Nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế

MỞ ĐẦU Sắc ký điều chế là một kỹ thuật phân tách tiên tiến, được ứng dụng để tách hoặc làm tinh khiết các cấu tử có giá trị cao, hoặc các cặp đồng phân quang học khó tách bằng các phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN……… 4

LỜI CẢM ƠN……… 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT……… 6

DANH MỤC CÁC BẢNG… ……… 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ……… 9

MỞ ĐẦU……… 11

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ VÀ SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ … 13

1.1 Lịch sử phát triển của sắc ký …… ……… 13

1.2 Nguyên lý phân tách bằng sắc ký… ……… 19

1.3 Phân loại sắc ký điều chế……… … ……… 20

1.4 Nguyên lý làm việc của sắc ký điều chế……… 22

1.4.1 Sắc ký lớp tĩnh……… 22

1.4.2 Sắc ký liên tục kiểu quay……….……… 22

1.4.3 Sắc ký có lớp chuyển động thực….……… 23

1.4.4 Sắc ký giả chuyển động………… ……… 23

1.5 Lựa chọn pha tĩnh và pha động……… 24

1.5.1 Pha tĩnh……….……… 24

1.5.2 Pha động……….……… 26

1.5.2.1 Chế độ làm việc của pha động……… ……… 26

1.5.2.2 Các tính chất quan trọng của pha động……… 26

1.5.2.3 Lựa chọn pha động……… ……… 26

1.6 Ứng dụng sắc ký điều chế……… 28

1.7 Thông số vận hành……… 31

1.7.1 Thời gian của một chu trình (Cycle time)……… 31

1.7.2 Năng suất (Productivity)…… ……… 31

1.7.3 Khả năng thu hồi (Yield)……….……… 32

1.7.4 Độ tinh khiết (Purity)……… ……… 32

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ……… 33

2.1 Tổng quan về mô hình…… ……… 33

2.2 Xây dựng mô hình toán……… ……… 36

2.3 Thông số của mô hình… ……… … ……… 40

2.3.1 Độ xốp và sự phân bố pha ……… 40

2.3.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ cân bằng ……… 42

2.3.2.1 Nhiệt động học hấp phụ……… ……… 42

2.3.2.2 Đẳng nhiệt hấp phụ của một cấu tử đơn……… 43

2.3.2.3 Thời gian lưu……… ……… 44

2.3.2.4 Hệ số dung lượng, hệ số phân tách α……… 47

2.3.2.5 Độ phân giải (Resolution)………….……… 48

2.3.3 Hệ số phân tán biểu kiến……… 50

2.3.4 Vận tốc tuyến tính của pha động………… 56

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ ĐỂ PHÂN TÁCH FRUCTOSE VÀ GLUCOSE………

57 3.1 Giới thiệu quy trình sản xuất fructose……… 57

3.2 Tính chất cơ bản của fructose và glucose……… 59

3.2.1 Fructose……….……… 60

3.2.1.1 Công thức………… ……… 60

3.2.1.2 Tính chất vật lý….……… 60

3.2.1.3 Tính chất hóa học… ……… 60

3.2.1.4 Ứng dụng………… ……… 61

3.2.2 Glucose……….……… 62

3.2.2 Công thức … ……… 62

3.3.2.1 Tính chất vật lý ……… 63

3.3.2.3 Tính chất hóa học ……… 63

3.3.2.4 Ứng dụng ……… ……… 66

3.3 Kỹ thuật tách Fructose và Glucose……… 66

3.3.1 Pha tĩnh……… 66

3.3.2 Pha động……… 69

3.3.3 Thông số của mô hình……… 70

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÁCH FRUCTOSE VÀ GLUCOSE………

71 4.1 Mô hình toán……… 71

4.2 Thông số vật lý của cột……… 73

4.3 Đường đẳng nhiệt hấp phụ……… 73

4.4 Hệ số phân tán dọc trục….……… 75

4.5 Vận tốc dòng đi trong cột ……… 77

4.6 Mô phỏng cột sắc ký sử dụng phần mềm Presto……… 78

4.7 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ ……… 78

4.7.1 Ảnh hưởng của vận tốc dòng đi trong cột……… 78

4.7.2 Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán Dap……… 80

4.7.1 Ảnh hưởng của chiều dài cột……… 85

4.7.4 Ảnh hưởng của thời gian tiêm mẫu…… ……… 88

KẾT LUẬN……… 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 91

Bản luận văn thạc sỹ Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học với đề tài: “Nghiên cứu và

mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế” được hoàn thành dưới sự

hướng dẫn của TS Vũ Đình Tiến – Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất – Viện Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan, luận văn không sao chép nội dung từ bất kỳ một luận văn thạc sỹ hoặc luận án tiến

sỹ nào khác

Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2011

Người viết

Nguyễn Ngọc Mai

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Latin

Dap,i m2/min Hệ số phân tán biểu kiến

Dax,i m2/min Hệ số phân tán dọc trục

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Các mốc thời gian phát triển của sắc ký lỏng điều chế ……… 10

Bảng 1.2 So sánh giữa sắc ký điều chế và sắc ký phân tích……… 11

Bảng 1.3 Các thông số của pha thường và pha đảo……… 27

Bảng 4.1 Các thông số cơ bản của cột nhồi……… 73

Bảng 4.3 Giá trị chiều dài cột……….……… 86

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 Sự phát triển của sắc ký điều chế trong một thế kỷ……… 16

Hình 1.2 Nguyên lý của sắc ký lớp tĩnh……… 22

Hình 1.5 Nguyên lý của mô hình sắc ký giả chuyển động 24

Hình 2.1 Phân loại các mô hình được sử dụng trong sắc ký lớp tĩnh……… 34

Hình 2.2 Mô hình toán cột sắc ký……… 37

Hình 2.3 Cấu trúc của các hạt nhồi cột……… 41

Hình 2.4 Ảnh hưởng của mô hình đẳng nhiệt lên hình dạng pic sắc ký…… 44

Hình 2.5 Giản đồ sắc ký của ba cấu tử……… 46

Hình 2.6 Tối ưu của pic rửa giải……… 50

Hình 3.2 Sự phụ thuộc độ nhớt của glucose vào nồng độ……… 70

Hình 4.1 Đường đẳng nhiệt cân bẳng hấp phụ của đơn cấu tử glucose và

fructose………

74

Hình 4.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ của hỗn hợp glucose và fructose …… 75

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc dòng trong pha động 76

(u) và chiều cao một đĩa lý thuyết (H)………

Hình 4.4 Giao diện chính của chương trình Presto……… 79 Hình 4.5 Đường cong mô phỏng quá trình phân tách hỗn hợp glucose – fructose………

và vận tốc dòng đi trong cột u………

MỞ ĐẦU

Sắc ký điều chế là một kỹ thuật phân tách tiên tiến, được ứng dụng để tách hoặc làm tinh khiết các cấu tử có giá trị cao, hoặc các cặp đồng phân quang học khó tách bằng các phương pháp khác

Kỹ thuật sắc ký điều chế được ứng dụng rất rộng rãi ở quy mô công nghiệp trong kỹ thuật dược phẩm, hóa học, sinh học, môi trường…

9 Trong công nghiệp dược phẩm: Chiết tách, tổng hợp và bán tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học (kháng khuẩn, kháng virus, chống oxi hóa, hỗ trợ điều trị bệnh tiểu đường, ngăn chặn ung thư…) từ nguồn nguyên liệu thực vật, đặc biệt một số họ thực vật đã được sử dụng rộng rãi trong Y học cổ truyền như

họ Na, họ Mãng cầu, họ Thầu dầu, họ Gừng, Ngũ Gia bì, đu đủ…

9 Trong công nghệ sinh học, chế biến thực phẩm: Ngày nay các chế phẩm enzyme được sản xuất càng nhiều và được sử dụng trong hầu hết trong các lĩnh vực như: chế biến thực phẩm, nông nghiệp, chăn nuôi, y tế Ứng dụng của sắc

ký điều chế trong việc nghiên cứu cải tiến phương pháp tách và tinh chế enzyme nhằm thu được chế phẩm có độ tinh khiết cao

Sắc ký là phương pháp tách, phân ly, phân tích các chất dựa vào sự phân bố khác nhau của các chất giữa hai pha động và pha tĩnh Có nhiều nguyên nhân đưa đến sự phân bố khác nhau của các chất, nhưng chính sự lặp đi lặp lại hiện tượng hấp phụ - nhả hấp phụ của các chất khi dòng pha động chuyển động qua pha tĩnh là nguyên nhân chủ yếu của việc tách sắc ký Khi tiếp xúc với pha tĩnh, các cấu tử của hỗn hợp sẽ phân bố giữa pha động và pha tĩnh tương ứng với tính chất của chúng (tính bị hấp phụ, tính tan…) Các chất khác nhau thì có ái lực khác nhau với pha động và pha tĩnh

Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay vẫn không có nhiều ứng dụng của sắc ký điều chế do những hạn chế về sự hiểu biết cũng như phương tiện nghiên cứu Vì vậy mục đích của bản luận văn là giới thiệu một cách khái quát các khái niệm cơ bản, nguyên

- 12 -

lý làm việc và ứng dụng của sắc ký điều chế Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết phân tách bằng kỹ thuật sắc ký, từ đó tiến hành xây dựng mô hình toán để mô phỏng quá trình tách hệ 2 cấu tử trong cột sắc ký làm việc bán liên tục Hai cấu tử được lựa chọn cho quá trình mô phỏng là glucose và fructose Glucose và frutose là hai monosaccarit thường gặp, nhưng đường fructose có độ ngọt lớn hơn glucose nên được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp nước giải khát, thực phẩm…

Việc nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế sẽ là

cơ sở để điều khiển và tối ưu các thông số công nghệ của quá trình trong thực tế mà không mất nhiều thời gian và tiền bạc

Bản luận văn thạc sỹ với đề tài là:

“Nghiên cứu và mô phỏng quá trình phân tách bằng sắc ký điều chế”

Trong đó gồm các phần chính sau:

+ Chương 1: Đại cương về sắc ký và sắc ký điều chế

+ Chương 2: Mô hình toán của sắc ký điều chế

+ Chương 3: Ứng dụng sắc ký điều chế phân tách fructose và glucose + Chương 4: Mô phỏng quá trình tách fructose và glucose

+ Chương 5: Kết luận

CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ SẮC KÝ VÀ SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ

1.1 Lịch sử phát triển của sắc ký

Nhà thực vật học người Nga Mikhail Semyonovich Twsett phát minh ra kĩ

thuật sắc ký vào năm 1903 khi ông đang nghiên cứu về chlorophyll Chữ sắc trong

sắc ký có nghĩa là màu; nó vừa là tên của Twsett trong nghĩa tiếng Nga, và vừa là

màu của các sắc tố thực vật ông phân tích vào lúc bấy giờ Tên này vẫn tiếp tục được dùng dù các phương pháp hiện đại không còn liên quan đến màu sắc nữa Những năm sau đó, phương pháp sắc ký của Twsett không được nhiều người nghiên cứu và ứng dụng Phải đến 25 năm sau phương pháp của Twsett mới được tham khảo và ứng dụng nhiều

Trong lịch sử phát triển của sắc ký lỏng thì điều đáng quan tâm nhất đó là ứng dụng sắc ký lỏng vào việc phân tách các chất Ngày nay, việc phát triển những nghiên cứu cơ bản thành những ứng dụng thực tế đã trở thành những yêu cầu bắt buộc, vì vậy sự kết hợp của các nghiên cứu khoa học và các quá trình kỹ thuật là chìa khóa để thành công

Lịch sử phát triển của sắc ký được thể hiện bởi các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học xuất sắc như Ramsay, Langmuir, Berl và Schmidt, Kuhn, Martin

và Synge, Cremer…cũng như công trình nghiên cứu nổi tiếng của các nhà khoa học Wintermeier, S Unger, 1990 và Ettre, 1996)

cột đã bị giới hạn Vì vậy, phải mất hơn một thập kỷ, trước khi Kuhn và Lederer tại

Heidelberg áp dụng phương pháp tiếp cận của Twsett để tách carotinoid trong những năm cuối thập niên 1920

đường kính d = 0,5 – 5 cm và có độ dài l = 20 – 100 cm nạp đầy chất hấp phụ và pha động Pha động chuyển động dưới tác dụng của trọng lực Tốc độ chuyển động của pha động được điều khiển nhờ van lắp ở phía dưới của cột Mẫu phân tích được đưa vào ở phần trên của cột Trong phương pháp rửa đẩy hoặc rửa giải, trong quá trình cho dung dịch rửa chạy qua cột sẽ xảy ra sự phân ly, tách các cấu tử Người ta thu thập dung dịch thoát chạy ra khỏi cột trong từng khoảng thời gian xác định, tiến hành phân tích nồng độ các cấu tử bằng các phương pháp thích hợp và xây dựng đồ thị hệ tọa độ: nồng độ cấu tử, nghiên cứu C – thể tích dung dịch thoát V (đồ thị C - V) Ngày nay nhờ có các cải tiến về thiết bị như dạng cột, cách nạp mẫu, chất hấp phụ…người ta đã nhận được các kết quả phân tích có độ nhạy, độ chọn lọc cao hơn

và được gọi là phương pháp sắc ký lỏng có hiệu quả cao Đây là một trong các phương pháp phân tích chính để phân tích các chất hữu cơ

Đến tận cuối chiến tranh Thế giới lần thứ 2, các nghiên cứu cơ bản của sắc ký khí (Gas Chromatography - GC) mới được ứng dụng Sắc ký khí đã trở thành một phương pháp tách hiệu quả trong phân tích hỗn hợp hydrocarbon thu được từ phần dầu khí Trong sắc ký khí pha động là chất khí hoặc hơi Tùy thuộc vào trạng thái pha tĩnh mà người ta phân biệt: sắc ký hấp phụ khi pha tĩnh là chất hấp phụ rắn, sắc

ký khí – lỏng khi pha tĩnh là chất lỏng hay chính xác hơn là màng mỏng chất lỏng trên bề mặt chất mang rắn Phương pháp sắc ký khí được áp dụng để tách và phân tích các hỗn hợp khí khá phổ biến và có hiệu quả Phương pháp sắc ký khí được áp dụng để xác định thành phần các thành phẩm, trong nghiên cứu hóa lý và một số phạm vi khác Người ta thường dùng phương pháp sắc ký khí để phân tích các sản phẩm dầu mỏ, khí mỏ, không khí, các sản phẩm khí trong công nghiệp hóa học, các khí thải…Người ta cũng dùng phương pháp sắc ký khí để phân tích các đồng vị của vài nguyên tố Phương pháp này được dùng phổ biến trong các ngành hóa sinh, y, công nghệ thực phẩm, trong kỹ thuật chế biến gỗ, trong quá trình nhiệt độ

cao…Ngày nay, người ta đã chế tạo các thiết bị sắc ký khí kết hợp khối phổ, máy tính điện tử, nhờ đó nâng cao được độ nhạy, độ chính xác cũng như có thể tự động hóa quá trình phân tách các sản phẩm tự nhiên và công nghệ, sản phẩm sinh học Tiếp đó là sự phát triển của sắc ký lớp mỏng (Thin Layer Chromatography - TLC) vào giữa thập niên 1950 Về bản chất, đây là hệ sắc ký lỏng – rắn mà pha tĩnh rắn được trải thành lớp mỏng trên bản kính, nhựa hay kim loại Giọt dung dịch mẫu nghiên cứu được nhỏ trên đường xuất phát cách rìa bản 2 – 3 cm, còn rìa bản được nhúng vào một dung môi thích hợp Dung môi này đóng vai trò như pha động trong sắc ký hấp phụ lỏng – rắn Dưới tác dụng của lực mao quản, dung môi sẽ chuyển động dọc theo lớp hấp phụ và chuyển vận các cấu tử của hỗn hợp với các vận tốc khác nhau đưa đến việc tách các cấu tử Sự khuếch tán các cấu tử trong lớp hấp phụ vừa theo chiều dọc vừa theo chiều ngang vì vậy có thể xem quá trình sắc ký thực hiện theo hai chiều Vì các đặc điểm kỹ thuật trên đây mà phương pháp sắc ký lớp mỏng còn có các tên gọi khác như phương pháp giọt, phương pháp sắc ký dải, phương pháp sắc ký bề mặt, phương pháp sắc ký cột mở Phương pháp sắc ký lớp mỏng được ứng dụng để phân tích định tính, định lượng các hợp chất vô cơ cũng như hữu cơ Ưu điểm cơ bản của phương pháp sắc ký lớp mỏng là thiết bị đơn giản, thời gian phân tích không kéo dài, việc tách các cấu tử có thể thực hiện khá dễ dàng Giữa năm 1950 và 1960, phương pháp loại trừ bằng kích thước (Size Exclusion Chromatography - SEC) đã trở nên phổ biến trên hai lĩnh vực: các phân đoạn của các loại polyme tổng hợp (gel thấm sắc ký), và trong việc giải quyết polyme sinh học (biopolymers), như gelfiltration (lọc kiểu gel) Lúc đầu chúng được thực hiện trên liên kết ngang xốp polyme tổng hợp, sau đó là polysaccarit liên kết ngang (Sephadex)

Những tiến bộ thực sự của sắc ký lỏng hiệu năng cao (High-Performance Liquid Chromatography - HPLC) bắt đầu trong thời gian cuối thập niên 1960 khi các hạt xốp nhỏ đã có sẵn Lúc đầu thì các hạt có hình dạng không phổ biến và phải mất vài năm thì các hạt xốp hình cầu được chấp nhận Bước đột phá của kỹ thuật

HPLC xuất hiện vào giữa những năm 1970 khi cột nhồi silica pha đảo được thương mại hóa mà vật liệu này mang các nhóm liên kết lên bề mặt

Một trong những phát minh mới nhất tận dụng đặc tính nhiệt động lực học của chất lỏng siêu tới hạn và công nghệ HPLC – được gọi là sắc ký lỏng siêu tới hạn Supercritical Fluid Chromatography (SFC)

Cuối cùng, như là một sự kết hợp giữa sắc ký và áp lực điều khiển điện di mao

trong thập kỷ qua

Hình 1.1 Sự phát triển của sắc ký trong một thế kỷ

Sự phát triển nhanh chóng của cột HPLC là kết quả của ba thành tựu khoa học: + Khả năng sản xuất hạt silicas;

+ Các phát minh của kỹ thuật phân riêng nhờ khí động qua sự khác nhau về kích thước hạt;

+ Tiến bộ trong kỹ thuật nhồi cột

Tuy nhiên, phải mất hơn mười năm để xây dựng được các yếu tố cần thiết để sản xuất ổn định, mạnh mẽ và tái sản xuất các cột HPLC mà đáp ứng các nhu cầu liên tục gia tăng của ngành công nghiệp hóa chất và ngành công nghiệp dược phẩm Moses 2, 15 (23-25) Loại bỏ vị của nước bằng cách thêm vào các phần tử gỗ

đường

1886 Bằng sáng chế phát minh trong việc sự dụng các vật liệu trao

đổi ion tổng hợp hoặc tự nhiên

1903 Phương pháp phân riêng sắc ký Twsett thực vật mầu được

giải thích bằng hấp phụ

1941 Sắc ký lỏng khí phát triển ở cả mức độ phân tích và điều chế

1981 Lần đầu tiên nâng năng suất của quá trình ở mức Kilo

1986 Hội thảo đầu tiên về sắc ký điều chế được tổ chức tại Paris

phẩm

800 mm

SMB (nhiều cấu tử, nhiều cột…)

Bảng 1.1 Các mốc thời gian phát triển của sắc ký lỏng điều chế

Sự tiến bộ của kỹ thuật tách sắc ký trong cuối thế kỷ này liên quan chặt chẽ đến sự tổng hợp của các sản phẩm, chiết ly và tinh chế các hợp chất tự nhiên Các hợp chất dùng trong các lĩnh vực như dược phẩm, nông nghiệp, phụ gia thực phẩm… đòi hỏi cao về độ tinh khiết, vì vậy việc tách và làm tinh khiết các cấu tử là một trong những ứng dụng nổi bật_đó chính là tầm quan trọng và thành tựu của sắc

ký

Trong giai đoạn lịch sử của sắc ký, quá trình phân riêng được phát triển trên hầu hết các thử nghiệm, có một số thử nghiệm bị sai do sự thiếu hiểu biết về các nguyên lý cơ bản và không có khả năng để giải quyết các mối tương tác phức tạp

Vì thế, các phương pháp nâng cấp quy mô hóa được dựa trên những bước sau:

1 Tìm điều kiện tách cho hỗn hợp

2 “Tối ưu hóa tải lượng” cho đến khi đường cong tách trùng nhau

3 Nâng cấp quy mô thí nghiệm bằng cách tăng kích thước hình học của cột

để đáp ứng yêu cầu về lượng và độ tinh khiết của sản phẩm nhưng vẫn giữ nguyên lượng và điều kiện phân riêng

Trong kỹ thuật tách HPLC, người ta cũng chia thành hai loại của quá trình tách sắc ký tuỳ thuộc vào mục đích và yêu cầu của người làm HPLC

• Sắc ký phân tích (Analytical Chromatography)

• Sắc ký điều chế (Preparative Chromatography)

Mục đích Nhận dạng và định lượng cấu tử

có trong mẫu phân tích

Phân lập và tinh chế các cấu tử

từ hỗn hợp ban đầu

Phương pháp Bất cứ phương pháp nào (kể cả

biến đổi và phá hủy mẫu)

Phương pháp phù hợp để thu hồi sản phẩm đạt độ tinh khiết

tích

Độ chính xác

Độ tinh khiết của sản phẩm

Tỷ lệ thu hồi cao

Năng suất cao

Số chất có thể phân tích đồng thời

Nói chung quá trình tách trong kỹ thuật sắc ký điều chế cũng là những quá trình tổ hợp của nhiều quá trình vừa có tính chất hóa học, lại vừa có cả tính chất lý học Nó là những cân bằng động xảy ra trong cột sắc ký giữa pha tĩnh và pha động

Nó là sự vận chuyển và phân bố lại liên tục của các chất tan (hỗn hợp mẫu phân tích) theo từng lớp qua chất nhồi cột (pha tĩnh) từ đầu cột tách đến cuối cột tách Trong quá trình đó chất tan luôn luôn được phân bố lại giữa hai pha, trong khi pha động luôn luôn chảy qua cột tách với một tốc độ nhất định, hay gradient Tất nhiên khái niệm vận chuyển chất mẫu theo từng lớp trong pha tĩnh chỉ là tương đối trong một phạm vi nhất định nào đó của quy luật phân bố Vì thực tế khó có thể phân biệt được từng vùng, từng lớp độc lập với nhau trong hai pha trong quá trình sắc ký Song chắc chắn rằng, trong những điều kiện sắc ký nhất định, thì chất tan luôn phân

bố trong hai pha theo những cân bằng động học, từ lúc chất tan bắt đầu được nạp vào cột tách (ở đầu cột) cho đến khi nó được rửa giải ra khỏi cột tách Cho nên, ở

đây những quy luật cân bằng động trong hóa học vẫn giúp ta đánh giá được phần nào của mỗi chất tan sẽ đi vào pha tĩnh và phần nào đi vào pha động, cũng như sự tương tác và phân bố của chúng ra sao Đồng thời cũng do có tính chất cân bằng động, mà luôn luôn có sự vận chuyển của chất tan từ pha này sang pha kia và ngược lại, không ngừng trong quá trình sắc ký Nghĩa là đối với một phân tử chất tan, thì trong quá trình sắc ký, nó luôn luôn nhảy từ pha này sang pha kia nhiều lần từ đầu cột đến cuối cột sắc ký Mặt khác, cũng vì cấu trúc và tính chất của mỗi phân tử của chất tan là khác nhau nên tốc độ dịch chuyển trung bình của mỗi chất tan là khác nhau trong quá trình di chuyển đó Khi ở trong pha động, nó chuyển dịch theo tốc

độ của dòng pha động, còn khi ở trên pha tĩnh nó lại không chuyển dịch, mà bị giữ lại trong cột sắc ký Thời gian chất tan bị pha tĩnh lưu giữ là được quyết định bởi bản chất sắc ký của pha tĩnh, cũng như cấu trúc và tính chất của mỗi chất tan khác nhau Đồng thời cũng phụ thuộc vào bản chất và thành phần của pha động dùng để rửa giải chất tan ra khỏi cột sắc ký (pha tĩnh) Vì thế trong quá trình sắc ký có chất tan bị lưu giữ lâu trên cột, có chất tan ít bị lưu giữ Điều đó dẫn đến kết quả là có quá trình tách của các chất xảy ra trong cột sắc ký, khi chất tan đi từ đầu cột đến cuối cột sắc ký Nếu ghi lại quá trình tách sắc ký đó của hỗn hợp chất mẫu phân tích, chúng ta sẽ có một sắc ký đồ gồm nhiều pic Các pic có thể tách nhau hoàn toàn, hoặc cũng có thể còn chập vào nhau một phần Sắc ký đồ đó phản ánh quá trình tách sắc ký trong cột có tốt hay không tốt Nếu quá trình sắc ký là tốt, thì hỗn hợp mẫu có bao nhiêu chất, trong sắc ký đồ sẽ có bấy nhiêu pic riêng biệt không chập vào nhau Như vậy trong quá trình sắc ký, chất nào bị lưu giữ mạnh nhất sẽ được rửa giải ra sau cùng, chất nào bị lưu giữ kém nhất sẽ được rửa giải ra trước tiên

1.3 Phân loại sắc ký điều chế

tĩnh (polar) và Petroleum Ether làm pha động (non-polar) Vì vậy khi phân tách các

chất mà pha tĩnh phân cực còn pha động không phân cực thì người ta coi đó sắc ký pha thuận, ngược lại với nó sẽ là sắc ký pha đảo

Dựa trên những tính chất của các pha mà người ta phân chia sắc ký điều chế như sau:

9 Sắc ký pha thuận – Normal phase: Phân tách các chất phân cực trên một pha tĩnh phân cực (hoặc pha tĩnh phân cực liên kết với hạt rắn trơ) và pha động chủ yếu là dung môi không phân cực

9 Sắc ký hấp phụ - Adsorption Chromatography: Phân tách các chất có tính phân cực vừa phải bằng hấp phụ trên pha tĩnh thuần túy (ví dụ như alumina hoặc silica không biến tính)

9 Sắc ký pha đảo – Reversed Phase: Phân tách các chất không phân cực trên một pha tĩnh không phân cực (hoặc pha tĩnh không phân cực liên kết với hạt rắn trơ) và pha động chủ yếu là dung môi phân cực

9 Sắc ký trao đổi ion – Ionic Chromatography: Phân tách các ion vô cơ và hữu cơ trên pha tĩnh có tính ion, liên kết với chất mang rắn

9 Sắc ký ghép cặp ion pha đảo – Reversed Phase Ion - Pair Chromatography: Tương tác giữa chất cần phân tách và pha tĩnh là các ion trái dấu

9 Sắc ký loại trừ kích thước – Size Exclusion Chromatography (SEC): Phân tách các phân tử có kích thước lớn trên cơ sở sự di chuyển của chúng trong một hệ thống mao quản phức tạp của pha tĩnh Các tên gọi khác:

- Sắc ký thẩm thấu gel (Dung môi hữu cơ) – Gel Permeation Chromatography (GPC)

- Sắc ký lọc gel (Dung môi là nước) – Gel Filteration Chromatography (GFC)

Đối với sắc ký điều chế thì chỉ có sắc ký điều chế trong pha lỏng mà không có trong pha khí vì nếu áp dụng đối với pha khí thì sẽ làm thay đổi trạng thái của pha khí Mặt khác là năng suất của quá trình sẽ không cao

1 4 Nguyên lý làm việc của sắc ký điều chế

Dựa trên các chế độ làm việc khác nhau của sắc ký điều chế, người ta đã phân chia sắc ký điều chế thành hai loại chính là sắc ký liên tục và sắc ký không liên tục bao gồm những loại sau đây:

1.4.1 Sắc ký lớp tĩnh (Fixed-bed chromatography)

Sắc ký lớp tĩnh là sắc ký dạng cột mà mẫu được đưa vào dưới dạng xung và được tách ra do ảnh hưởng của các chất với pha tĩnh là khác nhau

Hình 1.2 Nguyên lý của sắc ký lớp tĩnh

1.4.2 Sắc ký liên tục kiểu quay (Continuous rotating annualar chromatography)

Dựa trên nguyên lý sắc ký quay lần đầu tiên được giới thiệu bởi Martin, sắc ký quay liên tục được ứng dụng trong xúc tác đồng thể của methyl formate Trong sắc

ký quay liên tục, pha tĩnh được nhồi trong không gian giữa của hai ống hình trụ đồng tâm, quay liên tục quanh một trục Trong khi pha động được đưa vào từ phía trên xung quanh mặt cắt ngang của hình vành khăn Mẫu được đưa vào tại một điểm

cố định Các chất chuyển động dọc theo trục của hình vành khăn bởi pha động, sẽ được hấp phụ, nhả hấp phụ và chuyển động quanh hình vành khăn đó Do đó, các chất được tách ra ở nhiều góc khác nhau so với vị trí cấp mẫu vào (Hình 1.3)

A B

A Pha động

Tiêm chất cần phân tách

Các cấu tử đã được phân riêng

Pha tĩnh

B

1.4.3 Mô hình sắc ký có lớp chuyển động thực (True moving-bed chromatography)

Mô hình này còn được gọi là mô hình sắc ký có lớp chuyển động ngược chiều

Hệ thống được chia thành 4 phần khác nhau để đạt được độ phân riêng theo ý muốn Pha động chuyển động thực ngược chiều với pha tĩnh Chất cần được phân tích được đưa vào ở giữa Những chất có ái lực hấp phụ cao hơn thì sẽ chuyển động theo pha động, còn những chất có ái lực hấp phụ thấp hơn sẽ chuyển động theo chiều ngược lại Sự chuyển động của các hạt rắn là khó khăn và có sự mài mòn giữa các hạt Do đó, nó làm giảm độ tin cậy và hiệu quả của quá trình

Hình 1.3 Nguyên lý của sắc ký quay liên

tục

Hình 1.4 Nguyên lý của mô hình sắc ký có

lớp chuyển động thực 1.4.4 Mô hình sắc ký giả chuyển động (Simulated moving-bed chromatography)

Để khắc phục nhược điểm của mô hình sắc ký có lớp chuyển động thực (TMBC) do việc vận chuyển các hạt rắn, Công ty Universal Oil Products đã đăng

ký bằng sáng chế Mỹ 2 985 589 cho mô hình sắc ký giả chuyển động Các cấu trúc của một SMBC với hai đơn vị cho từng phần được minh họa trong Hình 1.5 Các

chuyển động thật của pha tĩnh ở mô hình TMBC được thay thế bằng cách thay đổi tuần tự các vị trí đầu vào và đầu ra trong SMBC, sử dụng van điều khiển chuyển mạch

Hình 1.5 Nguyên lý của mô hình sắc ký giả chuyển động

1.5 Lựa chọn pha tĩnh và pha động

Trong sắc ký điều chế thì việc lựa chọn pha tĩnh và pha động khá là quan trọng Nó quyết định sự thành công của quá trình phân tách Tùy thuộc vào chất cần phân tích mà ta sẽ lựa chọn pha tĩnh và pha động khác nhau

1.5.1 Pha tĩnh

- Pha tĩnh được chọn cần phải phù hợp với chất cần phân tích

- Đối với sắc ký hấp phụ, pha tĩnh thường là các hạt silica gel xốp, đường kính

Switching of the valves

Switching of the valves

- Trong sắc ký pha thuận, các hạt silica gel được biến tính bằng cách cho phản

định

- Trong sắc ký pha đảo, các hạt silica gel được biến tính bằng cách cho phản

- Trong sắc ký pha đảo ghép cặp ion, pha tĩnh được dùng vẫn là pha tĩnh của sắc ký pha đảo, nhưng trong pha động có bổ sung thêm tác nhân ghép cặp ion (ion pair reagent) thường là các muối akylsulfonate hoặc alkylsulfate đối với

chất phân tích là cation, hoặc muối alkylammonium đối với chất phân tích là anion để tăng thời gian lưu trong cột

- Pha tĩnh trong sắc ký trao đổi ion chủ yếu là các loại nhựa trao đổi ion

- Đối với sắc ký loại trừ kích thước, pha tĩnh được chọn là vật liệu xốp có kích thước mao quản phù hợp

1.5.2 Pha động

1.5.2.1 Chế độ làm việc của pha động

- Isocratic Elution: Thành phần pha động không thay đổi trong suốt thời gian phân tích

- Gradient Elution: Thành phần pha động thay đổi theo thời gian để việc phân tích đạt hiệu quả tốt nhất

1.5.2.2 Các tính chất quan trọng của pha động

- Chỉ số phân cực – Polarity Index: Chỉ số phân cực mạnh hay yếu sẽ ảnh hưởng đến thời gian lưu trong cột

- Mức độ rửa giải – Elution strength: Là trị số tương đối khi so sánh với mức

độ rửa giải của n – pentane là zero hoặc tính năng lượng hấp phụ của dung môi và diện tích bề mặt của dung môi khác nhau đối với cùng một pha tĩnh

- Chỉ số khúc xạ - Refractive index: Là tỷ số giữa tốc độ truyền sáng trong môi trường chân không so với tốc độ truyền sáng trong môi trường pha động Chỉ

số này quan trọng khi sử dụng RI detector

- UV cutoff: Là bước sóng thấp nhất tại đó pha động không có đáp ứng đối với

UV detector

1.5.2.3 Lựa chọn pha động

- Pha động dùng trong sắc ký pha thuận

+ Dung môi chủ yếu (không phân cực)

+ Dung môi hấp phụ (phân cực hoặc hơi phân cực)

(THF), Dioxane, Pyridine, Ethyl acetate, Acetonitrine, Acetone, 2 propanol, ethanol, methanol

- Pha động dùng trong sắc ký pha đảo

+ Pha động là dung dịch đệm và dung môi hữu cơ

+ Đối với dung dịch đệm, độ pH là thông số rất quan trọng

- Pha động dùng trong sắc ký pha đảo ghép cặp ion

+ Giống như sắc ký pha đảo

+ Bổ sung chất ghép cặp ion

+ Cần lưu ý đến chất ghép cặp, nồng độ chất ghép cặp và độ pH của

dung dịch đệm

+ Dung dịch rửa chất ghép cặp: Dung dịch 0,1% phosphoric acid có chứa

100 mM sodium perchlorate : methanol = 1:1

Thứ tự rửa giải Chất kém phân cực ra trước Chất phân cực ra trước

Bảng 1.3 Các thông số của pha thường và pha đảo

Đối với sắc ký trao đổi ion, khi chọn pha động cần lưu ý:

loại axit hữu cơ chứa nhóm chức cacboxyl, có công thức tổng quát là

gốc hydrocarbon no hoặc không no Axit cacboxylic được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trong môi trường, thực phẩm, đồ uống, dược phẩm và vật liệu sinh học, vì vậy việc phân tách các axit cacboxylic là quan trọng

Để phân tách các axit cacboxylic thì phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất là sắc kỷ lỏng cao áp (HPLC) gồm sắc ký đảo pha, sắc ký trao đổi ion, sắc ký loại trừ kích thước

phần tử hữu cơ cần thiết cho hoạt động chuyển hoá bình thường của cơ thể sinh vật Có nhiều loại vitamin khác nhau như vitamin A, B1, B2, B3, B5, B6, B8, B9, B12, C, D1, D2, D3, D, E, K, F và chúng khác nhau về bản chất hoá học lẫn tác dụng sinh lý Thiếu vitamin gây ra rối loạn ở cả người

và động vật Các vitamin khác nhau không liên quan với nhau về mặt hóa học và có tính chất hoàn toàn khác Có hai nhóm vitamin chính là vitamin hòa tan trong chất béo và vitamin hòa tan trong nước

• Vitamin hòa tan trong nước: B, C Các vitamin có ảnh hưởng quan trong đối với cơ thể động vật và con người Ví dụ như vitamin A có nhiều chức năng quan trọng đối với cơ thể con người (thị giác, sự phát triển các mô, sự sinh trưởng, hệ thống miễn dịch, chống lão hoá, chống ung thư…) Vitamin Dcó vai trò trong việc hình thành hệ xương, có hóa răng, phát triển hệ sinh sản và da ở nữ giới… Vitamin E là một chất chống oxy hoá tốt do cản trở phản ứng xấu của các gốc tự do trên các tế bào của cơ thể, ngăn ngừa ung thư, bệnh tim mạch… Vitamin B1 đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra năng lượng cần thiết cho các hoạt động chức năng của con người Vitamin B2 giữ vai trò xác định trong các phản ứng của một số enzyme cần thiết cho quá trình hô hấp (tham gia vào thành phần của các enzyme vận chuyển hiđrô) Vitamin C là một chất chống oxy hoá tốt, nó tham gia vào nhiều hoạt động sống quan trọng của cơ thể, Kìm hãm sự lão hoá của tế bào, Kích thích sự bảo vệ các

mô, Tăng cường khả năng chống nhiễm khuẩn, Chống lại chứng thiếu máu…

Sắc ký lỏng là phương pháp hữu hiệu dùng để phân tách, xác định và định lượng các vitamin khác nhau

Đối với các vitamin hòa tan trong chất béo thì sử dụng sắc ký pha thường và sắc ký pha đảo Trong sắc ký pha thường, thì silica và pha động không phân cực có chứa n-hexane hoặc dầu mỏ với một tỷ lệ nhỏ dung môi phân cực hơn được sử dụng Trong chế độ đảo pha, cột nhồi kỵ nước (C18, C8, vv, được đính trên bề mặt silica) được sử dụng với pha động là dung dịch đệm va nước có thể trộn lẫn dung mỗi hữu cơ (ví dụ như methanol, acetonitrile)

hình thành trong gan và lưu trữ trong túi mật, mật được tiết vào tá tràng

Do cấu trúc hóa học của nó, tất cả các axit mật có xu hướng hình thành các mixen Ngoài ra, các axit mật có vai trò quan trọng trong sự tiêu hóa và hấp

thu chất béo và hòa tan các vitamin trong chất béo Vì vậy việc phân tách được axit mật có vai trò quan trọng trong công nghiệp dược phẩm và hóa học lâm sàng

sinh học Enzyme là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein Chúng được hình thành bởi sự kết hợp của các đại phân tử hoặc rất nhiều phân tử nhỏ khác nhau Để sử dụng các enzyme này đòi hỏi chung phải có

độ tinh khiết nhất định, nhất là đối với ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) được sử dụng rộng rãi cho việc tách hoặc làm tinh khiết các enzyme Thường sử dụng sắc ký loại trừ kích thước, sắc ký trao đổi ion, sắc ký pha đảo cho các quá trình này

chuyển động, giả sử như quá trình tách hai loại axit amin là phenylalanine

và tryptophan

của đường trung tính trong các sản phẩm tự nhiên liên quan đến ngành công nghiệp thực phẩm Ví dụ như ứng dụng sắc ký điều chế để tinh chế oligosaccharides và polysaccharides, sunfat và phosphoryl hóa oligosaccharides

một hoặc nhiều nhóm thế hydroxyl Việc xác định các hợp chất phenolic rất được quan tâm vì các hợp chất này có mặt trong rất nhiều trong thực tế Các hợp chất này có thể có tạo thành trong tự nhiên hoặc tổng hợp Chúng tồn tại trong tất cả các mô thực vật và là chất chuyển hóa trong các loại trái cây Kỹ thuật để tách các hợp chất phenolic hiệu quả nhất đến này là kỹ thuật sắc ký pha đảo

1.7 Các thông số vận hành

Thông thường mục tiêu của quá trình phân tách bằng sắc ký là đạt được độ chuyển hóa, năng suất, độ tinh khiết và khả năng thu hồi cao Để tối ưu hóa được quá trình thì mối quan hệ giữa các biến quá trình và các thông số vận hành nên được

hiểu rõ

1.7.1 Thời gian của một chu trình (Cycle time)

tcyc = tend - tbegin (1.1) Khoảng thời gian khi kết thúc lần đưa mẫu đầu tiên và bắt đầu lần đưa mẫu tiếp theo gọi là thời gian hoàn nguyên Thời gian chu trình có thể được xác định trên

và sự mở rộng của đường cong rửa giải trong điều kiện làm việc Thời gian giữa hai lần bơm mẫu là cần thiết để tránh chồng chéo của các pic sắc ký và để cho cột tái sinh

Hình 1.6 Thời gian của một chu trình

1.7.2 Năng suất (Productivity)

Năng suất của sản phẩm là lượng sản phẩm tinh khiết thu được trong một chu trình làm việc

( )

cut-point1

cut-point 2

t i out t

1.7.3 Khả năng thu hồi (Yield)

Khả năng thu hồi của sản phẩm mong muốn là tỉ lệ của lượng cấu tử tinh khiết với lượng cấu tử mà có thể thu hồi được trong trường hợp chuyển hóa hoàn toàn cấu

c t Vdt ν

Y =

(1.3)

1.7.4 Độ tinh khiết (Purity)

Độ tinh khiết của cấu tử i được xác định bằng tỉ số giữa lượng cấu tử đó và tổng toàn bộ lượng cấu tử có trong hệ

C

i

i N

j i=1

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN CỦA SẮC KÝ ĐIỀU CHẾ

Bước đầu tiên trong việc thiết kế được một mô hình hệ thống sắc ký đó là lựa chọn được mô hình và xem xét các quá trình xảy ra trong hệ thống Mô hình đã được kiểm nghiệm cho phép dự đoán các kết quả không cần phải nghiên cứu trong thực nghiệm, tối ưu hóa và chuyển đổi quy mô của quá trình từ phòng thí nghiệm sang quy mô công nghiệp Việc thiết kế gặp rất nhiều khó khăn, tốn nhiều công sức và tiền bạc do các yêu cầu về độ tinh khiết dưới các điều kiện tối ưu kết hợp với sự phức tạp của hệ thống không tuyến tính “Hệ thống thí nghiệm ảo” được xây dựng bằng phương pháp mô phỏng số có thể giảm được thời gian và lượng mẫu cần cho quá trình phân tách và tối ưu Để đạt được điều đó thì việc xác định các mô hình toán và dự đoán các thông số của mô hình là cần thiết Việc xây dựng mô hình đã trở nên ngày càng quan trọng trong việc thiết kế các quá trình phức tạp và đòi hỏi kinh phí cao như quá trình phân riêng bằng sắc ký

2.1 Tổng quan về mô hình

Xây dựng mô hình là một bước quan trọng của quá trình thiết kế trong công nghệ hóa học Từ một số thực nghiệm ban đầu để xác định được các thông số và kiểm tra lại mô hình Mô hình đã được kiểm nghiệm cho phép dự đoán các kết quả không cần phải nghiên cứu trong thực nghiệm, tối ưu hóa và chuyển đổi quy mô của quá trình từ phòng thí nghiệm sang quy mô công nghiệp Việc xây dựng mô hình đã trở nên ngày càng quan trọng trong việc thiết kế các quá trình phức tạp và đòi hỏi

kinh phí cao như quá trình phân riêng bằng sắc ký Mô hình toán đầu tiên đã được đưa ra vào năm 1930 và đầu năm 1940 để định lượng sự phân riêng bằng sắc ký

Sự phức tạp của mô hình phụ thuộc vào các hiện tượng hóa lý xảy ra ở trong quá trình Phân loại mô hình toán của sắc ký lớp tĩnh như sau:

Hình 2.1 Phân loại các mô hình được sử dụng trong sắc ký lớp tĩnh

Trong hình 2.1, có hai loại mô hình được chỉ ra Kết quả của mô hình đĩa trong

hệ thống phương trình vi phân thuần nhất (ODEs) mô tả cân bằng về khối lượng và năng lượng của một số đĩa, trong khi các mô hình liên tục được đưa ra trong các phương trình vi phân riêng phần (PDEs) Mặc dù hầu hết các mô hình chỉ được xem xét chủ yếu theo hướng trục (1D), một vài nhà nghiên cứu đã cố gắng trong việc mô

tả toán học đồng thời cả thành phần hướng trục và hướng kính trong cột sắc ký Do cột sắc ký được nhồi đầy bởi các phần tử nhỏ, có sự đồng nhất trong cột nhồi, vì vậy sự thay đổi về nồng độ và nhiệt độ theo hướng kính là không đáng kể và có thể

bỏ qua

Mô hình đĩa (ODEs)

Mô hình liên tục (PDEs)

Mô hình toán của quá trình sắc ký

Mô hình cân bằng

Mô hình tốc độ tổng quát và các biến thể đơn giản hóa

9 Mô hình đĩa:

Cột sắc ký được xem như là một loạt các đĩa lý thuyết nối tiếp nhau Trong mỗi đĩa, cân bằng vật chất được thiết lập rất nhanh giữa pha động và pha tĩnh Mỗi phần pha động mới được đưa vào đĩa sẽ làm dịch chuyển cân bằng và do đó có một phần vật chất được chuyển sang đĩa sau Ở đĩa này cân bằng mới lại được thiết lập

và vật chất lại được chuyển sang đĩa sau nữa Do kết quả của các quá trình vừa mô

tả, chất cần tách sẽ được phân bố trong một số đĩa, trong số đĩa này, các đĩa ở phần giữa có nồng độ cực đại so với các đĩa lân cận

Sự phân tán theo chiều trục là gián tiếp trong các mô hình này thông qua số lượng đĩa Tất cả các hiệu ứng truyền chất đều bị bỏ qua Có hai mô hình đĩa khác nhau được ứng dụng để mô tả sự phân riêng trong sắc ký Mô hình đĩa liên tục của Martin và Synge, trong khi Craig là mô hình đĩa không liên tục Mẫu đưa vào ở dạng xung trong sắc ký tuyến tính thì đáp ứng thu được đưa ra bởi mô hình của Martin và Synge tuân theo phân bố Poisson, trong khi Craig đưa ra mô hình phân bố nhị thức Cả hai mô hình là tương đương khi số đĩa lý thuyết đủ lớn bởi vì với lượng mẫu đưa vào nhỏ thì tín hiệu đáp ứng có xu hướng tiến tới phân bố Gauss

Mặc dù mô hình đĩa là một cách đơn giản để mô tả quá trình sắc ký, nhưng chúng cũng có một số nhược điểm Những mô hình này không thể sử dụng dễ dàng

để mô tả các hiện tượng động học vật lý riêng rẽ mà gây ra sự mở rộng của pic sắc

ký Về nguyên tắc số lượng của các đĩa lý thuyết phụ thuộc vào mối tương tác đặc biệt giữa các cấu tử và pha tĩnh Vì vậy, bằng cách sử dụng số đĩa lý thuyết trung bình cho tất cả các cấu tử sẽ làm giảm tính chính xác của việc tính toán

9 Mô hình liên tục:

Mô hình cân bằng

Nguyên lý cân bằng được sử dụng trong các mô hình toán học đầu tiên mô tả sắc ký đơn cấu tử Nguyên lý này dựa trên giả thiết rằng sự cân bằng giữa dung dịch

và vật liệu hấp phụ là ngay lập tức được thiết lập và ảnh hưởng của sự khuếch tán

có thể được bỏ qua Sử dụng cùng một giả thiết đó, các mô hình cho sắc ký nhiều

cấu tử đã được phát triển để giải thích sự tương tác giữa các cấu tử trong suốt quá trình phân tách Các mô hình thường được tính toán bởi tích phân riêng phần (PDEs)

Mô hình tốc độ tổng quát và các biến thể đơn giản hóa

Mô hình tốc độ tổng quát xem xét tất cả các yếu tố của động năng trao đổi chất Mặc dù mô hình này rất phức tạp với nhiều thông số đầu vào nhưng nó có khả năng đạt được một mô tả chính xác quá trình sắc ký không lý tưởng Tùy thuộc vào các giả thiết ban đầu, mô hình tốc độ tổng quát có thể được đơn giản hóa thành các

mô hình đơn giản hơn Ngoài các yếu tố bắt buộc như đối lưu, hấp phụ, phản ứng hay các yếu tố khác (ví dụ như khuếch tán, giới hạn tốc độ trao đổi chất) có thể được xem xét Hai hoặc nhiều yếu tố của khuếch tán, động năng hấp phụ và trở lực trao đổi chất có thể được gộp lại thành thông số động năng hiệu dụng

Do không có sự tuyến tính trong các phương trình cân bằng khối lượng, phương pháp số là cần thiết để giải quyết các mô hình này

Tóm lại, các mô hình liên tục có lợi thế nhất định trong dự đoán và mô phỏng của FBCRs so với các mô hình đĩa Vì vậy, chỉ có các mô hình liên tục được áp dụng dưới đây

2 col

conv,i disp,i mtr,i

n& ,

L i disp

n& ,

L i conv

L i

n& , + ∂ & ,

L i disp

L i

n

S i

n

i mtr

n& ,

u = πd ε 4

•

(2.9)

Như vậy, công thức (2.2) và (2.3) được viết lại cho toàn bộ cột là:

Pha động:

Mô hình dị thể 2 pha 1 chiều

pha động có thể được mô tả bằng một biểu thức sau:

lại như sau:

Để giải phương trình trên ta có điều kiện đầu và điều kiện biên như sau:

+ Điều kiện đầu: Giả sử nồng độ của pha lỏng là không đổi

Với inj inj

2 col t

Sắc ký cột nhồi với các phần tử xốp và có mạng mao quản được điền đầy chất