Een revolutionaire nieuwe inline statische mixer is speciaal ontwikkeld om te voldoen aan de strenge eisen van high performance liquid chromatography (HPLC) en ultra high performance liquid chromatography (HPLC en UHPLC) systemen.Slechte menging van twee of meer mobiele fasen kan resulteren in een hogere signaal-ruisverhouding, wat de gevoeligheid vermindert.Homogene statische menging van twee of meer vloeistoffen met een minimaal intern volume en fysieke afmetingen van een statische mixer vertegenwoordigt de hoogste standaard van een ideale statische mixer.De nieuwe statische mixer bereikt dit door nieuwe 3D-printtechnologie te gebruiken om een ​​unieke 3D-structuur te creëren die zorgt voor een verbeterde hydrodynamische statische menging met het hoogste percentage vermindering van de basissinusgolf per eenheid intern volume van het mengsel.Door 1/3 van het interne volume van een conventionele mixer te gebruiken, wordt de basissinusgolf met 98% verminderd.De mixer bestaat uit onderling verbonden 3D-stroomkanalen met variërende dwarsdoorsneden en padlengtes terwijl de vloeistof complexe 3D-geometrieën doorkruist.Mengen langs meerdere kronkelige stroompaden, gecombineerd met lokale turbulentie en draaikolken, resulteert in menging op micro-, meso- en macroschaal.Deze unieke mixer is ontworpen met behulp van computational fluid dynamics (CFD) simulaties.De gepresenteerde testgegevens laten zien dat een uitstekende menging wordt bereikt met een minimaal intern volume.
Al meer dan 30 jaar wordt vloeistofchromatografie in veel industrieën gebruikt, waaronder farmaceutica, pesticiden, milieubescherming, forensisch onderzoek en chemische analyse.Het vermogen om te meten tot delen per miljoen of minder is van cruciaal belang voor technologische ontwikkeling in elke branche.Slechte mengefficiëntie leidt tot een slechte signaal-ruisverhouding, wat een ergernis is voor de chromatografiegemeenschap in termen van detectielimieten en gevoeligheid.Bij het mengen van twee HPLC-oplosmiddelen is het soms nodig om het mengen met externe middelen te forceren om de twee oplosmiddelen te homogeniseren, omdat sommige oplosmiddelen niet goed mengen.Als de oplosmiddelen niet grondig worden gemengd, kan er verslechtering van het HPLC-chromatogram optreden, wat zich uit als overmatige basislijnruis en/of een slechte piekvorm.Bij slechte menging zal basislijnruis in de loop van de tijd verschijnen als een sinusgolf (stijgend en dalend) van het detectorsignaal.Tegelijkertijd kan een slechte menging leiden tot verbredende en asymmetrische pieken, waardoor de analytische prestaties, piekvorm en piekresolutie afnemen.De industrie heeft erkend dat in-line en T-statische mixers een middel zijn om deze limieten te verbeteren en gebruikers in staat te stellen lagere detectielimieten (gevoeligheden) te bereiken.De ideale statische menger combineert de voordelen van hoge mengefficiëntie, laag dood volume en lage drukval met minimaal volume en maximale systeemdoorvoer.Bovendien moeten analisten naarmate de analyse complexer wordt routinematig meer polaire en moeilijk te mengen oplosmiddelen gebruiken.Dit betekent dat beter mengen een must is voor toekomstige tests, waardoor de behoefte aan superieur mixerontwerp en -prestaties verder toeneemt.
Mott heeft onlangs een nieuwe reeks gepatenteerde PerfectPeakTM inline statische mixers ontwikkeld met drie interne volumes: 30 µl, 60 µl en 90 µl.Deze maten dekken het bereik van volumes en mengkarakteristieken die nodig zijn voor de meeste HPLC-tests waar verbeterde menging en lage dispersie vereist zijn.Alle drie de modellen hebben een diameter van 0,5″ en leveren toonaangevende prestaties in een compact ontwerp.Ze zijn gemaakt van 316L roestvrij staal, gepassiveerd voor inertie, maar titanium en andere corrosiebestendige en chemisch inerte metaallegeringen zijn ook verkrijgbaar.Deze mixers hebben een maximale werkdruk tot 20.000 psi.Op afb.1a is een foto van een Mott statische mixer van 60 µl, ontworpen om maximale mengefficiëntie te verschaffen terwijl een kleiner intern volume wordt gebruikt dan standaard mixers van dit type.Dit nieuwe statische mixerontwerp maakt gebruik van nieuwe additive manufacturing-technologie om een ​​unieke 3D-structuur te creëren die minder interne stroming gebruikt dan elke mixer die momenteel in de chromatografie-industrie wordt gebruikt om statische menging te bereiken.Dergelijke mixers bestaan ​​uit onderling verbonden driedimensionale stromingskanalen met verschillende dwarsdoorsneden en verschillende weglengtes wanneer de vloeistof binnenin complexe geometrische barrières passeert.Op afb.Afbeelding 1b toont een schematisch diagram van de nieuwe mixer, die industriestandaard 10-32 HPLC-compressiefittingen met schroefdraad gebruikt voor inlaat en uitlaat, en gearceerde blauwe randen heeft van de gepatenteerde interne mixerpoort.Verschillende dwarsdoorsneden van de interne stromingsbanen en veranderingen in stromingsrichting binnen het interne stromingsvolume creëren gebieden met turbulente en laminaire stroming, waardoor menging op micro-, meso- en macroschaal ontstaat.Het ontwerp van deze unieke mixer maakte gebruik van computational fluid dynamics (CFD)-simulaties om stromingspatronen te analyseren en het ontwerp te verfijnen voordat er prototypen werden gemaakt voor interne analytische tests en klantevaluaties.Additive manufacturing is het proces waarbij geometrische componenten in 3D rechtstreeks vanuit CAD-tekeningen worden geprint zonder de noodzaak van traditionele machinale bewerkingen (freesmachines, draaibanken, enz.).Deze nieuwe statische mixers zijn ontworpen om te worden vervaardigd met behulp van dit proces, waarbij het mixerlichaam wordt gemaakt op basis van CAD-tekeningen en de onderdelen laag voor laag worden vervaardigd (gedrukt) met behulp van additive manufacturing.Hier wordt een laag metaalpoeder van ongeveer 20 micron dik neergeslagen en een computergestuurde laser smelt en smelt het poeder selectief samen tot een vaste vorm.Breng nog een laag aan bovenop deze laag en pas lasersintering toe.Herhaal dit proces totdat het onderdeel helemaal af is.Het poeder wordt vervolgens verwijderd van het niet-lasergebonden onderdeel, waardoor een 3D-geprint onderdeel overblijft dat overeenkomt met de originele CAD-tekening.Het eindproduct lijkt enigszins op het microfluïdische proces, met als belangrijkste verschil dat de microfluïdische componenten meestal tweedimensionaal (plat) zijn, terwijl met additive manufacturing complexe stromingspatronen kunnen worden gecreëerd in driedimensionale geometrie.Deze kranen zijn momenteel verkrijgbaar als 3D-geprinte onderdelen in 316L roestvrij staal en titanium.De meeste metaallegeringen, polymeren en sommige keramieken kunnen worden gebruikt om componenten te maken met deze methode en zullen worden overwogen in toekomstige ontwerpen/producten.
Rijst.1. Foto (a) en diagram (b) van een 90 μl Mott statische mixer met een blauw gearceerde dwarsdoorsnede van het vloeistofstroompad van de mixer.
Voer computational fluid dynamics (CFD)-simulaties uit van de prestaties van statische mixers tijdens de ontwerpfase om efficiënte ontwerpen te helpen ontwikkelen en tijdrovende en kostbare trial-and-error-experimenten te verminderen.CFD-simulatie van statische mixers en standaard piping (no-mixer-simulatie) met behulp van het COMSOL Multiphysics-softwarepakket.Modellering met behulp van drukgestuurde laminaire vloeistofmechanica om vloeistofsnelheid en -druk binnen een onderdeel te begrijpen.Deze vloeistofdynamica, gecombineerd met het chemische transport van verbindingen in de mobiele fase, helpt het mengen van twee verschillende geconcentreerde vloeistoffen te begrijpen.Het model wordt bestudeerd als een functie van de tijd, gelijk aan 10 seconden, om de berekening te vergemakkelijken bij het zoeken naar vergelijkbare oplossingen.Theoretische gegevens werden verkregen in een tijd-gecorreleerde studie met behulp van de puntsonde-projectietool, waarbij een punt in het midden van de uitgang werd gekozen voor gegevensverzameling.Het CFD-model en de experimentele tests gebruikten twee verschillende oplosmiddelen via een proportioneel bemonsteringsventiel en pompsysteem, wat resulteerde in een vervangende plug voor elk oplosmiddel in de bemonsteringsleiding.Deze oplosmiddelen worden vervolgens gemengd in een statische mixer.Figuren 2 en 3 tonen respectievelijk stromingssimulaties door een standaardleiding (geen menger) en door een Mott statische menger.De simulatie werd uitgevoerd op een rechte buis van 5 cm lang en 0,25 mm ID om het concept te demonstreren van afwisselende proppen water en zuiver acetonitril in de buis bij afwezigheid van een statische mixer, zoals weergegeven in figuur 2. De simulatie gebruikte de exacte afmetingen van de buis en mixer en een stroomsnelheid van 0,3 ml/min.
Rijst.2. Simulatie van de CFD-stroom in een buis van 5 cm met een inwendige diameter van 0,25 mm om weer te geven wat er gebeurt in een HPLC-buis, dwz bij afwezigheid van een mixer.Volledig rood vertegenwoordigt de massafractie van water.Blauw staat voor het gebrek aan water, dwz pure acetonitril.Er zijn diffusiegebieden te zien tussen afwisselende pluggen van twee verschillende vloeistoffen.
Rijst.3. Statische mixer met een inhoud van 30 ml, gemodelleerd in het COMSOL CFD softwarepakket.De legenda geeft de massafractie water in de mixer weer.Zuiver water wordt weergegeven in rood en puur acetonitril in blauw.De verandering in de massafractie van het gesimuleerde water wordt weergegeven door een verandering in de kleur van het mengen van twee vloeistoffen.
Op afb.4 toont een validatiestudie van het correlatiemodel tussen mengefficiëntie en mengvolume.Naarmate het mengvolume toeneemt, neemt de mengefficiëntie toe.Voor zover de auteurs weten, kunnen andere complexe fysieke krachten die in de mixer werken niet worden verklaard in dit CFD-model, wat resulteert in een hogere mengefficiëntie in experimentele tests.De experimentele mengefficiëntie werd gemeten als het percentage reductie in de basissinusoïde.Bovendien resulteert verhoogde tegendruk meestal in hogere mengniveaus, waarmee in de simulatie geen rekening wordt gehouden.
De volgende HPLC-omstandigheden en testopstelling werden gebruikt om ruwe sinusgolven te meten om de relatieve prestaties van verschillende statische mixers te vergelijken.Het diagram in afbeelding 5 toont een typische lay-out van een HPLC/UHPLC-systeem.De statische menger is getest door de menger direct achter de pomp en voor de injector en scheidingskolom te plaatsen.De meeste sinusoïdale achtergrondmetingen worden uitgevoerd zonder de injector en capillaire kolom tussen de statische mixer en de UV-detector.Bij het evalueren van de signaal-ruisverhouding en/of het analyseren van de piekvorm, wordt de systeemconfiguratie weergegeven in afbeelding 5.
Figuur 4. Plot van mengefficiëntie versus mengvolume voor een reeks statische mengers.De theoretische onzuiverheid volgt dezelfde trend als de experimentele onzuiverheidsgegevens die de validiteit van de CFD-simulaties bevestigen.
Het HPLC-systeem dat voor deze test werd gebruikt, was een Agilent 1100-serie HPLC met een UV-detector die werd bestuurd door een pc met Chemstation-software.Tabel 1 toont typische afstemmingsomstandigheden voor het meten van mixerefficiëntie door basissinusoïden te bewaken in twee casestudy's.Experimentele tests werden uitgevoerd op twee verschillende voorbeelden van oplosmiddelen.De twee oplosmiddelen gemengd in geval 1 waren oplosmiddel A (20 mM ammoniumacetaat in gedeïoniseerd water) en oplosmiddel B (80% acetonitril (ACN)/20% gedeïoniseerd water).In geval 2 was oplosmiddel A een oplossing van 0,05% aceton (label) in gedeïoniseerd water.Oplosmiddel B is een mengsel van 80/20% methanol en water.In geval 1 was de pomp ingesteld op een debiet van 0,25 ml/min tot 1,0 ml/min en in geval 2 was de pomp ingesteld op een constant debiet van 1 ml/min.In beide gevallen was de verhouding van het mengsel van oplosmiddelen A en B 20% A/80% B. De detector was ingesteld op 220 nm in geval 1 en de maximale absorptie van aceton in geval 2 was ingesteld op een golflengte van 265 nm.
Tabel 1. HPLC-configuraties voor Geval 1 en 2 Geval 1 Geval 2 Pompsnelheid 0,25 ml/min tot 1,0 ml/min 1,0 ml/min Oplosmiddel A 20 mM ammoniumacetaat in gedeïoniseerd water 0,05% Aceton in gedeïoniseerd water Oplosmiddel B 80% Acetonitril (ACN) / 20% gedeïoniseerd water 80% methanol / 20% gedeïoniseerd water Oplosmiddelverhouding 20% ​​A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Rijst.6. Plots van gemengde sinusgolven gemeten voor en na toepassing van een laagdoorlaatfilter om basislijndriftcomponenten van het signaal te verwijderen.
Afbeelding 6 is een typisch voorbeeld van gemengde basislijnruis in geval 1, weergegeven als een zich herhalend sinusvormig patroon bovenop de basislijnafwijking.Baseline drift is een langzame toename of afname van het achtergrondsignaal.Als het systeem niet lang genoeg in evenwicht kan komen, zal het meestal vallen, maar het zal onregelmatig afdrijven, zelfs als het systeem volledig stabiel is.Deze basislijndrift heeft de neiging toe te nemen wanneer het systeem werkt op steile hellingen of in omstandigheden met hoge tegendruk.Wanneer deze basislijnafwijking aanwezig is, kan het moeilijk zijn om de resultaten van monster tot monster te vergelijken. Dit kan worden opgelost door een laagdoorlaatfilter op de onbewerkte gegevens toe te passen om deze laagfrequente variaties eruit te filteren, waardoor een oscillatiegrafiek met een vlakke basislijn.Op afb.Figuur 6 toont ook een grafiek van de basislijnruis van de mixer na toepassing van een laagdoorlaatfilter.
Na het voltooien van de CFD-simulaties en de eerste experimentele tests, werden vervolgens drie afzonderlijke statische mixers ontwikkeld met behulp van de hierboven beschreven interne componenten met drie interne volumes: 30 µl, 60 µl en 90 µl.Dit assortiment dekt het bereik van volumes en mengprestaties die vereist zijn voor HPLC-toepassingen met een laag analytgehalte, waarbij verbeterde menging en lage dispersie vereist zijn om basislijnen met lage amplitude te produceren.Op afb.7 toont basale sinusgolfmetingen verkregen op het testsysteem van Voorbeeld 1 (acetonitril en ammoniumacetaat als tracers) met drie volumes statische mixers en geen mixers geïnstalleerd.Experimentele testomstandigheden voor de in figuur 7 getoonde resultaten werden tijdens alle 4 tests constant gehouden volgens de in tabel 1 geschetste procedure bij een oplosmiddelstroomsnelheid van 0,5 ml/min.Pas een offsetwaarde toe op de datasets zodat ze naast elkaar kunnen worden weergegeven zonder signaaloverlapping.Offset heeft geen invloed op de amplitude van het signaal dat wordt gebruikt om het prestatieniveau van de mixer te beoordelen.De gemiddelde sinusvormige amplitude zonder de mixer was 0,221 mAi, terwijl de amplitudes van de statische Mott-mixers bij 30 µl, 60 µl en 90 µl daalden tot respectievelijk 0,077, 0,017 en 0,004 mAi.
Afbeelding 7. HPLC UV-detectorsignaaloffset vs. tijd voor geval 1 (acetonitril met ammoniumacetaatindicator) die het mengen van het oplosmiddel laat zien zonder mixer, 30 µl, 60 µl en 90 µl Mott-mixers die een verbeterde menging laten zien (lagere signaalamplitude) naarmate het volume van de statische mixer toeneemt.(werkelijke gegevensoffsets: 0,13 (geen mixer), 0,32, 0,4, 0,45 mA voor betere weergave).
De gegevens getoond in afb.8 zijn hetzelfde als in Fig. 7, maar deze keer bevatten ze de resultaten van drie algemeen gebruikte HPLC statische mixers met interne volumes van 50 µl, 150 µl en 250 µl.Rijst.Afbeelding 8. HPLC UV-detectorsignaaloffset versus tijdgrafiek voor geval 1 (acetonitril en ammoniumacetaat als indicatoren) die het mengen van oplosmiddel zonder statische mixer, de nieuwe serie Mott statische mixers en drie conventionele mixers toont (werkelijke gegevensoffset is respectievelijk 0,1 (zonder mixer), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA voor een beter weergave-effect).De procentuele reductie van de basissinusgolf wordt berekend door de verhouding van de amplitude van de sinusgolf tot de amplitude zonder geïnstalleerde mixer.De gemeten sinusgolfverzwakkingspercentages voor Case 1 en 2 staan ​​vermeld in Tabel 2, samen met de interne volumes van een nieuwe statische mixer en zeven standaard mixers die gewoonlijk in de industrie worden gebruikt.De gegevens in figuren 8 en 9, evenals de berekeningen in tabel 2, laten zien dat de Mott Static Mixer tot 98,1% sinusgolfverzwakking kan bieden, veel beter dan de prestaties van een conventionele HPLC-mixer onder deze testomstandigheden.Afbeelding 9. HPLC UV-detectorsignaaloffset versus tijdgrafiek voor geval 2 (methanol en aceton als tracers) zonder statische mixer (gecombineerd), een nieuwe serie Mott statische mixers en twee conventionele mixers (werkelijke gegevensoffsets zijn 0, 11 (zonder mixer.), 0,22, 0,3, 0,35 mA en voor betere weergave).Ook werden zeven veelgebruikte mixers in de industrie geëvalueerd.Dit zijn onder andere mixers met drie verschillende interne volumes van bedrijf A (aangeduid Mixer A1, A2 en A3) en bedrijf B (aangeduid Mixer B1, B2 en B3).Bedrijf C beoordeelde slechts één maat.
Tabel 2. Roerkarakteristieken van de statische mixer en intern volume Statische mixer Geval 1 Sinusoïdaal herstel: Acetonitriltest (efficiëntie) Geval 2 Sinusoïdaal herstel: Methanol Watertest (efficiëntie) Intern volume (µl) Geen mixer – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1 % 97,5% 90 Mixer A1 66,4% 73,7% 50 Mixer A2 89,8% 91,6% 150 Mixer A3 92,2% 94,5% 250 Mixer B1 44,8% 45,7% 9 35 Mixer B2 845,% 96,2% 370 Mixer C 97,2% 97. 4% 250
Analyse van de resultaten in Figuur 8 en Tabel 2 laat zien dat de 30 µl Mott statische mixer dezelfde mengefficiëntie heeft als de A1 mixer, dwz 50 µl, de 30 µl Mott heeft echter 30% minder intern volume.Bij vergelijking van de 60 µl Mott-menger met de 150 µl A2-menger met intern volume, was er een lichte verbetering in de mengefficiëntie van 92% versus 89%, maar wat nog belangrijker is, dit hogere mengniveau werd bereikt bij 1/3 van het mixervolume.vergelijkbare mixer A2.De prestaties van de 90 µl Mott-menger volgden dezelfde trend als de A3-menger met een intern volume van 250 µl.Verbeteringen in mengprestaties van 98% en 92% werden ook waargenomen met een 3-voudige vermindering van het interne volume.Vergelijkbare resultaten en vergelijkingen werden verkregen voor mixers B en C. Als gevolg hiervan biedt de nieuwe serie statische mixers Mott PerfectPeakTM een hogere mengefficiëntie dan vergelijkbare mixers van de concurrentie, maar met minder intern volume, betere achtergrondruis en een betere signaal-ruisverhouding, betere gevoeligheid Analyt, piekvorm en piekresolutie.Vergelijkbare trends in mengefficiëntie werden waargenomen in zowel case 1- als case 2-onderzoeken.Voor geval 2 werden tests uitgevoerd met (methanol en aceton als indicatoren) om de mengefficiëntie van 60 ml Mott, een vergelijkbare mixer A1 (intern volume 50 µl) en een vergelijkbare mixer B1 (intern volume 35 µl) te vergelijken., de prestaties waren slecht zonder geïnstalleerde mixer, maar het werd gebruikt voor basislijnanalyse.De 60 ml Mott-mixer bleek de beste mixer in de testgroep te zijn, met een toename van 90% in de mengefficiëntie.Een vergelijkbare Mixer A1 zag een verbetering van 75% in mengefficiëntie, gevolgd door een verbetering van 45% in een vergelijkbare B1-menger.Een basale sinusgolfreductietest met stroomsnelheid werd uitgevoerd op een reeks mixers onder dezelfde omstandigheden als de sinuskrommetest in geval 1, waarbij alleen de stroomsnelheid werd gewijzigd.De gegevens toonden aan dat in het bereik van stroomsnelheden van 0,25 tot 1 ml/min de initiële afname van de sinusgolf relatief constant bleef voor alle drie de mixervolumes.Voor de twee mixers met een kleiner volume is er een lichte toename van de sinusoïdale samentrekking naarmate de stroomsnelheid afneemt, wat wordt verwacht vanwege de langere verblijftijd van het oplosmiddel in de mixer, waardoor meer diffusiemenging mogelijk is.De aftrekking van de sinusgolf zal naar verwachting toenemen naarmate de stroom verder afneemt.Voor het grootste mixervolume met de hoogste sinusgolfbasisverzwakking bleef de sinusgolfbasisverzwakking echter vrijwel ongewijzigd (binnen het bereik van experimentele onzekerheid), met waarden variërend van 95% tot 98%.Rijst.10. Basisverzwakking van een sinusgolf versus stroomsnelheid in geval 1. De test werd uitgevoerd onder omstandigheden vergelijkbaar met de sinustest met variabele stroomsnelheid, waarbij 80% van een 80/20 mengsel van acetonitril en water en 20% van 20 mM ammoniumacetaat werd geïnjecteerd.
Het nieuw ontwikkelde assortiment gepatenteerde PerfectPeakTM inline statische mixers met drie interne volumes: 30 µl, 60 µl en 90 µl dekt het volume- en mengprestatiebereik dat vereist is voor de meeste HPLC-analyses die verbeterde menging en lage dispersievloeren vereisen.De nieuwe statische mixer bereikt dit door gebruik te maken van nieuwe 3D-printtechnologie om een ​​unieke 3D-structuur te creëren die zorgt voor verbeterde hydrodynamische statische menging met het hoogste percentage reductie in basisgeluid per volume-eenheid intern mengsel.Door 1/3 van het interne volume van een conventionele mixer te gebruiken, wordt het basisgeluid met 98% verminderd.Dergelijke mixers bestaan ​​uit onderling verbonden driedimensionale stromingskanalen met verschillende dwarsdoorsneden en verschillende weglengtes wanneer de vloeistof binnenin complexe geometrische barrières passeert.De nieuwe familie van statische mixers biedt verbeterde prestaties ten opzichte van concurrerende mixers, maar met minder intern volume, wat resulteert in een betere signaal-ruisverhouding en lagere kwantificeringslimieten, evenals verbeterde piekvorm, efficiëntie en resolutie voor hogere gevoeligheid.
In dit nummer Chromatografie – Milieuvriendelijke RP-HPLC – Gebruik van core-shell chromatografie om acetonitril te vervangen door isopropanol bij analyse en zuivering – Nieuwe gaschromatograaf voor…
Business Centre International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Verenigd Koninkrijk