Simulated Moving Bed Chromatografie: Effiziente, kontinuierliche Aufreinigung
Nutzen Sie zur Aufreinigung Ihrer Zielsubstanz die klassische ein-Säulen Batch-Chromatografie? Stoßen Sie dabei jedoch auf Einschränkungen wie hohen Lösungsmittelverbrauch, verdünnte Produktströme und einen geringeren Durchsatz? Wenn ja, suchen Sie möglicherweise nach einer alternativen Aufreinigungsstrategie, mit der sich diese Einschränkungen überwinden lassen.
Was ist Simulated Moving Bed Chromatografie (SMB)?
SMB-Chromatografie ist eine kontinuierliche Multi-Säulen-Aufreinigungstechnologie, die die stationäre Phase effizient nutzt und gleichzeitig den Lösungsmittelverbrauch reduziert. Sie eignet sich besonders für die Trennung und Aufreinigung binärer oder pseudobinärer Gemische, einschließlich Enantiomeren, Zuckern, petrochemischen Produkten und Feinchemikalien.
Klassische Batch Chromatografie
Bei der herkömmlichen Chromatografie wird ein Probengemisch auf eine einzelne Säule injiziert und durch eine mobile Phase durch die stationäre Phase transportiert. Da jede Verbindung unterschiedlich mit der stationären Phase interagiert, wandern sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Säule:
- Schwach zurückgehaltene Komponenten (A) wandern schneller
- Stark zurückgehaltene Komponenten (B) wandern langsamer
Infolgedessen verlassen die getrennten Verbindungen die Säule zu unterschiedlichen Zeitpunkten und können einzeln gesammelt werden (Abb. 1). Bevor jedoch eine weitere Probe injiziert werden kann, muss die vorherige Probe in der Regel vollständig eluiert und die Säule wieder ins Gleichgewicht gebracht werden.
Obwohl die herkömmliche Batch-Chromatografie flexibel und relativ unkompliziert ist, weist sie im industriellen Maßstab Nachteile auf. Die stationäre Phase wird nicht während des gesamten Prozesses kontinuierlich zur Trennung genutzt. Dies kann zu einer eingeschränkten Produktivität, einem hohen Lösungsmittelverbrauch, verdünnten Produkten, wiederholten Regenerationsschritten und Produktverlusten führen.
Abbildung 1: Ein-Säulen Trennung; A – schnell eluierende Substanz, B –langsam eluierende Substanz
Von TMB (True Moving Bed) zu SMB
Die theoretische Grundlage von SMB ist das True-Moving-Bed-Verfahren (TMB). In einem idealen TMB-System bewegen sich die flüssige mobile Phase und die feste stationäre Phase kontinuierlich in entgegengesetzte Richtungen. Diese Gegenstrombewegung nutzt die unterschiedlichen Affinitäten der Komponenten zu den beiden Phasen effizient aus.
Um das Prinzip von TMB zu verstehen, betrachten wir ein binäres Gemisch aus den Komponenten A und B. Die Komponente B wird stark von der stationären Phase zurückgehalten, während die Komponente A weniger stark zurückgehalten wird und sich vorzugsweise mit der flüssigen Phase bewegt. Unter optimierten Bedingungen wandern beide Komponenten in entgegengesetzte Richtungen und können kontinuierlich an zwei getrennten Auslässen gesammelt werden (Abb. 2). Obwohl dieses Konzept theoretisch attraktiv ist, ist es physikalisch schwierig, ein gepacktes chromatografisches Adsorptionsmittel zu bewegen.
Figure 2: True Moving Bed concept; graphic by KNAUER
Vier Prozessanschlüsse unterteilen das System in vier Funktionszonen (Zone I – IV):
- Eluenteneinlass (Desorptionsmittel)
- Extrakt-Auslass
- Einsatzstoff-Einlass
- Raffinat-Auslass
Der Einsatzstoff und das Eluent werden kontinuierlich zugeführt, während gleichzeitig zwei Produktströme entnommen werden:
- Extrakt – stark zurückgehaltene/spät eluierende Komponente
- Raffinat – weniger zurückgehaltene/früh eluierende Komponente
Die vier Zonen
Jede Zone erfüllt eine spezifische Aufgabe und weist daher eine individuelle interne Durchflussrate auf (VI – VIV):
- Zone I: Regenerierung der stationären Phase
- Zone II: Verhindert, dass die schwach zurückgehaltene Komponente den Extrakt verunreinigt
- Zone III: Verhindert, dass die stark zurückgehaltene Komponente das Raffinat verunreinigt
- Zone IV: Regenerierung des verbleibenden Lösungsmittels für den internen Gebrauch
Wie wird aus TMB SMB?
Das SMB-Verfahren umgeht das Problem der Bewegung der stationären Phase (Adsorbens), indem es diese an Ort und Stelle belässt. Anstatt das Adsorbens zu bewegen, werden die Positionen der Flüssigkeitsein- und -auslässe periodisch verschoben. Relativ zu diesen sich bewegenden Anschlüssen scheint sich die stationäre Phase entgegen der Flüssigkeitsströmung zu bewegen. Das SMB-Verfahren simuliert somit die Gegenstrombewegung eines TMB-Systems, ohne die feste Phase physikalisch zu transportieren (Abb. 3).
Figure 3: Transfer TMB concept to SMB concept; graphic by KNAUER
Ein typisches SMB-System besteht aus mehreren chromatografischen Säulen, die in einem geschlossenen Kreislauf miteinander verbunden sind. In der Standardkonfiguration sind acht Säulen vorgesehen, wobei die genaue Anzahl von der jeweiligen Anwendung abhängt.
Figure 4: SMB concept; graphic by KNAUER
Nach einem festgelegten Umschaltintervall werden alle Ports um eine Säule in Richtung des Flüssigkeitsstroms verschoben. Die Säulen bleiben ortsfest, ihre Funktionen innerhalb des Systems ändern sich jedoch. Durch die Wiederholung dieses Schritts entsteht die scheinbare Bewegung der stationären Phase in entgegengesetzter Richtung zur Flüssigkeitsphase.
Die Anzahl der Säulen, z.B. acht, bestimmt die Anzahl der Umschaltungen, die zur Durchführung eines SMB-Zyklus erforderlich sind. Nach einer anfänglichen Einschwingphase erreicht das System einen zyklischen stationären Zustand. Die Konzentrationen schwanken zwar weiterhin während jedes Umschaltintervalls, doch das Gesamtkonzentrationsprofil wiederholt sich nach jedem vollständigen Umschaltzyklus.
Je mehr Säulen verwendet werden und je kleiner die Umschaltschritte sind, desto näher kommt SMB einem idealen TMB-Prozess. Systeme mit nur wenigen Säulen zeigen ein ausgeprägteres diskretes Umschaltverhalten und erfordern möglicherweise detaillierte dynamische Modelle für eine genaue Prozessauslegung.
Was sind die Vorteile der SMB?
1. Kontinuierlicher Betrieb und gesteigerte Produktivität
Der Hauptvorteil der SMB liegt in ihrem kontinuierlichen Betrieb. Ausgangsprobe und Elutionsmittel werden kontinuierlich zugeführt, während die gereinigten Produktströme (Extrakt und Raffinat) gleichzeitig entnommen werden. Dadurch können SMB-Systeme über längere Zeiträume (mehrere Tage, sogar Wochen) mit minimalen Unterbrechungen betrieben werden.
Da mehrere Säulen gleichzeitig unterschiedliche Trennaufgaben übernehmen, wird die stationäre Phase effizienter genutzt. Dies führt zu einer höheren Produktivität, einer verbesserten Prozesseffizienz und einer kontinuierlichen Produktion gereinigter Produktströme.
2. Geringerer Lösemittelverbrauch
Bei der herkömmlichen Batch-Chromatografie werden häufig große Mengen an mobiler Phase benötigt, um einzelne Komponenten zu trennen und zu gewinnen.
Dies führt oft zu verdünnten Fraktionen, die in den nachgelagerten Prozessen konzentriert werden müssen. SMB behält interne Konzentrationsprofile bei und kann die mobile Phase effizienter nutzen. Ein teilweises, internes Recycling des Lösungsmittels ist Teil des SMB-Verfahrens.
Der reduzierte Lösungsmittelverbrauch führt zu:
- Geringeren Rohstoffkosten
- Weniger Flüssigabfällen
- Geringerem Energiebedarf für die Lösungsmittelverdampfung
- Höher konzentrierten Produkten – weniger nachgelagerte Konzentrationsschritte erforderlich
3. Hohe Ausbeute und gleichbleibende Produktqualität
Sobald ein zyklischer stationärer Zustand erreicht ist, kann SMB Produktströme mit gleichbleibender Zusammensetzung liefern. Zu den weiteren Vorteilen zählen unter anderem eine hohe Ausbeute, eine geringere Produktverdünnung, eine effiziente Nutzung der stationären Phase sowie eine einfache Integration in kontinuierliche Herstellungsprozesse.
Was sind die Unterschiede zwischen Batch LC und SMB?
Batch Chromatografie (eine Säule) | SMB Chromatografie (mehrere Säulen) |
Unzählige Anzahl an Fraktionen | Zwei Fraktionen, kein Abfall |
Wiederfindung unter 80% | Wiederfindung bis 100 % |
Entweder hohe Reihneit oder hohe Ausbeute | Hohe Reinheit und hohe Ausbeute |
Isookratisch und/oder Gradient | Isokratisch |
Hoher Eluentenverbauch | Kann bis zu 90% geringer sein als bei der Batch Chromatografie |
Stark verdünntes Produkt | Hohe Produktkonzentration |
In welchen Anwendungsbereichen wird der SMB Prozess angewendet?
SMB-Verfahren werden in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt, um Produkte in einem breiten Spektrum von Gramm bis Tonnen pro Tag aufzubereiten (Abb.5).
Zu den etablierten und neuen Anwendungsbereichen gehören:
- Zucker Aufreinigung
- Petrochemische Trennungen
- Chirale Trennungen
- Produktion von Feinchemikalien
- Pharmazeutische Zwischenprodukte
- Ausgewählte Biomoleküle
Figure 5: SMB application areas; author's illustration
Grenzen der SMB
Auch wenn SMB nicht für jede Trennung die beste Option ist, lohnt es sich auf jeden Fall, diese Methode in Betracht zu ziehen. Die Anlagen- und Prozessauslegung ist komplexer als bei herkömmlichen Ein-Säulen-Systemen. Mehrere Pumpen, Ventile, Säulen und Strömungswege müssen präzise gesteuert werden. Für die Methodenentwicklung sind fundierte Kenntnisse über Adsorptionsgleichgewichte, Stoffübergangswiderstände und Strömungsdynamik wichtig.
Das klassische Vier-Zonen-SMB ist hauptsächlich für binäre oder pseudobinäre Trennungen ausgelegt. In Fällen, in denen komplexere Gemische vorliegen, können modifizierte Konfigurationen, zusätzliche Trennstufen oder mehrere gekoppelte SMB-Einheiten erforderlich sein.
SMB ist die wirtschaftlichste Wahl, wenn große Mengen eines gleichbleibenden Einsatzmaterials über längere Betriebszeiträume verarbeitet werden. Die Batch-Chromatografie kann für kleine Produktionsbetriebe, häufige Produktwechsel, komplexe Mehrkomponentengemische oder Prozesse, die flexible Gradientenmethoden erfordern, weiterhin vorzuziehen sein.
Fazit
Die Simulated-Moving-Bed-Chromatografie (SMB) setzt das Konzept der „True Moving Bed“-Trennung in einen praktischen und effizienten industriellen Prozess um. Anstatt das Adsorptionsmittel physikalisch zu bewegen, verschiebt SMB in regelmäßigen Abständen die Anschlüsse für Zufuhr, Elutionsmittel, Extrakt und Raffinat. Dadurch entsteht eine scheinbare Gegenstrombewegung zwischen der stationären und der mobilen Phase.
Im Vergleich zur herkömmlichen Batch-Chromatografie kann die SMB durch den kontinuierlichen Betrieb die Produktivität deutlich steigern, die stationäre Phase besser ausnutzen, den Lösungsmittelverbrauch senken und konzentriertere Produktströme liefern. Diese Vorteile machen die SMB besonders attraktiv für anspruchsvolle binäre Trennungen im großen Maßstab, wie beispielsweise die Reinigung pharmazeutischer Enantiomere.
Obwohl die SMB eine sorgfältige Prozessauslegung, genaue Betriebsdaten und eine präzise Steuerung erfordert, zeigt sie, wie ein ideales Trennprinzip in eine effiziente und robuste industrielle Technologie umgesetzt werden kann.
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