Новий революційний вбудований статичний змішувач був розроблений спеціально для задоволення суворих вимог систем високоефективної рідинної хроматографії (ВЕРХ) і рідинної хроматографії надвисокої ефективності (ВЕРХ і УВЕРХ).Погане змішування двох або більше рухомих фаз може призвести до більш високого співвідношення сигнал/шум, що знижує чутливість.Гомогенне статичне змішування двох або більше рідин із мінімальним внутрішнім об’ємом і фізичними розмірами статичного змішувача є найвищим стандартом ідеального статичного змішувача.Новий статичний змішувач досягає цього завдяки використанню нової технології 3D-друку для створення унікальної 3D-структури, яка забезпечує покращене гідродинамічне статичне змішування з найвищим відсотком зменшення базової синусоїди на одиницю внутрішнього об’єму суміші.Використання 1/3 внутрішнього об'єму звичайного змішувача зменшує основну синусоїду на 98%.Змішувач складається з взаємопов’язаних тривимірних каналів потоку з різними площами поперечного перерізу та довжиною шляху, коли рідина перетинає складну тривимірну геометрію.Змішування вздовж кількох звивистих шляхів потоку в поєднанні з місцевою турбулентністю та завихреннями призводить до змішування на мікро-, мезо- та макромасштабах.Цей унікальний змішувач розроблено з використанням обчислювальної гідродинаміки (CFD).Представлені дані випробувань показують, що чудове змішування досягається при мінімальному внутрішньому об’ємі.
Понад 30 років рідинна хроматографія використовується в багатьох галузях промисловості, включаючи фармацевтику, пестициди, охорону навколишнього середовища, криміналістику та хімічний аналіз.Здатність вимірювати до частин на мільйон або менше є критично важливою для технологічного розвитку будь-якої галузі.Низька ефективність змішування призводить до поганого співвідношення сигнал/шум, що дратує спільноту хроматографів з точки зору меж виявлення та чутливості.Під час змішування двох розчинників ВЕРХ іноді необхідно примусово змішувати зовнішні засоби для гомогенізації двох розчинників, оскільки деякі розчинники погано змішуються.Якщо розчинники не ретельно змішані, може виникнути погіршення хроматограми ВЕРХ, що проявлятиметься у вигляді надмірного базового шуму та/або поганої форми піку.При поганому змішуванні базовий шум буде виглядати як синусоїда (наростаюча та спадаюча) сигналу детектора з часом.У той же час погане змішування може призвести до розширення та асиметричних піків, зниження аналітичної продуктивності, форми піку та роздільної здатності піку.Промисловість визнала, що вбудовані та трійникові статичні змішувачі є засобом покращення цих обмежень і дозволяють користувачам досягти нижчих меж виявлення (чутливості).Ідеальний статичний змішувач поєднує в собі переваги високої ефективності змішування, низького мертвого об’єму та низького перепаду тиску з мінімальним об’ємом і максимальною пропускною здатністю системи.Крім того, оскільки аналіз стає складнішим, аналітики повинні регулярно використовувати більш полярні та складні для змішування розчинники.Це означає, що краще змішування є обов’язковим для майбутніх випробувань, що ще більше підвищує потребу в чудовому дизайні та продуктивності міксера.
Компанія Mott нещодавно розробила нову лінійку запатентованих вбудованих статичних міксерів PerfectPeakTM із трьома внутрішніми об’ємами: 30 мкл, 60 мкл і 90 мкл.Ці розміри покривають діапазон об’ємів і характеристик змішування, необхідних для більшості тестів ВЕРХ, де потрібні покращене змішування та низька дисперсія.Усі три моделі мають діаметр 0,5 дюйма та забезпечують найкращу в галузі продуктивність у компактному дизайні.Вони виготовлені з нержавіючої сталі 316L, пасивованої для інертності, але також доступні титан та інші стійкі до корозії та хімічно інертні металеві сплави.Ці змішувачі мають максимальний робочий тиск до 20 000 psi.На рис.1а є фотографія статичного змішувача Mott об’ємом 60 мкл, розробленого для забезпечення максимальної ефективності змішування при використанні меншого внутрішнього об’єму, ніж стандартні змішувачі цього типу.Ця нова конструкція статичного змішувача використовує нову технологію виробництва добавок для створення унікальної 3D-структури, яка використовує менший внутрішній потік, ніж будь-який змішувач, який зараз використовується в хроматографічній промисловості для досягнення статичного змішування.Такі змішувачі складаються з взаємопов’язаних тривимірних каналів потоку з різною площею поперечного перерізу та різною довжиною шляху, оскільки рідина перетинає складні геометричні бар’єри всередині.На рис.На малюнку 1b показано принципову діаграму нового змішувача, у якому використовуються промислові стандартні різьбові компресійні фітинги ВЕРХ 10-32 для входу та виходу, а також заштриховані синіми рамками запатентованого внутрішнього порту змішувача.Різні площі поперечного перерізу шляхів внутрішнього потоку та зміни напрямку потоку у внутрішньому об’ємі потоку створюють області турбулентного та ламінарного потоку, викликаючи змішування на мікро-, мезо- та макромасштабах.У конструкції цього унікального змішувача використовувалося моделювання обчислювальної гідродинаміки (CFD) для аналізу моделей потоку та вдосконалення конструкції перед створенням прототипу для внутрішнього аналітичного тестування та оцінки замовником.Адитивне виробництво — це процес друку 3D-геометричних компонентів безпосередньо з креслень CAD без необхідності традиційної механічної обробки (фрезерні верстати, токарні верстати тощо).Ці нові статичні змішувачі розроблені для виготовлення за допомогою цього процесу, де корпус змішувача створюється з креслень САПР, а деталі виготовляються (друкуються) шар за шаром за допомогою адитивного виробництва.Тут наноситься шар металевого порошку товщиною близько 20 мікрон, а керований комп’ютером лазер вибірково розплавляє та перетворює порошок у тверду форму.Поверх цього шару нанесіть ще один шар і застосуйте лазерне спікання.Повторюйте цей процес, поки деталь не буде повністю готова.Потім порошок видаляється з частини, не скріпленої лазером, залишаючи 3D-друковану частину, яка відповідає оригінальному кресленню CAD.Кінцевий продукт дещо схожий на мікрофлюїдний процес, головна відмінність полягає в тому, що мікрофлюїдні компоненти зазвичай є двовимірними (плоскими), тоді як за допомогою адитивного виробництва можна створювати складні схеми потоку в тривимірній геометрії.Наразі ці змішувачі доступні як 3D-друковані деталі з нержавіючої сталі 316L і титану.Більшість металевих сплавів, полімерів і деяких видів кераміки можна використовувати для виготовлення компонентів за допомогою цього методу, і вони будуть розглянуті в майбутніх конструкціях/продуктах.
Рис.1. Фотографія (a) і діаграма (b) статичного змішувача Mott на 90 мкл, що показує поперечний переріз шляху потоку рідини змішувача, затінений синім кольором.
Виконайте обчислювальну гідродинаміку (CFD) моделювання продуктивності статичного змішувача на етапі проектування, щоб допомогти розробити ефективні конструкції та скоротити трудомісткі та дорогі експерименти методом проб і помилок.CFD моделювання статичних змішувачів і стандартних трубопроводів (моделювання без змішувача) за допомогою програмного пакета COMSOL Multiphysics.Моделювання за допомогою ламінарної механіки рідини, керованої тиском, для розуміння швидкості рідини та тиску всередині деталі.Ця динаміка рідини в поєднанні з хімічним транспортом сполук рухомої фази допомагає зрозуміти змішування двох різних концентрованих рідин.Модель досліджується як функція часу, що дорівнює 10 секундам, для зручності розрахунків під час пошуку порівнянних рішень.Теоретичні дані були отримані в корельованому за часом дослідженні з використанням інструменту проекції точкового зонда, де для збору даних була обрана точка в середині виходу.Модель CFD та експериментальні випробування використовували два різні розчинники через пропорційний пробовідбірний клапан і насосну систему, що призвело до заміни пробки для кожного розчинника в пробовідбірній лінії.Потім ці розчинники змішують у статичному змішувачі.На малюнках 2 і 3 показано моделювання потоку через стандартну трубу (без змішувача) і через статичний змішувач Мотта відповідно.Моделювання проводилося на прямій трубці довжиною 5 см і внутрішнім діаметром 0,25 мм, щоб продемонструвати концепцію чергування пробок води та чистого ацетонітрилу в трубку за відсутності статичного змішувача, як показано на малюнку 2. Моделювання використовувало точні розміри трубки та змішувача та швидкість потоку 0,3 мл/хв.
Рис.2. Моделювання CFD потоку в трубці діаметром 5 см із внутрішнім діаметром 0,25 мм, щоб показати, що відбувається в трубці HPLC, тобто за відсутності змішувача.Повний червоний колір означає масову частку води.Синій означає відсутність води, тобто чистого ацетонітрилу.Області дифузії можна побачити між пробками двох різних рідин, що чергуються.
Рис.3. Статичний змішувач об’ємом 30 мл, змодельований у програмному пакеті COMSOL CFD.Під легендою вказано масову частку води в змішувачі.Чиста вода показана червоним кольором, а чистий ацетонітрил – синім.Зміна масової частки змодельованої води представлена ​​зміною кольору змішування двох рідин.
На рис.4 показує перевірку моделі кореляції між ефективністю змішування та об'ємом змішування.Зі збільшенням об’єму змішування ефективність змішування зростатиме.Наскільки відомо авторам, інші комплексні фізичні сили, що діють всередині змішувача, не можуть бути враховані в цій моделі CFD, що призводить до вищої ефективності змішування в експериментальних тестах.Експериментальна ефективність змішування вимірювалася як відсоток зменшення базової синусоїди.Крім того, підвищений протитиск зазвичай призводить до більш високих рівнів змішування, які не враховуються при моделюванні.
Наведені нижче умови ВЕРХ і тестова установка використовувалися для вимірювання необроблених синусоїдальних хвиль для порівняння відносної продуктивності різних статичних змішувачів.Діаграма на малюнку 5 показує типову схему системи ВЕРХ/УВЕРХ.Статичний змішувач випробували шляхом розміщення змішувача безпосередньо після насоса та перед інжектором і колоною розділення.Більшість фонових синусоїдальних вимірювань виконуються в обхід інжектора та капілярної колонки між статичним змішувачем і УФ-детектором.При оцінці відношення сигнал/шум та/або аналізі форми піку конфігурація системи показана на малюнку 5.
Рисунок 4. Графік залежності ефективності змішування від об’єму змішування для ряду статичних змішувачів.Теоретична домішка має ту саму тенденцію, що й експериментальні дані про домішки, що підтверджує достовірність CFD моделювання.
Система ВЕРХ, використана для цього тесту, була ВЕРХ серії Agilent 1100 з УФ-детектором, керованим ПК із програмним забезпеченням Chemstation.Таблиця 1 показує типові умови налаштування для вимірювання ефективності змішувача шляхом моніторингу основних синусоїд у двох прикладах.Експериментальні випробування проводилися на двох різних прикладах розчинників.Два розчинники, змішані у випадку 1, були розчинником А (20 мМ ацетату амонію в деіонізованій воді) і розчинником В (80% ацетонітрилу (ACN)/20% деіонізованої води).У випадку 2 розчинником A був розчин 0,05% ацетону (мітка) у деіонізованій воді.Розчинник B являє собою суміш 80/20% метанолу і води.У випадку 1 насос налаштували на швидкість потоку від 0,25 мл/хв до 1,0 мл/хв, а у випадку 2 насос налаштували на постійну швидкість потоку 1 мл/хв.В обох випадках співвідношення суміші розчинників A і B було 20% A/80% B. Детектор було встановлено на 220 нм у випадку 1, а максимальне поглинання ацетону у випадку 2 було встановлено на довжину хвилі 265 нм.
Таблиця 1. Конфігурації ВЕРХ для випадків 1 і 2. Випадок 1. Випадок 2. Швидкість насоса від 0,25 мл/хв до 1,0 мл/хв 1,0 мл/хв Розчинник A 20 мМ ацетат амонію в деіонізованій воді 0,05 % Ацетон у деіонізованій воді Розчинник B 80 % Ацетонітрил (ACN) / 20 % деіонізована вода 80 % метанол / 20 % деіонізованої води Співвідношення розчинника 20% A / 80% B 20% A / 80% B Детектор 220 нм 265 нм
Рис.6. Графіки змішаних синусоїдальних хвиль, виміряних до та після застосування фільтра низьких частот для видалення базових компонентів дрейфу сигналу.
Рисунок 6 є типовим прикладом змішаного базового шуму у випадку 1, показаного як повторювана синусоїдальна картина, накладена на дрейф базової лінії.Дрейф базової лінії – це повільне збільшення або зменшення фонового сигналу.Якщо системі не дати врівноважитись достатньо довго, вона зазвичай падає, але дрейфуватиме нерівномірно, навіть якщо система повністю стабільна.Цей базовий дрейф має тенденцію до збільшення, коли система працює в умовах крутого градієнта або високого протитиску.Коли присутній цей дрейф базової лінії, може бути важко порівняти результати від зразка до зразка, що можна подолати, застосувавши фільтр низьких частот до необроблених даних, щоб відфільтрувати ці низькочастотні варіації, таким чином забезпечуючи графік коливань з плоскою базовою лінією.На рис.На малюнку 6 також показаний графік базового шуму змішувача після застосування фільтра низьких частот.
Після завершення CFD моделювання та початкового експериментального тестування згодом було розроблено три окремі статичні змішувачі з використанням внутрішніх компонентів, описаних вище, з трьома внутрішніми об’ємами: 30 мкл, 60 мкл і 90 мкл.Цей діапазон охоплює діапазон об’ємів і продуктивності змішування, необхідних для застосувань ВЕРХ з низьким вмістом аналіту, де необхідні покращене змішування та низька дисперсія для отримання базових ліній низької амплітуди.На рис.7 показує базові вимірювання синусоїди, отримані на тестовій системі прикладу 1 (ацетонітрил і ацетат амонію як індикатори) з трьома об'ємами статичних змішувачів і без встановлених змішувачів.Умови експериментальних випробувань для результатів, показаних на малюнку 7, підтримувалися постійними протягом усіх 4 випробувань відповідно до процедури, описаної в таблиці 1, при швидкості потоку розчинника 0,5 мл/хв.Застосуйте значення зсуву до наборів даних, щоб їх можна було відображати поруч без перекриття сигналу.Зсув не впливає на амплітуду сигналу, який використовується для визначення рівня продуктивності мікшера.Середня синусоїдальна амплітуда без змішувача становила 0,221 мАі, тоді як амплітуди статичних змішувачів Мотта при 30 мкл, 60 мкл і 90 мкл впали до 0,077, 0,017 і 0,004 мАі відповідно.
Малюнок 7. Зміщення сигналу УФ-детектора ВЕРХ від часу для випадку 1 (ацетонітрил з індикатором ацетату амонію), що демонструє змішування розчинника без змішувача, 30 мкл, 60 мкл і 90 мкл змішувачів Мотта, що демонструє покращене змішування (менша амплітуда сигналу), коли об’єм статичного змішувача збільшується.(фактичні зміщення даних: 0,13 (без змішувача), 0,32, 0,4, 0,45 мА для кращого відображення).
Дані, наведені на рис.8 такі ж, як на рис. 7, але цього разу вони включають результати трьох широко використовуваних статичних змішувачів ВЕРХ із внутрішніми об’ємами 50 мкл, 150 мкл і 250 мкл.Рис.Рисунок 8. Графік залежності зсуву сигналу УФ-детектора ВЕРХ від часу для випадку 1 (ацетонітрил і ацетат амонію як індикатори), що показує змішування розчинника без статичного змішувача, нової серії статичних змішувачів Mott і трьох звичайних змішувачів (фактичний зсув даних становить 0,1 (без змішувача), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 мА відповідно для кращого ефекту відображення).Відсоток зменшення базової синусоїди розраховується як відношення амплітуди синусоїди до амплітуди без встановленого змішувача.Виміряні відсотки ослаблення синусоїдальної хвилі для випадків 1 і 2 наведені в таблиці 2 разом із внутрішніми об’ємами нового статичного змішувача та семи стандартних змішувачів, які зазвичай використовуються в промисловості.Дані на малюнках 8 і 9, а також розрахунки, наведені в таблиці 2, показують, що статичний змішувач Mott може забезпечити до 98,1% ослаблення синусоїдальної хвилі, що значно перевищує продуктивність звичайного змішувача ВЕРХ за цих умов випробування.Малюнок 9. Графік залежності зміщення сигналу УФ-детектора ВЕРХ від часу для випадку 2 (метанол і ацетон як індикатори), що демонструє відсутність статичного змішувача (комбінованого), нову серію статичних змішувачів Mott і два звичайних змішувача (фактичні зміщення даних становлять 0, 11 (без змішувача), 0,22, 0,3, 0,35 мА та для кращого відображення).Також було оцінено сім міксерів, які зазвичай використовуються в промисловості.До них відносяться змішувачі з трьома різними внутрішніми об’ємами від компанії A (позначені змішувачами A1, A2 і A3) і компанії B (позначені змішувачами B1, B2 і B3).Компанія C оцінила лише один розмір.
Таблиця 2. Характеристики перемішування статичного змішувача та внутрішній об’єм Статичний змішувач Випадок 1 Синусоїдальне відновлення: Тест на ацетонітрил (ефективність) Випадок 2 Синусоїдальне відновлення: Метанол Водний тест (ефективність) Внутрішній об’єм (мкл) Без змішувача – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2 % 91,3% 60 Мотт 90 98,1% 97,5% 90 Змішувач A1 66,4% 73,7% 50 Змішувач A2 89,8% 91,6% 150 Змішувач A3 92,2% 94,5% 250 Змішувач B1 44,8% 45,7% 9 35 Змішувач B2 845 .% 96,2% 370 Змішувач С 97,2% 97,4% 250
Аналіз результатів на рисунку 8 і в таблиці 2 показує, що 30 мкл статичний змішувач Mott має таку саму ефективність змішування, як і змішувач A1, тобто 50 мкл, однак 30 мкл Mott має на 30% менший внутрішній об’єм.Порівнюючи 60-мкл міксер Mott з 150-мкл внутрішнім об’ємом міксера A2, спостерігалося невелике покращення ефективності змішування на 92% порівняно з 89%, але, що більш важливо, цього вищого рівня змішування було досягнуто при 1/3 об’єму змішувача.аналогічний змішувач А2.Продуктивність змішувача Mott на 90 мкл відповідала тій же тенденції, що й змішувача A3 із внутрішнім об’ємом 250 мкл.Поліпшення продуктивності змішування на 98% і 92% також спостерігалося при 3-кратному зменшенні внутрішнього об'єму.Подібні результати та порівняння були отримані для змішувачів B і C. У результаті нова серія статичних змішувачів Mott PerfectPeakTM забезпечує вищу ефективність змішування, ніж порівнювані змішувачі-конкуренти, але з меншим внутрішнім об’ємом, забезпечуючи кращий фоновий шум і краще співвідношення сигнал/шум, кращу чутливість Analyte, форму піку та роздільну здатність піку.Подібні тенденції в ефективності змішування спостерігалися як у дослідженнях випадку 1, так і в випадку 2.Для випадку 2 були проведені випробування (метанол і ацетон як індикатори) для порівняння ефективності змішування 60 мл Mott, порівнянного змішувача A1 (внутрішній об’єм 50 мкл) і порівнянного змішувача B1 (внутрішній об’єм 35 мкл)., продуктивність була поганою без встановленого змішувача, але його використовували для базового аналізу.Міксер Mott на 60 мл виявився найкращим міксером у досліджуваній групі, забезпечивши підвищення ефективності змішування на 90%.Порівняний змішувач A1 продемонстрував покращення ефективності змішування на 75%, а потім покращення на 45% у порівнянному змішувачі B1.Базовий тест на зменшення синусоїдальної хвилі зі швидкістю потоку проводився на серії змішувачів за тих самих умов, що й тест на синусоїдну у випадку 1, зі зміною лише швидкості потоку.Дані показали, що в діапазоні швидкостей потоку від 0,25 до 1 мл/хв початкове зменшення синусоїди залишалося відносно постійним для всіх трьох об’ємів змішувача.Для двох змішувачів меншого об’єму спостерігається невелике збільшення синусоїдального скорочення, коли швидкість потоку зменшується, що очікується через збільшення часу перебування розчинника в змішувачі, що дозволяє збільшити дифузійне змішування.Очікується, що віднімання синусоїди збільшиться в міру подальшого зменшення потоку.Однак для найбільшого об’єму змішувача з найвищим базовим загасанням синусоїдальної хвилі базове загасання синусоїдальної хвилі залишалося практично незмінним (в межах діапазону експериментальної невизначеності) зі значеннями в діапазоні від 95% до 98%.Рис.10. Базове ослаблення синусоїди проти швидкості потоку у випадку 1. Випробування проводили в умовах, подібних до синусоїдального тесту зі змінною швидкістю потоку, впорскуванням 80% суміші 80/20 ацетонітрилу та води та 20% 20 мМ ацетату амонію.
Нещодавно розроблений діапазон запатентованих вбудованих статичних змішувачів PerfectPeakTM із трьома внутрішніми об’ємами: 30 мкл, 60 мкл і 90 мкл охоплює діапазон об’єму та продуктивності змішування, необхідний для більшості аналізів ВЕРХ, що вимагають покращеного змішування та низької дисперсії.Новий статичний змішувач досягає цього завдяки використанню нової технології 3D-друку для створення унікальної 3D-структури, яка забезпечує покращене гідродинамічне статичне змішування з найвищим відсотком зниження базового шуму на одиницю об’єму внутрішньої суміші.Використання 1/3 внутрішнього об’єму звичайного мікшера знижує базовий шум на 98%.Такі змішувачі складаються з взаємопов’язаних тривимірних каналів потоку з різною площею поперечного перерізу та різною довжиною шляху, оскільки рідина перетинає складні геометричні бар’єри всередині.Нове сімейство статичних змішувачів забезпечує покращену продуктивність порівняно з конкуруючими змішувачами, але з меншим внутрішнім об’ємом, що призводить до кращого співвідношення сигнал/шум і нижчих кількісних меж, а також покращеної форми піку, ефективності та роздільної здатності для підвищення чутливості.
У цьому випуску Хроматографія – Екологічно безпечна ВЕРХ із обертанням – Використання хроматографії з оболонкою для заміни ацетонітрилу ізопропанолом в аналізі та очищенні – Новий газовий хроматограф для…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH United Kingdom