Monolithische Sorbenzien mit Metall-Ummantelung

Die Erfindung betrifft monolithische Sorbenzien, die mit Rohren aus Metall, bevorzugt Edelstahl, ummantelt sind. Durch ein besonderes

Herstellverfahren kann die Metall-Ummantelung direkt auf die

monolithischen Sorbenzien aufgebracht werden. Dadurch wird eine mechanisch sehr stabile, totvolumenarme Ummantelung der

monolithischen Sorbenzien ermöglicht. Zur Herstellung konventioneller Chromatographiesäulen mit partikulären Sorbenzien wird das Füllmaterial unter Druck in ein Edelstahl- oder

Kunststoffrohr mit passgenauen Enden gefüllt. Dabei wird erreicht, dass das Sorbensbett am Mantel der Säule dicht anliegt und die Partikel homogen über den gesamten Querschnitt der Säule verteilt sind.

Ersetzt man, wie es z.B. in WO 94/19 687 und in WO 95/03 256 offenbart ist, partikuläre durch monolithische Sorbenzien, so ergibt sich das Problem, die Ummantelung des Sorbens flüssigkeitsdicht und druckstabil

abzudichten. Anorganische oder organische Formkörper können bei ihrer Herstellung schrumpfen, so dass sie oft nicht in der ursprünglichen Form verbleiben können. Sie werden daher typischerweise mit einer neuen flüssigkeitsdichten und druckstabilen Ummantelung versehen werden. Nur so ist gewährleistet, dass Probe und Elutionsmittel ausschließlich durch das Sorbens transportiert werden.

Kommerziell erhältliche monolithische HPLC Säulen auf Kieselgel-Basis bestehen daher derzeit zumeist aus einem porösen Kieselgelstab, welcher mit einem mechanisch stabilen und lösungsmittelresistenten Polymer ummantelt wird, um die mobile Phase durch die Säule für die HPLC durchpumpen zu können. Ein Nachteil der so hergestellten monolithischen HPLC Säulen ist deren Limitierung bezüglich Druckstabilität. Die Säulen können mit

entsprechenden Eluentensystemen und Flussraten nur bis maximal 200 bar Säulenrückdruck betrieben werden, da die Ummantelung aus organischen Polymeren bei zu hohen Drücken nachgibt.

Die Güte einer monolithischen Säule für die HPLC kann beispielsweise über die Trennleistung (N/m) einerseits und über die Peaksymmetrie andererseits beschrieben werden. Eine gute analytische Säule besitzt Trennleistungen von ca. 70.000-100.000 N/m. Die Peakform entspricht im

Idealfall einer Gauss'schen Glockenform. Abweichungen von dieser symmetrischen Form führen zu einem„fronting" oder zu einem„tailing". Die inhärente Trennleistung des Säulenkörpers sowie die Peaksymmetrie sollte sich nach Ummantelung zum lösungsmitteldichten, d.h. totvolumenarmen, Abschluss im chromatographischen Anwendungstest nicht mehr ändern.

Bei ungeeigneten Ummantelungen liegt die Ummantelung nicht

totvolumenarm an dem Säulenkörper an. Die Säule zeigt von Beginn an Vorpeaks oder zumindest ein„Peakfronting" infolge schnelleren

Probedurchlaufs an der Grenzfläche Säulenkörper/Ummantelung.

Ummantelungen mit ungeeigneten Polymeren können auch beim ersten chromatographischen Test noch gute Trennleistung und Peaksymmetrie liefern, aber bei weiterem Gebrauch zu einer

VeränderungA erschlechterung der beiden Güteparameter führen. Auch Ummantelungen mit prinzipiell geeigneten Polymeren können bei zu hohem Säulenrückdruck diese Effekte ziegen.

Konventionelle HPLC Säulen mit partikulären Sorbenzien dagegen sind wesentlich druckstabiler. Sie bestehen üblicherweise aus einem

Edelstahlrohr, in welches unter Anwendung von hohen Drücken (>500 bar) Suspensionen von Kieselgelpartikeln gefüllt werden. Diese Säulen sind üblicherweise druckstabil bis ca. 400 bar. Neuere HPLC Säulen für die UHPLC (ultra high pressure liquid chromatography) bestehen ebenfalls aus geeigneten Edelstahlrohren, in welche die Kieselgelsuspensionen bei noch höheren Drücken gefüllt werden. Grund für die hohe Druckstabilität der partikulären Säulen ist insbesondere das Säulenrohr aus Edelstahl.

Es wäre daher wünschenswert, Edelstahlrohe auch als Ummantelung von monolithischen Sorbenzien einsetzen zu können.

In S. Miyazaki et al, J.Chromatogr. 2011 , 1218, S. 1988-1994, werden monolithische Säulen aus Kieselgel in ein Edelstahlrohr eingebracht. Hierzu werden die Monolithen zunächst mit einem Polymerschlauch umgeben (z.B. Teflonschrumpfschlauch). Danach werden die so ummantelten Monolithen in ein Edelstahlrohr gegeben und das Volumen zwischen dem polymerummantelten Monolithen und dem Edelstahlrohr mit einem flüssigen Kunststoff (Epoxydharz) ausgegossen, der dann anschließend aushärtet. Der Prozess zur Herstellung dieser Säulen ist sehr aufwendig. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass diese Säulen nicht zu einer erhöhten Druckstabilität führen, weil beide Kunststoff- Zwischenschichten flexibel sind und bei Druckaufgabe nachgeben.

Bekannt sind weiterhin monolithische Säulen mit Edelstahl-Ummantelung, bei denen das monolithische Sorbens direkt in das Edelstahlrohr

einpolymerisiert wird. (z.B. beschrieben in J. Zhong et al. J.Chromatogr. 2014, 1333, S. 79-86 oder F. Yang et al, Anal. Bioanal. Chem. 2013, 405, S. 6639-6648). Nachteil dieser Säulen ist, dass bei der Herstellung des Sorbens das Polymer-Netzwerk im Edelstahlrohr schrumpft. Dabei kommt es zu Totvolumina an der Grenzfläche Monolith/ Edelstahlrohr, welche zu verminderten Trennleistungen führen.

Es wurde nun gefunden, dass monolithische Sorbenzien z.B. auf Kieselgel- Basis druckstabil und totvolumenarm mit Metallrohren, wie z.B.

Edelstahlrohren, ummantelt werden können, indem eine monolithische Säule in ein Metallrohr mit leicht größerem Durchmesser eingeführt wird und das Metallrohr danach mittels Kaltumformen auf das Sorbens aufgebracht wird, bis es totvolumenarm auf dem Sorbens aufliegt. Die resultierenden monolithischen HPLC Säulen können wegen des mechanisch stabileren Metalls bis zu Säulenrückdrücken von ca,500 bar betrieben werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Ummantelung von monolithischen Sorbenzien mit einer Ummantelung aus Metall und somit ein Verfahren zur Herstellung von Chromatographiesäulen zumindest bestehend aus einem monolithischen Sorbens, das mit einem Metallrohr ummantelt ist durch a) Bereitstellen eines zylinderförmigen monolithischen Sorbens und eines Metallrohrs, das einen inneren Durchmesser hat, der größer ist als der Außendurchmesser des monolithischen Sorbens b) Einführen des monolithischen Sorbens in das Metallrohr c) Aufbringen des Metallrohrs auf das monolithische Sorbens durch

Kaltumformen.

Aufbringen bedeutet in diesem Fall, dass das Metallrohr durch

Kaltumformen so lange bearbeitet wird, bis dessen Innendurchmesser so stark verkleinert ist, dass das Metallrohr über die Länge des Sorbens totvolumenarm auf dem Sorbens aufliegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Metallrohr direkt und ohne Zwischenschicht aus einem anderen Material, wie z.B. einem Polymer, auf das monolithische Sorbens aufgebracht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Metallrohr aus Edelstahl.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Kaltumformen in Schritt c) mittels Rundkneten. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Rundkneten in Schritt c) mit einem Hämmerwerkzeug mit zwei Hämmerbacken und die Drehzahl beträgt zwischen 500 min ^"1 und 1500 min ¹ . In einer bevorzugten Ausführungsform ist in Schritt a) der innere

Durchmesser des Metallrohrs 0,05 bis 2 mm größer ist als der

Außendurchmesser des monolithischen Sorbens.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist in Schritt a) der Innendurchmesser des Metallrohrs 0,1 bis 0,25 mm größer als der

Außendurchmesser des monolithischen Sorbens.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das monolithische Sorbens aus Kieselgel oder anorganisch/organischen Hybrid-Materialien. Optional ist das Sorbens mit Separationseffektoren funktionalisiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a) ein monolithisches Sorbens bereitgestellt, das eine Länge von 2,5 cm bis 30 cm hat und einen Durchmesser von 1 mm bis 30 mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden in einem zusätzlichen Schritt d) das mit dem Metallrohr ummantelte monolithische Sorbens mit

Anschlüssen für Lösungsmittel zu- und ablauf versehen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine

Chromatographiesäule zumindest bestehend aus einem monolithischen Sorbens, das mit einem Metallrohr ummantelt ist, herstellbar nach dem oben beschriebenen Verfahren. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Metallrohr direkt und totvolumenarm auf dem Sorbens. Das bedeutet insbesondere, dass sich keine Zwischenschicht aus anderen Materialien, wie z.B. unporösen oder mikroporösen Polymeren, die nicht das Sorbens darstellen, zwischen Sorbens und Metallrohr befindet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das monolithische Sorbens aus Kieselgel. Optional ist es mit Separationseffektoren derivatisiert.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäß ummantelten Formkörpers zur chromatographischen Auftrennung mindestens zweier Stoffe. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die chromatographische Auftrennung bei einem Lösungsmitteldruck von mindestens 50 bar , bevorzugt zwischen 50 und 400 bar.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäß mit einem Edelstahlrohr direkt ummanteltes monolithisches Sorbens aus Kieselgel. Es gibt keine polymere Zwischenschicht und keinen Hohlraum zwischen Sorbens und

Ummantelung.

Figur 2 zeigt ein Chromatogramm, das erzeugt wurde durch

Chromatographie auf einem monolithischen Sorbens aus Kieselgel, direkt mit einem Metallrohr ummantelt und in situ RP18 derivatisiert in der Dimension 100x3mm. Nähere Angaben finden sich in Beispiel 1.

Figur 3 zeigt ein Chromatogramm, das erzeugt wurde durch

Chromatographie auf einem monolithischen Sorbens aus Kieselgel mit C18e Modifizierung, direkt mit einem Metallrohr ummantelt in der

Dimension 150x3mm. Nähere Angaben finden sich in Beispiel 2.

Figur 4 zeigt ein weiteres Chromatogramm, das erzeugt wurde durch Chromatographie auf einem monolithischen Sorbens aus Kieselgel mit C18e Modifizierung, direkt mit einem Metallrohr ummantelt in der

Dimension 150x3mm. Nähere Angaben finden sich in Beispiel 3. Figur 5 zeigt ein Fließ-Schema zur Durchführung einer Untersuchung zur Druckstabilität mit einem Kieselgelmonolith mit RP18 Modifizierung in der Dimension 100-3mm.

Figuren 6 A bis E zeigen die dazugehörigen Chromatogramme. Nähere Angaben finden sich in Beispiel 4.

Totvolumenarme Ummantelung bedeutet erfindungsgemäß, dass das Totvolumen bzw. der Hohlraum zwischen monolithischem Formkörper als Sorbens und der Ummantelung so gering ist, dass dadurch kein negativer Einfluss auf die Trennleistung der Chromatographiesäule entsteht.

Eine Chromatographiesäule besteht erfindungsgemäß zumindest aus einem Sorbens und einer Ummantelung. In der Regel weist die

Chromatographiesäule zusätzlich Dichtungen und/oder Filter auf sowie Anschlüsse für die Zufuhr von Probe und Elutionsmittel. Die

Chromatographiesäule kann direkt mit entsprechenden Anschlüssen versehen werden oder in ein Kartuschensystem eingelegt werden.

Chromatographiesäulen und ihre Anwendung sind dem Fachmann bekannt.

Kaltumformen, auch Kaltumformung, ist dem Fachmann aus der

Metallverarbeitung bekannt. Es handelt sich dabei um Verfahren, bei denen Metallrohre ohne Einwirkung von großen Temperaturen verformt werden.

Die Temperatur bei der Verformung liegt bei diesen Verfahren in der Regel bei unter 100°C, typischerweise bei Raumtemperatur. Beispiele für

Kaltumformung sind Ziehen, Pilgern und Rundkneten. Allen Verfahren der Kaltumformung ist gemeinsam, dass sie zumindest den Innendurchmesser eines Rohres verändern, insbesondere verkleinern, können.

Typischerweise werden zugleich auch der Außendurchmesser und ggf. die Wandstärke des Metallrohres verändert. Ziehen, auch Kaltziehen genannt, ist ein Verfahren, bei dem das Metallrohr durch eine Matrize gezogen wird, die kleiner als das Rohr ist. Um dies zu ermöglichen, wird das Rohr an einer Seite leicht angespitzt bzw. so bearbeitet, dass es in die Matrize passt. Dann wird es auf einer Ziehbank durch die Matrize gezogen. Es sind Verfahren des Kaltziehen bekannt, die ohne Innenwerkzeug arbeiten und solche, die mit einem Innenwerkzeug oder Dorn arbeiten, der den Innendurchmesser des Rohres definiert. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ohne Dorn gearbeitet.

Das Pilgern oder Rohrverengen reduziert typischerweise den

Außendurchmesser, den Innendurchmesser und die Wanddicke. Das Pilgern erfolgt mithilfe von Pilgerwalzen. Eine z.B. geeignete Apparatur weist ein Gerüst mit zwei Walzenbacken auf, die eine annähernd konisch verlaufende Aussparung aufweisen. Die Walzenbacken können auf dem zu walzenden Rohr abrollen und so den Außendurchmesser und damit auch die Wandstärke und den Innendurchmesser des durchlaufenden Rohres verringern. Oft erfolgt zudem eine Drehung des Rohres oder der Walzen während des Durchlaufens, so dass ein genau kreisförmiger

Rohrquerschnitt erzeugt wird.

Rundkneten, früher auch als Rundhämmern bezeichnet, ist ein präzises Verfahren zur spanlosen Umformung von Rohren, Stäben und anderen rotationssymmetrischen Werkstücken.

Das Rundknetverfahren ist ein Kaltumformungsverfahren, bei dem durch Krafteinwirkung der Querschnitt von Massiv- Stäben oder Rohren vermindert wird.

Es gehört zu der Sparte der Net-Shape-Forming-Verfahren, die sich dadurch auszeichnen, dass die Endkontur der umgeformten Werkstücke ohne oder mit nur minimaler spanender Bearbeitung erreicht wird. Beim Rundkneten sind die Umformwerkzeuge (Knetbacken) konzentrisch um das Werkstück angeordnet.

Die Umformwerkzeuge oszillieren hochfrequent mit geringem Hub und üben so auf das umschlossene Werkstück radiale Druckkräfte aus und geben dem bearbeiteten Werkstück dadurch eine geringeren Querschnitt. In den meisten Fällen besteht ein Werkzeugsatz aus zwei oder vier

Knetbacken. Je nach Anwendung können auch zwei bis acht Backen eingesetzt werden. Monolithische Sorbenzien im Sinne der vorliegenden Erfindung sind anorganische, organische oder anorganisch/organische Hybrid-Materialien in Form eines säulenförmigen bzw. zylindrischen Formkörpers. Sie bestehen aus einem einzigen, bevorzugt homogenen, Formkörper.

Beispiele für geeignete Materialien sind gegebenenfalls entsprechend funktionalisierte Polymere, wie Polyacrylamide, Polyacrylate, Vinylpolymere oder Polystyrol/Divinylbenzol Copolymere, oder Kieselgel, Silikate,

Metalloxide wie Aluminiumoxid, Eisenhydroxide, Hydroxylapatit oder Glas oder auch Kompositmaterialien, z.B. aus Siliziumdioxid mit Anteilen anderer Oxide, wie z.B. ZrO2. Weiterhin geeignet sind anorganisch/organische Hybrid-Materialien. Dies können beispielsweise zum einen

organisch/anorganische Co-Polymerisate sein oder Silica-Hybrid- Materialien, bei denen das Monomersol zur Herstellung nicht nur

Alkoxysilane sondern auch Organoalkoxysilane, d.h. typischerweise zumindest 10%, bevorzugt 20 bis 100% Organoalkoxysilane, enthält.

Besonders bevorzugt sind Kieselgel oder Silica-Hybrid-Materialien, Diese werden bevorzugt aus Alkoxysilanen mittels eines Sol-Gel Verfahrens hergestellt.

Geeignete Alkoxysilane sind Tetraalkoxysilane (RO) ₄ Si, wobei R

typischerweise ein Alkyl, Alkenyl oder Aryl- Rest ist, wie C1 bis C20 Alkyl, C2 bis C20 Alkenyl oder C5 bis C20 Aryl, bevorzugt ein C1 bis C8 Alkylrest. Besonders bevorzugt sind Tetraethoxy- und insbesondere Tetramethoxysilan. Genauso kann das Tetraalkoxysilan verschiedene Alkylreste enthalten. Statt in ihrer monomeren Form können die

Alkoxysilane auch vorpolymerisiert als z.B. Oligomere eingesetzt werden. In einer anderen Ausführungsform können statt eines Alkoxysilans oder Mischungen zweier oder mehrerer Alkoxysilane Organoalkoxysilane oder Mischungen von Organoalkoxysilanen mit Tetraalkoxysilanen eingesetzt werden. Geeignete Organoalkoxysilane sind solche, in denen ein bis drei, bevorzugt eine Alkoxygruppen eines Tetraalkoxysilans durch organische Reste, wie bevorzugt C1 bis C20 Alkyl, C2 bis C20 Alkenyl oder C5 bis C20 Aryl ersetzt sind. Weitere Organoalkoxysilane sind z.B. in WO 03/014450 oder US 4,017,528 offenbart. Statt in ihrer monomeren Form können die Alkoxysilane bzw. Organoalkoxysilane auch vorpolymerisiert als z.B.

Oligomere eingesetzt werden.

Die Tetraalkoxysilane bzw. Organoalkoxysilane werden typischerweise als 2 bis 25%ige, bevorzugt 5 bis 10%ige (Gew.%) Lösung in einem

organischen Lösungsmittel wie z.B. Toluol oder Ethanol eingesetzt.

In WO 95/03256 und besonders in WO 98/29350 werden erfindungsgemäß bevorzugte Verfahren zur Herstellung anorganischer monolithischer Formkörper nach einem Sol-Gel Prozess offenbart.

Weiterhin sind monolithische Sorbenzien im Sinne der vorliegenden

Erfindung mittels 3D Druck hergestellte monolithische Sorbenzien, insbesondere solche aus Druck-und Lösungsmittel-stabilen

thermoplastischen Kunststoffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das thermoplastische Polymer ausgewählt aus der Gruppe der Polyetherimide, Polyarylate ,

Polyetherketone , Polyester , Polyamide, Polyimide, Polyamidimide, Polybenzimidazole, Polyphenylensulfide, Polyphenylsulfone oder

Polyoxymethylen sowie Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Materialien. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das thermoplastische Polymer einen Schmelzpunkt über 150°C. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das thermoplastische Polymer PEEK (Polyetheretherketon) oder PPS (Polyphenylensulfid).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das

thermoplastische Polymer Additive, wie z.B. Fasermaterialien,

anorganischen Materialien oder Pigmente, z.B. Kreide, Talkum, Glimmer oder anorganische Oxide, wie Siliziumdioxid, Aluminiumoxid,

Siliciumcarbid, Glas- oder Kohlefasern, bevorzugt Siliziumdioxid,

Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkonoxid, oder Siliciumcarbid oder

Mischungen davon, besonders bevorzugt Siliziumdioxid.

Die monolithischen Sorbenzien, auch poröse Formkörper oder Formkörper genannt, sind säulenförmig, d.h. zylindrisch. Typische Durchmesser liegen zwischen 0,5 mm und 10 cm, bevorzugt zwischen 1 mm und 5 cm.

Typische Längen liegen zwischen 1 cm und 50 cm, bevorzugt zwischen 2,5 cm und 25 cm.

Die monolithischen Sorbenzien weisen erfindungsgemäß eine

monomodale, bimodale oder oligomodale Porenstruktur auf. Bevorzugt weisen sie zumindest Makroporen mit einem Durchmesser größer 0,1 pm auf, die als Durchflussporen dienen. Typischerweise weisen die

Makroporen Durchmesser zwischen 0,1 und 10000 pm auf, bevorzugt zwischen 0,5 und 1000 pm. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Formkörper eine bimodale oder oligomodale Porenverteilung auf, bei der zusätzlich zu den Makroporen noch z.B. Mesoporen mit einem

Porendurchmesser zwischen 2 und 500 nm, bevorzugt zwischen 5 und 100 nm, vorhanden sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Mesoporen in den Wänden der Makroporen und vergrößern so die Oberfläche des Formkörpers.

Bevorzugte monolithische Sorbenzien besitzen ein bimodales Porensystem mit Makroporen als Durchflussporen mit einem Makroporendurchmesser von ca. 0,2 bis 5 pm und Mesoporen in den Wänden der Makroporen mit 4 bis 50 nm Durchmesser.

Durchflussporen sind Poren oder Kanäle, die den Durchfluss von z.B. einer Flüssigkeit oder einem Gas durch einen Formkörper erlauben. Dabei kann die Flüssigkeit an einer Stelle in den Formkörper eintreten und an einer anderen Stelle wieder austreten. Bei säulenförmigen Formkörpern tritt die Flüssigkeit bevorzugt an einem Ende der Säule ein und am anderen wieder aus. Dementsprechend sind Poren, die sich nur in Form einer Einkerbung in der Oberfläche eines Formkörpers befinden, keine Durchflussporen.

Die Durchmesser der Makroporen werden typischerweise mittels

Quecksilberporosimetrie gemessen während die der Mesoporen mittels Stickstoffadsorption/desorption nach BET ermitteln werden.

Das Gesamtporenvolumen der erfindungsgemäß eingesetzten Formkörper liegt typischerweise zwischen 0,1 mUg und 10 mUg, bevorzugt zwischen 1 mL/g und 8 mL/g. Die Oberfläche der erfindungsgemäß eingesetzten Formkörper liegt typischerweise zwischen 1 m ² /g und 1000 m ² /g, bevorzugt zwischen 5 m ² /g und 500 m ² /g.

Eine Ummantelung für monolithische Sorbenzien sollte idealerweise alle der folgenden Eigenschaften erfüllen: lösungsmittelstabil gegenüber in der Chromatographie gebräuchlichen Lösungsmitteln, wie z.B. Acetonitril, MeOH, Wasser, Dioxan, Heptan usw., da die mobile Phase aus einem oder mehreren dieser

Komponenten besteht.

mechanisch stabil, um bei höheren Flussraten ohne Probleme schneller chromatographieren zu können. Bei höheren Flussraten baut sich ein Rückdruck innerhalb der Säule auf. Die Ummantelung sollte auch bei einem Rückdruck von bis zu 400 bar ihre Geometrie nicht verändern. totvolumenarme Auflage auf dem monolithischen Säulenkörper, um Trennleistungsverluste und ein Fronting der Substanz-Peaks bzw.

Vorpeaks durch unkontrollierte Eluentenströme an der Grenzfläche Metall-Säulenkörper zu vermeiden.

porenfrei, um ein nachteiliges Talling der Substanz-Peaks durch unkontrollierte Diffusionsvorgänge in Mikroporen der Ummantelung zu vermeiden. Es wurde nun unerwartet gefunden, dass ein aus der Metallverarbeitung bekanntes Verfahren, das Kaltumformen, geeignet ist, monolithische Sorbenzien mit Metallrohren zu ummanteln. Es wurde gefunden, dass sogar sehr starre und zerbrechliche Formkörper aus Kieselgel mittels Kaltumformen ummantelt werden können. Das monolithische Sorbens zerbricht während des Kaltumformens nicht. Vielmehr entsteht eine

Ummantelung, die gleichmäßig, direkt und totvolumenarm auf dem Sorbens aufliegt. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren liegt bei dem

erfindungsgemäßen Verfahren keine Zwischenschicht zwischen dem

Sorbens und der Metall-Ummantelung vor.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird ein säulenförmiges

monolithisches Sorbens und ein Metallrohr bereitgestellt. Damit das

Sorbens in das Metallrohr hineingeschoben werden kann, muss das Rohr einen Innendurchmesser aufweisen, der größer ist als der Durchmesser des Sorbens. Typischerweise hat das Metallrohr einen inneren

Durchmesser, der 0,05 bis 2 mm größer ist als der Außendurchmesser des monolithischen Sorbens. Bevorzugt sind der Innendurchmesser des Metallrohrs und der Durchmesser des monolithischen Sorbens möglichst ähnlich, damit nach dem Einschieben kein großer Spalt zwischen Sorbens und Metallrohr entsteht. Bevorzugt ist der Innendurchmesser des

Metallrohrs zwischen 0,05 und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,25 mm größer als der Durchmesser des monolithischen Sorbens.

Das Metallrohr kann länger, gleich lang oder kürzer sein als das

monolithische Sorbens. Ist es länger, wird es abgeschnitten, oder in den Überstand an beiden Seiten kann später typischerweise ein Verbindungs-, Dichtungs- oder Frittensystem eingeführt werden, Ist es kürzer, wird das überstehende Sorbens nach der Ummantelung auf beiden Seiten abgeschnitten, so dass es plan mit dem Metallrohr endet.

Bevorzugt endet das Sorbens plan mit der Ummantelung. Die so gefertigte Säule kann dann direkt als Kartusche verwendet werden. Beispielsweise kann sie in ein dafür vorgesehenes Rohr gelegt und mit passenden Endstücken am Rohr befestigt werden. Möglich ist auch ein Anbringen von Gewinden mit einem geeigneten Gewindeschneider, um dann

Standardendstücke darauf schrauben zu können. Des Weiteren kann alternativ auch eine Nut in das Rohr angebracht werden, um eine

Verschraubung, z.B. eine ManuCART® Verschraubung, für den Anschluss an das HPLC System zu verwenden. Der Fachmann kennt die

verschiedenen Anschlusssysteme für Chromatographiesäulen. Geeignete Metallrohre, bevorzugt Edelstahlrohre, weisen bevorzugt eine Wanddicke von 1 mm bis 7,5 mm auf. Besonders bevorzugt ist eine Wanddicke zwischen 2 und 3 mm, insbesondere um 2,5 mm.

Die Metallrohre können beispielsweise aus Edelstahl, Stahl oder Titan bestehen. Rohre aus Edelstahl sind bevorzugt.

Geeignete Edelstahlqualitäten sind 1.4435, 1.4441 und 1.4401. Das monolithische Sorbens wird in das etallrohr eingeführt.

Nach dem Einführen des monolithischen Sorbens in das Metallrohr erfolgt das Kaltumformen des Metallrohrs auf das monolithische Sorbens. Geeignete Kaltumform-Verfahren sind Pilgern, Ziehen oder Rundkneten. Bevorzugt erfolgt das Kaltumformen mittels Rundkneten.

Das Rundkneten erfolgt bevorzugt in mehreren Durchläufen, in denen typischerweise kontinuierlich und von einer Seite des Rohrs zur anderen geknetet wird. Bevorzugt wird hierzu ein Hämmerwerkzeug mit zwei

Hämmerbacken und 10 bis 16 Rollen, besonders bevorzugt 12 Rollen, eingesetzt. Die Hämmerkopfgröße liegt dabei bevorzugt zwischen 2 mm und 20 mm, besonders bevorzugt bei ca. 10 mm. Die Drehzahl beträgt bevorzugt zwischen 500 min und 1500 min ¹ , besonders bevorzugt ca. 1000 min- ¹ .

Möchte man überprüfen, ob das Metallrohr ausreichend dicht und totvolumenarm am Sorbens anliegt, kann man dies beispielsweise anhand einer chromatographischen Trennung tun. Anhand der erhaltenen

Chromatogramme kann der Fachmann entscheiden, ob die Qualität der Trennung ausreicht oder ob noch Mängel auftreten, die von einem

Totvolumen zwischen Sorbens und Ummantelung herrühren. Ein

alternativer, nicht ganz so genauer Test ist ein Drucktest. Dazu wird bei Aufgabe eines Lösungsmittels der Rückdruck der Säule gemessen. Der Fachmann kennt die für die entsprechenden Sorbenzien zu erwartenden Rückdrücke. Sind diese nicht so hoch wie erwartet, ist dies ein Zeichen für Totvolumina zwischen Sorbens und Ummantelung. Die Kaltumformung wird so lange durchgeführt, bis eine für den vorgesehenen Zweck ausreichend totvolumenarme Ummantelung erhalten wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können organische und

anorganische Formkörper oder auch anorganisch-organische Hybrid- Formkörper ummantelt werden, wie sie als Sorbenzien für

chromatographische Zwecke eingesetzt werden. Das Verfahren ist besonders schonend, da es bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann. Während die Ummantelung mit organischen Polymeren oft bei höheren Temperaturen erfolgt und so z.B. temperaturempfindliche

Separationseffektoren zerstören werden können, besteht diese Gefahr bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht. Das monolithische Sorbens kann wie unten erläutert schon vor der Ummantelung mit Separationseffektoren funktionalisiert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass diese während der Ummantelung zerstört werden.

Für den Einsatz zur chromatographischen Trennung mindestens zweier Substanzen werden die erfindungsgemäß ummantelten monolithischen Sorbenzien bevorzugt noch mit Anschlusssystemen für Lösungsmittel- zu und ablauf und optional Filtern, Dichtungen etc. versehen. Dazu kann das ummantelte Sorbens in ein Kartuschensystem mit den entsprechenden Anschlüssen eingelegt werden oder direkt angeschlossen werden.

Derartige Konstruktionen sind dem Fachmann für Chromatographiesäulen mit partikulären oder monolithischen Sorbenzien bekannt.

Für chromatographische Auftrennungen werden die Formkörper vor der Ummantelung oder nach der Ummantelung zumeist mit

Separationseffektoren funktionalisiert.

Die Funktionalisierung des Sorbens dient zur Einstellung bestimmter Trenneigenschaften durch Einführung bestimmter funktioneller Gruppen. Eine funktionelle Gruppe, die auch zur Einführung weiterer funktioneller Gruppen dienen kann, ist eine OH-Gruppe. Geeignete funktionelle

Gruppen, die die Trenneigenschaften beeinflussen, auch

Separationseffektoren genannt, sind dem Fachmann bekannt. Beispiele sind ionische Gruppen für die lonenaustauschchromatographie oder hydrophobe Gruppen für die reversed-phase-Chromatographie. Geeignete Derivatisierungsverfahren und geeignete Separationseffektoren sind dem Fachmann bekannt und in Handbüchern wie Packings and Stationär/ Phases in Chromatographie Techniques (K.K: Unger ed.; Marcel Dekker, New York und Basel (1990)) oder Porous Silica (K.K. Unger ed.; Elsevier, Amsterdam, Oxford, New York (1979)) beschrieben.

Bevorzugte Separationseffektoren sind

- Aminogruppen

- Aminofunktionelle Gruppen

- Alkylgruppen, insbesondere C8 und C18 Gruppen

- Diol

- Cyano

- Phenyl

^" Kationentauscher wie z.B. SO3 ^2"

- Anionentauscher Die Separationseffektoren können vor oder nach der erfindungsgemäßen Ummantelung aufgebracht werden. Bevorzugt werden die

Separationseffektoren vor der Ummantelung aufgebracht. Dies ist problemlos möglich, da die Ummantelung mit dem Metallrohr bei

Raumtemperatur stattfindet und die Separationseffektoren an der

Grenzfläche zur Ummantelung nicht abgebrannt werden, wie das z.B. bei Ummantelungen mit organischen Polymeren oft der Fall ist, weil sie bei erhöhten Temperaturen aufgebracht werden.

Die erfindungsgemäß ummantelten monolithischen Sorbenzien zeigen hervorragende Trenneigenschaften. Auch nach Lagerung in Lösungsmitteln und häufiger Benutzung bei unterschiedlichen Drücken zeigt sich keine Verschlechterung der Trennleistungen. Die erfindungsgemäß ummantelten Sorbenzien können bei Lösungsmitteldrücken bis zu oder sogar über 500 bar, bevorzugt zwischen 50 und 400 bar, eingesetzt werden. Somit gewährleistet die erfindungsgemäße Ummantelung erstmals die

Herstellung von monolithischen Chromatographiesäulen, die sowohl mechanisch und chemisch besonders stabil sind, als auch eine Ummantelung aufweisen, die totvolumenarm auf den monolithischen Formkörpern aufliegt. Eine polymere Zwischenschicht zwischen Sorbens und Ummantelung wird nicht benötigt. Dadurch, dass die Ummantelung nachträglich nach der Herstellung auf das monolithische Sorbens aufgebracht wird, spielt das Schrumpfen des Sorbens bei der Herstellung keine Rolle. Die erfindungsgemäß hergestellten Chromatographiesäulen können für HPLC (high pressure liquid chromatography) wie auch für UHPLC (ultra high pressure liquid chromatography) Verfahren eingesetzt werden.

Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, dass ein Fachmann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offen- barung aufzufassen.

Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, sowie der

korrespondierenden Anmeldung EP 15196322.0, eingereicht am

25.11.2015, ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.

Beispiele

Beispiel 1

Kieselgelmonolithen der Dimension 150x3mm wurden entsprechend einem Sol Gel Prozess wie in WO98/29350 und EP 1843155 offenbart,

hergestellt. Die resultierenden Monolithen besitzen ein bimodales

Porensystem mit einer Makroporengröße von ca 1-2 μΐτι und Mesoporen von 13-15nm, Die Monolithen werden dann in ein passgenaues Metallrohr ohne weitere Aufbringung einer Zwischenschicht oder Vorbehandlung des Metallrohrs gelegt und in eine für das„Rundkneten" geeignete Vorrichtung ' gespannt. Das Edelstahlrohr wird dann bei gleichzeitigem Drehen radial auf den Kieselgelmonolithen in mehreren Arbeitsschritten„geknetet" bis das Metallrohr direkt auf den Monolithen ohne Totvolumen an der Grenzfläche aufliegt. Die so ummantelten Monolithen werden an den Enden gekürzt und liegen dann in einer Dimension 100x3mm als Kartusche ohne Gewinde und Endfittings vor (siehe Fig. 1).

Die so ummantelten Monolithen werden dann in eine passende Halterung eingespannt. Die Metallhalterung besteht aus einem Metallrohr, welches an den Enden jeweils mit einem Gewinde versehen ist. Die metallummantelte Monolithenkartusche wird in das Rohr gelegt und von außen mit zwei Endstücken, die auf die beiden Gewinde gedreht werden, befestigt. Zur endgültigen Abdichtung liegt in den Endfittings eine Metallfritte mit

Metallring, die beim Aufschrauben auf das Halterungsrohr, die Kartusche abdichtet, sodass kein Eluent beim Durchpumpen austreten kann.

Die metallummantelten Kartuschen werden zur Oberflächenmodifizierung in den Metallhalter eingespannt und in situ mit C18 Silan wie in J.

Chromatogr. 1130 (2006) 175-181 beschrieben, derivatisiert. Hierzu werden die Kieselgelmonolithen zunächst mit ACN und trockenem Toluol im Durchfluss mit ImlJmin für 2h gewaschen. Anschließend wird eine 20% (v/v) Lösung von Octadecyldimethyl-N,N-diethylaminosilan in ACN mit einem langsamen Fluss (ca. 0.1 mlJ min) für 5h durch die Säule gepumpt. Bei dieser Durchführung liegt die Säule in einem Ofen bei 60°C und zur Vorerhitzung der Silanlösung ist eine 60 cm lange Kapillare, die ebenfalls im Ofen liegt, am Säulenkopf angeschlossen.

Die so hergestellte Säule wird in ein geeignetes HPLC System eingespannt und mit ACN/Wasser (60/40; v/v) chromatographisch auf Trennleistung und Peaksymmetrie getestet.

HPLC Bedingungen:

Eluent: ACN/Wasser 60/40

Fluss: 0,85 mL/min

Detektion: UV 254 nm

Temperatur: RT

Injektionsvolumen: 1 ,0 pL

Proben:Thioharnstoff 2,1 mg

Biphenyl-2-ol 5,4 mg

Progesteron 11,6 mg

Hexanophenon 12,3 mg

Anthracen 1,8 mg gelöst in 100 mL Das erhaltene Chromatogramm ist in Fig. 2 gezeigt.

Die Säule zeigt die Basislinientrennung von 5 Substanzen; Anthracen (Peak 5) zeigt ein N/m: 96.110 sowie eine Peaksymmetrie von Tusp: 1.3 (leichtes Talling). Es werden keine Doppelpeaks oder Fronting beobachtet, die Hinweise auf Totvolumina zwischen Monolith und Metallrohr geben könnten.

Beispiel 2

Ein Kieselgelmonolith in der Dimension 150x3 mm wurde wie unter 1) beschrieben über einen Sol Gel Prozess hergestellt. Anschließend wird er in einer 20%igen Lösung von Octadecyldimethyl-N,N-diethylaminosilan in Toluol unter Rückfluss für 5h derivatisiert. Danach wird der Monolith in n- Heptan gewaschen und getrocknet. Anschließend wird der Monolith in einer 20%igen Lösung von Trimethylsilyl-imidazol (TMSI) in ACN für 2,5h bei 60°C endgecappt und in ACN gewaschen.

Der als C18e derivatisierte Monolith wird dann wie unter 1) direkt mit einem Metallrohr ummantelt und für die chromatographische Testung in einer Halterung mittels einer HPLC-Anlage getestet.

HPLC Bedingungen:

Eluent: ACN/Wasser 60/40

Fluss: 0,85 mL/min

Det. UV 254nm

Temp. RT

Injvol.: 1 ,0 pL

Proben:Thioharnstoff 2,1 mg

Biphenyl-2-ol 5,4 mg

Progesteron 11 ,6 mg

Hexanophenon 12,3 mg

Anthracen 1 ,8 mg gelöst in 100 ml_

Das erhaltene Chromatogramm ist in Fig. 3 gezeigt. Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse zusätzlich numerisch wieder:

Anthracen wird mit einer Trennleistung von 62.630N/m und einer

Peaksymmetrie von 1,28 Tusp chromatographiert. Da die Ummanteiung im kalten Zustand erfolgt, kommt es nicht zu Abbrennungen von C18-Silan in der Randpartie der Monolithen (wie üblicherweise bei

Kunststoffummantelungen beobachtet, die bei hohen Temperaturen, wie z.B. ca. 400°C auf den Monolithen aufgebracht werden). Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Monolithen daher als C18e Derivat ohne weitere Nachbehandlung mit dem Metallrohr ummantelt werden. Beispiel 3

Ein weiterer Kieselgelmonolith in der Dimension 150x3mm wurde wie unter 2) beschrieben über einen Sol Gel Prozess und C18e Derivatisierung hergestellt und mit einem Metallrohr ummantelt.

Der als C18e derivatisierte Monolith wird dann wie unter 1) beschrieben chromatographisch getestet.

HPLC Bedingungen:

Eluent: ACN/Wasser 60/40

Fluss: 0,85 mL/min

Det. UV 254nm

Temp. RT

Injvol.: 1,0 L

Proben:Thioharnstoff 2,1 mg

Biphenyl-2-ol 5,4 mg

Progesteron 11 ,6 mg

Hexanophenon 12,3 mg

Anthracen 1 ,8 mg gelöst in 100 ml_

Das erhaltene Chromatogramm ist in Fig. 4 gezeigt. Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse zusätzlich numerisch wieder:

RetTime Peakname j K ^* TUSP N/m

min

1 0,998 Thi oh am stoff j 0.00 1,29 37140

- ₂ 1,743 Bigheny!-2ot 1 0,75 1,44 50870

3 2,793 Progesteron 1.80 1,57 1Ö453 ^{" "}

4 3,532 Hexanophenon 1 2,54 ^{"" '} 1,43 71930

4,893 Anthracen j 3,90 1,50 72010 Anthracen wird mit einer Trennleistung von 72.010 N/m und einer

Peaksymmetrie von 1,50 Tusp chromatographiert. Es sind keine

Doppelpeaks oder Fronting erkennbar, die ein Totvolumen zwischen Metallrohr und Monolith anzeigen würden.

Beispiel 4

Ein Kieselgelmonolith in der Dimension 100x3 mm wurde wie unter 1) beschrieben hergestellt und auf Druckstabilität getestet.

Hierzu wird die Metallkartusche in die Metallhalterung gelegt und an ein HPLC System angeschlossen. Es wird dann mit einem Fluss von

0,85ml/min und einem resultierenden Säulenrückdruck von 50 bar chromatographiert und die Leistungsdaten aufgenommen. Anschließend wird der Fluss verdoppelt auf 1 ,7 ml/min, was eine Verdopplung des Säulenrückdrucks (100 bar) zur Folge hat. Danach wird noch zweimal der Fluss auf jeweils 3,4 ml/min und 6,8 ml/min verdoppelt. Der resultierende Säulenrückdruck liegt unter diesen Bedingungen bei 195 bar bzw. 326 bar. Unter letzteren Bedingungen hätte der Rückdruck ca. 400 bar betragen müssen. Kleine Undichtigkeiten an den Verschraubungen im Metallhalter haben wohl zu einem Druckabfall geführt.

Ein anschließender Rücktest unter den Startbedingungen mit einem Fluss von 0,85ml/min ergibt gleichwertige Leistungswerte wie beim Start, was darauf schließen lässt, dass die Säule unter diesen Bedingungen stabil ist.

Das oben beschriebene Chromatographie-Schema ist noch einmal als Flussdiagramm in Fig. 5 gezeigt. Fig. 6 A bis E zeigen die in den jeweiligen Schritten erhaltenen Chromatogramme. Mit A ist dabei das bei 50 bar erhaltene Chromatogramm gezeigt, mit B das bei 100 bar erhaltene und so weiter. Chromatogramm E zeigt den Rücktest, der erneut bei 50 bar durchgeführt wird.