Se ha desarrollado un nuevo y revolucionario mezclador estático en línea diseñado específicamente para cumplir con los estrictos requisitos de los sistemas de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) y cromatografía líquida de ultra alto rendimiento (HPLC y UHPLC).Una mala mezcla de dos o más fases móviles puede dar como resultado una mayor relación señal-ruido, lo que reduce la sensibilidad.La mezcla estática homogénea de dos o más fluidos con un volumen interno y dimensiones físicas mínimos de un mezclador estático representa el estándar más alto de un mezclador estático ideal.El nuevo mezclador estático logra esto mediante el uso de nueva tecnología de impresión 3D para crear una estructura 3D única que proporciona una mezcla estática hidrodinámica mejorada con el mayor porcentaje de reducción en la onda sinusoidal base por unidad de volumen interno de la mezcla.Usar 1/3 del volumen interno de un mezclador convencional reduce la onda sinusoidal básica en un 98%.El mezclador consta de canales de flujo 3D interconectados con diferentes áreas transversales y longitudes de trayectoria a medida que el fluido atraviesa geometrías 3D complejas.La mezcla a lo largo de múltiples trayectorias de flujo tortuosas, combinada con turbulencias y remolinos locales, da como resultado una mezcla a escala micro, meso y macro.Este mezclador único está diseñado utilizando simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD).Los datos de prueba presentados muestran que se logra una mezcla excelente con un volumen interno mínimo.
Durante más de 30 años, la cromatografía líquida se ha utilizado en muchas industrias, incluidas las farmacéuticas, pesticidas, protección ambiental, medicina forense y análisis químico.La capacidad de medir partes por millón o menos es fundamental para el desarrollo tecnológico en cualquier industria.La mala eficiencia de la mezcla conduce a una mala relación señal-ruido, lo que es una molestia para la comunidad cromatográfica en términos de límites de detección y sensibilidad.Cuando se mezclan dos disolventes de HPLC, a veces es necesario forzar la mezcla por medios externos para homogeneizar los dos disolventes porque algunos disolventes no se mezclan bien.Si los solventes no se mezclan completamente, puede ocurrir la degradación del cromatograma de HPLC, lo que se manifiesta como un ruido de línea de base excesivo y/o una forma de pico deficiente.Con una mezcla deficiente, el ruido de línea de base aparecerá como una onda sinusoidal (ascendente y descendente) de la señal del detector a lo largo del tiempo.Al mismo tiempo, una mezcla deficiente puede dar lugar a picos asimétricos y ensanchados, lo que reduce el rendimiento analítico, la forma y la resolución de los picos.La industria ha reconocido que los mezcladores estáticos en línea y en T son un medio para mejorar estos límites y permitir que los usuarios alcancen límites de detección más bajos (sensibilidades).El mezclador estático ideal combina los beneficios de una alta eficiencia de mezcla, un bajo volumen muerto y una baja caída de presión con un volumen mínimo y un rendimiento máximo del sistema.Además, a medida que el análisis se vuelve más complejo, los analistas deben usar rutinariamente solventes más polares y difíciles de mezclar.Esto significa que una mejor mezcla es imprescindible para futuras pruebas, lo que aumenta aún más la necesidad de un diseño y rendimiento superiores de la mezcladora.
Mott ha desarrollado recientemente una nueva gama de mezcladores estáticos en línea PerfectPeakTM patentados con tres volúmenes internos: 30 µl, 60 µl y 90 µl.Estos tamaños cubren el rango de volúmenes y características de mezcla necesarias para la mayoría de las pruebas de HPLC donde se requiere una mezcla mejorada y baja dispersión.Los tres modelos tienen un diámetro de 0,5″ y ofrecen un rendimiento líder en la industria en un diseño compacto.Están hechos de acero inoxidable 316L, pasivado para inercia, pero también están disponibles titanio y otras aleaciones metálicas resistentes a la corrosión y químicamente inertes.Estos mezcladores tienen una presión operativa máxima de hasta 20 000 psi.En la fig.1a es una fotografía de un mezclador estático Mott de 60 µl diseñado para proporcionar la máxima eficiencia de mezcla mientras usa un volumen interno más pequeño que los mezcladores estándar de este tipo.Este nuevo diseño de mezclador estático utiliza una nueva tecnología de fabricación aditiva para crear una estructura 3D única que utiliza menos flujo interno que cualquier mezclador utilizado actualmente en la industria de la cromatografía para lograr una mezcla estática.Dichos mezcladores consisten en canales de flujo tridimensionales interconectados con diferentes áreas de sección transversal y diferentes longitudes de camino a medida que el líquido cruza barreras geométricas complejas en su interior.En la fig.La Figura 1b muestra un diagrama esquemático del nuevo mezclador, que utiliza accesorios de compresión HPLC roscados 10-32 estándar de la industria para la entrada y la salida, y tiene bordes sombreados en azul del puerto del mezclador interno patentado.Las diferentes áreas transversales de las trayectorias del flujo interno y los cambios en la dirección del flujo dentro del volumen del flujo interno crean regiones de flujo turbulento y laminar, lo que provoca una mezcla en las escalas micro, meso y macro.El diseño de este mezclador único usó simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar patrones de flujo y refinar el diseño antes de crear prototipos para pruebas analíticas internas y evaluación de campo del cliente.La fabricación aditiva es el proceso de impresión de componentes geométricos en 3D directamente a partir de dibujos CAD sin necesidad de mecanizado tradicional (fresadoras, tornos, etc.).Estos nuevos mezcladores estáticos están diseñados para fabricarse mediante este proceso, donde el cuerpo del mezclador se crea a partir de dibujos CAD y las piezas se fabrican (imprimen) capa por capa mediante fabricación aditiva.Aquí, se deposita una capa de polvo metálico de unas 20 micras de espesor, y un láser controlado por computadora derrite y fusiona selectivamente el polvo en una forma sólida.Aplique otra capa encima de esta capa y aplique la sinterización por láser.Repita este proceso hasta que la pieza esté completamente terminada.Luego, el polvo se elimina de la parte no unida con láser, dejando una parte impresa en 3D que coincide con el dibujo CAD original.El producto final es algo similar al proceso microfluídico, con la principal diferencia de que los componentes microfluídicos suelen ser bidimensionales (planos), mientras que con la fabricación aditiva se pueden crear patrones de flujo complejos en geometría tridimensional.Estos grifos están actualmente disponibles como piezas impresas en 3D en acero inoxidable 316L y titanio.La mayoría de las aleaciones de metal, los polímeros y algunas cerámicas se pueden usar para fabricar componentes con este método y se considerarán en futuros diseños/productos.
Arroz.1. Fotografía (a) y diagrama (b) de un mezclador estático Mott de 90 μl que muestra una sección transversal de la ruta de flujo del fluido del mezclador sombreada en azul.
Ejecute simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) del rendimiento del mezclador estático durante la fase de diseño para ayudar a desarrollar diseños eficientes y reducir los costosos y lentos experimentos de prueba y error.Simulación CFD de mezcladores estáticos y tuberías estándar (simulación sin mezclador) utilizando el paquete de software COMSOL Multiphysics.Modelado utilizando mecánica de fluidos laminares impulsada por presión para comprender la velocidad y la presión del fluido dentro de una pieza.Esta dinámica de fluidos, combinada con el transporte químico de compuestos de fase móvil, ayuda a comprender la mezcla de dos líquidos concentrados diferentes.El modelo se estudia en función del tiempo, igual a 10 segundos, para facilitar el cálculo en la búsqueda de soluciones comparables.Los datos teóricos se obtuvieron en un estudio correlacionado en el tiempo utilizando la herramienta de proyección de sonda puntual, donde se eligió un punto en el medio de la salida para la recopilación de datos.El modelo CFD y las pruebas experimentales utilizaron dos solventes diferentes a través de una válvula de muestreo proporcional y un sistema de bombeo, lo que resultó en un tapón de reemplazo para cada solvente en la línea de muestreo.Estos solventes luego se mezclan en un mezclador estático.Las Figuras 2 y 3 muestran simulaciones de flujo a través de una tubería estándar (sin mezclador) ya través de un mezclador estático Mott, respectivamente.La simulación se ejecutó en un tubo recto de 5 cm de largo y 0,25 mm de DI para demostrar el concepto de tapones alternos de agua y acetonitrilo puro en el tubo en ausencia de un mezclador estático, como se muestra en la Figura 2. La simulación usó las dimensiones exactas del tubo y el mezclador y un caudal de 0,3 ml/min.
Arroz.2. Simulación de flujo CFD en un tubo de 5 cm con un diámetro interno de 0,25 mm para representar lo que ocurre en un tubo de HPLC, es decir, en ausencia de mezclador.El rojo completo representa la fracción de masa de agua.El azul representa la falta de agua, es decir, acetonitrilo puro.Las regiones de difusión se pueden ver entre tapones alternos de dos líquidos diferentes.
Arroz.3. Mezclador estático con un volumen de 30 ml, modelado en el paquete de software COMSOL CFD.La leyenda representa la fracción de masa de agua en el mezclador.El agua pura se muestra en rojo y el acetonitrilo puro en azul.El cambio en la fracción de masa del agua simulada está representado por un cambio en el color de la mezcla de dos líquidos.
En la fig.4 muestra un estudio de validación del modelo de correlación entre la eficiencia de mezclado y el volumen de mezclado.A medida que aumenta el volumen de mezcla, aumentará la eficiencia de mezcla.Según el conocimiento de los autores, otras fuerzas físicas complejas que actúan dentro del mezclador no pueden tenerse en cuenta en este modelo CFD, lo que da como resultado una mayor eficiencia de mezclado en las pruebas experimentales.La eficiencia de mezcla experimental se midió como el porcentaje de reducción en la sinusoide base.Además, el aumento de la contrapresión generalmente da como resultado niveles de mezcla más altos, que no se tienen en cuenta en la simulación.
Se usaron las siguientes condiciones de HPLC y configuración de prueba para medir ondas sinusoidales sin procesar para comparar el rendimiento relativo de diferentes mezcladores estáticos.El diagrama de la Figura 5 muestra un diseño de sistema HPLC/UHPLC típico.El mezclador estático se probó colocando el mezclador directamente después de la bomba y antes del inyector y la columna de separación.La mayoría de las mediciones sinusoidales de fondo se realizan sin pasar por el inyector y la columna capilar entre el mezclador estático y el detector UV.Al evaluar la relación señal-ruido y/o analizar la forma del pico, la configuración del sistema se muestra en la Figura 5.
Figura 4. Gráfica de eficiencia de mezclado versus volumen de mezclado para una variedad de mezcladores estáticos.La impureza teórica sigue la misma tendencia que los datos de impurezas experimentales que confirman la validez de las simulaciones CFD.
El sistema de HPLC utilizado para esta prueba fue un HPLC de la serie 1100 de Agilent con un detector de UV controlado por un PC que ejecutaba el software Chemstation.La Tabla 1 muestra las condiciones de ajuste típicas para medir la eficiencia del mezclador mediante el monitoreo de sinusoides básicos en dos estudios de casos.Se llevaron a cabo pruebas experimentales en dos ejemplos diferentes de disolventes.Los dos disolventes mezclados en el caso 1 fueron el disolvente A (acetato de amonio 20 mM en agua desionizada) y el disolvente B (acetonitrilo al 80 % (ACN)/agua desionizada al 20 %).En el Caso 2, el disolvente A era una solución de acetona al 0,05 % (marca) en agua desionizada.El disolvente B es una mezcla de 80/20 % de metanol y agua.En el caso 1, la bomba se ajustó a un caudal de 0,25 ml/min a 1,0 ml/min, y en el caso 2, la bomba se ajustó a un caudal constante de 1 ml/min.En ambos casos, la relación de la mezcla de disolventes A y B fue 20% A/80% B. El detector se fijó a 220 nm en el caso 1, y la máxima absorción de acetona en el caso 2 se fijó en una longitud de onda de 265 nm.
Tabla 1. Configuraciones de HPLC para los casos 1 y 2 Caso 1 Caso 2 Velocidad de la bomba 0,25 ml/min a 1,0 ml/min 1,0 ml/min Disolvente A Acetato de amonio 20 mM en agua desionizada 0,05 % Acetona en agua desionizada Disolvente B 80 % Acetonitrilo (ACN)/20 % agua desionizada 80 % metanol/20 % agua desionizada Proporción de disolvente 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detector 220 nm 265 nm
Arroz.6. Gráficos de ondas sinusoidales mixtas medidas antes y después de aplicar un filtro de paso bajo para eliminar los componentes de desviación de la línea base de la señal.
La Figura 6 es un ejemplo típico de ruido de línea de base mixto en el Caso 1, que se muestra como un patrón sinusoidal repetido superpuesto a la desviación de la línea de base.La desviación de la línea de base es un aumento o una disminución lentos de la señal de fondo.Si no se permite que el sistema se equilibre el tiempo suficiente, por lo general caerá, pero se desviará erráticamente incluso cuando el sistema esté completamente estable.Esta desviación de la línea de base tiende a aumentar cuando el sistema está operando en condiciones de gradiente pronunciado o alta contrapresión.Cuando esta desviación de la línea de base está presente, puede ser difícil comparar los resultados de una muestra a otra, lo que se puede superar aplicando un filtro de paso bajo a los datos sin procesar para filtrar estas variaciones de baja frecuencia, proporcionando así un gráfico de oscilación con una línea de base plana.En la fig.La figura 6 también muestra un gráfico del ruido de referencia del mezclador después de aplicar un filtro de paso bajo.
Después de completar las simulaciones CFD y las pruebas experimentales iniciales, se desarrollaron posteriormente tres mezcladores estáticos separados utilizando los componentes internos descritos anteriormente con tres volúmenes internos: 30 µl, 60 µl y 90 µl.Este rango cubre el rango de volúmenes y el rendimiento de mezcla requerido para aplicaciones de HPLC de bajo analito donde se requiere una mezcla mejorada y baja dispersión para producir líneas base de baja amplitud.En la fig.7 muestra mediciones de onda sinusoidal básicas obtenidas en el sistema de prueba del Ejemplo 1 (acetonitrilo y acetato de amonio como trazadores) con tres volúmenes de mezcladores estáticos y sin mezcladores instalados.Las condiciones de prueba experimental para los resultados que se muestran en la Figura 7 se mantuvieron constantes durante las 4 pruebas de acuerdo con el procedimiento descrito en la Tabla 1 a una velocidad de flujo de disolvente de 0,5 ml/min.Aplique un valor de desplazamiento a los conjuntos de datos para que puedan mostrarse uno al lado del otro sin superposición de señales.La compensación no afecta la amplitud de la señal utilizada para juzgar el nivel de rendimiento del mezclador.La amplitud sinusoidal promedio sin el mezclador fue de 0,221 mAi, mientras que las amplitudes de los mezcladores Mott estáticos a 30 µl, 60 µl y 90 µl cayeron a 0,077, 0,017 y 0,004 mAi, respectivamente.
Figura 7. Compensación de la señal del detector UV de HPLC frente al tiempo para el Caso 1 (acetonitrilo con indicador de acetato de amonio) que muestra la mezcla de disolventes sin mezclador, mezcladores Mott de 30 µl, 60 µl y 90 µl que muestran una mezcla mejorada (amplitud de señal más baja) a medida que aumenta el volumen del mezclador estático.(compensaciones de datos reales: 0,13 (sin mezclador), 0,32, 0,4, 0,45 mA para una mejor visualización).
Los datos mostrados en la fig.8 son los mismos que en la Fig. 7, pero esta vez incluyen los resultados de tres mezcladores estáticos de HPLC de uso común con volúmenes internos de 50 µl, 150 µl y 250 µl.Arroz.Figura 8. Compensación de la señal del detector UV de HPLC en función del gráfico de tiempo para el caso 1 (acetonitrilo y acetato de amonio como indicadores) que muestra la mezcla de disolvente sin mezclador estático, la nueva serie de mezcladores estáticos Mott y tres mezcladores convencionales (la compensación de datos real es 0,1 (sin mezclador), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA respectivamente para un mejor efecto de visualización).El porcentaje de reducción de la onda sinusoidal base se calcula por la relación entre la amplitud de la onda sinusoidal y la amplitud sin el mezclador instalado.Los porcentajes de atenuación de onda sinusoidal medidos para los Casos 1 y 2 se enumeran en la Tabla 2, junto con los volúmenes internos de un mezclador estático nuevo y siete mezcladores estándar comúnmente utilizados en la industria.Los datos de las Figuras 8 y 9, así como los cálculos presentados en la Tabla 2, muestran que el mezclador estático de Mott puede proporcionar una atenuación de onda sinusoidal de hasta el 98,1 %, lo que supera con creces el rendimiento de un mezclador de HPLC convencional en estas condiciones de prueba.Figura 9. Compensación de la señal del detector HPLC UV frente al gráfico de tiempo para el caso 2 (metanol y acetona como trazadores) que no muestra mezclador estático (combinado), una nueva serie de mezcladores estáticos Mott y dos mezcladores convencionales (las compensaciones de datos reales son 0, 11 (sin mezclador), 0,22, 0,3, 0,35 mA y para una mejor visualización).También se evaluaron siete mezcladores de uso común en la industria.Estos incluyen mezcladores con tres volúmenes internos diferentes de la empresa A (designada Mixer A1, A2 y A3) y la empresa B (designada Mixer B1, B2 y B3).La empresa C solo calificó una talla.
Tabla 2. Características de agitación del mezclador estático y volumen interno Mezclador estático Caso 1 Recuperación sinusoidal: prueba de acetonitrilo (eficiencia) Caso 2 Recuperación sinusoidal: prueba de agua con metanol (eficiencia) Volumen interno (µl) Sin mezclador – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 9 7,5% 90 Mezclador A1 66,4% 73,7% 50 Mezclador A2 89,8% 91,6% 150 Mezclador A3 92,2% 94,5% 250 Mezclador B1 44,8% 45,7% 9 35 Mezclador B2 845,% 96,2% 370 Mezclador C 97,2% 97,4% 250
El análisis de los resultados en la Figura 8 y la Tabla 2 muestra que el mezclador estático Mott de 30 µl tiene la misma eficiencia de mezclado que el mezclador A1, es decir, 50 µl, sin embargo, el Mott de 30 µl tiene un 30% menos de volumen interno.Al comparar el mezclador Mott de 60 µl con el mezclador A2 de volumen interno de 150 µl, hubo una ligera mejora en la eficiencia de mezclado del 92 % frente al 89 %, pero lo que es más importante, este mayor nivel de mezclado se logró a 1/3 del volumen del mezclador.mezclador similar A2.El rendimiento del mezclador Mott de 90 µl siguió la misma tendencia que el mezclador A3 con un volumen interno de 250 µl.También se observaron mejoras en el rendimiento de mezcla del 98 % y 92 % con una reducción de 3 veces en el volumen interno.Se obtuvieron resultados y comparaciones similares para los mezcladores B y C. Como resultado, la nueva serie de mezcladores estáticos Mott PerfectPeakTM proporciona una mayor eficiencia de mezcla que los mezcladores comparables de la competencia, pero con menos volumen interno, proporcionando un mejor ruido de fondo y una mejor relación señal-ruido, mejor sensibilidad Analito, forma de pico y resolución de pico.Se observaron tendencias similares en la eficiencia de la mezcla en los estudios del Caso 1 y el Caso 2.Para el Caso 2, se realizaron pruebas usando (metanol y acetona como indicadores) para comparar la eficiencia de mezclado de 60 ml de Mott, un mezclador A1 comparable (volumen interno 50 µl) y un mezclador B1 comparable (volumen interno 35 µl)., el rendimiento fue deficiente sin un mezclador instalado, pero se utilizó para el análisis de referencia.El mezclador Mott de 60 ml demostró ser el mejor mezclador del grupo de prueba, proporcionando un aumento del 90 % en la eficiencia de mezclado.Una mezcladora A1 comparable experimentó una mejora del 75 % en la eficiencia de mezcla seguida de una mejora del 45 % en una mezcladora B1 comparable.Se llevó a cabo una prueba básica de reducción de onda sinusoidal con caudal en una serie de mezcladores en las mismas condiciones que la prueba de curva sinusoidal en el Caso 1, cambiando solo el caudal.Los datos mostraron que en el rango de caudales de 0,25 a 1 ml/min, la disminución inicial de la onda sinusoidal se mantuvo relativamente constante para los tres volúmenes del mezclador.Para los dos mezcladores de menor volumen, hay un ligero aumento en la contracción sinusoidal a medida que disminuye el caudal, lo que se espera debido al mayor tiempo de residencia del solvente en el mezclador, lo que permite una mayor difusión del mezclado.Se espera que la resta de la onda sinusoidal aumente a medida que el flujo disminuye aún más.Sin embargo, para el volumen de mezclador más grande con la atenuación de base de onda sinusoidal más alta, la atenuación de base de onda sinusoidal se mantuvo prácticamente sin cambios (dentro del rango de incertidumbre experimental), con valores que oscilan entre 95% y 98%.Arroz.10. Atenuación básica de una onda sinusoidal versus caudal del caso 1. El ensayo se realizó en condiciones similares a la prueba sinusoidal con caudal variable, inyectando un 80% de una mezcla 80/20 de acetonitrilo y agua y un 20% de acetato de amonio 20 mM.
La gama recientemente desarrollada de mezcladores estáticos en línea PerfectPeakTM patentados con tres volúmenes internos: 30 µl, 60 µl y 90 µl cubre el rango de volumen y rendimiento de mezcla requerido para la mayoría de los análisis de HPLC que requieren una mezcla mejorada y pisos de baja dispersión.El nuevo mezclador estático logra esto mediante el uso de nueva tecnología de impresión 3D para crear una estructura 3D única que proporciona una mezcla estática hidrodinámica mejorada con el mayor porcentaje de reducción en el ruido base por unidad de volumen de mezcla interna.Usar 1/3 del volumen interno de un mezclador convencional reduce el ruido base en un 98%.Dichos mezcladores consisten en canales de flujo tridimensionales interconectados con diferentes áreas de sección transversal y diferentes longitudes de camino a medida que el líquido cruza barreras geométricas complejas en su interior.La nueva familia de mezcladores estáticos ofrece un mejor rendimiento que los mezcladores de la competencia, pero con menos volumen interno, lo que da como resultado una mejor relación señal-ruido y límites de cuantificación más bajos, así como una mejor forma de pico, eficiencia y resolución para una mayor sensibilidad.
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