WO2020104575A1 - Method and device for separating ions of the same charge polarity in an electric field - Google Patents
Method and device for separating ions of the same charge polarity in an electric fieldInfo
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- B01D57/02—Separation, other than separation of solids, not fully covered by a single other group or subclass, e.g. B03C by electrophoresis
Definitions
- the invention relates to a method and a device for separating ions of the same charge polarity in the electric field. It is particularly applicable for the separation or purification of ions that are in a carrier, for example for proteins or other ionic biomolecules in aqueous solution.
- the separation of ions is an integral part of a multitude of processes for the purification or processing of raw materials or products from mixtures of substances in the chemical, biotechnological and pharmaceutical industries. Differences in the properties of the target substance and the contaminating substances in the mixture are used to increase the purity of the target substance and to separate impurities with the aid of various ionic interactions.
- Typical target substances are in particular but not exclusively proteins, nucleic acids, metal ions, low molecular weight organic ions and ionic polymers.
- a typical example of this is the purification of recombinantly produced technical or pharmaceutical proteins from a mixture of many thousands of other proteins and charged biomolecules such as nucleic acids in a cell lysate.
- the separation of ions usually takes place either via their interaction with an ionic stationary phase (eg ion exchange chromatography, zeolitic ion exchangers) or via the interaction of the ions with an external electrical field.
- an ionic stationary phase eg ion exchange chromatography, zeolitic ion exchangers
- electrophoretic separation techniques is for preparative purification of an ionic target substance is limited to processes that do not adversely affect the structural and functional integrity of the target substance. Maintaining the ionic target substance in its native form or at least in a form that is structurally and functionally not detrimental to the intended use is therefore essential for the selection and application of methods and devices for the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field.
- Methods are known in which the ions are separated in an electric field in a macroscopically immobile carrier, in particular the methods of gel electrophoresis and paper electrophoresis.
- the ions move at different speeds through a carrier, the particles of which are not subject to any directional movement or a movement specified by the process.
- a disadvantage of these processes is their low throughput, especially for large, weakly charged ions with low ion mobility.
- An improvement in resolution can be achieved by using gels, but with a further disadvantageous reduction in throughput, since the ions in the gel, depending on their size, have an even lower ion mobility than without a gel.
- these methods are only of limited suitability for the preparative separation of ions, since they are difficult to parallelize and can hardly be operated continuously.
- capillary electrophoresis The methods of capillary electrophoresis are also known, in which the separation of the ions takes place in an electrical field which is located between the ends a capillary filled with carrier and mixture of substances rests.
- the carrier moves through the capillary.
- the ions of the mixture of substances move according to their ion mobility and interaction with the moving carrier.
- the flow rate is very slow, so that in combination with the small cross-sectional area of the capillaries used (inner diameter in the order of 100 gm) the throughput of such processes is disadvantageously too low for the preparative separation of ions.
- the vulnerability of capillaries is further disadvantageous against macroscopic impurities, in particular particles, precipitated proteins or other ions, which can lead to blockage of the capillary.
- the methods of free-flow electrophoresis are known, in which the ions of the substance mixture are moved by a continuous directional flow of a carrier.
- the ions of the mixture of substances are deflected and thus separated according to their ion mobility by an electric field oriented orthogonally to this flow.
- Methods of free-flow electrophoresis are also known in which, for the purpose of improving the resolution, the flow and the electric field are not completely orthogonal to one another, so that an electrical force acts on each ion in the electric field both parallel to the direction of flow and orthogonally to the direction of flow.
- the separation of the ions in the electrical field thus takes place in a two-dimensional plane parallel to the plane spanned by the flow vector and the field strength vector, the ions always continuously with the carrier current from the inlet opening to the outlet of the free-flow electrophoresis. Move the device.
- a method is to be specified in order to separate a substance mixture of target substance and impurities in the electrical field in such a way that the purity of the target substance in one of the separation products is higher than in the substance mixture before the separation.
- Ions of the same charge polarity in the sense of the invention are all those ions which have the same charge sign.
- all anions are ions of the same charge polarity and all cations are ions of the same charge polarity.
- Mixtures of substances in the sense of the invention are mixtures of ionic, ie electrically charged, components.
- Components in the sense of the invention are themselves either target substance 1 or impurity 2.
- a substance mixture in the sense of the invention always consists of at least two components. If a substance mixture contains several target substances 1, the target substances 1 mutually count as impurities 2, since a first target substance 1 can be contaminated by a second target substance 1.
- Substances which are uncharged in the absence of an electric field 6, but which convert into ions under the influence of an electric field 6 through electrical dispersion, polarization and dissociation, are considered to be components of a mixture of substances in the sense of the invention.
- Components in the sense of the invention are, in particular, but not exclusively, proteins, nucleic acids, ionic polymers, lipids, cells, organelles, viruses, vesicles, low-molecular ions, elementary ions, metal complexes, charged precipitates, crystals and ores, and ultimately any conceivable form of charged substances, substances , Particles or molecules as well as their accumulations, complexes or other higher organized structures which, if they appear to the outside as a charged unit (eg cells), can themselves represent mixtures internally.
- Each component is characterized by physical, chemical and biological properties. These properties span the parameter space according to the invention. Each component represents a point in the parameter space according to its properties. Each property is a dimension of the parameter space. Properties of the components in the sense of the invention are all characteristics of a component which can be described qualitatively or quantitatively, in particular but not exclusively the charge, the size, the shape, the structure, the flexibility, the mass, the mass distribution, the charge distribution, the electron density distribution, the polarizability , the permittivity, the permeability, the absorption and fluorescence characteristics, the hydrophobicity, the dissociability, the structure, size and binding strength of the carrier shell, the ability to bind other molecules or ions and the structure, location, number and binding strength of these binding sites.
- a large number of the properties of a component change depending on the environmental conditions of the component, so that the position of a component in the parameter space also depends on the properties of the environment of a component.
- Important environmental properties within the meaning of the invention are, in particular, but not exclusively, the electrical and magnetic field strength, the flow direction and speed, the temperature, the pressure, the pH, the ionic strength, polarity, permittivity, permeability and type of carrier 3, the pH Buffering and additives in the carrier 3, which interact with the components.
- the total force 8 in the sense of the invention results as the resulting force from the sum of all forces acting on a component.
- the total force 8 relevant for the separation of at least two components is in each case the total force 8 acting on a component in the direction of the main flow direction of the carrier 3.
- Carriers 3 in the sense of the invention are fluids which consist of one or more dominant molecule types and mostly have a higher concentration of substance than the individual components of the substance mixture.
- the molecules of the carrier 3 themselves are advantageously no or only weak ions.
- the carrier 3 also acts as a solvent of the mixture of substances.
- Important carriers 3 in the sense of the invention are in particular but not exclusively water and organic solvents such as ethanol, hexane, isopropanol, acetone, diethyl ether or else carbon dioxide, nitrogen or argon.
- Carriers 3 in the sense of the invention can also be solid powders, provided that they have macroscopically fluid-like behavior.
- An essential feature of the carrier 3 in the sense of the invention is the mediation of the flow force 4.
- the flow force 4 and its flow force vector 4V always point in the direction of the macroscopic main flow direction of the carrier 3.
- the separation zone 5 in the sense of the invention is the effective range of the electric field 6 in the carrier 3 in which components of the substance mixture can still be retained.
- the components of the substance mixture are separated into a retained fraction, which remains in the separation zone 5 and in an outflowing fraction, which flows through the flowing carrier 3 from the Separation zone 5 is carried out.
- Bisection in the sense of the invention is the separation of a quantity into two subsets.
- bisection takes place by dividing the set of all points of the parameter space into two subsets, which are separated by at least one hyperplane.
- a hyperplane is referred to in the description of the invention as a bisection line, regardless of the dimensionality of the parameter space.
- a bisection line in a one-dimensional parameter space corresponds to a point, in a two-dimensional parameter space a line, in a three-dimensional parameter space a surface, etc.
- Each bisection line in the sense of the invention is a hyperplane that separates the parameter space into at least two subspaces.
- Bisection lines in the sense of the invention do not necessarily have to be continuous and connected to one another, the same applies to the partial spaces of the parameter space created by bisection.
- Bisection lines in the sense of the invention always divide the parameter space into two subsets, one subset of which describes the set of all parameter subspaces in which the total force 8 on a component is greater than zero in the direction of the flow direction of the carrier 3 and of which the other subset the amount describes all parameter subspaces in which the total force 8 on a component is less than or equal to zero in the direction of flow of the carrier 3.
- a bisection line divides the amount of all components in a separation zone 5 into the subset of components in a separation zone 5 the predominant flow force 4 is carried out of the separation zone 5 and into the subset of the components which is retained in the separation zone 5.
- a bisection line results from the expansion of a parameter space by the dimension of the total force 8 in the direction of the flow direction of the carrier 3 as the set of all points for which this total force 8 is zero.
- Cascading in the sense of the invention denotes the sequential arrangement of a plurality of separation stages 10, a separation taking place in each separation stage 10 under different, but in some cases also the same environmental conditions wherein at least one fraction as a separation product of the previous separation stage 10 is subjected to a further separation in the subsequent separation stage 10 under changed or sometimes the same environmental conditions.
- Sensors 11 in the sense of the invention are all devices which are suitable for identifying at least one target substance 1 in the carrier 3 and quantifying them relatively (e.g. as purity in%) or absolutely (e.g. as substance concentration).
- the object is achieved by a dimensionally reduced free-flow electrophoresis method, which is characterized in that at least one component of the substance mixture according to the invention in the effective range of the electrical field 6 and / or in the region of force owing to a balance of forces between flow force 4 and electrical force 7 Flow of the carrier is retained, whereas at least one other component of the mixture of substances continues to migrate with the flow of the carrier 3.
- This method advantageously allows a significantly simplified architecture of the separation device, so that the method according to the invention has a higher scalability, parallelizability and robustness compared to the prior art.
- the solution to the problem according to the invention is based on the knowledge that the methods and devices known from the prior art are too complex to meet the industrial requirements for scalability, parallelizability and robustness.
- the method according to the invention is a fundamentally simplified free-flow electrophoresis method in which the separation resolution is reduced to one bisection in order to achieve maximum scalability, parallelizability and robustness of the separation method
- the total separation resolution required can be achieved by an iterative or cascaded implementation of the method, whereby it is advantageous that, according to the invention, classic search and optimization algorithms can be used to develop a complete work-up process for ionic target substances 1 can be used that allow complete automation of process development according to the invention.
- the substance mixture of target substance 1 and impurities 2 is in a flowing carrier 3, so that a flow force 4 acts on target substance 1 and impurities 2, which moves them along their flow vector 4V in the absence of opposing forces.
- target substance 1 and impurities 2 in carrier 3 reach at least one separation zone 5, which is located in an electrical field 6, so that an electrical force 7 acts on target substance 1 and impurities 2 according to their charge and other properties along the field strength vector 7V.
- Flow vector 4V and field strength vector 7V are advantageously arranged antiparallel to one another in at least one point of separation zone 5.
- a total force 8 acts as a sum of at least the flow force 4 and the electrical force 7 on each component in the separation zone 5.
- the amounts of the flow force 4 and the electrical force 7 on a component in the separation zone 5 are particularly but not exclusively dependent on the size, structure, flexibility, charge, charge distribution, hydrate or general carrier shell, the number and distribution of bound ions and other molecules , the hydrophobicity and the thermodynamic and electrochemical environmental parameters (temperature, pressure, pH, total ionic strength, polarity and permittivity of the carrier, etc.) of the component.
- the method according to the invention creates a state in at least one point of the separation zone 5 by setting suitable conditions with regard to the flow of the carrier 3 and the strength and shape of the electric field 6, in which the total force 8.2 on at least one impurity 2 and the total force 8.1 on the Target substance 1 are so different that one of the two aforementioned components is retained in the separation zone 5, while the other component moves out of the separation zone 5 and flows off.
- this leads to a bisection-like separation which detects the purity of the Target substance 1 in the outflowing or in the retained fraction of the separation zone 5 is increased in comparison to the other fraction.
- the electric field 6 is generated by electrodes 9, which are flowed through as a centrosymmetric hollow body (in particular as a hollow cylinder or torus) or hollow body segments of target substance 1, impurities 2 and carrier 3, so that the electric field 6 the ion current in the separation zone 5 focused and thus increased the selectivity of the bisection.
- the electric field 6 is generated by electrodes 9 which, in particular as a Faraday cage, are completely or almost completely field-free in at least one point on the inside.
- the method according to the invention is applied iteratively or cascaded.
- the fraction which contains at least one target substance 1 is subjected to a further separation according to the invention, which, however, takes place under changed process conditions.
- This enables the separation of impurities 2 with other properties which influence the separation behavior.
- this is continued iteratively and / or cascading until the required purity of at least one target substance 1 is reached.
- the method according to the invention can be carried out iteratively using the same hardware multiple times as multiple separation stages 10A, 10B and by cascading several separate separation stages 10A, 10B.
- the separation of ions in the electrical field 6 according to the invention takes place in continuous operation.
- a plurality of separation stages 10 for carrying out the same separation step are operated in parallel. On the one hand, this allows the throughput of the overall process to be increased; on the other hand, in iterative or cascaded process applications, a continuous flow can be maintained by suitably interconnecting the separation stages 10.
- both the retained and the outflowing fraction of a separation zone 5 are monitored with regard to the presence and purity of the target substance 1, in particular, but not exclusively, by optical methods (absorption and fluorescence measurements).
- the retained fraction is removed from the separation zone 5 regularly or continuously. In some embodiments of the invention, this is done in particular by reversing the polarity of the electrodes 9.
- the electrodes 9 are not in direct contact with the separation zone 5, but are convectively separated from the carrier 3 in the separation zone 5 by suitable separators 12 (for example membranes, gels, molecular sieves) in such a way that electrolytically formed gas bubbles do not form can pass through the separation zone 5 while the electric field 6 acts through the separators 12 or is only coupled into the separation zone 5 through them.
- the separators 12 can be both electrically conductive materials or material mixtures and insulators.
- FIG. 1 a schematic representation of the inventive method.
- FIG. 2 shows a schematic representation of the method according to the invention for separating ions of the same charge polarity in the electric field 6 as a bisection in a parameter space.
- FIG. 3 shows a schematic representation of the method according to the invention for the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as an iterative bisection in a parameter space with a targeted displacement of the bisection line.
- FIG. 4 shows a schematic representation of the method according to the invention for separating ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as an iterative bisection in a parameter space with a targeted displacement of the components.
- Figure 5 is a schematic representation of the method according to the invention and a device according to the invention for performing the method according to the invention with cascading and sensors.
- Figure 6 is a schematic representation of a device according to the invention for performing the method according to the invention with separators, electrode buffers and sensor ports.
- Figure 1 shows a schematic representation of the method according to the invention for the separation of ions of the same charge polarity in an electrical field 6.
- at least one target substance 1 and at least one impurity 2 form the components of the substance mixture to be separated and are located in a flowing carrier 3, so that on the Target substance 1 and the at least one impurity 2 have a flow force 4.
- the total force 8 results, which in each case acts on the target substance 1 or the impurity 2.
- the total force 8 on each component of the substance mixture according to the invention arises in particular, but not exclusively, from the physical, chemical and biological properties of the respective component, from the properties, the composition and the state of its environment, and from the interactions of the component with its environment.
- the method according to the invention can be seen in FIG. 1. Outside a separation zone 5, the total force 8 on the target substance 1 and the at least one impurity 2 is dominated by the flow force 4 mediated by the carrier 3, since, according to the invention, all other forces acting on the respective component completely or largely cancel each other out. Accordingly, the components of the mixture of substances according to the invention move outside the separation zone 5 with the flow of the carrier 3 (FIGS. 1, A and C).
- the separation zone 5 through which the carrier 3 flows is located in an electrical field 6, the direction 4V of the flow (the flow vector corresponding to the direction of the arrow 4) and the direction 7V advantageously corresponding to the field strength (the field strength vector) in at least one point of the separation zone 5 the direction of arrow 6) are arranged antiparallel to each other.
- An electrical force 7 acts on each component of the mixture of substances according to the invention within the separation zone 5.
- the method according to the invention comprises the setting of a state of the flow of carrier 3 and of the electric field 6 in the separation zone 5 such that each component, here the target substance 1 and the impurity 2, of the substance mixture according to the invention an electrical force 7 acts which counteracts the flow force 4 as a function of the physical, chemical and biological properties of the respective component, the properties, the composition and the state of its surroundings, and the interactions of the component with its surroundings, acting on each of the components 1, 2 a differently strong electrical force 7.
- the state set in the separation zone 5 by means of the method according to the invention separates the target substance 1 from the at least one impurity 2 by setting a component-specific total force 8 such that for one of the aforementioned components (in FIG 1 B is the total force 8.1 for the target substance 1, not shown in the separation zone 5 because zero) the total force 8.1 in the
- the direction of flow of the carrier 3 is zero or acts counter to the direction of flow of the carrier 3, while the total force 8.2 acts on the other component (total force 8.2 on the impurity 2 in FIG. 1) in the direction of the flow direction of the carrier 3.
- this bisection increases either the proportion in the retained fraction (FIG. 1B) or the proportion in the outflowing fraction (see also FIG. 5B) and thus the purity of the target substance 1.
- FIG. 2 shows a schematic representation of the method according to the invention for separating ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as bisection in a parameter space using three-dimensional diagrams of the total force 8 acting on the individual components of the substance mixture according to the invention as a function of the flow force 4 and electrical force 7 (FIG. 2 A) and depending on the charge and size (Figure 2 B) of the components.
- the diagrams are shown as schematic illustrations without units and are simplified in order to represent the method according to the invention in particular with regard to its bisection characteristic.
- the total force 8 results exclusively as the sum of the flow force 4 and the electrical force 7.
- FIG. 2A the electrical force 7 which counteracts the flow force 4 according to the invention being plotted with a negative sign.
- a total force 8 results.
- This plane is crossed (dotted) by a bisection line, along which the total force 8 is zero. This corresponds to the limit case shown in FIG. 1B for the target substance 1, in which the flow force 4 and the electrical force 7 cancel each other out, so that no movement can take place out of the separation zone 5.
- the bisection line forms the boundary of the separation zone 5, in which, according to the invention, components are held which, with the total force 8 acting on them, lie below or on the bisection line.
- the flow force 4 and electrical force 7 acting on a component of the mixture of substances according to the invention define the separation behavior of the component in the method according to the invention and are each themselves dependent on the physical, chemical and biological properties of the respective component, on the properties, the composition and the state of the component environment and the interactions of the component with its environment.
- FIG. 2B shows the total force 8 on a component of the mixture of substances according to the invention at a specific flow rate of the carrier 3 and a specific field strength of the electrical field 6 as a function of the charge and the size (as a spherical volume) of the component. As the charge increases, the electrical force 7 directed against the flow force 4 on a component also increases with the same size.
- the flow cross-section of a component and thus the flow force 4 acting on the component also increase with increasing size.
- the method according to the invention allows bisections to be carried out in the parameter space of the properties of the components of the substance mixture according to the invention and thus separates the components on the basis of their properties.
- the parameter space in which the bisections of the method according to the invention are carried out includes all properties of the components of the substance mixture according to the invention which influence the total force 8 on a component in the separation zone 5, but in particular the flow force 4 and the electrical force 7.
- These properties include in particular but not exclusively the charge, the size, the shape, the structure, the flexibility, the mass, the mass distribution, the charge distribution, the electron density distribution, the Polarizability, hydrophobicity, dissociation, the structure, size and binding strength of the carrier shell, the ability to bind other molecules or ions as well as the structure, location, number and binding strength of these binding sites.
- the high-dimensional parameter space in FIGS. 2 to 4 is, however, limited to two exemplary properties of the components.
- the method according to the invention comprises the targeted setting of the environmental parameters, in order in particular, but not exclusively, to directly influence the flow force 4 or the electrical force 7 or to set and vary certain properties of the components of the substance mixture.
- the direct influence of the flow force 4 and the electrical force 7 serves to shift the bisection line in the parameter space of the component properties.
- the targeted setting of component properties serves to shift the component in the parameter space.
- FIG. 3 shows a schematic representation of the method according to the invention for the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as an iterative bisection in a parameter space with a targeted displacement of the bisection line.
- the simplified parameter space from FIG. 2B is shown with the charge and size of the component, and in FIGS. 3A and B the total force dependent on these parameters 8.
- the representations are not three-dimensional, but two-dimensional from a view along the total force. Axis.
- the total force 8 is shown analogously to FIG. 2, but the viewer's gaze is along the axis of the total force 8, which results in the two-dimensional representation.
- the exemplary values and the direction of the total force 8 can be found on the grayscale scale and their orientation on the right edge of the picture.
- the target substance 1 and a first impurity 2A and a second impurity 2B are arranged in the parameter space.
- the target substance 1, the first impurity 2A and the second impurity 2B differ from one another in terms of their charge and size.
- the bisection line shown in dotted lines results under the conditions set in FIG. 3A with regard to the flow velocity of the carrier 3 and the electric field strength of the electric field 6, the bisection line shown in dotted lines results.
- the total force 8 on the first impurity 2A is greater than zero, so the first Contamination 2A lies above the dotted bisection line and is flushed out of the separation zone 5, whereas the target substance 1 and a second contamination 2B are retained therein due to the total forces 8 acting on them.
- the method according to the invention comprises the targeted adjustment of the component environment in order to influence the total force 8 on each individual component and thus its separation behavior.
- this is done by reducing the electric field strength of the electric field 6 compared to the conditions in FIG. 3A, so that the electrical force 7 acting on each component is reduced and the bisection line (dashed line) is shifted towards the higher charge while the flow of the carrier 3 remains constant.
- the bisection line dashed line
- the target substance 1 now also lies above the dashed bisection line and is consequently flushed out of the separation zone 5 in the direction of flow.
- the method according to the invention advantageously allows the targeted separation of the target substance 1 from the impurities 2 of the substance mixture according to the invention by cascading or iteration of several bisections. This is shown in FIG. 3 C on the basis of the bisection lines which are characteristic of the ambient conditions from FIGS. 3 A and B.
- the first step of the method all of the first impurities 2A above the dotted bisection line are separated and the target substance 1 and the second impurities 2B below the dotted bisection line remain in the separation zone 5.
- FIG. 4 shows a schematic representation of the method according to the invention for the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as an iterative bisection in a parameter space with a targeted displacement of the components.
- the simplified parameter space from FIG. 2B is shown with the charge and size of components 1, 2A, 2B and the total force 8 dependent on these parameters, the total force here also only implicitly due to the distance of components 1, 2A, 2B from the bisection line results.
- the representations are not three-dimensional, but two-dimensional from a view along the total force axis.
- the target substance 1 and the impurities 2A and 2B which differ in their charge and size, are arranged in the parameter space.
- the conditions set in FIGS. 4 A and B with regard to the flow velocity of the carrier 3 and the electric field strength of the electric field 6 and the resulting dotted bisection line are identical to one another and are themselves the same as those in FIG. 3A. In FIG.
- the total force 8 on the first impurity 2A is greater than zero, so that the first impurity 2A lies above the dotted bisection line and is flushed out of the separation zone 5.
- the target substance 1 and the second impurity 2B lie below the bisection line due to the total forces 8 acting on them and are consequently retained in the separation zone.
- the method according to the invention comprises the targeted setting of the component environment in order to influence the total force 8 on each individual component and thus its separation behavior.
- the total force 8 on each component can also be set according to the invention by changing the position of the components in the parameter space via changes in the ambient conditions.
- FIGS. 4A and B show the same parameter space under the same conditions with regard to the flow of the carrier 3 and the electric field 6, but the pH of the carrier 3 in FIG. 4B is changed in comparison to FIG. 4A, so that the components are dependent Their hydronium ion dissociatability in FIG. 4B has a different charge than in FIG. 4A.
- the properties of the components of the substance mixture and thus the position of the components in the parameter space are dependent on a large number of environmental properties, the type and intensity of the dependency again being specific for each component.
- Important environmental properties within the meaning of the invention are in particular, but not exclusively, the electrical and magnetic field strength, the temperature, the pressure, the pH, the flow direction and flow velocity, ionic strength, polarity, permittivity, permeability and type of carrier 3 and pH buffering and additives in Carrier 3, which interact with the components.
- the cascading or iteration of the method according to the invention with different environmental conditions which lead to the displacement of at least one component of the substance mixture in the parameter space, also allows an increase in the separation resolution by multiple bisection.
- FIG. 2 shows a schematic representation of the method according to the invention based on the explanations for Figure 3 and a device according to the invention for performing the method according to the invention with cascading and sensors.
- Two separation stages 10A, 10B are shown, each comprising at least one anode 9A and one cathode 9K, between which an electrical voltage is present.
- the voltage causes at least one electric field 6 in the carrier 3, so that an electric force 7 acts on ions in the effective range of the electric field 6.
- a flow force 4 acts on the ions.
- the electrodes 9 are designed as electrodes 9 (in particular as a ring, torus or hollow cylinder) enclosing the carrier 3.
- the resulting course of the field lines of the electric field 6 in the area between the electrodes 9 can advantageously be used to focus the ionic components in the center of the flowing carrier 3.
- the electrodes 9 and the electric field 6 acting between them are aligned with the flow direction of the carrier 3 such that the flow vector 4V and field strength vector 7V are arranged antiparallel to one another in at least one point.
- FIG. 5 shows the course of the method for the two-stage separation described in FIG. 3.
- the first separation stage 10A with a first separation zone 5A (FIG. 5A) is set with regard to its environmental parameters in such a way that the electrical force 7 on target substance 1 and the second impurity 2B is strong enough to retain both of them in the separation zone 5.
- the electrical force and the flow force on target substance 1 cancel each other out, so that the target substance remains approximately in the rest position.
- This is represented by a vertical bar RIA as a neutral, first direction.
- the electrical force and the flow force at the second impurity 2B add up to a total force which acts on the second impurity upstream in the second direction R2A.
- the second impurity 2B is thus retained.
- the second separation stage 10B with a second separation zone 5b operates at a lower field strength (for example due to a low voltage between the electrodes 9), which is represented in the second separation stage 10B by a smaller number of field lines.
- the electrical force and the flow force on the target substance 1 add up to a total force which acts on the target substance 1 downstream in the first direction R1B.
- the electrical force 7 on the target substance 1 is not sufficient to retain it in the separation zone 5 of the second separation stage 10B, so that the latter is conveyed out.
- the electrical force and the flow force cancel each other out at the second impurity 2B, so that the second impurity 2B remains approximately at rest.
- This is represented by a vertical bar R2B as a neutral, second direction.
- the second impurity 2B remains in the second separation zone 5B of the second separation stage 10B.
- different environmental conditions are set either iteratively within a separation stage 10 or cascaded by sequential arrangement of a plurality of separation stages 10A, 10B.
- the plurality of separation stages 10A, 10B are connected to one another in such a way that a continuous flow of the carrier 3 with substance mixture or with purified target substance 1 is obtained at the entrance to the device and at the exit of the device.
- the architecture of each individual separation stage 10 which is simple in comparison to devices from the prior art, permits good scalability of the method by parallelizing a plurality of separation sections.
- the method according to the invention comprises determining the concentration of the target substance 1 at various points in the device, in particular, but not exclusively, within the separation zone 5 and at the entrance or exit of the separation stage 10.
- non-invasive, especially optical, capacitive are advantageous and inductive measuring methods.
- the device according to the invention has one or more sensors 11 per separation stage 10.
- some embodiments of the invention include sampling ports in the area of the separation zone 5 and at the input or output of the separation stage 10.
- the signal of at least one sensor 11 or values derived from this signal are used as input values for the optimization and control algorithms for process control, these algorithms being carried out and processed on a computer as part of the device according to the invention.
- At least one target substance 1 is marked with a tracer in order to be able to detect it by a sensor 11 according to the invention.
- tracers are in particular, but not exclusively, dyes, fluorescent dyes and magnetic or plasmonic nanoparticles.
- the composition or the pH of the carrier 3 is changed before, in or behind at least one separation zone 5.
- the device has corresponding ports, valves, pumps or other fluid mechanical assemblies which are suitable for changing the composition or the pH of the carrier 3 before, in or behind at least one separation zone 5.
- the simple architecture of the device in particular in the embodiment in the form of an arrangement of a plurality of hollow body electrodes 9 with a focusing electric field 6, is significantly less susceptible to contamination or poor flow homogeneity compared to the prior art.
- the simple architecture of the device in particular in the embodiment as an arrangement of a plurality of hollow body electrodes 9 with a focussing electric field 6, is significantly easier to scale than in the prior art by means of parallelization of separation stages 10.
- the method according to the invention does not lead to a dilution of the components in the mixture of substances.
- the method according to the invention is able to advantageously retain components in the separation zone 5 and thus to concentrate them.
- FIG. 6 shows a schematic representation of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with separators 12, electrode buffers 13 and sensor ports 14.
- a separation stages 10 is shown, each consisting of at least two anodes 9A and two cathodes 9K, between which an electrical voltage is applied.
- the electrodes 9 are located in an electrode buffer 13, which is separated convectively by separators 12 from the central separation channel comprising the separation zone 5 with target substance 1, impurities 2 and carrier 3.
- the electrical field 6 propagates between the electrodes 9 through the separators 12 and can thus exert an electrical force 7 on ions in the effective range of the electrical field 6 in the separation channel.
- the separators 12 separate the electrode buffer 13 from the flowing carrier 3, so that electrolytic effects such as gas development or pH drift and the electrodes 9 have no influence on the separation zone 5.
- the electrode buffers 13 are also continuously exchanged via the side ports shown , so that efficient cooling and pH buffering in the electrode area are ensured.
- the separators 12 are designed in such a way that the electrical field 6 between the electrodes 9 is coupled through them into the central separation channel and at the same time no target substance 1 can get into the electrode buffer 13.
- suitable membranes e.g. PTFE or cellulose membranes
- gels e.g. polyacrylamide or silica gels
- molecular sieves e.g. zeolites
- other porous devices and arrangements whose pore size is so small that no target substance 1 can get through it.
- FIG. 6 shows an arrangement of the electrodes 9 according to the invention, which is not designed as a hollow body via ring electrodes, but in which the electrical field 6 generated by the electrodes 9 couples laterally via the separators 12 into the separation channel through which the carrier 3 flows, in order to carry out the method according to the invention .
- the arrangement of the electrodes 9 shown and the contact areas between separators 12, electrode buffers 13 and the carrier 3 results in the formation of an electrical field 6 according to the invention in the separation zone 5 through which the carrier 3 flows, with the flow vector advantageously in at least one point of the separation zone 5 4V and field strength vector 7V are arranged antiparallel to each other.
- An electrical force 7 thus acts on each component of the substance mixture according to the invention within the separation zone 5.
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld Method and device for separating ions of the same charge polarity in an electric field
Beschreibung description
Technisches Gebiet Technical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld. Sie ist insbesondere anwendbar für die Separation oder Aufreinigung von Ionen, welche sich in einem Träger befinden, beispielsweise für Proteine oder andere ionische Biomoleküle in wässriger Lösung. The invention relates to a method and a device for separating ions of the same charge polarity in the electric field. It is particularly applicable for the separation or purification of ions that are in a carrier, for example for proteins or other ionic biomolecules in aqueous solution.
Die Separation von Ionen ist integraler Bestandteil einer Vielzahl von Prozessen zur Aufreinigung oder Aufarbeitung von Rohstoffen oder Produkten aus Stoffgemischen der chemischen, biotechnologischen und pharmazeutischen Industrie. Dabei werden Unterschiede in den Eigenschaften des Zielstoffes und der verunreinigenden Stoffe des Gemisches ausgenutzt, um unter Zuhilfenahme verschiedenster ionischer Wechselwirkungen die Reinheit des Zielstoffes zu erhöhen und Verunreinigungen abzutrennen. Typische Zielstoffe sind insbesondere aber nicht ausschließlich Proteine, Nukleinsäuren, Metallionen, niedermolekulare organische Ionen und ionische Polymere. The separation of ions is an integral part of a multitude of processes for the purification or processing of raw materials or products from mixtures of substances in the chemical, biotechnological and pharmaceutical industries. Differences in the properties of the target substance and the contaminating substances in the mixture are used to increase the purity of the target substance and to separate impurities with the aid of various ionic interactions. Typical target substances are in particular but not exclusively proteins, nucleic acids, metal ions, low molecular weight organic ions and ionic polymers.
Die Ausprägung der zur Separation notwendigen Unterschiede in den Eigenschaften des Zielstoffes und der Verunreinigungen beeinflusst die Effizienz und die Kosten der Zielstoffaufarbeitung, je geringer die Unterschiede, umso ineffizienter und kostenintensiver ist die Aufarbeitung. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Aufreinigung rekombinant hergestellter technischer oder pharmazeutischer Proteine aus einem Gemisch vieler tausender anderer Proteine und geladener Biomoleküle wie Nukleinsäuren in einem Zelllysat. The extent of the differences in the properties of the target substance and the impurities required for the separation influences the efficiency and the costs of the target substance processing, the smaller the differences, the more inefficient and cost-intensive the processing. A typical example of this is the purification of recombinantly produced technical or pharmaceutical proteins from a mixture of many thousands of other proteins and charged biomolecules such as nucleic acids in a cell lysate.
Die Separation von Ionen erfolgt üblicherweise entweder über deren Interaktion mit einer ionischen stationären Phase (z.B. Ionenaustauschchromatographie, zeolithische Ionenaustauscher) oder über die Interaktion der Ionen mit einem externen elektrischen Feld. Letztere werden der Klasse der Elektrophoreseverfahren zugeordnet. Der Einsatz elektrophoretischer Separationstechniken ist dabei für die präparative Aufreinigung eines ionischen Zielstoffs auf solche Verfahren beschränkt, die die strukturelle und funktionelle Integrität des Zielstoffs nicht nachteilig beeinflussen. Die Erhaltung des ionischen Zielstoffs in seiner nativen Form oder zumindest in einer strukturell und funktionell nicht dem späteren Einsatzzweck abträglichen Form ist daher essentiell für die Auswahl und Anwendung von Verfahren und Vorrichtungen zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld. The separation of ions usually takes place either via their interaction with an ionic stationary phase (eg ion exchange chromatography, zeolitic ion exchangers) or via the interaction of the ions with an external electrical field. The latter are assigned to the class of electrophoresis processes. The use of electrophoretic separation techniques is for preparative purification of an ionic target substance is limited to processes that do not adversely affect the structural and functional integrity of the target substance. Maintaining the ionic target substance in its native form or at least in a form that is structurally and functionally not detrimental to the intended use is therefore essential for the selection and application of methods and devices for the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field.
Stand der Technik State of the art
Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Verfahren und Vorrichtungen zu deren Durchführung bekannt, welche die Separation von Ionen im elektrischen Feld erlauben. Während die Separation entgegengesetzt geladener Ionen bereits mit einfachsten Verfahren und Vorrichtungen realisiert werden kann, ist die Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität technisch anspruchsvoller. Im Folgenden soll daher nur auf solche Verfahren eingegangen werden, die geeignet sind, Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld zu separieren und die gleichzeitig die strukturelle und funktionelle Integrität des Zielstoffs nicht nachteilig beeinflussen. A wide variety of methods and devices for carrying them out are known from the prior art, which allow the separation of ions in the electric field. While the separation of oppositely charged ions can already be achieved using the simplest methods and devices, the separation of ions of the same charge polarity is technically more demanding. In the following, therefore, only those methods will be dealt with which are suitable for separating ions of the same charge polarity in the electric field and which at the same time do not adversely affect the structural and functional integrity of the target substance.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Separation der Ionen in einem elektrischen Feld in einem makroskopisch unbewegten Träger erfolgt, insbesondere die Verfahren der Gelelektrophorese und Papierelektrophorese. Dabei wandern die Ionen entsprechend ihrer lonenmobilität unterschiedlich schnell durch einen Träger, dessen Teilchen keiner gerichteten oder durch das Verfahren vorgegebene Bewegung unterliegen. Nachteilig bezüglich dieser Verfahren ist ihr geringer Durchsatz, insbesondere für große, schwach geladene Ionen mit niedriger lonenmobilität. Durch den Einsatz von Gelen kann eine Auflösungsverbesserung erreicht werden, allerdings unter weiterer nachteiliger Erniedrigung des Durchsatzes, da die Ionen im Gel in Abhängigkeit ihrer Größe eine noch geringere lonenmobilität aufweisen als ohne Gel. Weiterhin eignen sich diese Verfahren nur bedingt für die präparative Separation von Ionen, da sie nur schwierig parallelisiert und kaum kontinuierlich betrieben werden können. Methods are known in which the ions are separated in an electric field in a macroscopically immobile carrier, in particular the methods of gel electrophoresis and paper electrophoresis. Depending on their ion mobility, the ions move at different speeds through a carrier, the particles of which are not subject to any directional movement or a movement specified by the process. A disadvantage of these processes is their low throughput, especially for large, weakly charged ions with low ion mobility. An improvement in resolution can be achieved by using gels, but with a further disadvantageous reduction in throughput, since the ions in the gel, depending on their size, have an even lower ion mobility than without a gel. Furthermore, these methods are only of limited suitability for the preparative separation of ions, since they are difficult to parallelize and can hardly be operated continuously.
Es sind weiterhin die Verfahren der Kapillarelektrophorese bekannt, bei denen die Separation der Ionen in einem elektrischen Feld erfolgt, welches zwischen den Enden einer mit Träger und Stoffgemisch befüllten Kapillare anliegt. Infolge des hierbei auftretenden elektroosmotischen Flusses bewegt sich der Träger durch die Kapillare. Die Ionen des Stoffgemisches bewegen sich gemäß ihrer lonenmobilität und Interaktion mit dem bewegten Träger. Allerdings ist die Fließgeschwindigkeit sehr gering, sodass im Zusammenspiel mit der geringen Querschnittsfläche der eingesetzten Kapillaren (Innendurchmesser in der Größenordnung von 100 gm) der Durchsatz solcher Verfahren nachteilig zu gering ist für die präparative Separation von Ionen ln diesem Sinne weiterhin nachteilig ist die Anfälligkeit von Kapillaren gegenüber makroskopischen Verunreinigungen, insbesondere Partikeln, ausgefallenen Proteinen oder anderen Ionen, welche zu einer Verstopfung der Kapillare führen können. The methods of capillary electrophoresis are also known, in which the separation of the ions takes place in an electrical field which is located between the ends a capillary filled with carrier and mixture of substances rests. As a result of the electroosmotic flow occurring here, the carrier moves through the capillary. The ions of the mixture of substances move according to their ion mobility and interaction with the moving carrier. However, the flow rate is very slow, so that in combination with the small cross-sectional area of the capillaries used (inner diameter in the order of 100 gm) the throughput of such processes is disadvantageously too low for the preparative separation of ions. In this sense, the vulnerability of capillaries is further disadvantageous against macroscopic impurities, in particular particles, precipitated proteins or other ions, which can lead to blockage of the capillary.
Es sind die Verfahren der Free-Flow-Elektrophorese bekannt, bei denen die Ionen des Stoffgemisches durch eine kontinuierliche gerichtete Strömung eines Trägers bewegt werden. Durch ein orthogonal zu dieser Strömung orientiertes elektrisches Feld werden die Ionen des Stoffgemisches entsprechend ihrer lonenmobilität ausgelenkt und somit separiert. Es sind zudem Verfahren der Free-Flow-Elektrophorese bekannt, bei denen zum Zweck der Auflösungsverbesserung die Strömung und das elektrische Feld nicht vollständig orthogonal zueinanderstehen, sodass auf jedes Ion im elektrischen Feld eine elektrische Kraft sowohl parallel zur Strömungsrichtung als auch orthogonal zur Strömungsrichtung wirkt. Die Separation der Ionen im elektrischen Feld erfolgt somit in einer zweidimensionalen Ebene parallel zu der Ebene, die durch den Strömungsvektor und den Feldstärkevektor aufgespannt wird, wobei sich die Ionen immer kontinuierlich mit dem Trägerstrom von der Einlassöffnung hin zum Ausgang der Free-Flow- Elektrophorese-Vorrichtung bewegen. The methods of free-flow electrophoresis are known, in which the ions of the substance mixture are moved by a continuous directional flow of a carrier. The ions of the mixture of substances are deflected and thus separated according to their ion mobility by an electric field oriented orthogonally to this flow. Methods of free-flow electrophoresis are also known in which, for the purpose of improving the resolution, the flow and the electric field are not completely orthogonal to one another, so that an electrical force acts on each ion in the electric field both parallel to the direction of flow and orthogonally to the direction of flow. The separation of the ions in the electrical field thus takes place in a two-dimensional plane parallel to the plane spanned by the flow vector and the field strength vector, the ions always continuously with the carrier current from the inlet opening to the outlet of the free-flow electrophoresis. Move the device.
Vorteilhaft im Vergleich zu den vorherigen Verfahren ist die Möglichkeit des kontinuierlichen Betriebs von Verfahren der Free-Flow-Elektrophorese. Nachteilig hingegen ist, dass sämtliche Verfahren der Free-Flow-Elektrophorese auf eine hohe Laminarität und Homogenität des Strömungsprofils angewiesen sind, um die erforderliche Separationsleistung zu erbringen. Weiterhin nachteilig ist die starke Verdünnung der separierten Ionen infolge des hohen Trägerfluidverbrauchs zur Aufrechterhaltung einer breiten Separationszone. Die hohen Anforderungen der Free- Flow-Elektrophorese-Verfahren an Laminarität und Homogenität des Strömungsprofils erfordern zudem eine starke Kühlung der Separationszone sowie einen flachen Aufbau der Separationszone mit großen Kühlflächen, um thermische Konvektionsströmungen zu unterbinden. Dies wirkt sich nachteilig auf eine durchsatzerhöhende Parallelisierung aus, welche zur Skalierung aktueller Free-Flow-Elektrophorese-Verfahren in industrielle Produktionsmaßstäbe notwendig wäre. The possibility of continuous operation of free-flow electrophoresis processes is advantageous compared to the previous processes. On the other hand, it is disadvantageous that all methods of free-flow electrophoresis depend on a high level of laminarity and homogeneity of the flow profile in order to achieve the required separation performance. Another disadvantage is the high dilution of the separated ions due to the high consumption of carrier fluid in order to maintain a wide separation zone. The high requirements of the free-flow electrophoresis process for laminarity and homogeneity of the flow profile also require strong cooling of the separation zone and a flat structure the separation zone with large cooling surfaces to prevent thermal convection currents. This has a disadvantageous effect on a throughput-increasing parallelization, which would be necessary for scaling current free-flow electrophoresis processes to industrial production scales.
Sämtliche nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld eignen sich überwiegend als analytische Technologien, weisen aber gravierende Nachteile in Bezug auf ihren Einsatz in der präparativen Aufreinigung oder Aufarbeitung von Zielstoffen in industriellen Prozessen und Prozessskalen, insbesondere hinsichtlich Durchsatz, Parallelisierbarkeit sowie technischer Robustheit und Fehleranfälligkeit auf. All of the methods and devices known in the prior art for separating ions of the same charge polarity in the electrical field are primarily suitable as analytical technologies, but have serious disadvantages with regard to their use in the preparative purification or processing of target substances in industrial processes and process scales, in particular with regard to throughput, parallelizability as well as technical robustness and susceptibility to errors.
Aufgabenstellung Task
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen die Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld auch für die präparative Aufreinigung oder Aufarbeitung von Zielstoffen in industriellen Prozessen einsetzbar ist und das sich in Abgrenzung zum Stand der Technik durch bessere Skalierbarkeit, Parallelisierbarkeit und Robustheit gegenüber typischen Störfaktoren elektrophoretischer Verfahren auszeichnet. Insbesondere ist dabei ein Verfahren anzugeben, um im elektrischen Feld ein Stoffgemisch aus Zielstoff und Verunreinigungen derart zu separieren, dass die Reinheit des Zielstoffs in einem der Separationsprodukte höher ist als im Stoffgemisch vor der Separation. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 9; bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung. It is therefore an object of the present invention to provide a method by means of which the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field can also be used for the preparative purification or processing of target substances in industrial processes and which, in contrast to the prior art, is better scalable, Features parallelizability and robustness against typical interference factors of electrophoretic processes. In particular, a method is to be specified in order to separate a substance mixture of target substance and impurities in the electrical field in such a way that the purity of the target substance in one of the separation products is higher than in the substance mixture before the separation. The object on which the invention is based is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 9; preferred embodiments result from the subclaims and the description.
Definitionen Definitions
Zur Sicherstellung der Klarheit einiger in der Beschreibung verwendeter Begriffe, werden diese nachfolgend und im Verlauf der Beschreibung definiert und erläutert. Ionen gleicher Ladungspolarität im Sinne der Erfindung sind all jene Ionen, die das gleiche Ladungsvorzeichen tragen. Insofern sind alle Anionen untereinander Ionen gleicher Ladungspolarität und alle Kationen untereinander Ionen gleicher Ladungspolarität. To ensure the clarity of some of the terms used in the description, these are defined and explained below and in the course of the description. Ions of the same charge polarity in the sense of the invention are all those ions which have the same charge sign. In this respect, all anions are ions of the same charge polarity and all cations are ions of the same charge polarity.
Stoffgemische im Sinne der Erfindung sind Gemische aus ionischen, also elektrisch geladenen Komponenten. Komponenten im Sinne der Erfindung sind selbst entweder Zielstoff 1 oder Verunreinigung 2. Ein Stoffgemisch im Sinne der Erfindung besteht immer aus mindestens zwei Komponenten. Enthält ein Stoffgemisch mehrere Zielstoffe 1, so gelten die Zielstoffe 1 untereinander sich gegenseitig als Verunreinigung 2, da ein erster Zielstoff 1 durch einen zweiten Zielstoff 1 verunreinigt sein kann. Stoffe, die in Abwesenheit eines elektrischen Feldes 6 ungeladen sind, sich aber unter Einwirkung eines elektrischen Feldes 6 durch elektrische Dispersion, Polarisation und Dissoziation in Ionen wandeln, gelten als Komponenten eines Stoffgemisches im Sinne der Erfindung. Mixtures of substances in the sense of the invention are mixtures of ionic, ie electrically charged, components. Components in the sense of the invention are themselves either target substance 1 or impurity 2. A substance mixture in the sense of the invention always consists of at least two components. If a substance mixture contains several target substances 1, the target substances 1 mutually count as impurities 2, since a first target substance 1 can be contaminated by a second target substance 1. Substances which are uncharged in the absence of an electric field 6, but which convert into ions under the influence of an electric field 6 through electrical dispersion, polarization and dissociation, are considered to be components of a mixture of substances in the sense of the invention.
Komponenten im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich Proteine, Nukleinsäuren, ionische Polymere, Lipide, Zellen, Organellen, Viren, Vesikel, niedermolekulare Ionen, elementare Ionen, Metallkomplexe, geladene Niederschläge, Kristalle und Erze, letztendlich jegliche erdenkliche Form geladener Substanzen, Stoffe, Partikel oder Moleküle sowie deren Ansammlungen, Komplexe oder anderweitig höher organisierte Strukturen, die auch, sofern sie nach außen hin als eine geladene Einheit auftreten (z.B. Zellen), intern selbst Gemische darstellen können. Components in the sense of the invention are, in particular, but not exclusively, proteins, nucleic acids, ionic polymers, lipids, cells, organelles, viruses, vesicles, low-molecular ions, elementary ions, metal complexes, charged precipitates, crystals and ores, and ultimately any conceivable form of charged substances, substances , Particles or molecules as well as their accumulations, complexes or other higher organized structures which, if they appear to the outside as a charged unit (eg cells), can themselves represent mixtures internally.
Jede Komponente ist charakterisiert durch physikalische, chemische und biologische Eigenschaften. Diese Eigenschaften spannen den erfindungsgemäßen Parameterraum auf. Gemäß ihren Eigenschaften stellt somit jede Komponente einen Punkt im Parameterraum dar. Jede Eigenschaft ist eine Dimension des Parameterraums. Eigenschaften der Komponenten im Sinne der Erfindung sind sämtliche qualitativ oder quantitativ beschreibbaren Charakteristika einer Komponente, insbesondere aber nicht ausschließlich die Ladung, die Größe, die Form, die Struktur, die Flexibilität, die Masse, die Masseverteilung, die Ladungsverteilung, die Elektronendichteverteilung, die Polarisierbarkeit, die Permittivität, die Permeabilität, die Absorptions- und Fluoreszenzcharakteristika, die Hydrophobizität, die Dissoziierbarkeit, die Struktur, Größe und Bindestärke der Trägerhülle, die Fähigkeit zur Bindung anderer Moleküle oder Ionen sowie die Struktur, Lokalisation, Anzahl und Bindestärke dieser Bindestellen. Eine Vielzahl der Eigenschaften einer Komponente ändert sich in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen der Komponente, sodass die Position einer Komponente im Parameterraum auch von den Eigenschaften der Umgebung einer Komponente abhängt. Wichtige Umgebungseigenschaften im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich die elektrische und die magnetische Feldstärke, die Strömungsrichtung und -geschwindigkeit, die Temperatur, der Druck, der pH, die lonenstärke, Polarität, Permittivität, Permeabilität und Art des Trägers 3, die pH-Pufferung sowie Additive im Träger 3, welche mit den Komponenten interagieren. Each component is characterized by physical, chemical and biological properties. These properties span the parameter space according to the invention. Each component represents a point in the parameter space according to its properties. Each property is a dimension of the parameter space. Properties of the components in the sense of the invention are all characteristics of a component which can be described qualitatively or quantitatively, in particular but not exclusively the charge, the size, the shape, the structure, the flexibility, the mass, the mass distribution, the charge distribution, the electron density distribution, the polarizability , the permittivity, the permeability, the absorption and fluorescence characteristics, the hydrophobicity, the dissociability, the structure, size and binding strength of the carrier shell, the ability to bind other molecules or ions and the structure, location, number and binding strength of these binding sites. A large number of the properties of a component change depending on the environmental conditions of the component, so that the position of a component in the parameter space also depends on the properties of the environment of a component. Important environmental properties within the meaning of the invention are, in particular, but not exclusively, the electrical and magnetic field strength, the flow direction and speed, the temperature, the pressure, the pH, the ionic strength, polarity, permittivity, permeability and type of carrier 3, the pH Buffering and additives in the carrier 3, which interact with the components.
Die Gesamtkraft 8 im Sinne der Erfindung ergibt sich als resultierende Kraft aus der Summe sämtlicher auf eine Komponente einwirkender Kräfte. Erfindungsgemäß ist die für die Separation mindestens zweier Komponenten relevante Gesamtkraft 8 jeweils die auf eine Komponente wirkende Gesamtkraft 8 in Richtung der Hauptströmungsrichtung des Trägers 3. The total force 8 in the sense of the invention results as the resulting force from the sum of all forces acting on a component. According to the invention, the total force 8 relevant for the separation of at least two components is in each case the total force 8 acting on a component in the direction of the main flow direction of the carrier 3.
Träger 3 im Sinne der Erfindung sind Fluide, die aus einer oder mehreren dominierenden Molekülarten bestehen und zumeist eine höhere Stoffmengenkonzentration aufweisen als die einzelnen Komponenten des Stoffgemisches. Vorteilhaft sind die Moleküle des Trägers 3 selbst keine oder nur schwache Ionen. Häufig fungiert der Träger 3 gleichzeitig als Lösungsmittel des Stoffgemisches. Wichtige Träger 3 im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich Wasser und organische Lösungsmittel wie Ethanol, Hexan, Isopropanol, Aceton, Diethylether oder aber auch Kohlenstoffdioxid, Stickstoff oder Argon. Träger 3 im Sinne der Erfindung können auch feststoffliche Pulver sein, sofern sie makroskopisch fluidartiges Verhalten aufweisen. Essentielles Merkmal des Trägers 3 im Sinne der Erfindung ist die Vermittlung der Strömungskraft 4. Die Strömungskraft 4 und ihr Strömungskraftvektor 4V zeigen immer in Richtung der makroskopischen Hauptströmungsrichtung des Trägers 3. Carriers 3 in the sense of the invention are fluids which consist of one or more dominant molecule types and mostly have a higher concentration of substance than the individual components of the substance mixture. The molecules of the carrier 3 themselves are advantageously no or only weak ions. Often, the carrier 3 also acts as a solvent of the mixture of substances. Important carriers 3 in the sense of the invention are in particular but not exclusively water and organic solvents such as ethanol, hexane, isopropanol, acetone, diethyl ether or else carbon dioxide, nitrogen or argon. Carriers 3 in the sense of the invention can also be solid powders, provided that they have macroscopically fluid-like behavior. An essential feature of the carrier 3 in the sense of the invention is the mediation of the flow force 4. The flow force 4 and its flow force vector 4V always point in the direction of the macroscopic main flow direction of the carrier 3.
Die Separationszone 5 im Sinne der Erfindung ist der Wirkbereich des elektrischen Feldes 6 im Träger 3 in dem noch Komponenten des Stoffgemisches zurückgehalten werden können ln der Separationszone 5 erfolgt die Separation der Komponenten des Stoffgemisches in eine zurückgehaltene Fraktion, welche in der Separationszone 5 verbleibt und in eine abfließende Fraktion, die durch den strömenden Träger 3 aus der Separationszone 5 herausgetragen wird. The separation zone 5 in the sense of the invention is the effective range of the electric field 6 in the carrier 3 in which components of the substance mixture can still be retained. In the separation zone 5, the components of the substance mixture are separated into a retained fraction, which remains in the separation zone 5 and in an outflowing fraction, which flows through the flowing carrier 3 from the Separation zone 5 is carried out.
Bisektion im Sinne der Erfindung ist die Separation einer Menge in zwei Teilmengen. Im erfindungsgemäßen Parameterraum erfolgt eine Bisektion durch Teilung der Menge aller Punkte des Parameterraums in zwei Teilmengen, die durch mindestens eine Hyperebene getrennt sind. Zum Zweck der Einheitlichkeit und Verständlichkeit wird unabhängig von der Dimensionalität des Parameterraums eine solche Hyperebene in der Beschreibung der Erfindung als Bisektionslinie bezeichnet. So entspricht eine Bisektionslinie in einem eindimensionalen Parameterraum einem Punkt, in einem zweidimensionalen Parameterraum einer Linie, in einem dreidimensionalen Parameterraum einer Fläche, etc. Jede Bisektionslinie im Sinne der Erfindung ist eine Hyperebene, die den Parameterraum in mindestens zwei Teilräume separiert. Bisektionslinien im Sinne der Erfindung müssen nicht notwendigerweise kontinuierlich und miteinander verbunden sein, gleiches gilt für die durch Bisektion entstandenen Teilräume des Parameterraums. Bisektionslinien im Sinne der Erfindung teilen den Parameterraum immer in zwei Teilmengen, von denen die eine Teilmenge die Menge aller Parameterteilräume beschreibt in denen die Gesamtkraft 8 auf eine Komponente größer ist als Null in Richtung der Strömungsrichtung des Trägers 3 und von denen die andere Teilmenge die Menge aller Parameterteilräume beschreibt, in denen die Gesamtkraft 8 auf eine Komponente kleiner als oder gleich Null ist in Richtung der Strömungsrichtung des Trägers 3. Insofern teilt eine Bisektionslinie im Sinne der Erfindung die Menge aller Komponenten in einer Separationszone 5 in die Teilmenge der Komponenten, die durch die überwiegende Strömungskraft 4 aus der Separationszone 5 herausgetragen wird und in die Teilmenge der Komponenten, die in der Separationszone 5 zurückgehalten wird. Erfindungsgemäß ergibt sich eine Bisektionslinie durch Erweiterung eines Parameterraums um die Dimension der Gesamtkraft 8 in Richtung der Strömungsrichtung des Trägers 3 als die Menge aller Punkte, für die diese Gesamtkraft 8 gleich Null ist. Bisection in the sense of the invention is the separation of a quantity into two subsets. In the parameter space according to the invention, bisection takes place by dividing the set of all points of the parameter space into two subsets, which are separated by at least one hyperplane. For the purpose of uniformity and comprehensibility, such a hyperplane is referred to in the description of the invention as a bisection line, regardless of the dimensionality of the parameter space. A bisection line in a one-dimensional parameter space corresponds to a point, in a two-dimensional parameter space a line, in a three-dimensional parameter space a surface, etc. Each bisection line in the sense of the invention is a hyperplane that separates the parameter space into at least two subspaces. Bisection lines in the sense of the invention do not necessarily have to be continuous and connected to one another, the same applies to the partial spaces of the parameter space created by bisection. Bisection lines in the sense of the invention always divide the parameter space into two subsets, one subset of which describes the set of all parameter subspaces in which the total force 8 on a component is greater than zero in the direction of the flow direction of the carrier 3 and of which the other subset the amount describes all parameter subspaces in which the total force 8 on a component is less than or equal to zero in the direction of flow of the carrier 3. In this respect, a bisection line divides the amount of all components in a separation zone 5 into the subset of components in a separation zone 5 the predominant flow force 4 is carried out of the separation zone 5 and into the subset of the components which is retained in the separation zone 5. According to the invention, a bisection line results from the expansion of a parameter space by the dimension of the total force 8 in the direction of the flow direction of the carrier 3 as the set of all points for which this total force 8 is zero.
Iteration im Sinne der Erfindung bezeichnet die mehrfache Durchführung des Verfahrens in einer Separationsstufe 10 bei jeweils unterschiedlichen Umgebungsbedingungen. Iteration in the sense of the invention denotes the multiple execution of the method in a separation stage 10 under different environmental conditions.
Kaskadierung im Sinne der Erfindung bezeichnet die sequentielle Anordnung mehrerer Separationsstufen 10, wobei in jeder Separationsstufe 10 eine Separation bei unterschiedlichen, teilweise aber auch gleichen Umgebungsbedingungen stattfindet und wobei jeweils mindestens eine Fraktion als Separationsprodukt der vorherigen Separationsstufe 10 in der nachfolgende Separationsstufe 10 bei geänderten oder mitunter auch gleichen Umgebungsbedingungen einer weiteren Separation unterzogen wird. Cascading in the sense of the invention denotes the sequential arrangement of a plurality of separation stages 10, a separation taking place in each separation stage 10 under different, but in some cases also the same environmental conditions wherein at least one fraction as a separation product of the previous separation stage 10 is subjected to a further separation in the subsequent separation stage 10 under changed or sometimes the same environmental conditions.
Sensoren 11 im Sinne der Erfindung sind alle Vorrichtungen, die geeignet sind, mindestens einen Zielstoff 1 im Träger 3 zu identifizieren und relativ (z.B. als Reinheit in %) oder absolut (z.B. als Stoffmengenkonzentration) zu quantifizieren. Sensors 11 in the sense of the invention are all devices which are suitable for identifying at least one target substance 1 in the carrier 3 and quantifying them relatively (e.g. as purity in%) or absolutely (e.g. as substance concentration).
Lösung solution
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein dimensional reduziertes Free-Flow- Elektrophorese-Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass infolge eines Kräftegleichgewichtes zwischen Strömungskraft 4 und elektrischer Kraft 7 mindestens eine Komponente des erfindungsgemäßen Stoffgemisches im Wirkbereich des elektrischen Feldes 6 und/oder in der Strömung des Trägers zurückgehalten wird, wohingegen mindestens eine andere Komponente des Stoffgemisches mit der Strömung des Trägers 3 weiterwandert. Vorteilhaft erlaubt dieses Verfahren eine signifikant vereinfachte Architektur der Separationsvorrichtung, sodass das erfindungsgemäße Verfahren eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Skalierbarkeit, Parallelisierbarkeit und Robustheit aufweist. According to the invention, the object is achieved by a dimensionally reduced free-flow electrophoresis method, which is characterized in that at least one component of the substance mixture according to the invention in the effective range of the electrical field 6 and / or in the region of force owing to a balance of forces between flow force 4 and electrical force 7 Flow of the carrier is retained, whereas at least one other component of the mixture of substances continues to migrate with the flow of the carrier 3. This method advantageously allows a significantly simplified architecture of the separation device, so that the method according to the invention has a higher scalability, parallelizability and robustness compared to the prior art.
Der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu komplex sind, um den industriellen Anforderungen an Skalierbarkeit, Parallelisierbarkeit und Robustheit zu entsprechen. Dem Prinzip „Teile und herrsche" folgend, ist das erfindungsgemäße Verfahren ein grundlegend vereinfachtes Free-Flow-Elektrophorese-Verfahren, in dem die Separationsauflösung auf eine Bisektion reduziert wird, um eine maximale Skalierbarkeit, Parallelisierbarkeit und Robustheit des Separationsverfahrens zu erreichen. Erfindungsgemäß ist die insgesamt benötigte Separationsauflösung durch eine iterative oder kaskadierte Durchführung des Verfahrens erreichbar. Vorteilhaft ist dabei, dass sich erfindungsgemäß zur Entwicklung eines vollständigen Aufarbeitungsprozesses für ionische Zielstoffe 1 somit direkt klassische Such- und Optimierungsalgorithmen einsetzen lassen, die erfindungsgemäß eine vollständige Automatisierung der Prozessentwicklung erlauben. The solution to the problem according to the invention is based on the knowledge that the methods and devices known from the prior art are too complex to meet the industrial requirements for scalability, parallelizability and robustness. Following the principle of "divide and conquer", the method according to the invention is a fundamentally simplified free-flow electrophoresis method in which the separation resolution is reduced to one bisection in order to achieve maximum scalability, parallelizability and robustness of the separation method The total separation resolution required can be achieved by an iterative or cascaded implementation of the method, whereby it is advantageous that, according to the invention, classic search and optimization algorithms can be used to develop a complete work-up process for ionic target substances 1 can be used that allow complete automation of process development according to the invention.
Erfindungsgemäß befindet sich das Stoffgemisch aus Zielstoff 1 und Verunreinigungen 2 in einem strömenden Träger 3, sodass auf Zielstoff 1 und Verunreinigungen 2 eine Strömungskraft 4 wirkt, welche diese in Abwesenheit entgegengesetzt wirkender Kräfte entlang ihres Strömungsvektors 4V bewegt. According to the invention, the substance mixture of target substance 1 and impurities 2 is in a flowing carrier 3, so that a flow force 4 acts on target substance 1 and impurities 2, which moves them along their flow vector 4V in the absence of opposing forces.
Erfindungsgemäß gelangen Zielstoff 1 und Verunreinigungen 2 in Träger 3 in mindestens eine Separationszone 5, welche sich in einem elektrischen Feld 6 befindet, sodass auf Zielstoff 1 und Verunreinigungen 2 entsprechend ihrer Ladung und weiterer Eigenschaften eine elektrische Kraft 7 entlang des Feldstärkevektors 7V wirkt. Vorteilhaft sind Strömungsvektor 4V und Feldstärkevektor 7V in mindestens einem Punkt der Separationszone 5 antiparallel zueinander angeordnet. Erfindungsgemäß wirkt auf jede Komponente in der Separationszone 5 eine Gesamtkraft 8 als Summe mindestens der Strömungskraft 4 und der elektrischen Kraft 7. According to the invention, target substance 1 and impurities 2 in carrier 3 reach at least one separation zone 5, which is located in an electrical field 6, so that an electrical force 7 acts on target substance 1 and impurities 2 according to their charge and other properties along the field strength vector 7V. Flow vector 4V and field strength vector 7V are advantageously arranged antiparallel to one another in at least one point of separation zone 5. According to the invention, a total force 8 acts as a sum of at least the flow force 4 and the electrical force 7 on each component in the separation zone 5.
Die Beträge der Strömungskraft 4 und der elektrischen Kraft 7 auf eine Komponente in der Separationszone 5 sind insbesondere aber nicht ausschließlich abhängig von der Größe, Struktur, Flexibilität, Ladung, Ladungsverteilung, Hydrat- oder allgemeiner Trägerhülle, der Anzahl und Verteilung gebundener Ionen und anderer Moleküle, der Hydrophobizität sowie den thermodynamischen und elektrochemischen Umgebungsparametern (Temperatur, Druck, pH, Gesamtionenstärke, Polarität und Permittivität des Trägers, etc.) der Komponente. The amounts of the flow force 4 and the electrical force 7 on a component in the separation zone 5 are particularly but not exclusively dependent on the size, structure, flexibility, charge, charge distribution, hydrate or general carrier shell, the number and distribution of bound ions and other molecules , the hydrophobicity and the thermodynamic and electrochemical environmental parameters (temperature, pressure, pH, total ionic strength, polarity and permittivity of the carrier, etc.) of the component.
Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt in mindestens einem Punkt der Separationszone 5 durch die Einstellung geeigneter Bedingungen hinsichtlich der Strömung des Trägers 3 und der Stärke und Form des elektrischen Feldes 6 einen Zustand, in dem die Gesamtkraft 8.2 auf mindestens eine Verunreinigung 2 und die Gesamtkraft 8.1 auf den Zielstoff 1 derart unterschiedlich sind, dass eine der beiden vorgenannten Komponenten in der Separationszone 5 zurückgehalten wird, während sich die andere Komponente aus der Separationszone 5 herausbewegt und abfließt. Erfindungsgemäß kommt es dadurch zu einer bisektionsartigen Separation, welche die Reinheit des Zielstoffs 1 in der abfließenden oder in der zurückgehaltenen Fraktion der Separationszone 5 im Vergleich zur jeweils anderen Fraktion erhöht. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das elektrische Feld 6 durch Elektroden 9 erzeugt, welche als zentrosymmetrische Hohlkörper (insbesondere als Hohlzylinder oder Torus) oder Hohlkörpersegmente von Zielstoff 1, Verunreinigungen 2 und Träger 3 durchflossen sind, sodass das elektrische Feld 6 den lonenstrom in der Separationszone 5 fokussiert und somit die Trennschärfe der Bisektion erhöht. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das elektrische Feld 6 durch Elektroden 9 erzeugt, welche insbesondere als Faraday’scher Käfig im Inneren in mindestens einem Punkt vollständig oder nahezu vollständig feldfrei sind. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren iterativ oder kaskadiert angewendet. Dazu wird die Fraktion, welche mindestens einen Zielstoff 1 enthält, einer weiteren erfindungsgemäßen Separation unterzogen, welche jedoch unter abgeänderten Prozessbedingungen erfolgt. Dadurch wird die Abtrennung von Verunreinigungen 2 mit anderen, das Separationsverhalten beeinflussenden, Eigenschaften ermöglicht. Dies wird insbesondere solange iterativ und/oder kaskadierend fortgeführt, bis die erforderliche Reinheit mindestens eines Zielstoffes 1 erreicht ist. Erfindungsgemäß kann die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl iterativ unter mehrfacher Nutzung derselben Hardware als mehrfache Separationsstufen 10A, 10B als auch durch Kaskadierung mehrerer separater Separationsstufen 10A, 10B erfolgen. ln vorteilhafter Ausführung der Erfindung erfolgt die erfindungsgemäße Separation von Ionen im elektrischen Feld 6 im kontinuierlichen Betrieb. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere Separationsstufen 10 zur Durchführung desselben Separationsschrittes (gleiche Verfahrensparameter) parallel betrieben. Dadurch kann einerseits der Durchsatz des Gesamtprozesses erhöht werden, andererseits lässt sich bei iterativen oder kaskadierten Verfahrensanwendungen durch geeignetes Verschalten der Separationsstufen 10 ein kontinuierlicher Fluss aufrechterhalten. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird sowohl die zurückgehaltene als auch die abfließende Fraktion einer Separationszone 5 hinsichtlich des Vorhandenseins und der Reinheit des Zielstoffes 1 überwacht, insbesondere aber nicht ausschließlich durch optische Verfahren (Absorptions- und Fluoreszenzmessungen). ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine regelmäßige oder kontinuierliche Entfernung der zurückgehaltenen Fraktion aus der Separationszone 5. ln einigen Ausgestaltungen der Erfindung erfolgt dies insbesondere durch Umpolung der Elektroden 9. ln anderen Ausführungsformen erfolgt dies durch Ventile, Pumpen oder andere fluidmechanische Verfahren und Vorrichtungen im Bereich der Separationszone 5 oder am Ausgang der Separationsstufe 10. ln einigen Ausführungen der Erfindung werden mehrere verschiedene Zielstoffe 1 voneinander separiert. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung stehen die Elektroden 9 nicht in direktem Kontakt mit der Separationszone 5, sondern sind konvektiv durch geeignete Separatoren 12 (z.B. Membranen, Gele, Molekularsiebe) derart konvektiv vom Träger 3 in der Separationszone 5 getrennt, dass elektrolytisch entstehende Gasblasen nicht in die Separationszone 5 gelangen können, während das elektrische Feld 6 durch die Separatoren 12 hindurch wirkt oder erst durch diese in die Separationszone 5 eingekoppelt wird. Dabei können die Separatoren 12 sowohl elektrisch leitfähige Materialien oder Materialgemische als auch Isolatoren sein. The method according to the invention creates a state in at least one point of the separation zone 5 by setting suitable conditions with regard to the flow of the carrier 3 and the strength and shape of the electric field 6, in which the total force 8.2 on at least one impurity 2 and the total force 8.1 on the Target substance 1 are so different that one of the two aforementioned components is retained in the separation zone 5, while the other component moves out of the separation zone 5 and flows off. According to the invention, this leads to a bisection-like separation which detects the purity of the Target substance 1 in the outflowing or in the retained fraction of the separation zone 5 is increased in comparison to the other fraction. In an advantageous embodiment of the invention, the electric field 6 is generated by electrodes 9, which are flowed through as a centrosymmetric hollow body (in particular as a hollow cylinder or torus) or hollow body segments of target substance 1, impurities 2 and carrier 3, so that the electric field 6 the ion current in the separation zone 5 focused and thus increased the selectivity of the bisection. In an advantageous embodiment of the invention, the electric field 6 is generated by electrodes 9 which, in particular as a Faraday cage, are completely or almost completely field-free in at least one point on the inside. In an advantageous embodiment of the invention, the method according to the invention is applied iteratively or cascaded. For this purpose, the fraction which contains at least one target substance 1 is subjected to a further separation according to the invention, which, however, takes place under changed process conditions. This enables the separation of impurities 2 with other properties which influence the separation behavior. In particular, this is continued iteratively and / or cascading until the required purity of at least one target substance 1 is reached. According to the invention, the method according to the invention can be carried out iteratively using the same hardware multiple times as multiple separation stages 10A, 10B and by cascading several separate separation stages 10A, 10B. In an advantageous embodiment of the invention, the separation of ions in the electrical field 6 according to the invention takes place in continuous operation. In an advantageous embodiment of the invention, a plurality of separation stages 10 for carrying out the same separation step (same process parameters) are operated in parallel. On the one hand, this allows the throughput of the overall process to be increased; on the other hand, in iterative or cascaded process applications, a continuous flow can be maintained by suitably interconnecting the separation stages 10. In an advantageous embodiment of the invention, both the retained and the outflowing fraction of a separation zone 5 are monitored with regard to the presence and purity of the target substance 1, in particular, but not exclusively, by optical methods (absorption and fluorescence measurements). In an advantageous embodiment of the invention, the retained fraction is removed from the separation zone 5 regularly or continuously. In some embodiments of the invention, this is done in particular by reversing the polarity of the electrodes 9. In other embodiments, this is done by valves, pumps or other fluid mechanical methods and devices in the area the separation zone 5 or at the exit of the separation stage 10. In some embodiments of the invention, several different target substances 1 are separated from one another. In an advantageous embodiment of the invention, the electrodes 9 are not in direct contact with the separation zone 5, but are convectively separated from the carrier 3 in the separation zone 5 by suitable separators 12 (for example membranes, gels, molecular sieves) in such a way that electrolytically formed gas bubbles do not form can pass through the separation zone 5 while the electric field 6 acts through the separators 12 or is only coupled into the separation zone 5 through them. The separators 12 can be both electrically conductive materials or material mixtures and insulators.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert. The present invention is explained in more detail with reference to the figures and exemplary embodiments.
Ausführungsbeispiele und Figuren Exemplary embodiments and figures
Figur 1, eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 2, eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld 6 als Bisektion in einem Parameterraum. Figure 1, a schematic representation of the inventive method. FIG. 2 shows a schematic representation of the method according to the invention for separating ions of the same charge polarity in the electric field 6 as a bisection in a parameter space.
Figur 3, eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld 6 als iterative Bisektion in einem Parameterraum mit gezielter Verschiebung der Bisektionslinie. FIG. 3 shows a schematic representation of the method according to the invention for the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as an iterative bisection in a parameter space with a targeted displacement of the bisection line.
Figur 4, eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld 6 als iterative Bisektion in einem Parameterraum mit gezielter Verschiebung der Komponenten. FIG. 4 shows a schematic representation of the method according to the invention for separating ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as an iterative bisection in a parameter space with a targeted displacement of the components.
Figur 5, eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Kaskadierung und Sensorik. Figure 5 is a schematic representation of the method according to the invention and a device according to the invention for performing the method according to the invention with cascading and sensors.
Figur 6, eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Separatoren, Elektrodenpuffer und Sensorports. Figure 6 is a schematic representation of a device according to the invention for performing the method according to the invention with separators, electrode buffers and sensor ports.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität in einem elektrischen Feld 6. Mindestens ein Zielstoff 1 sowie mindestens eine Verunreinigung 2 bilden erfindungsgemäß die Komponenten des zu separierenden Stoffgemisches und befinden sich in einem strömenden Träger 3, sodass auf den Zielstoff 1 und die mindestens eine Verunreinigung 2 eine Strömungskraft 4 wirkt. Aus der Summe der Strömungskraft 4 und sämtlicher weiterer jeweils auf mindestens den Zielstoff 1 beziehungsweise auf die mindestens eine Verunreinigung 2 wirkenden Kräfte ergibt sich die Gesamtkraft 8, die jeweils auf den Zielstoff 1 beziehungsweise die Verunreinigung 2 wirkt. Erfindungsgemäß ergibt sich die Gesamtkraft 8 auf jede Komponente des erfindungsgemäßen Stoffgemisches insbesondere aber nicht ausschließlich aus den physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften der jeweiligen Komponente, aus den Eigenschaften, der Zusammensetzung und dem Zustand ihrer Umgebung sowie aus den Interaktionen der Komponente mit ihrer Umgebung. Das erfindungsgemäße Verfahren wird aus Figur 1 ersichtlich. Außerhalb einer Separationszone 5 wird die Gesamtkraft 8 auf den Zielstoff 1 und die mindestens eine Verunreinigung 2 durch die von dem Träger 3 vermittelte Strömungskraft 4 dominiert, da sich erfindungsgemäß alle weiteren auf die jeweilige Komponente wirkenden Kräfte vollständig oder größtenteils aufheben. Demzufolge bewegen sich die Komponenten des erfindungsgemäßen Stoffgemisches außerhalb der Separationszone 5 mit der Strömung des Trägers 3 (Figur 1, A und C). Figure 1 shows a schematic representation of the method according to the invention for the separation of ions of the same charge polarity in an electrical field 6. According to the invention, at least one target substance 1 and at least one impurity 2 form the components of the substance mixture to be separated and are located in a flowing carrier 3, so that on the Target substance 1 and the at least one impurity 2 have a flow force 4. From the sum of the flow force 4 and all further forces acting on at least the target substance 1 or on the at least one impurity 2, the total force 8 results, which in each case acts on the target substance 1 or the impurity 2. According to the invention, the total force 8 on each component of the substance mixture according to the invention arises in particular, but not exclusively, from the physical, chemical and biological properties of the respective component, from the properties, the composition and the state of its environment, and from the interactions of the component with its environment. The method according to the invention can be seen in FIG. 1. Outside a separation zone 5, the total force 8 on the target substance 1 and the at least one impurity 2 is dominated by the flow force 4 mediated by the carrier 3, since, according to the invention, all other forces acting on the respective component completely or largely cancel each other out. Accordingly, the components of the mixture of substances according to the invention move outside the separation zone 5 with the flow of the carrier 3 (FIGS. 1, A and C).
Erfindungsgemäß befindet sich die vom Träger 3 durchströmte Separationszone 5 in einem elektrischen Feld 6, wobei vorteilhaft in mindestens einem Punkt der Separationszone 5 die Richtung 4V der Strömung (der Strömungsvektor entspricht der Richtung des Pfeils 4) und die Richtung 7V der Feldstärke (der Feldstärkevektor entspricht der Richtung des Pfeils 6) antiparallel zueinander angeordnet sind. Auf jede Komponente des erfindungsgemäßen Stoffgemisches wirkt innerhalb der Separationszone 5 eine elektrische Kraft 7. According to the invention, the separation zone 5 through which the carrier 3 flows is located in an electrical field 6, the direction 4V of the flow (the flow vector corresponding to the direction of the arrow 4) and the direction 7V advantageously corresponding to the field strength (the field strength vector) in at least one point of the separation zone 5 the direction of arrow 6) are arranged antiparallel to each other. An electrical force 7 acts on each component of the mixture of substances according to the invention within the separation zone 5.
Wie aus Figur 1 B ersichtlich ist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Einstellung eines Zustandes der Strömung von Träger 3 und des elektrischen Feldes 6 in der Separationszone 5 derart, dass auf jede Komponente, hier auf den Zielstoff 1 und die Verunreinigung 2, des erfindungsgemäßen Stoffgemisches eine elektrische Kraft 7 wirkt, welche der Strömungskraft 4 entgegenwirkt ln Abhängigkeit der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften der jeweiligen Komponente, der Eigenschaften, der Zusammensetzung und dem Zustand ihrer Umgebung sowie der Interaktionen der Komponente mit ihrer Umgebung wirkt auf jede der Komponenten 1, 2 eine unterschiedlich starke elektrische Kraft 7. As can be seen from FIG. 1B, the method according to the invention comprises the setting of a state of the flow of carrier 3 and of the electric field 6 in the separation zone 5 such that each component, here the target substance 1 and the impurity 2, of the substance mixture according to the invention an electrical force 7 acts which counteracts the flow force 4 as a function of the physical, chemical and biological properties of the respective component, the properties, the composition and the state of its surroundings, and the interactions of the component with its surroundings, acting on each of the components 1, 2 a differently strong electrical force 7.
Wie aus Figur 1 B ersichtlich ist, erfolgt durch den mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Separationszone 5 eingestellten Zustands die Separation des Zielstoffes 1 von der mindestens einer Verunreinigung 2 durch die Einstellung einer komponentenspezifischen Gesamtkraft 8 derart, dass für eine der vorgenannten Komponenten (in Figur 1 B ist die Gesamtkraft 8.1 für den Zielstoff 1, in der Separationszone 5 nicht dargestellt weil gleich Null) die Gesamtkraft 8.1 in der Strömungsrichtung des Trägers 3 gleich Null ist oder entgegen der Strömungsrichtung des Trägers 3 wirkt, während die Gesamtkraft 8.2 auf die andere Komponente (in Figur 1 Gesamtkraft 8.2 auf die Verunreinigung 2) in Richtung der Strömungsrichtung des Trägers 3 wirkt. Erfindungsgemäß kann somit nur die Komponente mit einer Gesamtkraft 8 in Richtung der Strömungsrichtung des Trägers 3 die Separationszone 5 passieren, wohingegen die andere Komponente in ihr zurückgehalten wird. Durch diese Bisektion erhöht sich erfindungsgemäß entweder der Anteil in der zurückgehaltenen Fraktion (Figur 1 B) oder der Anteil in der abfließenden Fraktion (siehe auch Figur 5 B) und damit die Reinheit des Zielstoffes 1. As can be seen from FIG. 1B, the state set in the separation zone 5 by means of the method according to the invention separates the target substance 1 from the at least one impurity 2 by setting a component-specific total force 8 such that for one of the aforementioned components (in FIG 1 B is the total force 8.1 for the target substance 1, not shown in the separation zone 5 because zero) the total force 8.1 in the The direction of flow of the carrier 3 is zero or acts counter to the direction of flow of the carrier 3, while the total force 8.2 acts on the other component (total force 8.2 on the impurity 2 in FIG. 1) in the direction of the flow direction of the carrier 3. According to the invention, therefore, only the component with a total force 8 in the direction of the flow direction of the carrier 3 can pass the separation zone 5, whereas the other component is retained in it. According to the invention, this bisection increases either the proportion in the retained fraction (FIG. 1B) or the proportion in the outflowing fraction (see also FIG. 5B) and thus the purity of the target substance 1.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld 6 als Bisektion in einem Parameterraum anhand dreidimensionaler Diagramme der auf die einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Stoffgemisches wirkenden Gesamtkraft 8 in Abhängigkeit der Strömungskraft 4 und elektrischen Kraft 7 (Figur 2 A) sowie in Abhängigkeit der Ladung und Größe (Figur 2 B) der Komponenten. Die Diagramme sind als schematische Abbildungen ohne Einheiten abgebildet und vereinfacht, um das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere hinsichtlich seiner Bisektionscharakteristik darzustellen. FIG. 2 shows a schematic representation of the method according to the invention for separating ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as bisection in a parameter space using three-dimensional diagrams of the total force 8 acting on the individual components of the substance mixture according to the invention as a function of the flow force 4 and electrical force 7 (FIG. 2 A) and depending on the charge and size (Figure 2 B) of the components. The diagrams are shown as schematic illustrations without units and are simplified in order to represent the method according to the invention in particular with regard to its bisection characteristic.
Im einfachsten Fall des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich die Gesamtkraft 8 ausschließlich als Summe der Strömungskraft 4 und der elektrischen Kraft 7. Dieser Zusammenhang ist in Figur 2 A dargestellt, wobei die erfindungsgemäß der Strömungskraft 4 entgegenwirkende elektrische Kraft 7 mit negativem Vorzeichen aufgetragen ist. Für jede Kombination aus Strömungskraft 4 und elektrischer Kraft 7 ergibt sich eine Gesamtkraft 8. Diese Ebene wird von einer Bisektionslinie durchzogen (gepunktet), entlang derer die Gesamtkraft 8 gleich Null ist. Dies entspricht dem in Figur 1 B für den Zielstoff 1 dargestellten Grenzfall, bei dem sich Strömungskraft 4 und elektrische Kraft 7 gegenseitig aufheben, sodass keine Bewegung aus der Separationszone 5 heraus erfolgen kann. Komponenten eines Stoffgemisches, deren Gesamtkraft 8 oberhalb dieser Bisektionslinie liegt, wandern durch die Separationszone 5 insbesondere in Strömungsrichtung hindurch und werden somit von der zurückgehaltenen Fraktion in der Separationszone 5 separiert (Figur 1 B und C für Verunreinigung 2). Komponenten eines Stoffgemisches, deren Gesamtkraft 8 unterhalb dieser Bisektionslinie liegt, wandern infolge der überwiegenden elektrischen Kraft 7 rückwärts in der Separationszone 5, insbesondere entgegen der Strömungsrichtung, bis die Komponenten zu einem Punkt gelangen, an dem sich Strömungskraft 4 und elektrische Kraft 7 aufheben, sodass sie an diesem Punkt verweilen. Insofern bildet die Bisektionslinie als Zustandsgrenze die Begrenzung der Separationszone 5, in der erfindungsgemäß Komponenten festgehalten werden, die mit der auf sie wirkenden Gesamtkraft 8 unterhalb oder auf der Bisektionslinie liegen. In the simplest case of the method according to the invention, the total force 8 results exclusively as the sum of the flow force 4 and the electrical force 7. This relationship is shown in FIG. 2A, the electrical force 7 which counteracts the flow force 4 according to the invention being plotted with a negative sign. For each combination of flow force 4 and electrical force 7, a total force 8 results. This plane is crossed (dotted) by a bisection line, along which the total force 8 is zero. This corresponds to the limit case shown in FIG. 1B for the target substance 1, in which the flow force 4 and the electrical force 7 cancel each other out, so that no movement can take place out of the separation zone 5. Components of a substance mixture, the total force 8 of which lies above this bisection line, migrate through the separation zone 5, in particular in the flow direction, and are thus separated from the retained fraction in the separation zone 5 (FIGS. 1B and C for impurity 2). Components of a mixture of substances, the total force 8 of which lies below this bisection line, migrate backwards in the separation zone 5 due to the predominant electrical force 7, in particular against the flow direction, until the components reach a point at which the flow force 4 and electrical force 7 cancel each other out, so that they linger at this point. In this respect, the bisection line forms the boundary of the separation zone 5, in which, according to the invention, components are held which, with the total force 8 acting on them, lie below or on the bisection line.
Die auf eine Komponente des erfindungsgemäßen Stoffgemisches wirkende Strömungskraft 4 und elektrische Kraft 7 definieren das Separationsverhalten der Komponente im erfindungsgemäßen Verfahren und sind jeweils selbst abhängig von den physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften der jeweiligen Komponente, von den Eigenschaften, der Zusammensetzung und dem Zustand der Komponentenumgebung sowie von den Interaktionen der Komponente mit ihrer Umgebung. Exemplarisch zeigt Figur 2 B die Gesamtkraft 8 auf eine Komponente des erfindungsgemäßen Stoffgemisches bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit des Trägers 3 und einer bestimmten Feldstärke des elektrischen Feldes 6 in Abhängigkeit der Ladung und der Größe (als sphärisches Volumen) der Komponente. Mit steigender Ladung steigt bei gleicher Größe auch die der Strömungskraft 4 entgegen gerichtete elektrische Kraft 7 auf eine Komponente. Mit steigender Größe steigt auch der Strömungsquerschnitt einer Komponente und somit die auf die Komponente wirkende Strömungskraft 4. Insofern erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Durchführung von Bisektionen im Parameterraum der Eigenschaften der Komponenten des erfindungsgemäßen Stoffgemisches und separiert die Komponenten somit anhand ihrer Eigenschaften. The flow force 4 and electrical force 7 acting on a component of the mixture of substances according to the invention define the separation behavior of the component in the method according to the invention and are each themselves dependent on the physical, chemical and biological properties of the respective component, on the properties, the composition and the state of the component environment and the interactions of the component with its environment. By way of example, FIG. 2B shows the total force 8 on a component of the mixture of substances according to the invention at a specific flow rate of the carrier 3 and a specific field strength of the electrical field 6 as a function of the charge and the size (as a spherical volume) of the component. As the charge increases, the electrical force 7 directed against the flow force 4 on a component also increases with the same size. The flow cross-section of a component and thus the flow force 4 acting on the component also increase with increasing size. In this respect, the method according to the invention allows bisections to be carried out in the parameter space of the properties of the components of the substance mixture according to the invention and thus separates the components on the basis of their properties.
Erfindungsgemäß umfasst der Parameterraum, in dem die Bisektionen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden, sämtliche Eigenschaften der Komponenten des erfindungsgemäßen Stoffgemisches, welche die Gesamtkraft 8 auf eine Komponente in der Separationszone 5, insbesondere aber die Strömungskraft 4 und die elektrische Kraft 7 beeinflussen. Zu diesen Eigenschaften gehören insbesondere aber nicht ausschließlich die Ladung, die Größe, die Form, die Struktur, die Flexibilität, die Masse, die Masseverteilung, die Ladungsverteilung, die Elektronendichteverteilung, die Polarisierbarkeit, die Hydrophobizität, die Dissoziierbarkeit, die Struktur, Größe und Bindestärke der Trägerhülle, die Fähigkeit zur Bindung anderer Moleküle oder Ionen sowie die Struktur, Lokalisation, Anzahl und Bindestärke dieser Bindestellen. Zur besseren Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der, wenn allumfassend betrachtet, hochdimensionale Parameterraum in den Figuren 2 bis 4 jedoch auf zwei beispielhafte Eigenschaften der Komponenten beschränkt. According to the invention, the parameter space in which the bisections of the method according to the invention are carried out includes all properties of the components of the substance mixture according to the invention which influence the total force 8 on a component in the separation zone 5, but in particular the flow force 4 and the electrical force 7. These properties include in particular but not exclusively the charge, the size, the shape, the structure, the flexibility, the mass, the mass distribution, the charge distribution, the electron density distribution, the Polarizability, hydrophobicity, dissociation, the structure, size and binding strength of the carrier shell, the ability to bind other molecules or ions as well as the structure, location, number and binding strength of these binding sites. For a better representation of the method according to the invention, the high-dimensional parameter space in FIGS. 2 to 4 is, however, limited to two exemplary properties of the components.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die gezielte Einstellung der Umgebungsparameter, um insbesondere aber nicht ausschließlich die Strömungskraft 4 oder die elektrische Kraft 7 direkt zu beeinflussen oder um bestimmte Eigenschaften der Komponenten des Stoffgemisches einzustellen und zu variieren. Die direkte Beeinflussung der Strömungskraft 4 und der elektrischen Kraft 7 dient der Verschiebung der Bisektionslinie im Parameterraum der Komponenteneigenschaften. Die gezielte Einstellung von Komponenteneigenschaften dient der Verschiebung der Komponente im Parameterraum. The method according to the invention comprises the targeted setting of the environmental parameters, in order in particular, but not exclusively, to directly influence the flow force 4 or the electrical force 7 or to set and vary certain properties of the components of the substance mixture. The direct influence of the flow force 4 and the electrical force 7 serves to shift the bisection line in the parameter space of the component properties. The targeted setting of component properties serves to shift the component in the parameter space.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld 6 als iterative Bisektion in einem Parameterraum mit gezielter Verschiebung der Bisektionslinie. Dargestellt ist der vereinfachte Parameterraum aus Figur 2 B mit Ladung und Größe der Komponente sowie in Figur 3 A und B die von diesen Parametern abhängige Gesamtkraft 8. Die Darstellungen erfolgen zur besseren Visualisierung der Bisektionslinien nicht dreidimensional, sondern zweidimensional aus einer Ansicht entlang der Gesamtkraft- Achse. Die Gesamtkraft 8 ist analog zu Figur 2 dargestellt, jedoch erfolgt der Blick des Betrachters entlang der Achse der Gesamtkraft 8, woraus sich die zweidimensionale Darstellung ergibt. Die exemplarischen Werte und die Richtung der Gesamtkraft 8 sind der Graustufenskala und ihrer Orientierung am rechten Bildrand zu entnehmen. Im Parameterraum angeordnet sind der Zielstoff 1 sowie eine erste Verunreinigung 2A und eine zweite Verunreinigung 2B. Der Zielstoff 1, die erste Verunreinigung 2A und die zweite Verunreinigung 2B unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Ladung und Größe voneinander. Unter den in Figur 3 A eingestellten Bedingungen hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit des Trägers 3 und der elektrischen Feldstärke des elektrischen Feldes 6 ergibt sich die gepunktet dargestellte Bisektionslinie. Die Gesamtkraft 8 auf die erste Verunreinigung 2A ist größer als Null, sodass die erste Verunreinigung 2A oberhalb der gepunkteten Bisektionslinie liegt und aus der Separationszone 5 ausgespült wird, wohingegen der Zielstoff 1 und eine zweite Verunreinigung 2B infolge der auf sie wirkenden Gesamtkräfte 8 in dieser zurückgehalten werden. FIG. 3 shows a schematic representation of the method according to the invention for the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as an iterative bisection in a parameter space with a targeted displacement of the bisection line. The simplified parameter space from FIG. 2B is shown with the charge and size of the component, and in FIGS. 3A and B the total force dependent on these parameters 8. For better visualization of the bisection lines, the representations are not three-dimensional, but two-dimensional from a view along the total force. Axis. The total force 8 is shown analogously to FIG. 2, but the viewer's gaze is along the axis of the total force 8, which results in the two-dimensional representation. The exemplary values and the direction of the total force 8 can be found on the grayscale scale and their orientation on the right edge of the picture. The target substance 1 and a first impurity 2A and a second impurity 2B are arranged in the parameter space. The target substance 1, the first impurity 2A and the second impurity 2B differ from one another in terms of their charge and size. Under the conditions set in FIG. 3A with regard to the flow velocity of the carrier 3 and the electric field strength of the electric field 6, the bisection line shown in dotted lines results. The total force 8 on the first impurity 2A is greater than zero, so the first Contamination 2A lies above the dotted bisection line and is flushed out of the separation zone 5, whereas the target substance 1 and a second contamination 2B are retained therein due to the total forces 8 acting on them.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die gezielte Einstellung der Komponentenumgebung, um die Gesamtkraft 8 auf jede einzelne Komponente und damit ihr Separationsverhalten zu beeinflussen ln Figur 3 B erfolgt dies durch eine Reduktion der elektrischen Feldstärke des elektrischen Feldes 6 im Vergleich zu den Bedingungen in Figur 3 A, sodass sich die auf jede Komponente wirkende elektrische Kraft 7 reduziert und die Bisektionslinie (gestrichelt) bei gleichbleibender Strömung des Trägers 3 in Richtung höherer Ladung verschoben wird. Unter den in Figur 3 B dargestellten Umgebungsbedingungen wird nur die zweite Verunreinigung 2B in der Separationszone 5 zurückgehalten, wohingegen neben der ersten Verunreinigung 2A nun auch der Zielstoff 1 oberhalb der gestrichelten Bisektionslinie liegen und folglich in Strömungsrichtung aus der Separationszone 5 hinausgespült werden. The method according to the invention comprises the targeted adjustment of the component environment in order to influence the total force 8 on each individual component and thus its separation behavior. In FIG. 3B this is done by reducing the electric field strength of the electric field 6 compared to the conditions in FIG. 3A, so that the electrical force 7 acting on each component is reduced and the bisection line (dashed line) is shifted towards the higher charge while the flow of the carrier 3 remains constant. Under the ambient conditions shown in FIG. 3B, only the second impurity 2B is retained in the separation zone 5, whereas, in addition to the first impurity 2A, the target substance 1 now also lies above the dashed bisection line and is consequently flushed out of the separation zone 5 in the direction of flow.
Vorteilhaft erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren durch Kaskadierung oder Iteration mehrerer Bisektionen die gezielte Separation des Zielstoff 1 von den Verunreinigungen 2 des erfindungsgemäßen Stoffgemisches. Dies ist in Figur 3 C anhand der jeweils für die Umgebungsbedingungen aus Figur 3 A und B charakteristischen Bisektionslinien dargestellt. Im ersten Schritt des Verfahrens werden sämtliche erste Verunreinigungen 2A oberhalb der gepunkteten Bisektionslinie abgetrennt und der Zielstoff 1 sowie die zweiten Verunreinigungen 2B unterhalb der gepunkteten Bisektionslinie verbleiben in der Separationszone 5. Im zweiten Schritt des Verfahrens verbleiben nur noch sämtliche zweite Verunreinigungen 2B unterhalb der gestrichelten Bisektionslinie in der Separationszone 5, wohingegen Zielstoff 1 und etwaige weitere über der gestrichelten Bisektionslinie vorhandenen Verunreinigungen, die nicht bereits im ersten Schritt ausgespült wurden, aus der Separationszone 5 ausgespült werden. Folglich separiert das erfindungsgemäße Verfahren durch zweifache Kaskadierung oder Iteration sämtliche Komponenten zwischen den beiden Bisektionslinien vom übrigen Stoffgemisch. Erfindungsgemäß kann die Separationsauflösung des Verfahrens durch höhergradige Kaskadierung oder Iteration erhöht werden. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Separation von Ionen gleicher Ladungspolarität im elektrischen Feld 6 als iterative Bisektion in einem Parameterraum mit gezielter Verschiebung der Komponenten. Dargestellt ist der vereinfachte Parameterraum aus Figur 2 B mit Ladung und Größe der Komponenten 1, 2A, 2B sowie die von diesen Parametern abhängige Gesamtkraft 8, wobei die Gesamtkraft auch hier lediglich implizit durch den Abstand der Komponenten 1, 2A, 2B, von der Bisektionslinie ergibt. Die Darstellungen erfolgen zur besseren Visualisierung der Bisektionslinien nicht dreidimensional, sondern zweidimensional aus einer Ansicht entlang der Gesamtkraft-Achse. Im Parameterraum angeordnet sind der Zielstoff 1 sowie die Verunreinigungen 2A und 2B, welche sich hinsichtlich ihrer Ladung und Größe unterscheiden. Die in Figur 4 A und B eingestellten Bedingungen hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit des Trägers 3 und der elektrischen Feldstärke des elektrischen Feldes 6 sowie die sich daraus ergebende gepunktete Bisektionslinie sind untereinander gleich und gleichen selbst jeweils denen in Figur 3A. ln Figur 4 A ist die Gesamtkraft 8 auf die erste Verunreinigung 2A größer als Null, sodass die erste Verunreinigung 2A oberhalb der gepunkteten Bisektionslinie liegt und aus der Separationszone 5 hinausgespült wird. Hingegen liegen der Zielstoff 1 und die zweite Verunreinigung 2B infolge der auf sie wirkenden Gesamtkräfte 8 unterhalb der Bisektionslinie und werden folglich in der Separationszone zurückgehalten. The method according to the invention advantageously allows the targeted separation of the target substance 1 from the impurities 2 of the substance mixture according to the invention by cascading or iteration of several bisections. This is shown in FIG. 3 C on the basis of the bisection lines which are characteristic of the ambient conditions from FIGS. 3 A and B. In the first step of the method, all of the first impurities 2A above the dotted bisection line are separated and the target substance 1 and the second impurities 2B below the dotted bisection line remain in the separation zone 5. In the second step of the method, only all second impurities 2B remain below the dashed bisection line in separation zone 5, whereas target substance 1 and any other impurities present above the dashed bisection line, which were not already rinsed out in the first step, are rinsed out of separation zone 5. Consequently, the method according to the invention separates all components between the two bisection lines from the rest of the mixture of substances by double cascading or iteration. According to the invention, the separation resolution of the method can be increased by higher-level cascading or iteration. FIG. 4 shows a schematic representation of the method according to the invention for the separation of ions of the same charge polarity in the electrical field 6 as an iterative bisection in a parameter space with a targeted displacement of the components. The simplified parameter space from FIG. 2B is shown with the charge and size of components 1, 2A, 2B and the total force 8 dependent on these parameters, the total force here also only implicitly due to the distance of components 1, 2A, 2B from the bisection line results. For better visualization of the bisection lines, the representations are not three-dimensional, but two-dimensional from a view along the total force axis. The target substance 1 and the impurities 2A and 2B, which differ in their charge and size, are arranged in the parameter space. The conditions set in FIGS. 4 A and B with regard to the flow velocity of the carrier 3 and the electric field strength of the electric field 6 and the resulting dotted bisection line are identical to one another and are themselves the same as those in FIG. 3A. In FIG. 4A, the total force 8 on the first impurity 2A is greater than zero, so that the first impurity 2A lies above the dotted bisection line and is flushed out of the separation zone 5. In contrast, the target substance 1 and the second impurity 2B lie below the bisection line due to the total forces 8 acting on them and are consequently retained in the separation zone.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die gezielte Einstellung der Komponentenumgebung, um die Gesamtkraft 8 auf jede einzelne Komponente und damit ihr Separationsverhalten zu beeinflussen. Neben der in Figur 3 exemplarisch dargestellten Verschiebung der Bisektionslinie im Parameterraum kann die Gesamtkraft 8 auf jede Komponente erfindungsgemäß auch durch die Änderung der Position der Komponenten im Parameterraum über Änderungen der Umgebungsbedingungen gezielt eingestellt werden. Figur 4 A und B zeigen den gleichen Parameterraum bei gleichen Bedingungen hinsichtlich der Strömung des Trägers 3 und des elektrischen Feldes 6, jedoch ist der pH- Wert des Trägers 3 in Figur 4 B im Vergleich zu Figur 4 A verändert, sodass die Komponenten in Abhängigkeit ihrer Hydroniumionen-Dissoziierbarkeit in Figur 4 B eine andere Ladung aufweisen als in Figur 4 A. Dies führt zu einer Verschiebung der Komponenten gegenüber der Bisektionslinie, wobei (im Gegensatz zum Verfahren nach Figur 3) nun die Lage der Bisektionslinie konstant bleibt. Die hier exemplarisch am Beispiel des pH-Wertes im Träger 3 dargestellte erfindungsgemäße Verschiebung der Position der Komponenten des Stoffgemisches durch Änderungen der Umgebungsbedingungen erlaubt dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft eine Beeinflussung des Separationsverhaltens der Komponenten unter gleichen Bedingungen hinsichtlich der Strömung des Trägers 3 und der Stärke und Form des elektrischen Feldes 6, da sich nun in Figur 4B im Vergleich zu Figur 4 A auch Zielstoff 1 oberhalb der Bisektionslinie befindet und somit aus der Separationszone 5 ausgespült wird. The method according to the invention comprises the targeted setting of the component environment in order to influence the total force 8 on each individual component and thus its separation behavior. In addition to the displacement of the bisection line in the parameter space shown as an example in FIG. 3, the total force 8 on each component can also be set according to the invention by changing the position of the components in the parameter space via changes in the ambient conditions. FIGS. 4A and B show the same parameter space under the same conditions with regard to the flow of the carrier 3 and the electric field 6, but the pH of the carrier 3 in FIG. 4B is changed in comparison to FIG. 4A, so that the components are dependent Their hydronium ion dissociatability in FIG. 4B has a different charge than in FIG. 4A. This leads to a shift of the components with respect to the bisection line, the position of the bisection line now remaining constant (in contrast to the method according to FIG. 3). The shift according to the invention of the position of the components of the mixture of substances as a result of changes in the ambient conditions, illustrated here using the example of the pH in the carrier 3, advantageously allows the inventive method to influence the separation behavior of the components under the same conditions with regard to the flow of the carrier 3 and the strength and shape of the electric field 6, since in FIG. 4B, compared to FIG. 4A, target substance 1 is now located above the bisection line and is thus rinsed out of the separation zone 5.
Die Eigenschaften der Komponenten des Stoffgemisches und damit die Position der Komponenten im Parameterraum sind abhängig von einer Vielzahl von Umgebungseigenschaften, wobei die Art und Intensität der Abhängigkeit jeweils wieder spezifisch für jede Komponente ist. Wichtige Umgebungseigenschaften im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich die elektrische und magnetische Feldstärke, die Temperatur, der Druck, der pH, die Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit, lonenstärke, Polarität, Permittivität, Permeabilität und Art des Trägers 3 und pH-Pufferung sowie Additive im Träger 3, welche mit den Komponenten interagieren. The properties of the components of the substance mixture and thus the position of the components in the parameter space are dependent on a large number of environmental properties, the type and intensity of the dependency again being specific for each component. Important environmental properties within the meaning of the invention are in particular, but not exclusively, the electrical and magnetic field strength, the temperature, the pressure, the pH, the flow direction and flow velocity, ionic strength, polarity, permittivity, permeability and type of carrier 3 and pH buffering and additives in Carrier 3, which interact with the components.
Analog zu den Beschreibungen zu Figur 3 erlaubt auch hier die Kaskadierung oder Iteration des erfindungsgemäßen Verfahrens mit unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, welche zur Verschiebung mindestens einer Komponente des Stoffgemisches im Parameterraum führen, eine Erhöhung der Separationsauflösung durch mehrfache Bisektion. Analogously to the descriptions for FIG. 3, the cascading or iteration of the method according to the invention with different environmental conditions, which lead to the displacement of at least one component of the substance mixture in the parameter space, also allows an increase in the separation resolution by multiple bisection.
Aus Figur 2, Figur 3 und Figur 4 wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft als kaskadiertes oder iteratives Intervallschachtelverfahren implementiert werden kann. Damit ähnelt die Aufreinigung des Zielstoffs 1 der numerischen Suche eines Wertes in einem Suchraum, wobei dieser äquivalent zum Parameterraum des erfindungsgemäßen Verfahrens ist. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung lassen sich daher typische numerische Suchalgorithmen zur Entwicklung, Regelung und Qualitätskontrolle von Separationsprozessen einsetzen, welche erfindungsgemäße Verfahren einsetzen. Dies erlaubt insbesondere die vorteilhafte Automatisierung der gesamten Entwicklung und Prozessführung eines industriellen Separationsprozesses. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anlehnung an die Erläuterungen zu Figur 3 sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Kaskadierung und Sensorik. Dargestellt sind zwei Separationsstufen 10A, 10B, umfassend jeweils mindestens eine Anode 9A und eine Kathode 9K, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt. Die Spannung ruft mindestens ein elektrisches Feld 6 im Träger 3 hervor, sodass auf Ionen im Wirkbereich des elektrischen Feldes 6 eine elektrische Kraft 7 wirkt. Vermittelt durch den strömenden Träger 3 wirkt eine Strömungskraft 4 auf die Ionen. ln einigen Ausgestaltungen der Erfindung sind die Elektroden 9 als den Träger 3 umschließende Elektroden 9 (insbesondere als Ring, Torus oder Hohlzylinder) ausgeführt. Der sich daraus ergebende Verlauf der Feldlinien des elektrischen Feldes 6 im Bereich zwischen den Elektroden 9 kann vorteilhaft zur Fokussierung der ionischen Komponenten im Zentrum des strömenden Trägers 3 genutzt werden. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden 9 und das zwischen ihnen wirkende elektrische Feld 6 derart zur Strömungsrichtung des Trägers 3 ausgerichtet, dass in mindestens einem Punkt der Strömungsvektor 4V und Feldstärkevektor 7V antiparallel zueinander angeordnet sind. It is clear from FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4 that the method according to the invention can advantageously be implemented as a cascaded or iterative interval nesting method. The purification of the target substance 1 thus resembles the numerical search for a value in a search space, this being equivalent to the parameter space of the method according to the invention. In an advantageous embodiment of the invention, typical numerical search algorithms for the development, regulation and quality control of separation processes can therefore be used, which use methods according to the invention. This allows in particular the advantageous automation of the entire development and process management of an industrial separation process. Figure 5 shows a schematic representation of the method according to the invention based on the explanations for Figure 3 and a device according to the invention for performing the method according to the invention with cascading and sensors. Two separation stages 10A, 10B are shown, each comprising at least one anode 9A and one cathode 9K, between which an electrical voltage is present. The voltage causes at least one electric field 6 in the carrier 3, so that an electric force 7 acts on ions in the effective range of the electric field 6. Mediated by the flowing carrier 3, a flow force 4 acts on the ions. In some configurations of the invention, the electrodes 9 are designed as electrodes 9 (in particular as a ring, torus or hollow cylinder) enclosing the carrier 3. The resulting course of the field lines of the electric field 6 in the area between the electrodes 9 can advantageously be used to focus the ionic components in the center of the flowing carrier 3. In an advantageous embodiment of the invention, the electrodes 9 and the electric field 6 acting between them are aligned with the flow direction of the carrier 3 such that the flow vector 4V and field strength vector 7V are arranged antiparallel to one another in at least one point.
Figur 5 zeigt den Verfahrensverlauf für die in Figur 3 beschriebene zweistufige Separation. Dabei ist die erste Separationsstufe 10A mit einer ersten Separationszone 5A (Figur 5 A) hinsichtlich ihrer Umgebungsparameter derart eingestellt, dass die elektrische Kraft 7 auf Zielstoff 1 und die zweite Verunreinigung 2B stark genug ist, um diese beide in der Separationszone 5 zurückzuhalten. Dabei heben sich die elektrische Kraft sowie die Strömungskraft am Zielstoff 1 auf, so dass der Zielstoff in etwa in Ruhestellung verbleibt. Dies ist durch einen vertikalen Balken RIA als neutrale, erste Richtung dargestellt. Die elektrische Kraft sowie die Strömungskraft an der zweiten Verunreinigung 2B addieren sich zu einer Gesamtkraft, die die zweite Verunreinigung stromaufwärts in zweiter Richtung R2A beaufschlagt. Die zweite Verunreinigung 2B wird folglich zurückgehalten. Hingegen die erste Verunreinigung 2A wird aus der Separationszone 5 hinausgespült. Die zweite Separationsstufe 10B mit einer zweiten Separationszone 5b (Figur 5 B) arbeitet bei einer geringeren Feldstärke (z.B. durch geringe Spannung zwischen den Elektroden 9), was in der zweiten Separationsstufe 10B durch eine geringere Anzahl von Feldlinien dargestellt ist. Die elektrische Kraft sowie die Strömungskraft an dem Zielstoff 1 addieren sich zu einer Gesamtkraft, die den Zielstoff 1 stromabwärts in erster Richtung R1B beaufschlagt. Folglich reicht die elektrische Kraft 7 auf den Zielstoff 1 nicht aus, um diesen in der Separationszone 5 der zweiten Separationsstufe 10B zurückzuhalten, so dass dieser hinausgefördert wird. Hingegen heben sich die elektrische Kraft sowie die Strömungs kraft an der zweiten Verunreinigung 2B auf, so dass die zweite Verunreinigung 2B in etwa in Ruhestellung verbleibt. Dies ist durch einen vertikalen Balken R2B als neutrale, zweite Richtung dargestellt. Folglich verbleibt die zweite Verunreinigung 2B in der zweiten Separationszone 5B der zweiten Separationsstufe 10B. FIG. 5 shows the course of the method for the two-stage separation described in FIG. 3. The first separation stage 10A with a first separation zone 5A (FIG. 5A) is set with regard to its environmental parameters in such a way that the electrical force 7 on target substance 1 and the second impurity 2B is strong enough to retain both of them in the separation zone 5. The electrical force and the flow force on target substance 1 cancel each other out, so that the target substance remains approximately in the rest position. This is represented by a vertical bar RIA as a neutral, first direction. The electrical force and the flow force at the second impurity 2B add up to a total force which acts on the second impurity upstream in the second direction R2A. The second impurity 2B is thus retained. In contrast, the first impurity 2A is flushed out of the separation zone 5. The second separation stage 10B with a second separation zone 5b (FIG. 5B) operates at a lower field strength (for example due to a low voltage between the electrodes 9), which is represented in the second separation stage 10B by a smaller number of field lines. The electrical force and the flow force on the target substance 1 add up to a total force which acts on the target substance 1 downstream in the first direction R1B. As a result, the electrical force 7 on the target substance 1 is not sufficient to retain it in the separation zone 5 of the second separation stage 10B, so that the latter is conveyed out. On the other hand, the electrical force and the flow force cancel each other out at the second impurity 2B, so that the second impurity 2B remains approximately at rest. This is represented by a vertical bar R2B as a neutral, second direction. As a result, the second impurity 2B remains in the second separation zone 5B of the second separation stage 10B.
Erfindungsgemäß erfolgt die Einstellung verschiedener Umgebungsbedingungen entweder iterativ innerhalb einer Separationsstufe 10 oder kaskadiert durch sequentielle Anordnung mehrerer Separationsstufen 10A, 10B. ln vorteilhafter Ausführung der Erfindung sind die mehreren Separationsstufen 10A, 10B derart miteinander verbunden, dass am Eingang der Vorrichtung und am Ausgang der Vorrichtung ein kontinuierlicher Strom des Trägers 3 mit Stoffgemisch beziehungsweise mit aufgereinigtem Zielstoff 1 erhalten wird. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erlaubt die im Vergleich zu Vorrichtungen aus dem Stand der Technik einfache Architektur jeder einzelnen Separationsstufe 10 eine gute Skalierbarkeit des Verfahrens durch Parallelisierung mehrerer Separationsstrecken. ln vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung der Konzentration des Zielstoffs 1 an verschiedenen Stellen der Vorrichtung, insbesondere aber nicht ausschließlich innerhalb der Separationszone 5 und am Eingang oder Ausgang der Separationsstufe 10. Vorteilhaft kommen dabei insbesondere nichtinvasive, vor allem optische, kapazitive und induktive Messverfahren zum Einsatz. Zu diesem Zweck verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einigen Ausführungsformen über einen oder mehrere Sensoren 11 je Separationsstufe 10. Alternativ umfassen einige Ausführungen der Erfindung Sampling-Ports im Bereich der Separationszone 5 und am Eingang oder Ausgang der Separationsstufe 10. According to the invention, different environmental conditions are set either iteratively within a separation stage 10 or cascaded by sequential arrangement of a plurality of separation stages 10A, 10B. In an advantageous embodiment of the invention, the plurality of separation stages 10A, 10B are connected to one another in such a way that a continuous flow of the carrier 3 with substance mixture or with purified target substance 1 is obtained at the entrance to the device and at the exit of the device. In an advantageous embodiment of the invention, the architecture of each individual separation stage 10, which is simple in comparison to devices from the prior art, permits good scalability of the method by parallelizing a plurality of separation sections. In an advantageous embodiment of the invention, the method according to the invention comprises determining the concentration of the target substance 1 at various points in the device, in particular, but not exclusively, within the separation zone 5 and at the entrance or exit of the separation stage 10. In particular, non-invasive, especially optical, capacitive are advantageous and inductive measuring methods. For this purpose, in some embodiments, the device according to the invention has one or more sensors 11 per separation stage 10. Alternatively, some embodiments of the invention include sampling ports in the area of the separation zone 5 and at the input or output of the separation stage 10.
In vorteilhafter Ausführung der Erfindung wird das Signal mindestens eines Sensor 11 oder aus diesem Signal abgeleitete Werte als Eingangswerte für die Optimierungs- und Regelungsalgorithmen zur Verfahrenssteuerung eingesetzt, wobei diese Algorithmen auf einem Rechner als Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt und abgearbeitet werden. In an advantageous embodiment of the invention, the signal of at least one sensor 11 or values derived from this signal are used as input values for the optimization and control algorithms for process control, these algorithms being carried out and processed on a computer as part of the device according to the invention.
In einigen Ausgestaltungen der Erfindung wird mindestens ein Zielstoff 1 mit einem Tracer markiert, um ihn durch einen erfindungsgemäßen Sensor 11 detektieren zu können. Tracer im Sinne der Erfindung sind dabei insbesondere aber nicht ausschließlich Farbstoffe, Fluoreszenzfarbstoffe sowie magnetische oder plasmonische Nanopartikel. In some configurations of the invention, at least one target substance 1 is marked with a tracer in order to be able to detect it by a sensor 11 according to the invention. In the context of the invention, tracers are in particular, but not exclusively, dyes, fluorescent dyes and magnetic or plasmonic nanoparticles.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Zusammensetzung oder der pH des Trägers 3 vor, in oder hinter mindestens einer Separationszone 5 verändert. In solchen Ausführungsformen verfügt die Vorrichtung über entsprechende Ports, Ventile, Pumpen oder sonstige fluidmechanische Baugruppen, die geeignet sind, die Zusammensetzung oder den pH des Trägers 3 vor, in oder hinter mindestens einer Separationszone 5 zu verändern. In some embodiments of the invention, the composition or the pH of the carrier 3 is changed before, in or behind at least one separation zone 5. In such embodiments, the device has corresponding ports, valves, pumps or other fluid mechanical assemblies which are suitable for changing the composition or the pH of the carrier 3 before, in or behind at least one separation zone 5.
Erfindungsgemäß ist die einfache Architektur der Vorrichtung insbesondere in der Ausführungsform als Anordnung mehrerer Hohlkörper-Elektroden 9 mit fokussierendem elektrischem Feld 6 im Vergleich zum Stand der Technik deutlich weniger anfällig gegenüber Verschmutzungen oder mangelhafter Strömungshomogenität. According to the invention, the simple architecture of the device, in particular in the embodiment in the form of an arrangement of a plurality of hollow body electrodes 9 with a focusing electric field 6, is significantly less susceptible to contamination or poor flow homogeneity compared to the prior art.
Erfindungsgemäß ist die einfache Architektur der Vorrichtung insbesondere in der Ausführungsform als Anordnung mehrerer Hohlkörper-Elektroden 9 mit fokussierendem elektrischem Feld 6 im Vergleich zum Stand der Technik deutlich einfacher mittels Parallelisierung von Separationsstufen 10 zu skalieren. According to the invention, the simple architecture of the device, in particular in the embodiment as an arrangement of a plurality of hollow body electrodes 9 with a focussing electric field 6, is significantly easier to scale than in the prior art by means of parallelization of separation stages 10.
Vorteilhaft im Vergleich zum Stand der Technik ist zudem, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht zu einer Verdünnung der Komponenten im Stoffgemisch führt. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, Komponenten vorteilhaft in der Separationszone 5 zurückzuhalten und somit zu konzentrieren. It is also advantageous compared to the prior art that the method according to the invention does not lead to a dilution of the components in the mixture of substances. In addition is the method according to the invention is able to advantageously retain components in the separation zone 5 and thus to concentrate them.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Separatoren 12, Elektrodenpuffern 13 und Sensorports 14. Dargestellt ist eine Separationsstufen 10, bestehend aus jeweils mindestens zwei Anoden 9A und zwei Kathoden 9K, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt. Die Elektroden 9 befinden sich in einem Elektrodenpuffer 13, der durch Separatoren 12 konvektiv separiert ist vom die Separationszone 5 umfassenden zentralen Trennkanal mit Zielstoff 1, Verunreinigungen 2 und Träger 3. Erfindungsgemäß pflanzt sich das elektrische Feld 6 zwischen den Elektroden 9 durch die Separatoren 12 fort und kann somit im Trennkanal auf Ionen im Wirkbereich des elektrischen Feldes 6 eine elektrische Kraft 7 ausüben. FIG. 6 shows a schematic representation of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with separators 12, electrode buffers 13 and sensor ports 14. A separation stages 10 is shown, each consisting of at least two anodes 9A and two cathodes 9K, between which an electrical voltage is applied. The electrodes 9 are located in an electrode buffer 13, which is separated convectively by separators 12 from the central separation channel comprising the separation zone 5 with target substance 1, impurities 2 and carrier 3. According to the invention, the electrical field 6 propagates between the electrodes 9 through the separators 12 and can thus exert an electrical force 7 on ions in the effective range of the electrical field 6 in the separation channel.
Die Separatoren 12 separieren den Elektrodenpuffer 13 vom strömenden Träger 3, sodass elektrolytische Effekte wie Gasentwicklung oder pH-Drift und den Elektroden 9 keinen Einfluss auf die Separationszone 5 haben ln einigen Ausführungen der Erfindung erfolgt zudem ein kontinuierlicher Austausch der Elektrodenpuffer 13 über die eingezeichneten seitlichen Ports, sodass eine effiziente Kühlung und pH-Pufferung im Elektrodenraum sichergestellt sind. The separators 12 separate the electrode buffer 13 from the flowing carrier 3, so that electrolytic effects such as gas development or pH drift and the electrodes 9 have no influence on the separation zone 5. In some embodiments of the invention, the electrode buffers 13 are also continuously exchanged via the side ports shown , so that efficient cooling and pH buffering in the electrode area are ensured.
Die Separatoren 12 sind derart beschaffen, dass das elektrische Feld 6 zwischen den Elektroden 9 durch sie in den zentralen Trennkanal einkoppeln und gleichzeitig kein Zielstoff 1 in den Elektrodenpuffer 13 gelangen kann. Dies gelingt insbesondere aber nicht ausschließlich durch die Verwendung geeigneter Membranen (z.B. PTFE- oder Zellulose- Membranen), Gele (z.B. Polyacrylamid- oder Silica-Gele), Molekularsiebe (z.B. Zeolithe) oder anderer poröser Vorrichtungen und Anordnungen, deren Porengröße so klein gewählt ist, dass kein Zielstoff 1 durch sie hindurch gelangen kann. The separators 12 are designed in such a way that the electrical field 6 between the electrodes 9 is coupled through them into the central separation channel and at the same time no target substance 1 can get into the electrode buffer 13. In particular, however, this is not only possible through the use of suitable membranes (e.g. PTFE or cellulose membranes), gels (e.g. polyacrylamide or silica gels), molecular sieves (e.g. zeolites) or other porous devices and arrangements whose pore size is so small that no target substance 1 can get through it.
Die in Figur 6 dargestellte Vorrichtung verfügt weiterhin über Sensorports 14 zu beiden Seiten der Separationszone 5, sodass unter Einsatz geeigneter Sensoren 11 eine Überwachung des Separationsgeschehens möglich ist. Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden 9, die nicht als Hohlkörper über Ringelektroden ausgeführt ist, sondern bei dem das durch die Elektroden 9 erzeugt elektrische Feld 6 seitlich über die Separatoren 12 in den vom Träger 3 durchströmten Trennkanal einkoppelt, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Durch die dargestellte Anordnung der Elektroden 9 und der Kontaktflächen zwischen Separatoren 12, Elektrodenpuffern 13 und dem Träger 3 kommt es dabei zur erfindungsgemäßen Ausbildung eines elektrischen Felds 6 in der vom Träger 3 durchströmten Separationszone 5, wobei vorteilhaft in mindestens einem Punkt der Separationszone 5 der Strömungsvektor 4V und Feldstärkevektor 7V antiparallel zueinander angeordnet sind. Auf jede Komponente des erfindungsgemäßen Stoffgemisches wirkt somit innerhalb der Separationszone 5 eine elektrische Kraft 7. The device shown in FIG. 6 also has sensor ports 14 on both sides of the separation zone 5, so that monitoring of the separation process is possible using suitable sensors 11. FIG. 6 shows an arrangement of the electrodes 9 according to the invention, which is not designed as a hollow body via ring electrodes, but in which the electrical field 6 generated by the electrodes 9 couples laterally via the separators 12 into the separation channel through which the carrier 3 flows, in order to carry out the method according to the invention . The arrangement of the electrodes 9 shown and the contact areas between separators 12, electrode buffers 13 and the carrier 3 results in the formation of an electrical field 6 according to the invention in the separation zone 5 through which the carrier 3 flows, with the flow vector advantageously in at least one point of the separation zone 5 4V and field strength vector 7V are arranged antiparallel to each other. An electrical force 7 thus acts on each component of the substance mixture according to the invention within the separation zone 5.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
Zur jeweiligen Interpretation der Bezugszeichen sind Beschreibung, Ansprüche und Figuren zu beachten. Zur besseren Übersichtlichkeit der Figuren sind gleich zu benennende Bestandteile jeder Figur - teilweise nur einmal - mit einem Bezugszeichen versehen. Die Bezeichnung der anderen Bestandteile ergibt sich aus deren grafischem Erscheinungsbild sowie aus der Beschreibung und den Ansprüchen. For the respective interpretation of the reference symbols, the description, claims and figures are to be observed. For better clarity of the figures, components of each figure that are to be named the same - sometimes only once - are provided with a reference symbol. The designation of the other components results from their graphic appearance as well as from the description and the claims.
Claims
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