An der Technischen Universität Kaiserslautern laufen derzeit Bemühungen, in Zusammenarbeit mit einem Konsortium aus verschiedenen Universitäten und Industriepartnern das Prinzip der anularen Ringspaltchromatografie mit axialer Trennung auf die Elektrochromatografie zu übertragen. Nach Abschluss des Entwicklungsprozesses können mit diesem preparativen Trennverfahren in Zukunft hochwertige pharmazeutische Produkte mit einer hohen Wertschöpfung kontinuierlich aufgetrennt werden.

Chromatografische Trennverfahren besitzen im Bereich der Pharmazie und der Biotechnologie ein hohes Maß an Bedeutung. Dies liegt vor allem an der sehr produktschonenden Art der Trennung und der Möglichkeit, auch sehr schwierige Trennprozesse durchführen zu können. Um die Trenneffizienz der Chromatografie zu steigern, kann sie mit weiteren Trennmechanismen wie der Elektrophorese kombiniert werden. Diese sogenannte Kapillarelektrochromatografie (CEC) findet in der Analytik bereits ein breites Anwendungsfeld.

Die Elektrochromatografie im Überblick
Bei der Elektrochromatografie wird der Flüssigkeitstransport in einer stationären Phase durch Anlegen eines elektrischen Feldes hervorgerufen. Es kann somit die Trennwirkung der Elektrophorese und der Chromatografie in nur einem Prozessschritt kombiniert werden. Bei der analytischen Kapillarelektrochromatografie kommen Quarzglaskapillaren mit einem Innendurchmesser von 50 - 100 µm zum Einsatz. Diese werden mit kleinen, auf Silica basierenden sphärischen Partikeln als stationäre Phase gefüllt. Durch den entsprechenden Elektrolyt und dem Anlegen einer Spannung von bis zu 30 kV können Durchflussgeschwindigkeiten von 3 mm/s erreicht werden.
Als Eluenten werden häufig Elektrolyte mit organischen Lösungsmitteln verwendet. Durch das entstehende elektrische Feld baut sich von der stationären Phase zur mobilen Phase ein Ladungspotential auf. Der daraufhin sich ausbildende elektroosmotische Fluss besitzt ein sehr flaches Strömungsprofil, in welchem sich die einzelnen Fraktionen auf schmalen Banden und ohne Druckverlust fortbewegen. Dies ermöglicht das Erreichen von mehr als 100.000 Trennstufen pro Meter und eine folglich sehr gute Trennung der einzelnen Analyten. In der analytischen Anwendung wurden bereits zahlreiche Untersuchungen zur Trennung pharmazeutischer Substanzen, Naturprodukten und chiraler Komponenten durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Elektrochromatografie hierbei unterschiedliche Vorteile bietet. Zum Beispiel wird durch den elektroosmotischen Fluss die Verwendung kleinerer Partikel und längerer Kapillaren als bei vergleichbaren druckgetriebenen Prozessen möglich.

Elektrochromatografie in der ­präparativen Anwendung
Um chromatografische Batchprozesse in eine kontinuierliche Anwendung zu überführen, wurden im Laufe der Jahre mehrere kontinuierliche Verfahren entwickelt und weiter optimiert. Ein etabliertes kontinuierliches Verfahren für die Trennung von zwei Komponenten ist die Simulated Moving Bed-Chromatographie (SMB). Um die Kapillarelektrochromatografie ebenso in einen kontinuierlichen Prozess zu überführen, bietet sich jedoch ein anulares Design als praktikabelere Lösung an. Das zugrunde liegende Prinzip beinhaltet einen Ringspalt zwischen zwei konzentrisch angeordneten Zylindern. Dieser kann entsprechend des jeweiligen Trennproblems nahezu mit beliebigen stationären Phasen (Adsorbens) befüllt werden. Der Feed wird am Kopf des Spaltes aufgegeben und bewegt sich gleichmäßig auf einer Kreisbahn. Der Elektrolyt wird ebenfalls von oben zugegeben und auf den Rest des Umfanges verteilt. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes wird der Eluent sowie das zu trennende Medium durch die stationäre Phase transportiert.
Bedingt durch die Rotation des Feeds und der selektiven Trennwirkung der stationären Phase kommt es zur Ausbildung von spiralförmigen Banden als Konzentrationsprofile. Die zu trennenden Komponenten können somit an den jeweiligen winkelversetzten Austritten am Boden kontinuierlich abgezogen werden. Der Austrittswinkel kann mathematisch durch eine Transformation von Zeitkoordinate der Kapillarelektrochromatografie in Winkelgeschwindigkeit bei der anularen Elektrochromatografie umgerechnet werden. Hiermit wird eine direkte ­Übertragung der Batchmethode auf den kontinuierlichen Prozess ermöglich. Wie Abbildung 1 zeigt, sind die Elektroden axial in dem Apparat integriert und befinden sich jeweils am Ein- und Auslass des Ringspaltes.

Limitierte Apparategröße
Ein nicht zu vernachlässigender Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch die frei werdende Wärme innerhalb des Ringspaltes, welche sogar zu einem Verdampfen des Elektrolyten führen kann. Da diese frei werdende Wärme von der Leitfähigkeit des Elektrolytsystems und somit auch von der Geometrie abhängt, unterliegt die Apparategröße einer Limitierung. Es wird sich somit bei der finalen Anlage um einen Miniapparat handeln. Die hier frei werdende Wärme wird über einen speziell entwickelten Wärmeübertrager abgeführt. Durch die anulare Bauweise ist es möglich mehrere Feedströme versetzt in die Einlassstruktur zu speisen, um auf diesem Weg die Produktionsmenge trotz kleiner Baugröße zu erhöhen.
Um die Entwicklung der entstehenden Wärme und deren Einfluss auf die hydrodynamischen Eigenschaften zu überprüfen, wurde eine planare Testapparatur vom „In­stitut für Mikrotechnologie Mainz" gefertigt. Diese Apparatur (s. Abb. 2) entspricht in seinem Aufbau dem anularen Design. Anstatt zweier Zylinder sind hier zwei Glasplatten aneinander gefügt. Zwischen diesen Platten wird von einem weiteren Projektpartner, dem Institut für Prozess- und Partikeltechnik der Technischen Universität Graz, die stationäre Phase als Monolith gefüllt. Mit diesem Testaufbau konnten die wichtigsten Parameter wie der Volumenstrom, die frei werdende Wärme und die Funktion des beweglichen Feedes erfolgreich getestet werden. Der bereits planmäßig vom IMM fertiggestellte annulare Prototyp befindet sich ­gegenwärtig am IMM zur grundlegenden Vermessung der hydrodynamischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Gleichverteilungseigenschaften der vielen angekoppelten Kanalsysteme als auch insgesamt sowie des (mikro)mechanischen Zusammenspiels aller Komponenten.

Ausblick
Aufgrund der sehr hohen Trennleistung besitzt die anulare Elektrochromatografie bei schwierig aufzutrennenden Substanzen ein großes Einsatzpotential. Es wird sich dabei jedoch vorrangig um geringere Produktmengen mit sehr hoher Wertschöpfung handeln. Die Hauptanwendungsgebiete liegen hier bei der pharmazeutischen Industrie oder dem Aufreinigen von Spezialchemikalien.

Das Projekt an der TU Kaiserslautern wird finanziell unterstützt durch die Europäische Union im FP-7 Project NMP2-SL-2008-206707. Projektpartner sind das Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH, Mainz (DE); Novartis, Basel (CH); TU Graz (AT); TU Dortmund (DE); TU Eindhoven (NL); Galilaeus Oy, Kaarina (FL); Microinnova Engineering GmbH, Graz (AT).