était un Agilent série 1100 HPLC avec un détecteur UV contrôlé par un PC exécutant le logiciel Chemstation.Le tableau 1 montre les conditions de réglage typiques pour mesurer l'efficacité du mélangeur en surveillant les sinusoïdes de base dans deux études de cas.Des essais expérimentaux ont été réalisés sur deux exemples différents de solvants.Les deux solvants mélangés dans le cas 1 étaient le solvant A (acétate d'ammonium 20 mM dans de l'eau désionisée) et le solvant B (80 % acétonitrile (ACN)/20 % eau désionisée).Dans le cas 2, le solvant A était une solution d'acétone à 0,05 % (marqueur) dans de l'eau déminéralisée.Le solvant B est un mélange de 80/20 % de méthanol et d'eau.Dans le cas 1, la pompe a été réglée sur un débit de 0,25 ml/min à 1,0 ml/min, et dans le cas 2, la pompe a été réglée sur un débit constant de 1 ml/min.Dans les deux cas, le rapport du mélange de solvants A et B était de 20 % A/80 % B. Le détecteur était réglé sur 220 nm dans le cas 1, et l'absorption maximale de l'acétone dans le cas 2 était réglée sur une longueur d'onde de 265 nm.
Tableau 1. Configurations HPLC pour les cas 1 et 2 Cas 1 Cas 2 Vitesse de la pompe 0,25 ml/min à 1,0 ml/min 1,0 ml/min Solvant A Acétate d'ammonium 20 mM dans de l'eau désionisée 0,05 % Acétone dans de l'eau désionisée Solvant B 80 % Acétonitrile (ACN) / 20 % eau désionisée 80 % méthanol / 20 % eau désionisée Ratio de solvant 2 0 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Détecteur 220 nm 265 nm
Riz.6. Tracés d'ondes sinusoïdales mixtes mesurées avant et après l'application d'un filtre passe-bas pour supprimer les composantes de dérive de la ligne de base du signal.
La figure 6 est un exemple typique de bruit de ligne de base mixte dans le cas 1, représenté sous la forme d'un motif sinusoïdal répétitif superposé à la dérive de la ligne de base.La dérive de la ligne de base est une augmentation ou une diminution lente du signal de fond.Si le système n'est pas autorisé à s'équilibrer assez longtemps, il tombera généralement, mais dérivera de manière erratique même lorsque le système est complètement stable.Cette dérive de la ligne de base a tendance à augmenter lorsque le système fonctionne dans des conditions de forte pente ou de contre-pression élevée.Lorsque cette dérive de la ligne de base est présente, il peut être difficile de comparer les résultats d'un échantillon à l'autre, ce qui peut être surmonté en appliquant un filtre passe-bas aux données brutes pour filtrer ces variations à basse fréquence, fournissant ainsi un tracé d'oscillation avec une ligne de base plate.Sur la fig.La figure 6 montre également un tracé du bruit de base du mélangeur après application d'un filtre passe-bas.
Après avoir terminé les simulations CFD et les tests expérimentaux initiaux, trois mélangeurs statiques distincts ont ensuite été développés en utilisant les composants internes décrits ci-dessus avec trois volumes internes : 30 µl, 60 µl et 90 µl.Cette gamme couvre la plage de volumes et de performances de mélange requises pour les applications HPLC à faible analyte où un mélange amélioré et une faible dispersion sont nécessaires pour produire des lignes de base de faible amplitude.Sur la fig.7 montre des mesures d'onde sinusoïdale de base obtenues sur le système de test de l'exemple 1 (acétonitrile et acétate d'ammonium comme traceurs) avec trois volumes de mélangeurs statiques et aucun mélangeur installé.Les conditions de test expérimentales pour les résultats présentés sur la figure 7 ont été maintenues constantes tout au long des 4 tests selon la procédure décrite dans le tableau 1 à un débit de solvant de 0,5 ml/min.Appliquez une valeur de décalage aux ensembles de données afin qu'ils puissent être affichés côte à côte sans chevauchement de signal.Le décalage n'affecte pas l'amplitude du signal utilisé pour juger du niveau de performance du mélangeur.L'amplitude sinusoïdale moyenne sans le mélangeur était de 0,221 mAi, tandis que les amplitudes des mélangeurs Mott statiques à 30 µl, 60 µl et 90 µl ont chuté à 0,077, 0,017 et 0,004 mAi, respectivement.
Figure 7. Décalage du signal du détecteur HPLC UV par rapport au temps pour le cas 1 (acétonitrile avec indicateur d'acétate d'ammonium) montrant le mélange de solvants sans mélangeur, 30 µl, 60 µl et 90 µl de mélangeurs Mott montrant un mélange amélioré (amplitude de signal inférieure) à mesure que le volume du mélangeur statique augmente.(décalages de données réels : 0,13 (pas de mélangeur), 0,32, 0,4, 0,45 mA pour un meilleur affichage).
Les données présentées à la fig.8 sont les mêmes que sur la Fig. 7, mais cette fois ils incluent les résultats de trois mélangeurs statiques HPLC couramment utilisés avec des volumes internes de 50 µl, 150 µl et 250 µl.Riz.Figure 8. HPLC UV Detector Signal Offset versus Time Plot pour le cas 1 (acétonitrile et acétate d'ammonium comme indicateurs) montrant le mélange de solvant sans mélangeur statique, la nouvelle série de mélangeurs statiques Mott et trois mélangeurs conventionnels (le décalage de données réel est de 0,1 (sans mélangeur), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA respectivement pour un meilleur effet d'affichage).Le pourcentage de réduction de l'onde sinusoïdale de base est calculé par le rapport de l'amplitude de l'onde sinusoïdale à l'amplitude sans le mélangeur installé.Les pourcentages d'atténuation d'onde sinusoïdale mesurés pour les cas 1 et 2 sont répertoriés dans le tableau 2, ainsi que les volumes internes d'un nouveau mélangeur statique et de sept mélangeurs standard couramment utilisés dans l'industrie.Les données des figures 8 et 9, ainsi que les calculs présentés dans le tableau 2, montrent que le mélangeur statique Mott peut fournir jusqu'à 98,1 % d'atténuation de l'onde sinusoïdale, dépassant de loin les performances d'un mélangeur HPLC conventionnel dans ces conditions de test.Figure 9. Décalage du signal du détecteur HPLC UV en fonction du temps pour le cas 2 (méthanol et acétone comme traceurs) ne montrant aucun mélangeur statique (combiné), une nouvelle série de mélangeurs statiques Mott et deux mélangeurs conventionnels (les décalages de données réels sont 0, 11 (sans mélangeur. ), 0,22, 0,3, 0,35 mA et pour un meilleur affichage).Sept mélangeurs couramment utilisés dans l'industrie ont également été évalués.Ceux-ci incluent des mélangeurs avec trois volumes internes différents de la société A (désignés Mélangeur A1, A2 et A3) et de la société B (désignés Mélangeur B1, B2 et B3).L'entreprise C n'a noté qu'une seule taille.
Tableau 2. Caractéristiques d'agitation du mélangeur statique et volume interne Mélangeur statique Cas 1 Récupération sinusoïdale : test d'acétonitrile (efficacité) Cas 2 Récupération sinusoïdale : test d'eau de méthanol (efficacité) Volume interne (µl) Sans mélangeur – - 0 Mott 30 65 % 67,2 % 30 Mott 60 92,2 % 91,3 % 60 Mott 90 98,1 % 97 0,5 % 90 Mélangeur A1 66,4 % 73,7 % 50 Mélangeur A2 89,8 % 91,6 % 150 Mélangeur A3 92,2 % 94,5 % 250 Mélangeur B1 44,8 % 45,7 % 9 35 Mélangeur B2 845, % ​​96,2 % 370 Mélangeur C 97,2 % 97,4 % 2 50
L'analyse des résultats de la figure 8 et du tableau 2 montre que le mélangeur statique Mott de 30 µl a la même efficacité de mélange que le mélangeur A1, c'est-à-dire 50 µl, cependant, le Mott de 30 µl a 30 % de volume interne en moins.En comparant le mélangeur Mott de 60 µl avec le mélangeur A2 de volume interne de 150 µl, il y a eu une légère amélioration de l'efficacité de mélange de 92 % contre 89 %, mais plus important encore, ce niveau de mélange plus élevé a été atteint à 1/3 du volume du mélangeur.mélangeur similaire A2.Les performances du mélangeur Mott de 90 µl ont suivi la même tendance que le mélangeur A3 avec un volume interne de 250 µl.Des améliorations des performances de mélange de 98 % et 92 % ont également été observées avec une réduction de 3 fois du volume interne.Des résultats et des comparaisons similaires ont été obtenus pour les mélangeurs B et C. En conséquence, la nouvelle série de mélangeurs statiques Mott PerfectPeakTM offre une efficacité de mélange supérieure à celle des mélangeurs concurrents comparables, mais avec moins de volume interne, offrant un meilleur bruit de fond et un meilleur rapport signal/bruit, une meilleure sensibilité à l'analyte, la forme des pics et la résolution des pics.Des tendances similaires dans l'efficacité du mélange ont été observées dans les études de cas 1 et 2.Pour le cas 2, des tests ont été effectués en utilisant (le méthanol et l'acétone comme indicateurs) pour comparer l'efficacité du mélange de 60 ml Mott, un mélangeur comparable A1 (volume interne 50 µl) et un mélangeur comparable B1 (volume interne 35 µl)., les performances étaient médiocres sans mélangeur installé, mais il a été utilisé pour l'analyse de base.Le mélangeur Mott de 60 ml s'est avéré être le meilleur mélangeur du groupe de test, offrant une augmentation de 90 % de l'efficacité du mélange.Un mélangeur A1 comparable a vu une amélioration de 75 % de l'efficacité du mélange, suivie d'une amélioration de 45 % dans un mélangeur B1 comparable.Un test basique de réduction d'onde sinusoïdale avec débit a été effectué sur une série de mélangeurs dans les mêmes conditions que le test de courbe sinusoïdale dans le cas 1, avec seulement le débit modifié.Les données ont montré que dans la plage de débits de 0,25 à 1 ml/min, la diminution initiale de l'onde sinusoïdale restait relativement constante pour les trois volumes de mélangeur.Pour les deux mélangeurs de plus petit volume, il y a une légère augmentation de la contraction sinusoïdale à mesure que le débit diminue, ce qui est attendu en raison du temps de séjour accru du solvant dans le mélangeur, permettant un mélange de diffusion accru.La soustraction de l'onde sinusoïdale devrait augmenter à mesure que le débit diminue davantage.Cependant, pour le plus grand volume de mélangeur avec l'atténuation de base de l'onde sinusoïdale la plus élevée, l'atténuation de base de l'onde sinusoïdale est restée pratiquement inchangée (dans la plage d'incertitude expérimentale), avec des valeurs allant de 95 % à 98 %.Riz.10. Atténuation basique d'une onde sinusoïdale en fonction du débit dans le cas 1. Le test a été réalisé dans des conditions similaires au test sinusoïdal à débit variable, en injectant 80% d'un mélange 80/20 d'acétonitrile et d'eau et 20% d'acétate d'ammonium 20 mM.
La gamme nouvellement développée de mélangeurs statiques en ligne PerfectPeakTM brevetés avec trois volumes internes : 30 µl, 60 µl et 90 µl couvre la plage de volume et de performance de mélange requise pour la plupart des analyses HPLC nécessitant un mélange amélioré et des planchers à faible dispersion.Le nouveau mélangeur statique y parvient en utilisant une nouvelle technologie d'impression 3D pour créer une structure 3D unique qui fournit un mélange statique hydrodynamique amélioré avec le pourcentage le plus élevé de réduction du bruit de base par unité de volume de mélange interne.L'utilisation de 1/3 du volume interne d'un mélangeur conventionnel réduit le bruit de base de 98 %.De tels mélangeurs sont constitués de canaux d'écoulement tridimensionnels interconnectés avec différentes zones de section transversale et différentes longueurs de trajet lorsque le liquide traverse des barrières géométriques complexes à l'intérieur.La nouvelle famille de mélangeurs statiques offre des performances améliorées par rapport aux mélangeurs concurrents, mais avec moins de volume interne, ce qui se traduit par un meilleur rapport signal/bruit et des limites de quantification plus basses, ainsi qu'une forme de pic, une efficacité et une résolution améliorées pour une sensibilité plus élevée.
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