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1 - CHROMATOGRAPHIE LIQUIDE SANS SUPPORT SOLIDE

2 - HYDRODYNAMIQUE ET EFFICACITÉ CHROMATOGRAPHIQUE

3 - MODES DE FONCTIONNEMENT ET MODÉLISATION

4 - DIMENSIONNEMENT DE COLONNE

  • 4.1 - Chimie et thermodynamique
  • 4.2 - Hydrodynamique et transfert
  • 4.3 - Définition des dimensions de la colonne

5 - EXEMPLE D’APPLICATION ET CHANGEMENT D’ÉCHELLE

6 - PERSPECTIVES

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : J2787 v1

Conclusion
Chromatographie de partage centrifuge - Mise en œuvre, modélisation et changement d’échelle

Auteur(s) : Luc MARCHAL, Jean-Hugues RENAULT, Sébastien CHOLLET

Date de publication : 10 mars 2017

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RÉSUMÉ

La chromatographie de partage centrifuge CPC est un procédé de séparation reposant sur la distribution des solutés entre deux phases liquides non miscibles dont l'une est maintenue stationnaire par une force centrifuge. L’absence de support solide confère à cette technique séparative une capacité et une versatilité faisant d’elle un outil de choix pour les séparations délicates. Les modes de fonctionnement tirent parti de la nature fluide de la phase stationnaire. Une synthèse des connaissances disponibles sur l’hydrodynamique des phases stationnaire et mobile et sur la modélisation du procédé intégrant les aspects de transfert est proposée dans cet article pour optimiser la séparation (productivité, rendement) et la transposer à une plus grande échelle.

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ABSTRACT

Centrifugal partition chromatography Operating conditions, modeling and scale-up

Centrifugal partition chromatography is a separation process based on the distribution of solute between two immiscible liquid phases. The absence of solid support lends this separation technique large capacity and versatility, making it convenient for delicate separations. Operation modes can take advantage of the fluid nature of the stationary phase. This article gives a synthesis of the available knowledge on the hydrodynamics of stationary and mobile phases and process modelling with mass transfer kinetics to optimise the separation (productivity, yield) and transpose it to a larger scale.

Auteur(s)

  • Luc MARCHAL : Maître de conférences HDR Laboratoire de génie des procédés – environnement – agroalimentaire UMR CNRS 6144 – Université de Nantes, Saint Nazaire, France

  • Jean-Hugues RENAULT : Professeur Institut de chimie moléculaire de Reims UMR CNRS 7312 – Université de Reims Champagne-Ardenne, Reims, France

  • Sébastien CHOLLET : Docteur CPC Eng – Capacités SAS, Nantes, France

INTRODUCTION

La chromatographie de partage centrifuge (CPC) est une technique de séparation multi-étagée, utilisant des colonnes compactes, constituées d’une cascade de chambres ou cellules de partage reliées entre elles par des canaux et soumises à un champ d’accélération centrifuge. Le mécanisme de séparation repose sur la différence de distribution des composés entre deux phases liquides non miscibles. Dans la colonne de CPC, un des liquides est maintenu stationnaire grâce à la rotation de la colonne et donc sans avoir recours à un support solide, tandis que la phase mobile traverse la phase stationnaire à un débit imposé par une pompe. La chaîne de CPC et sa gamme d’utilisation sont proches de celles d’une chaîne CLHP (chromatographie liquide haute performance) à vocation préparative.

Les principaux développements de la CPC ont eu lieu au cours des années 1990 et 2000 avec l’apparition de nouveaux équipementiers, portant la technologie à un niveau de maturité qui la rend industrialisable (les colonnes sont disponibles en différents matériaux, pour des volumes allant de 30 mL à 25 L). L’absence de support solide pour réaliser des opérations de capture ou de fractionnement permet d’aborder le traitement de charges complexes comme c’est souvent le cas pour les substances naturelles (métabolites secondaires complexes par exemple) ou issues de biotechnologies, sans risquer la surcharge ou l’encrassement du support (résine, silice). Cette souplesse de fonctionnement, le faible coût de la phase stationnaire et la réduction de la consommation de solvants permettent à la CPC d’élargir le champ d’applications de la chromatographie liquide et d’envisager la réduction du nombre d’étapes de purification. C’est la purification de substances naturelles à haute valeur ajoutée (peptides, alcaloïdes) qui a servi dans un premier temps de cas d’étude. Même si le changement d’échelle a longtemps été considéré comme une transposition linéaire, il est montré ici que la CPC est contrôlée par :

  • l’hydrodynamique des phases et le transfert de matière ;

  • la géométrie de la colonne, suivant des règles non linéaires.

Les outils de modélisation et d’ingénierie des colonnes de CPC, présentés dans cet article, permettent de dimensionner ces dernières pour une application et une productivité souhaitées ou bien de transposer une séparation d’un équipement de R&D à un équipement de production.

Comme tous les procédés basés sur le transfert de matière entre deux fluides, les performances d’une colonne de CPC (efficacité, résolution, productivité) résultent de l’hydrodynamique des phases, présentée dans un premier temps.

Les modèles développés permettent de décrire et prédire les chromatogrammes en mode élution comme en mode déplacement. Les modèles intègrent donc les termes de transport, transfert et, le cas échéant, réactions des espèces mises en œuvre dans la séparation. L’hydrodynamique des phases est prise en compte dans les modèles via l’évolution du rapport de phase, des vitesses phasiques et du coefficient de transfert de matière.

Les modèles obtenus sont alors utilisés pour optimiser la séparation à une échelle donnée, réaliser une transposition d’échelle ou dimensionner un équipement industriel. La démarche est illustrée par le changement d’échelle de la séparation d’alcaloïdes d’une CPC de 30 mL à une CPC de 2 200 mL.

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KEYWORDS

modeling   |   mass transfer   |   scale-up

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j2787


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7. Conclusion

La chromatographie de partage centrifuge est une technologie de la famille de la chromatographie liquide, mais sans support solide. Son mode de fonctionnement permet donc un large de choix de phases liquides apportant des solutions complémentaires aux chromatographies sur support, notamment pour les molécules fragiles, peu solubles... Si la technologie est connue pour le fractionnement des extraits naturels à l’échelle préparative, son changement d’échelle permet d’aborder les applications dans les domaines des biotechnologies et de la purification industrielle.

Le développement d’une méthode de purification en CPC repose donc sur :

  • le choix des phases avec des considérations proches de celles de l’extraction liquide-liquide ;

  • la caractérisation de l’hydrodynamique et du transfert de matière (avec ou sans réaction) ;

  • la modélisation et l’application à soit l’optimisation des conditions opératoires sur une installation donnée, soit le dimensionnement d’une colonne suivant des spécifications.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - RENAULT (J.H.) et al -   Solvent systems.  -  Dans BERTHOD (A.), Countercurrent chromatography – The support-free liquid stationary phase, Elsevier (2002).

  • (2) - FRIESEN (J.B.) et al -   Countercurrent separation of natural products.  -  J. Natural Products (2015).

  • (3) - OKA (F.) et al -   Systematic search for suitable two-phase solvent systems for high speed countercurrent chromatography.  -  J. Chrom., vol. 538, p. 99-108 (1991).

  • (4) - FOUCAULT (A.P.) -   Centrifugal partition chromatography.  -  Marcel Dekker (1995).

  • (5) - ALBERTSSON (P.A.) -   Partition of cell particles and macromolecules.  -  Wiley interscience (1986).

  • (6) - CHOLLET (S.) -   Rationalisation des critères de dimensionnement d’une colonne de chromatographie de partage centrifuge.  -  ...

1 Événements

Congrès international CCC (CounterCurrent Chromatography), organisé tous les deux ans

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2 Brevets

FR 2 920 674 (A1) – Cellules et canaux de liaison pour appareils de chromatographie de partage centrifuge (2009)

FR 2 953 144 (A1) – Dispositif et procédé de mise en contact de phases fluides immiscibles par la force centrifuge (2009)

FR 2 908 054 (A1) – Procédé et système de séparation liquide-liquide de type CPC permettant d’éliminer les cavitations (2008)

FR 2 923 398 (A1) – Dispositif de chromatographie de partage centrifuge et procédé mis en œuvre par ce dispositif (2007)

FR 2 868 165 (A1) – Méthode pour un dimensionnement optimal des cellules d’appareils de chromatographie de partition centrifuge (2004)

FR 2 791 578 (A1) – Dispositif amélioré de chromatographie de partage centrifuge à cellules (2000)

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3 Annuaire

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