Um novo e revolucionário misturador estático em linha foi desenvolvido especificamente para atender aos rigorosos requisitos dos sistemas de cromatografia líquida de alta performance (HPLC) e cromatografia líquida de ultra alta performance (HPLC e UHPLC).A mistura inadequada de duas ou mais fases móveis pode resultar em uma relação sinal-ruído mais alta, o que reduz a sensibilidade.A mistura estática homogênea de dois ou mais fluidos com um volume interno mínimo e dimensões físicas de um misturador estático representa o mais alto padrão de um misturador estático ideal.O novo misturador estático consegue isso usando a nova tecnologia de impressão 3D para criar uma estrutura 3D exclusiva que fornece mistura estática hidrodinâmica aprimorada com a maior redução percentual na onda senoidal base por unidade de volume interno da mistura.Usar 1/3 do volume interno de um mixer convencional reduz a onda senoidal básica em 98%.O misturador consiste em canais de fluxo 3D interconectados com áreas de seção transversal variadas e comprimentos de caminho à medida que o fluido atravessa geometrias 3D complexas.A mistura ao longo de vários caminhos de fluxo tortuosos, combinados com turbulência local e redemoinhos, resulta na mistura nas escalas micro, meso e macro.Este misturador exclusivo foi projetado usando simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD).Os dados de teste apresentados mostram que uma mistura excelente é alcançada com um volume interno mínimo.
Por mais de 30 anos, a cromatografia líquida tem sido usada em muitas indústrias, incluindo farmacêutica, pesticidas, proteção ambiental, forense e análise química.A capacidade de medir partes por milhão ou menos é fundamental para o desenvolvimento tecnológico em qualquer setor.A baixa eficiência de mistura leva a uma baixa relação sinal-ruído, o que é um incômodo para a comunidade de cromatografia em termos de limites de detecção e sensibilidade.Ao misturar dois solventes de HPLC, às vezes é necessário forçar a mistura por meios externos para homogeneizar os dois solventes porque alguns solventes não se misturam bem.Se os solventes não forem bem misturados, pode ocorrer degradação do cromatograma de HPLC, manifestando-se como ruído de linha de base excessivo e/ou forma de pico ruim.Com uma mixagem ruim, o ruído da linha de base aparecerá como uma onda senoidal (aumento e queda) do sinal do detector ao longo do tempo.Ao mesmo tempo, uma mistura inadequada pode levar a picos assimétricos e de alargamento, reduzindo o desempenho analítico, a forma e a resolução do pico.A indústria reconheceu que os misturadores estáticos em linha e em T são um meio de melhorar esses limites e permitir que os usuários alcancem limites de detecção mais baixos (sensibilidades).O misturador estático ideal combina os benefícios de alta eficiência de mistura, baixo volume morto e baixa queda de pressão com volume mínimo e rendimento máximo do sistema.Além disso, à medida que a análise se torna mais complexa, os analistas devem usar rotineiramente solventes mais polares e difíceis de misturar.Isso significa que uma mixagem melhor é obrigatória para testes futuros, aumentando ainda mais a necessidade de design e desempenho superiores do mixer.
A Mott desenvolveu recentemente uma nova linha de misturadores estáticos em linha PerfectPeakTM patenteados com três volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl.Esses tamanhos cobrem a faixa de volumes e características de mistura necessárias para a maioria dos testes de HPLC, onde são necessárias uma melhor mistura e baixa dispersão.Todos os três modelos têm 0,5" de diâmetro e oferecem desempenho líder do setor em um design compacto.Eles são feitos de aço inoxidável 316L, passivado para inércia, mas também estão disponíveis titânio e outras ligas metálicas resistentes à corrosão e quimicamente inertes.Esses misturadores têm uma pressão operacional máxima de até 20.000 psi.Na fig.1a é uma fotografia de um misturador estático Mott de 60 µl projetado para fornecer a máxima eficiência de mistura enquanto usa um volume interno menor do que os misturadores padrão deste tipo.Este novo projeto de misturador estático usa uma nova tecnologia de fabricação aditiva para criar uma estrutura 3D exclusiva que usa menos fluxo interno do que qualquer misturador usado atualmente na indústria de cromatografia para obter mistura estática.Esses misturadores consistem em canais de fluxo tridimensionais interconectados com diferentes áreas de seção transversal e diferentes comprimentos de caminho à medida que o líquido atravessa barreiras geométricas complexas no interior.Na fig.A Figura 1b mostra um diagrama esquemático do novo misturador, que usa acessórios de compressão HPLC com rosca 10-32 padrão da indústria para entrada e saída, e tem bordas azuis sombreadas da porta patenteada do misturador interno.Diferentes áreas de seção transversal dos caminhos de fluxo interno e mudanças na direção do fluxo dentro do volume de fluxo interno criam regiões de fluxo turbulento e laminar, causando mistura nas escalas micro, meso e macro.O projeto deste misturador exclusivo usou simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) para analisar padrões de fluxo e refinar o projeto antes da prototipagem para testes analíticos internos e avaliação de campo do cliente.A manufatura aditiva é o processo de impressão de componentes geométricos 3D diretamente de desenhos CAD sem a necessidade de usinagem tradicional (fresadoras, tornos, etc.).Esses novos misturadores estáticos são projetados para serem fabricados usando este processo, onde o corpo do misturador é criado a partir de desenhos CAD e as peças são fabricadas (impressas) camada por camada usando manufatura aditiva.Aqui, uma camada de pó de metal com cerca de 20 mícrons de espessura é depositada e um laser controlado por computador derrete e funde seletivamente o pó em uma forma sólida.Aplique outra camada em cima desta camada e aplique sinterização a laser.Repita esse processo até que a peça esteja completamente acabada.O pó é então removido da peça não colada a laser, deixando uma peça impressa em 3D que corresponde ao desenho CAD original.O produto final é um pouco semelhante ao processo microfluídico, com a principal diferença sendo que os componentes microfluídicos são geralmente bidimensionais (planos), enquanto usando manufatura aditiva, padrões de fluxo complexos podem ser criados em geometria tridimensional.Essas torneiras estão atualmente disponíveis como peças impressas em 3D em aço inoxidável 316L e titânio.A maioria das ligas metálicas, polímeros e algumas cerâmicas podem ser usadas para fabricar componentes usando esse método e serão consideradas em projetos/produtos futuros.
Arroz.1. Fotografia (a) e diagrama (b) de um misturador estático Mott de 90 μl mostrando uma seção transversal do caminho do fluxo do fluido do misturador sombreado em azul.
Execute simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) do desempenho do misturador estático durante a fase de projeto para ajudar a desenvolver projetos eficientes e reduzir experimentos de tentativa e erro demorados e caros.Simulação CFD de misturadores estáticos e tubulação padrão (simulação sem misturador) usando o pacote de software COMSOL Multiphysics.Modelagem usando mecânica de fluidos laminar acionada por pressão para entender a velocidade e a pressão do fluido dentro de uma peça.Essa dinâmica de fluidos, combinada com o transporte químico de compostos da fase móvel, ajuda a entender a mistura de dois líquidos concentrados diferentes.O modelo é estudado em função do tempo, igual a 10 segundos, para facilitar o cálculo na busca de soluções comparáveis.Os dados teóricos foram obtidos em um estudo correlacionado no tempo utilizando a ferramenta de projeção point probe, onde um ponto no meio da saída foi escolhido para a coleta de dados.O modelo CFD e os testes experimentais usaram dois solventes diferentes por meio de uma válvula de amostragem proporcional e sistema de bombeamento, resultando em um plugue de substituição para cada solvente na linha de amostragem.Esses solventes são então misturados em um misturador estático.As Figuras 2 e 3 mostram simulações de fluxo através de um tubo padrão (sem misturador) e através de um misturador estático Mott, respectivamente.A simulação foi executada em um tubo reto de 5 cm de comprimento e 0,25 mm DI para demonstrar o conceito de tampões alternados de água e acetonitrila pura no tubo na ausência de um misturador estático, conforme mostrado na Figura 2. A simulação usou as dimensões exatas do tubo e do misturador e uma taxa de fluxo de 0,3 ml/min.
Arroz.2. Simulação do fluxo de CFD em um tubo de 5 cm com diâmetro interno de 0,25 mm para representar o que ocorre em um tubo de HPLC, ou seja, na ausência de misturador.O vermelho completo representa a fração de massa de água.Azul representa a falta de água, ou seja, acetonitrila pura.Regiões de difusão podem ser vistas entre plugues alternados de dois líquidos diferentes.
Arroz.3. Misturador estático com volume de 30 ml, modelado no pacote de software COMSOL CFD.A legenda representa a fração de massa de água no misturador.Água pura é mostrada em vermelho e acetonitrila pura em azul.A mudança na fração de massa da água simulada é representada por uma mudança na cor da mistura de dois líquidos.
Na fig.4 mostra um estudo de validação do modelo de correlação entre eficiência de mistura e volume de mistura.À medida que o volume de mistura aumenta, a eficiência da mistura também aumenta.Para o conhecimento dos autores, outras forças físicas complexas atuando dentro do misturador não podem ser contabilizadas neste modelo CFD, resultando em maior eficiência de mistura em testes experimentais.A eficiência de mistura experimental foi medida como a redução percentual na senóide de base.Além disso, o aumento da contrapressão geralmente resulta em níveis de mistura mais altos, que não são levados em consideração na simulação.
As seguintes condições de HPLC e configuração de teste foram usadas para medir ondas senoidais brutas para comparar o desempenho relativo de diferentes misturadores estáticos.O diagrama na Figura 5 mostra um layout de sistema HPLC/UHPLC típico.O misturador estático foi testado colocando o misturador diretamente após a bomba e antes do injetor e da coluna de separação.A maioria das medições senoidais de fundo são feitas ignorando o injetor e a coluna capilar entre o misturador estático e o detector de UV.Ao avaliar a relação sinal-ruído e/ou analisar a forma do pico, a configuração do sistema é mostrada na Figura 5.
Figura 4. Gráfico de eficiência de mistura versus volume de mistura para uma variedade de misturadores estáticos.A impureza teórica segue a mesma tendência que os dados de impureza experimental, confirmando a validade das simulações de CFD.
O sistema HPLC usado para este teste foi um HPLC Agilent 1100 Series com um detector de UV controlado por um PC executando o software Chemstation.A Tabela 1 mostra as condições típicas de ajuste para medir a eficiência do mixer monitorando senoides básicas em dois estudos de caso.Testes experimentais foram realizados em dois exemplos diferentes de solventes.Os dois solventes misturados no caso 1 foram o solvente A (acetato de amônio 20 mM em água deionizada) e o solvente B (80% de acetonitrila (ACN)/20% de água desionizada).No Caso 2, o solvente A era uma solução de 0,05% de acetona (rótulo) em água deionizada.O solvente B é uma mistura de 80/20% de metanol e água.No caso 1, a bomba foi ajustada para uma vazão de 0,25 ml/min a 1,0 ml/min, e no caso 2, a bomba foi ajustada para uma vazão constante de 1 ml/min.Em ambos os casos, a proporção da mistura dos solventes A e B foi de 20% A/80% B. O detector foi ajustado para 220 nm no caso 1, e a absorção máxima de acetona no caso 2 foi ajustada para um comprimento de onda de 265 nm.
Tabela 1. Configurações de HPLC para os Casos 1 e 2 Caso 1 Caso 2 Velocidade da bomba 0,25 ml/min a 1,0 ml/min 1,0 ml/min Solvente A Acetato de amônio 20 mM em água deionizada 0,05% Acetona em água deionizada Solvente B 80% Acetonitrila (ACN) / 20% água deionizada 80% metanol / 20% água deionizada Taxa de solvente 2 0% A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Arroz.6. Gráficos de ondas senoidais mistas medidas antes e depois da aplicação de um filtro passa-baixo para remover os componentes de desvio da linha de base do sinal.
A Figura 6 é um exemplo típico de ruído de linha de base misto no Caso 1, mostrado como um padrão senoidal repetitivo sobreposto ao desvio da linha de base.O desvio da linha de base é um aumento ou diminuição lenta no sinal de fundo.Se não for permitido que o sistema se equilibre por tempo suficiente, ele geralmente cairá, mas se desviará erraticamente mesmo quando o sistema estiver completamente estável.Esse desvio da linha de base tende a aumentar quando o sistema está operando em gradiente acentuado ou em condições de alta contrapressão.Quando esse desvio da linha de base está presente, pode ser difícil comparar os resultados de uma amostra para outra, o que pode ser superado aplicando um filtro passa-baixo aos dados brutos para filtrar essas variações de baixa frequência, fornecendo assim um gráfico de oscilação com uma linha de base plana.Na fig.A Figura 6 também mostra um gráfico do ruído de linha de base do mixer após a aplicação de um filtro passa-baixo.
Depois de completar as simulações de CFD e testes experimentais iniciais, três misturadores estáticos separados foram subsequentemente desenvolvidos usando os componentes internos descritos acima com três volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl.Essa faixa cobre a faixa de volumes e desempenho de mistura necessários para aplicações de HPLC de baixo analito, onde mistura aprimorada e baixa dispersão são necessárias para produzir linhas de base de baixa amplitude.Na fig.7 mostra medições básicas de onda senoidal obtidas no sistema de teste do Exemplo 1 (acetonitrila e acetato de amônio como marcadores) com três volumes de misturadores estáticos e sem misturadores instalados.As condições de teste experimentais para os resultados mostrados na Figura 7 foram mantidas constantes ao longo de todos os 4 testes de acordo com o procedimento descrito na Tabela 1 a uma taxa de fluxo de solvente de 0,5 ml/min.Aplique um valor de deslocamento aos conjuntos de dados para que possam ser exibidos lado a lado sem sobreposição de sinal.Offset não afeta a amplitude do sinal usado para avaliar o nível de desempenho do mixer.A amplitude senoidal média sem o misturador foi de 0,221 mAi, enquanto as amplitudes dos misturadores Mott estáticos em 30 µl, 60 µl e 90 µl caíram para 0,077, 0,017 e 0,004 mAi, respectivamente.
Figura 7. Compensação de Sinal do Detector de UV HPLC vs. Tempo para o Caso 1 (acetonitrila com indicador de acetato de amônio) mostrando mistura de solvente sem misturador, misturadores Mott de 30 µl, 60 µl e 90 µl mostrando mistura aprimorada (amplitude de sinal mais baixa) à medida que o volume do misturador estático aumenta.(offsets de dados reais: 0,13 (sem mixer), 0,32, 0,4, 0,45mA para melhor exibição).
Os dados mostrados na fig.8 são os mesmos da Fig. 7, mas desta vez eles incluem os resultados de três misturadores estáticos de HPLC comumente usados ​​com volumes internos de 50 µl, 150 µl e 250 µl.Arroz.Figura 8. Deslocamento do sinal do detector de UV HPLC versus gráfico de tempo para o caso 1 (acetonitrila e acetato de amônio como indicadores) mostrando a mistura de solvente sem misturador estático, a nova série de misturadores estáticos Mott e três misturadores convencionais (deslocamento de dados real é 0,1 (sem misturador), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA, respectivamente, para melhor efeito de exibição).A redução percentual da onda senoidal base é calculada pela razão entre a amplitude da onda senoidal e a amplitude sem o mixer instalado.As porcentagens de atenuação de onda senoidal medidas para os Casos 1 e 2 estão listadas na Tabela 2, juntamente com os volumes internos de um novo misturador estático e sete misturadores padrão comumente usados ​​na indústria.Os dados nas Figuras 8 e 9, bem como os cálculos apresentados na Tabela 2, mostram que o Mott Static Mixer pode fornecer até 98,1% de atenuação de onda senoidal, excedendo em muito o desempenho de um misturador HPLC convencional nessas condições de teste.Figura 9. Deslocamento do sinal do detector HPLC UV versus gráfico de tempo para o caso 2 (metanol e acetona como rastreadores) mostrando nenhum misturador estático (combinado), uma nova série de misturadores estáticos Mott e dois misturadores convencionais (deslocamentos de dados reais são 0, 11 (sem misturador.), 0,22, 0,3, 0,35 mA e para melhor exibição).Também foram avaliados sete misturadores comumente usados ​​na indústria.Estes incluem misturadores com três volumes internos diferentes da empresa A (designada Mixer A1, A2 e A3) e da empresa B (designada Mixer B1, B2 e B3).A empresa C classificou apenas um tamanho.
Tabela 2. Características de agitação do misturador estático e volume interno Misturador estático Caso 1 Recuperação senoidal: Teste de acetonitrila (Eficiência) Caso 2 Recuperação senoidal: Teste de metanol Água (Eficiência) Volume interno (µl) Sem misturador – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1 % 97,5% 90 Misturador A1 66,4% 73,7% 50 Misturador A2 89,8% 91,6% 150 Misturador A3 92,2% 94,5% 250 Misturador B1 44,8% 45,7% 9 35 Misturador B2 845,% 96,2% 370 Misturador C 97,2% 97. 4% 250
A análise dos resultados da Figura 8 e Tabela 2 mostra que o misturador estático Mott de 30 µl tem a mesma eficiência de mistura do misturador A1, ou seja, 50 µl, porém o Mott de 30 µl tem 30% menos volume interno.Ao comparar o misturador Mott de 60 µl com o misturador A2 de 150 µl de volume interno, houve uma ligeira melhora na eficiência de mistura de 92% versus 89%, mas mais importante, esse nível mais alto de mistura foi alcançado em 1/3 do volume do misturador.misturador semelhante A2.O desempenho do misturador Mott de 90 µl seguiu a mesma tendência do misturador A3 com volume interno de 250 µl.Melhorias no desempenho de mistura de 98% e 92% também foram observadas com uma redução de 3 vezes no volume interno.Resultados e comparações semelhantes foram obtidos para os mixers B e C. Como resultado, a nova série de mixers estáticos Mott PerfectPeakTM oferece maior eficiência de mixagem do que os mixers concorrentes comparáveis, mas com menos volume interno, proporcionando melhor ruído de fundo e melhor relação sinal-ruído, melhor sensibilidade Analyte, forma de pico e resolução de pico.Tendências semelhantes na eficiência da mistura foram observadas nos estudos de Caso 1 e Caso 2.Para o Caso 2, foram realizados testes usando (metanol e acetona como indicadores) para comparar a eficiência de mistura de 60 ml Mott, um misturador comparável A1 (volume interno 50 µl) e um misturador comparável B1 (volume interno 35 µl)., o desempenho era ruim sem um mixer instalado, mas foi usado para análise de linha de base.O misturador Mott de 60 ml provou ser o melhor misturador do grupo de teste, proporcionando um aumento de 90% na eficiência da mistura.Um misturador A1 comparável teve uma melhoria de 75% na eficiência de mistura, seguida por uma melhoria de 45% em um misturador B1 comparável.Um teste básico de redução da onda senoidal com vazão foi realizado em uma série de misturadores nas mesmas condições do teste da curva senoidal do Caso 1, com apenas a mudança da vazão.Os dados mostraram que na faixa de taxas de fluxo de 0,25 a 1 ml/min, a diminuição inicial na onda senoidal permaneceu relativamente constante para todos os três volumes do misturador.Para os dois misturadores de menor volume, há um leve aumento na contração senoidal à medida que a vazão diminui, o que é esperado devido ao aumento do tempo de residência do solvente no misturador, permitindo maior difusão da mistura.Espera-se que a subtração da onda senoidal aumente à medida que o fluxo diminui ainda mais.No entanto, para o maior volume do misturador com a maior atenuação de base de onda senoidal, a atenuação de base de onda senoidal permaneceu praticamente inalterada (dentro da faixa de incerteza experimental), com valores variando de 95% a 98%.Arroz.10. Atenuação básica de uma onda senoidal versus vazão no caso 1. O teste foi realizado em condições semelhantes ao teste senoidal com vazão variável, injetando 80% de uma mistura 80/20 de acetonitrila e água e 20% de acetato de amônio 20 mM.
A gama recém-desenvolvida de misturadores estáticos em linha PerfectPeakTM patenteados com três volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl abrange o volume e a faixa de desempenho de mistura necessários para a maioria das análises de HPLC que exigem mistura aprimorada e pisos de baixa dispersão.O novo misturador estático consegue isso usando a nova tecnologia de impressão 3D para criar uma estrutura 3D exclusiva que fornece mistura estática hidrodinâmica aprimorada com a maior redução percentual no ruído de base por unidade de volume da mistura interna.Usar 1/3 do volume interno de um mixer convencional reduz o ruído de base em 98%.Esses misturadores consistem em canais de fluxo tridimensionais interconectados com diferentes áreas de seção transversal e diferentes comprimentos de caminho à medida que o líquido atravessa barreiras geométricas complexas no interior.A nova família de mixers estáticos oferece desempenho aprimorado em relação aos mixers concorrentes, mas com menos volume interno, resultando em melhor relação sinal-ruído e limites de quantificação mais baixos, bem como formato de pico, eficiência e resolução aprimorados para maior sensibilidade.
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