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Zentrifugale Partitionschromatographie Der Schlüssel zur grünen, präparativen Chromatographie

Ein Gastbeitrag von Gilson*

Anbieter zum Thema

Nachhaltigkeit und Laborarbeit sind nicht immer leicht zusammenzubringen. Für die Chromatographie, gerade in präparativen Anwendungen, gibt es aber in vielen Fällen eine Alternative zur herkömmlichen HPLC: die zentrifugale Partitionschromatographie. Was sie zu einer „grüneren“ Methode macht, lesen Sie hier.

Abb.1: Die zentrifugale Partitionschromatographie (CPC) kann der Schlüssel zu einer „grüneren“, nachhaltigeren Form der Chromatographie sein (Symbolbild).
Abb.1: Die zentrifugale Partitionschromatographie (CPC) kann der Schlüssel zu einer „grüneren“, nachhaltigeren Form der Chromatographie sein (Symbolbild).
(Bild: © adam121 - stock.adobe.com)

Chemiker sind immer öfter auf der Suche nach „grünen“ Methoden, die die negativen Auswirkungen ihrer Arbeit auf die Umwelt verringern können. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei der Verzicht von umweltgefährlichen Stoffen wie Methanol oder Acetonitril. In der Flüssigchromatographie ist dies eine besondere Herausforderung, da kommerzielle Labore große Mengen giftiger Lösungsmittel für ihre HPLC-Anlagen verwenden.

Die Chromatographie umfasst mehrere Schritte, bei denen gefährliche Chemikalien zum Einsatz kommen, aber der Schritt, den Wissenschaftler als den umweltschädlichsten ansehen, ist die chromatographische Trennung an sich: Ein einziger analytischer Hochleistungs-Flüssigkeitschromatograph, der mit einer Durchflussrate von 1 ml/min arbeitet, kann z. B. bis zu 500 l Lösungsmittel pro Jahr für die Trennung verbrauchen. [1] Die präparative Chromatographie arbeitet i. d. R. mit 100 ml/min, was, hochgerechnet auf die Größe eines durchschnittlichen kommerziellen Labors für präparative Chromatographie, zehntausende Liter giftiger Chemikalien bedeuten kann. [1,2]

Lösungsmittel als Umweltproblem

Als langjähriger Anbieter auf dem Gebiet der Chromatographie ist Gilson aktiv an der Suche und Qualifizierung umweltfreundlicher Methoden beteiligt. Noch ist die Industrie allgemein aber eher zurückhaltend in Bezug auf den Wechsel zu anderen, „grüneren“ Lösemitteln. Denn oft ist solch ein Wechsel des Lösungsmittels mit gewissen Schwierigkeiten verbunden. So bringt z. B. der Austausch von Acetonitril durch Aceton und auch der Austausch von Methanol durch Ethanol in der Chromatographie neue Herausforderungen mit sich, die möglicherweise die Datenqualität beeinträchtigen können. [3] Ethanol ist zwar umweltfreundlich, aber in Verbindung mit Wasser zu zähflüssig für die Chromatographie, und Aceton ist schwer zu pumpen, da es sehr flüchtig ist. Außerdem ist Aceton ein starkes UV-Absorbens für Wellenlängen bis zu 340 nm, was die Verwendung eines UV-Detektors als Teil des Arbeitsablaufs unmöglich macht.

Sinnvoller unter einem Nachhaltigkeitsaspekt ist es aber, generell weniger Lösungsmittel zu verwenden, statt nur die Art des Lösungsmittels auf ein umweltfreundlicheres Substitut zu ändern. Denn auch der Wechsel von z. B. Methanol auf Ethanol ist keine Garantie dafür, dass das Chromatographieverfahren insgesamt umweltfreundlicher wird. Tatsächlich kann das Ersetzen eines Standardlösungsmittels durch ein „grünes“ die negativen Auswirkungen eines Chromatographieprotokolls auf die Umwelt sogar noch verstärken. [3] So kann z. B. der Wechsel des Lösungsmittels die Ausbeute des Endprodukts verringern und den Laborant zwingen, zusätzliche Elutionen durchzuführen oder zusätzliche Säulen zu verwenden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Im Endeffekt steigt damit also der Verbrauch an Chemikalien und Material, was einem Nachhaltigkeitsansatz entgegenspricht.

Anstatt mit neuen Chemikalien zu experimentieren, die sich möglicherweise negativ auf die technische Leistung auswirken oder die Umwelt schädigen können, haben Laboranten die Möglichkeit, ihren Lösungsmittelverbrauch direkt und drastisch zu senken, indem sie andere Aufreinigungsmethoden verwenden.

Ergänzendes zum Thema

Vorteile der CPC gegenüber HPLC:

  • keine Säule muss ersetzt und kein Siliziumdioxid recycelt werden
  • geringer Lösungsmittelverbrauch (z. T. über 400-mal weniger Lösemittel pro Lauf als bei HPLC)
  • hohe Durchflussrate bei geringer Laufzeit (weniger Stromverbrauch, und Arbeitszeit)
  • hohe Leistung, hohe Reinheit und hohe Rückgewinnung
  • kein Probenverlust (keine irreversible Proben­absorption oder Denaturierung von empfindlichen Molekülen)

Ein grüner Ansatz der Stofftrennung

Einer der „grüneren“ Lösungsansätze für die Chromatographie ist die zentrifugale Partitionschromatographie (engl. centrifugal partition chromatography, CPC). Sie verwendet bekannte Materialien, aber deutlich geringere Lösungsmittelmengen als herkömmliche Chromatographieverfahren. Außerdem werden die Produkte effizienter und effektiver extrahiert, was auf lange Sicht Geld spart.

Abb.2 Die stationäre Phase (blau) wird durch die Zentrifugalkraft in einer Reihe von Zellen gehalten. Die mobile Phase (gelb) durchläuft jede Zelle und die in der mobilen Phase enthaltenen Verbindungen (A, B und C) diffundieren in die stationäre Phase einer Zelle, entsprechend des Verteilungskoeffizienten zwischen den beiden Phasen.
Abb.2 Die stationäre Phase (blau) wird durch die Zentrifugalkraft in einer Reihe von Zellen gehalten. Die mobile Phase (gelb) durchläuft jede Zelle und die in der mobilen Phase enthaltenen Verbindungen (A, B und C) diffundieren in die stationäre Phase einer Zelle, entsprechend des Verteilungskoeffizienten zwischen den beiden Phasen.
(Bild: Gilson)

Die CPC ist eine Form der Flüssig-Flüssig-Chromatographie, die nach ähnlichen Prinzipien wie die herkömmliche Fest-Flüssig-Chromatographie arbeitet, aber ein reineres Produkt mit weniger Lösungsmittel extrahiert. [4] Beide Systeme verwenden eine stationäre Phase, aber anstelle von Kieselgel wird bei der CPC eine Flüssigkeit verwendet. Durch Rotation der kanaldurchsetzten Drehscheiben einer CPC-Anlage bleibt die Flüssigkeit, festgehalten von der Zentrifugalkraft, im System: Bei der CPC wird die stationäre Phase in einer Reihe von Zellen auf einer rotierenden Scheibe gehalten und während sich die Scheibe dreht, gelangt die mobile Phase von einer Zelle zur nächsten. Je nach Verteilungskoeffizient zwischen den beiden Phasen, eluieren verschiedene Verbindungen in verschiedenen Zellen in die stationäre Phase.

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Das macht CPC besser

Mehrere Studien belegen die Vorteile der CPC gegenüber der herkömmlichen Chromatographie, sowohl was den Lösungsmittelverbrauch als auch die Kosteneinsparungen betrifft. [5-6] In einer Studie extrahierten Forscher Xanthanolide – antimykotische Wirkstoffe aus der Pflanze Xanthium macrocarpum – mit CPC und klassischer Fest-Flüssig-Kieselgel-Chromatographie. Sie verglichen deren Leistung und den Verbrauch an toxischen Lösungsmitteln (s. Tab. 1). [5] CPC extrahierte eine Art der Xanthanolide mit einer fast 15-mal höheren Reinheit (5,8 Prozent bei Kieselgel gegenüber 84,4 Prozent mit CPC). Außerdem wurde bei der CPC pro Gramm extrahiertem Xanthanolid weniger als die Hälfte des Lösungsmittelvolumens der klassischen Chromatographie verbraucht (1,1 l bei Kieselgel gegenüber 0,5 l bei CPC).

In einer zweiten Studie beobachteten Forscher ähnliche Ergebnisse, als sie sowohl CPC als auch herkömmliche Methoden zur Extraktion von Caulerpenyne einsetzten, einer natürlichen Verbindung mit antitumoralen Eigenschaften. [6] Hier wurde mit CPC die Hälfte bis zwei Drittel weniger Lösungsmittel verbraucht (etwa 1 l für CPC; 2 bis 3 l für die herkömmliche Chromatographie) und es wurden mehr als 20-mal so viele Verbindungen extrahiert (8,3 mg gegenüber 0,4 mg aus 2,7 g Rohmaterial; s. Tab. 2). Zudem dauerte die Extraktion mit herkömmlichen Methoden ein bis zwei Tage, während das CPC-Protokoll etwa eine Stunde benötigte.

Durch die Halbierung des Lösungsmittelverbrauches verbessert die CPC die Nachhaltigkeit der Chromatographie erheblich. Da die Ausbeute 15- bis 20-mal höher ist als bei anderen Methoden, läuft der gesamte Extraktionsprozess effizienter und verbraucht weniger Materialien pro Einheit des Rohextrakts. Basierend auf den Ergebnissen dieser Beispiele, kann der Einsatz von CPC den durchschnittlichen jährlichen Lösungsmittelverbrauch pro Chromatograph hypothetisch um 75 Prozent senken und dennoch die gleiche Menge an reinem Extrakt gewinnen, ohne dass die Lösungsmittel gewechselt werden müssen oder das Umweltmanagement der Methode zu verkomplizieren.

Wirtschaftliche Durchführbarkeit von CPC

Ein bemerkenswerter Vorteil der CPC ist der Verzicht auf Kieselgel, das einen erheblichen Anteil an den Kosten eines Chromatographie-Workflows ausmacht. Das teure Kieselgel setzt sich in den Chromatographiesäulen fest und muss regelmäßig ausgetauscht werden, während die CPC-Komponenten durch einfaches Spülen wiederverwendet werden können. Dies erhöht die Kosteneffizienz des Chromatographie-Workflows und macht die ökologische Nachhaltigkeit zu einer wirtschaftlicheren Option. Außerdem können, im Gegensatz zum Kieselgel, bis zu 99 Prozent der für die CPC verwendeten Lösungsmittel recycelt werden. [7]

Durch die Integration der CPC in ihre Chromatographie-Workflows sparen Labore auf lange Sicht gesehen Geld, sowohl bei der Menge der benötigten Lösungsmittel, als auch bei den Entsorgungskosten, der Zeitersparnis und bei der Vermeidung von zusätzlichen Kieselgel- und Säulenkäufen. Da der gesamte Prozess effizienter ist als die herkömmliche Chromatographie, können die Labore mit weniger Materialien mehr Produkte herstellen und dabei weniger Zeit und Geld aufwenden.

Fazit: So geht grüne Chromatographie

Der Einsatz von CPC erfüllt eines der zentralen Ziele der grünen, analytischen Chemie: die Verringerung der Menge an Chemikalien bei Experimenten zur Aufrei­nigung. Darüber hinaus bietet die Methode Kosteneinsparungen im Labor. Das ist für Wissenschaftler, die nach einem wirtschaftlich tragfähigen Weg zu einer nachhaltigen Chemie suchen, von entscheidender Bedeutung. Weiterhin bietet CPC eine ideale Anpassungsfähigkeit für den Einsatz zukünftiger, effizienterer Generationen von grünen Lösungsmitteln.

Literatur

  • [1] Justyna Płotka, Marek Tobiszewski, Anna Maria Sulej, Magdalena Kupska, Tadeusz Górecki, Jacek Namieśnik: Green chromatography, Journal of Chromatography A, Volume 1307, 13 September 2013, Pages 1-20; DOI:10.1016/j.chroma.2013.07.099
  • [7] The UCLA Department of Chemistry & Biochemistry, Rotary evaporators, last updated Thursday, April 01, 2010

* Gilson Aufreinigung, Gilson International

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